本發(fā)明涉及加速器物理束流診斷領(lǐng)域，尤其涉及一種測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位的方法。

背景技術(shù)：

在粒子加速器中，儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)的束團(tuán)會(huì)相對(duì)于理想粒子做周期性的縱向運(yùn)動(dòng)，特別是在注入過(guò)程中會(huì)有明顯的縱向振蕩?？v向振蕩會(huì)帶來(lái)束流注入效率降低、能散增大等問(wèn)題，因此需要對(duì)逐束團(tuán)的縱向相位進(jìn)行精確測(cè)量，為研究振蕩及其抑制方法，提高加速器運(yùn)行性能提供應(yīng)用工具。

由于束團(tuán)長(zhǎng)度一般為幾個(gè)ps(皮秒)，因此束團(tuán)縱向相位的測(cè)量精度需要達(dá)到幾十fs(飛秒)。當(dāng)前逐束團(tuán)縱向相位的測(cè)量方法主要有利用條紋相機(jī)和示波器兩種。條紋相機(jī)通過(guò)測(cè)量逐束團(tuán)電子產(chǎn)生的同步光進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量，但其分辨率較低，約200fs，且需要進(jìn)行圖像分析實(shí)時(shí)性不高，同時(shí)條紋相機(jī)的價(jià)格也比較昂貴；也可利用高速采集(采樣率達(dá)幾十GHz)示波器采樣儲(chǔ)存環(huán)上紐扣電極信號(hào)，由示波器CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，但高速率示波器的采樣位數(shù)較低(一般為八位)，且由于數(shù)據(jù)量較大，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)(10秒左右)，同時(shí)高性能示波器的價(jià)格非常昂貴。在FEL(自由電子激光裝置)中采用的電光采樣法測(cè)量束流到達(dá)時(shí)間，精度可達(dá)到幾十fs。該方法利用與FEL定時(shí)同步的短脈沖激光信號(hào)與待測(cè)位置的腔式探頭輸出的電信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，輸出調(diào)制光的信號(hào)強(qiáng)度與束流到達(dá)時(shí)的相位有關(guān)，通過(guò)檢測(cè)調(diào)制后的激光信號(hào)強(qiáng)度可精確測(cè)量束流到達(dá)時(shí)間。該方法利用的腔式探頭在電子儲(chǔ)存環(huán)上無(wú)法使用，且需要激光器，設(shè)備成本較高。

為了解決上述問(wèn)題，期望獲得一種測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位的方法，該方法可精確測(cè)量粒子加速器中束團(tuán)的縱向相位，測(cè)量分辨率可達(dá)幾十fs，從而為研究束團(tuán)振蕩及其抑制方法、提高加速器運(yùn)行性能提供有效的應(yīng)用工具。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位的方法，該方法可精確測(cè)量粒子加速器中束團(tuán)的縱向相位，測(cè)量分辨率可達(dá)幾十fs，從而為研究束團(tuán)振蕩及其抑制方法、提高加速器運(yùn)行性能提供有效的應(yīng)用工具。

根據(jù)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出了一種測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位的方法，所述粒子加速器包括粒子儲(chǔ)存環(huán)，所述方法包括以下步驟：

(1)從粒子儲(chǔ)存環(huán)上引出同步光，生成相應(yīng)的同步光信號(hào)；從粒子儲(chǔ)存環(huán)上引出高頻時(shí)鐘信號(hào)；

(2)采用所述高頻時(shí)鐘信號(hào)對(duì)所述同步光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，輸出調(diào)制光信號(hào)；

(3)將所述調(diào)制光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)；

(4)采用所述高頻時(shí)鐘信號(hào)作為采樣時(shí)鐘對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行采樣，基于采樣后的電信號(hào)幅度獲得所述束團(tuán)縱向相位。

本發(fā)明所述的測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位的方法，其直接利用粒子儲(chǔ)存環(huán)上的同步光生成同步光信號(hào)，不需要提供額外的超短激光設(shè)備，同時(shí)直接使用粒子儲(chǔ)存環(huán)上的高頻時(shí)鐘信號(hào)作為調(diào)整信號(hào)，也不需要額外的束流探測(cè)設(shè)備(如紐扣電極)，并且可達(dá)到幾十fs的束團(tuán)的縱向相位測(cè)量分辨率，因此相較于束流到達(dá)時(shí)間測(cè)量中采用的電光采樣方法成本更低，同時(shí)也更加簡(jiǎn)潔、可靠。

本發(fā)明方案中，步驟(2)使得所述調(diào)制光信號(hào)的各幅度與所述高頻時(shí)鐘信號(hào)的各周期之間具有對(duì)應(yīng)性，而步驟(3)和步驟(4)可以獲得該對(duì)應(yīng)性，從而獲得所述束團(tuán)縱向相位。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位的方法中，所述步驟(1)中，從粒子儲(chǔ)存環(huán)上的二極磁鐵處引出同步光。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位的方法中，所述步驟(1)中，將所述同步光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光得到所述同步光信號(hào)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述或上述任一測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位的方法中，所述步驟(1)中，利用同步光診斷線引出同步光并生成相應(yīng)的同步光信號(hào)。

上述方案中，通常儲(chǔ)存環(huán)上具有所述光學(xué)診斷線，因此可直接利用儲(chǔ)存環(huán)上的光學(xué)診斷線提供所述同步光信號(hào)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位的方法中，所述高頻時(shí)鐘信號(hào)的頻率為499.654MHz。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位的方法中，所述步驟(2)中，采用電光調(diào)制器進(jìn)行所述調(diào)制。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位的方法中，所述步驟(3)中，采用光電轉(zhuǎn)換器進(jìn)行所述轉(zhuǎn)換。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位的方法中，所述步驟(3)和步驟(4)中，所述電信號(hào)為電壓信號(hào)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位的方法中，所述步驟(4)中，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行所述采樣。

進(jìn)一步地，上述測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位的方法中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的帶寬大于500MHz。

本發(fā)明所述的測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

(1)直接利用粒子儲(chǔ)存環(huán)上的同步光生成同步光信號(hào)，不需要提供額外的超短激光設(shè)備。

(2)直接使用粒子儲(chǔ)存環(huán)上的高頻時(shí)鐘信號(hào)作為調(diào)整信號(hào)，不需要額外的束流探測(cè)設(shè)備(如紐扣電極)。

(3)可達(dá)到幾十fs的束團(tuán)的縱向相位測(cè)量分辨率。

(4)相較于束流到達(dá)時(shí)間測(cè)量中采用的電光采樣方法成本更低，同時(shí)也更加簡(jiǎn)潔、可靠。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述的測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位的方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明所述的測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位的方法的原理圖。

圖3為圖2中的調(diào)制原理圖。

圖4為圖2中的采樣原理圖。

圖5為本發(fā)明所述的測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位方法在一種實(shí)施方式下的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位的方法做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

圖1顯示了本發(fā)明所述的測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位的方法的流程，圖2顯示了本發(fā)明所述的測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位的方法的原理，圖3和圖4分別示意了圖2中的調(diào)制原理和采樣原理。

如圖1所示，結(jié)合參考圖2-圖4，本發(fā)明所述的測(cè)量粒子加速器束團(tuán)縱向相位的方法中，粒子加速器包括粒子儲(chǔ)存環(huán)，該方法包括步驟：

(1)從粒子儲(chǔ)存環(huán)1上引出同步光，生成相應(yīng)的同步光信號(hào)A；從粒子儲(chǔ)存環(huán)1上引出高頻時(shí)鐘信號(hào)B；

(2)采用高頻時(shí)鐘信號(hào)B對(duì)同步光信號(hào)A進(jìn)行調(diào)制，輸出調(diào)制光信號(hào)C；

(3)將調(diào)制光信號(hào)C轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)D(見(jiàn)圖4)；

(4)采用高頻時(shí)鐘信號(hào)B作為采樣時(shí)鐘對(duì)電信號(hào)D進(jìn)行采樣，基于采樣后的電信號(hào)D幅度獲得上述束團(tuán)縱向相位。

上述方案中，步驟(2)使得調(diào)制光信號(hào)C的各幅度(如圖2中示例的C1、C2和C3)與高頻時(shí)鐘信號(hào)B的各周期(如圖2-圖4中示例的B1、B2和B3)之間具有對(duì)應(yīng)性。而步驟(3)和步驟(4)可以獲得該對(duì)應(yīng)性，從而獲得上述束團(tuán)縱向相位。具體來(lái)說(shuō)，如圖3所示，步驟(2)采用具有若干周期(如圖2-圖4中示例的B1、B2和B3)的高頻時(shí)鐘信號(hào)B對(duì)同步光信號(hào)A進(jìn)行調(diào)制，輸出調(diào)制光信號(hào)C(見(jiàn)圖2)，因此，調(diào)制光信號(hào)C的各幅度(如圖2中示例的C1、C2和C3)與高頻時(shí)鐘信號(hào)B的各周期(如圖2-圖4中示例的B1、B2和B3)之間具有對(duì)應(yīng)性。之后步驟(3)將調(diào)制光信號(hào)C轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)D。如圖4所示，步驟(4)采用高頻時(shí)鐘信號(hào)B作為采樣時(shí)鐘對(duì)電信號(hào)D進(jìn)行采樣，因此，采樣后的電信號(hào)D的各幅度(如圖4中示例的D1、D2和D3)與高頻時(shí)鐘信號(hào)B的各周期(如圖2-圖4中示例的B1、B2和B3)之間具有對(duì)應(yīng)性。由于高頻時(shí)鐘信號(hào)B的各周期(如圖2-圖4中示例的B1、B2和B3)對(duì)應(yīng)的相位是已知的，同時(shí)可以基于采樣后的電信號(hào)D的各幅度(如圖4中示例的D1、D2和D3)計(jì)算同步光信號(hào)A的相位與高頻時(shí)鐘信號(hào)B的各周期之間的相位差，從而可以獲得同步光信號(hào)A的相位，即上述束團(tuán)縱向相位。

在某些實(shí)施方式中，在步驟(1)中，從粒子儲(chǔ)存環(huán)上的二極磁鐵處引出同步光。

在某些實(shí)施方式中，在步驟(1)中，將同步光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光得到同步光信號(hào)A。

在某些實(shí)施方式中，在步驟(1)中，利用同步光診斷線5引出同步光并生成相應(yīng)的同步光信號(hào)A。

在某些實(shí)施方式中，高頻時(shí)鐘信號(hào)B的頻率為499.654MHz。

在某些實(shí)施方式中，在步驟(2)中，采用電光調(diào)制器2進(jìn)行調(diào)制。

在某些實(shí)施方式中，在步驟(3)中，采用光電轉(zhuǎn)換器3進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

在某些實(shí)施方式中，在步驟(3)和步驟(4)中，電信號(hào)D為電壓信號(hào)。

在某些實(shí)施方式中，在步驟(4)中，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器4進(jìn)行采樣。其中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器4的帶寬大于500MHz。

下面給出本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例。圖5示意了該實(shí)施例的流程。

如圖5所示，結(jié)合參考圖2-圖4，該實(shí)施例的測(cè)量粒子加速器束流縱向相位的方法包括以下步驟：

步驟110：利用現(xiàn)有同步光診斷線5從粒子儲(chǔ)存環(huán)1二極磁鐵處引出同步光并轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光得到同步光信號(hào)A；

步驟120：將粒子儲(chǔ)存環(huán)1的高頻時(shí)鐘信號(hào)B(其頻率約為499.654MHz)通過(guò)電纜引出，分成兩路，一路用于與步驟110產(chǎn)生的同步光信號(hào)A進(jìn)行調(diào)制，另一路作為采樣時(shí)鐘；

步驟130：將步驟110與步驟120中獲得的同步光信號(hào)A、高頻時(shí)鐘信號(hào)B在電光調(diào)制器2中進(jìn)行調(diào)制，輸出調(diào)制光信號(hào)C；

步驟140：將步驟130輸出的調(diào)制光信號(hào)C利用光電轉(zhuǎn)換器3轉(zhuǎn)換成電信號(hào)D，該電信號(hào)D為電壓信號(hào)；

步驟150：利用步驟120中的高頻時(shí)鐘信號(hào)B作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器4的采樣時(shí)鐘對(duì)步驟140輸出的電信號(hào)D進(jìn)行數(shù)字化同步采樣，模數(shù)轉(zhuǎn)換器4的采樣率達(dá)到500MHz以上，帶寬大于500MHz，采樣位數(shù)為14位，根據(jù)采樣后的電信號(hào)D幅度獲得束團(tuán)縱向相位。

電光采樣法是一種已有的信號(hào)檢測(cè)方法，用于束流到達(dá)時(shí)間測(cè)量，精度達(dá)到幾十fs，但該方法采用腔式探頭拾取束流信號(hào)無(wú)法用于環(huán)形加速器，且需要使用激光器進(jìn)行調(diào)制，設(shè)備價(jià)格高。而本發(fā)明直接利用粒子儲(chǔ)存環(huán)現(xiàn)有的光學(xué)診斷線信號(hào)作為同步光信號(hào)，不需要提供額外的超短激光設(shè)備，同時(shí)直接使用高頻時(shí)鐘信號(hào)作為參考電信號(hào)，也不需要額外的束流探測(cè)設(shè)備(如紐扣電極)，因此相較于束流到達(dá)時(shí)間測(cè)量中采用的電光采樣方法，使用的設(shè)備成本更低，同時(shí)也更加簡(jiǎn)潔、可靠。

要注意的是，以上列舉的僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，顯然本發(fā)明不限于以上實(shí)施例，隨之有著許多的類(lèi)似變化。本領(lǐng)域的技術(shù)人員如果從本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。