腔式束流位置监测器的设计与实验

1、腔式束流位置监测器的设计与实验英文题名 Design and Experiments for Cavity Beam Position Monitor 关键词 腔式BPM; 物理设计; 相位探测; 校准; 分辨率; 英文关键词 CBPM; Physics Design; Phase Detection; Calibration; Resolution; 中文摘要 本论文的主要内容是研究并设计一个腔式束流位置监测器(腔式BPM),其位置分辨率的目标值是1um1nC。腔式BPM通常安装在装置的注入器、直线加速器以及自由电子激光系统的波荡器等部位,测量束流位置以确保电子束流沿输运轨道的中心轴线传输。

2、腔式BPM与传统的电极型BPM相比有位置分辨率高,测量精度高,稳定性好等优点,因此国际上的各大加速器实验室都对其展开了深入的研究。 本文对腔式BPM的发展历史和最新进展进行了回顾和总结,介绍了SLAC和KEK等研究机构的设计方案和各自的优缺点。详细阐述了腔式BPM的基本原理,包括不同腔型的模式分析,COM-Free BPM原理,并给出了输出信号的理论公式。 使用3D电磁场模拟软件对一个矩形腔式BPM进行了物理设计并给出了设计方案。介绍了信号相位的探测和校准原理,并设计了信号处理电路。 为了验证理论分析的正确性,在现有圆柱形腔式BPM的实验腔上进行了冷测实验。实验中用反射法和传输法测量了TM11

3、0模的频率和品质因数,考察了腔体对基模的抑制度和X-Y方向的交叉隔离度,另外初步验证了同轴波导转换器的优化设计。 在一个圆柱形腔式BPM系统上进行了热测实验. 英文摘要 In this thesis, a Cavity Beam Position Monitor system (CBPM system) is studied and designed, whose position resolution is 1um. The CBPM is often used in injectors, linacs and undulators of Free Electron 摘要 3-4 Abstr

4、act 4 第1章 绪论 9-16 1.1 课题背景 9 1.2 腔式BPM 的国内外研究进展 9-15 1.2.1 国外研究历史 9-14 1.2.2 国内研究进展 14-15 1.3 本论文主要内容 15-16 第2章 腔式BPM 的基本原理 16-30 2.1 传统电极型BPM 的限制 16-17 2.2 腔式BPM 的本征模分析 17-19 2.3 腔式BPM 的磁耦合方式及其优点 19-21 2.4 束流激励谐振腔本征模的基本原理 21-22 2.5 圆柱腔和矩形腔R/Q 的计算公式 22-25 2.5.1 R/Q 的物理意义和一般表达式 22 2.5.2 圆柱腔TM110 模的R/

5、Q 22-24 2.5.3 矩形腔TM210 模的R/Q 24-25 2.6 束团倾斜信号的影响 25-28 2.6.1 束团入射轨迹倾斜的信号 26-27 2.6.2 束团整体倾斜的信号 27-28 2.7 腔式BPM 输出信号的整体表达式 28-30 第3章 腔式BPM 的物理设计 30-57 3.1 腔型的选取 30-32 3.2 矩形腔尺寸、腔长和束管道半径的确定 32-39 3.2.1 矩形腔的工作频率的选取 32 3.2.2 腔体尺寸、腔长和束管道半径的确定 32-39 3.3 腔式BPM 的波导设计 39-45 3.4 腔体尺寸的最终确定 45-49 3.5 同轴波导转换器的物理

6、设计 49-52 3.5.1 5.95GHz 转换器的设计 49-51 3.5.2 6.02933GHz 转换器的设计 51-52 3.6 参考腔的物理设计 52-57 第4章 腔式BPM 的相位探测和信号处理电路的设计 57-68 4.1 相位探测的重要性 57 4.2 相位探测的基本原理 57-59 4.3 相位校准原理 59-60 4.4 腔式BPM 信号处理电路设计方案 60-63 4.5 多束团测量原理及电路设计方案 63-68 4.5.1 多束团连续入射时的信号混叠问题 63-65 4.5.2 多束团信号的分离方法和电路设计方案 65-68 第5章 上海腔式BPM 实验腔的冷测 6

7、8-92 5.1 上海腔式BPM 实验腔简介 68 5.2 实验腔偶极模Q 值的模拟计算 68-69 5.3 实验腔偶极模谐振频率和Q 值的测量 69-86 5.3.1 从束管道激励的传输法 69-70 5.3.2 SMA 同轴波导转换器的调配 70-71 5.3.3 两级耦合的束管道传输法测量结果 71-72 5.3.4 反射法的测量结果无损模型 72-77 5.3.5 反射法的测量结果有损模型1 77-82 5.3.6 反射法的测量结果有损模型2 82-84 5.3.7 传输法的测量结果 84-86 5.4 基模抑制度的测量 86-87 5.5 X-Y 交叉隔离度的实验结果 87-88 5

8、.6 同轴波导转换器的调配 88-92 第6章 上海腔式BPM 热测的初步结果 92-106 6.1 上海腔式BPM 所在的束流线布局 92-93 6.2 用频谱仪对信号进行初步观察 93 6.3 腔式BPM 输出信号的波形分析 93-98 6.4 腔式BPM 输出信号与束团横向位置的实验 98-106 6.4.1 YAG 屏装置自身性能的检验 98-102 6.4.2 腔式BPM 输出信号与束团横向位置的实验结果 102-106 第7章 结论 106-107 参考文献 107-109 第4章 腔式BPM 的相位探测和信号处理电路的设计 57-68 4.1 相位探测的重要性 57 4.2 相位

9、探测的基本原理 57-59 4.3 相位校准原理 59-60 4.4 腔式BPM 信号处理电路设计方案 60-63 4.5 多束团测量原理及电路设计方案 63-68 4.5.1 多束团连续入射时的信号混叠问题 63-65 4.5.2 多束团信号的分离方法和电路设计方案 65-68 第5章 上海腔式BPM 实验腔的冷测 68-92 5.1 上海腔式BPM 实验腔简介 68 5.2 实验腔偶极模Q 值的模拟计算 68-69 5.3 实验腔偶极模谐振频率和Q 值的测量 69-86 5.3.1 从束管道激励的传输法 69-70 5.3.2 SMA 同轴波导转换器的调配 70-71 5.3.3 两级耦合

10、的束管道传输法测量结果 71-72 5.3.4 反射法的测量结果无损模型 72-77 5.3.5 反射法的测量结果有损模型1 77-82 5.3.6 反射法的测量结果有损模型2 82-84 5.3.7 传输法的测量结果 84-86 5.4 基模抑制度的测量 86-87 5.5 X-Y 交叉隔离度的实验结果 87-88 5.6 同轴波导转换器的调配 88-92 第6章 上海腔式BPM 热测的初步结果 92-106 6.1 上海腔式BPM 所在的束流线布局 92-93 6.2 用频谱仪对信号进行初步观察 93 6.3 腔式BPM 输出信号的波形分析 93-98 6.4 腔式BPM 输出信号与束团横

11、向位置的实验 98-106 6.4.1 YAG 屏装置自身性能的检验 98-102 6.4.2 腔式BPM 输出信号与束团横向位置的实验结果 102-106 第7章 结论 106-107 参考文献 107-109 第4章 腔式BPM 的相位探测和信号处理电路的设计 57-68 4.1 相位探测的重要性 57 4.2 相位探测的基本原理 57-59 4.3 相位校准原理 59-60 4.4 腔式BPM 信号处理电路设计方案 60-63 4.5 多束团测量原理及电路设计方案 63-68 4.5.1 多束团连续入射时的信号混叠问题 63-65 4.5.2 多束团信号的分离方法和电路设计方案 65-6

12、8 第5章 上海腔式BPM 实验腔的冷测 68-92 5.1 上海腔式BPM 实验腔简介 68 5.2 实验腔偶极模Q 值的模拟计算 68-69 5.3 实验腔偶极模谐振频率和Q 值的测量 69-86 5.3.1 从束管道激励的传输法 69-70 5.3.2 SMA 同轴波导转换器的调配 70-71 5.3.3 两级耦合的束管道传输法测量结果 71-72 5.3.4 反射法的测量结果无损模型 72-77 5.3.5 反射法的测量结果有损模型1 77-82 5.3.6 反射法的测量结果有损模型2 82-84 5.3.7 传输法的测量结果 84-86 5.4 基模抑制度的测量 86-87 5.5 X-Y 交叉隔离度的实验结果 87-88 5.6 同轴波导转换器的调配 88-92 第6章 上海腔式BPM 热测的初步结果 92-106 6.1 上海