强流回旋加速器综合试验装置谐振腔关键高频参数的测量方法研究

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2024年5月24日发(作者：)

第３２卷

２０１２年

第７期　

７月　

核电子学与探测技术　

Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

Ｖ０１．３１　

ＮＯ．７　

Ｊｕｌｙ．　

２０１２　

强流回旋加速器综合试验装置谐振腔关键　

高频参数的测量方法研究　

雷钰　，殷治国２，纪彬　，马英杰　，李鹏展　

（１．成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川成都６１００５９；　

２．中国原子能科学研究院串列升级工程部，北京１０２４１３）　

摘要：射频谐振腔体的特征参数，包括谐振频率、品质因数和并联阻抗等，对加速器的物理设计和　

束流调试具有重要的参考意义，是衡量射频系统性能的重要指标。其中，等效并联阻抗的准确测量，是　

确定加速电压的峰值与分布的有效途径，其难点在于测量方法或对局部电磁场有扰动，或信噪比较低。　

论文通过应用研究的方法，由二端口无源网络散射参数的定义出发，设计了先进的测量方案，采用了特　

殊设计的阻抗探针，获得了强流回旋加速器综合试验装置的加速电压分布。同时使用同样的方法，对　

１００　ＭｅＶ回旋加速器金属实验腔体的电压分布进行了实验研究，该结果与三维计算机仿真结果对比，相　

对误差小于１％。　

关键词：回旋加速器；高频谐振腔；加速电压；等效并联阻抗；矢量网络分析仪　

中图分类号：ＴＬ　５０６　文献标志码：Ａ　文章编号：０２５８－０９３４（２０１２）Ｏ７－Ｏ８４８－Ｏ４　

等时性回旋加速器射频腔体的谐振频率与　

离子回转频率和加速谐波相关　Ｊ，直线加速　

器的腔体频率与离子在漂移管中的飞行时间相　

关。在同步加速器中，往往需要随离子能量而　

１　回旋加速器腔体并联阻抗的测量方　

法　

回旋加速器谐振腔体并联阻抗的测量方　

法，经调研可分为直接方法和间接方法两类。　

本文所述的二通道网络测量法属于直接测量方　

法。由于该方法使用低功率进行测量，故未将　

场致电子发射等”热负载”对加速电场场强的　

影响考虑进去。间接测量方法包括共振扰动法　

和韧致辐射法等，虽然理论上具有较高的测量　

精度，但由于对实验条件要求严苛，在实际工程　

中应用较少，这里不再详述。　

传统的二通道测量方法须使用矢量电压表　

和Ｔｒｏｍｂｏｎｅ等科学仪器进行校准和测量　Ｊ，过　

程较为复杂，人为误差不确定性较高。现代化　

测量仪器的发展日新月异，矢量网络分析仪得　

到广泛的使用。我们通过文献调研，吸取了传　

统二通道测量方法的精髓　】，使用传输线理论　

和散射参数进行推导，化简该测量方法，改进前　

后的测量设置如图１所示。　

改变腔体的谐振频率。腔体品质因数的物理意　

义在于它表征了腔体储能与损耗的比例。对于　

常温谐振器，该比例乘以几何因子，即可获得并　

联阻抗。实际工程中，该阻抗确定了腔体达到　

加速电压时所需的驱动功率　Ｊ，故本文主要针　

对腔体并联阻抗的测量方法进行探讨。射频腔　

体的频率和品质因素测量方法较为简单，这里　

不再给出相关描述。　

收稿日期：２０１２—０３—２６　

作者简介：雷钰（１９８４一），男，湖北襄阳人，硕士，从　

事核能与核技术工程研究。　

８４８　

加速间隙阻抗　～　：＝＝＝　

一　

＝＝＝＝＝＝　ｌ　Ｚ＝５０ｎ　

５∞探头，、－－＿Ｉ　Ｉ　

ｌ　’　矢量电压表　

—

ｃ，　

（ａ）传统测量方法（ｂ）网分测量方法　

图ｌ二通道网络测量方法　

测量并联阻抗的最终目的是为了确定达到　

加速电压所需的功率。加速腔体的功率损耗的　

依据安捷伦Ｅ５０７０Ｂ矢量网络分析仪测量　

传输系数ｓ：　的定义　引，进一步的，我们得到，　

Ｒ＝Ｚｏ×１０‘一ｓ２Ｉｍ’

。　

计算公式如下：　

Ｉ，２　

（３）　

Ｐ＝　。　

二　

－

（１）　

式中：　为等效并联阻抗，Ｑ；　为特征匹　

配阻抗，ＩＩ；Ｓ２　为反射系数，ｄＢ。　

式中：　为等效并联阻抗，Ｑ；Ｐ为馈人腔　

体的功率，ｗ；　为加速缝隙处的Ｄ电压值，Ｖ。　

为方便理解，可将高频腔体等效为两端口　

网络，如图２所示。图中，端口１为腔体耦合　

窗，端口２Ａ为待测对象，即加速间隙。端口２Ｂ　

为测量加载端口，意即网络分析仪实际连接端　

口　

２试验方法、步骤及实验结果分析　

２．１测量步骤　

（１）校准矢量网络分析仪　Ｊ的双端口参　

量，设定频率范围为中心频率±３　ＭＨｚ。　

（２）通过同轴转换接头将矢量网络分析仪　

的ｌ端口与腔体耦合电容相连接，调节谐振腔　

体的耦合电容板的间距，达到临界阻抗匹配。　

此时，谐振时的特性阻抗近似为５Ｏ　Ｑ，如图３　

所示。　

射频谐振腔　

图２两端口腔体等效框图　

为得到工程实践中一般适用的公式，并简　

化推导过程，我们假设：　

（１）高频加速系统的功率输入端口与传输　

线的特征阻抗ｚ０匹配。　

（２）加速腔在频率　谐振，也就是说，腔体　

谐振时，腔体并联阻抗Ｒ表现为纯阻。　

（３）近似值Ｚｏ《Ｒ。　

根据传输线理论，所有的要素都依赖于特　

征阻抗ｚ。与并联阻抗Ｒ的比值。测量ｓ：　参　

数，我们便可确定等效并联阻抗Ｒ。从端口２Ｂ　

图３　ｌ驵抗匹酉　斯密斯圆图　

（３）将矢量网络分析仪的２端口连接的探　

头卡在腔体的Ｄ板上，探头上的聚四氟乙烯材　

料工装保证探头在加速缝隙不同位置处与Ｄ　

板形成的杂散电容值大致相等　】。根据要求，　

在加速间隙上分别取若干点，通过测量电压传　

输系数　，即可测得加速缝隙不同位置处的并　

联阻抗。　

腔体示意图见图４，Ａ、Ｂ、Ｃ分别表示腔体　

８４９　

的测量结果，得知端口２Ａ的阻抗，通过推导我　

们得到：　

Ｚ　

。　

（２）　

加速间隙的不同测量点。在测试过程中，首先　

采用带有５０　Ｑ并联阻抗的探头对腔体两侧的　

不同位置处加速间隙进行测试。除腔体的尾　

部，从中心区位置开始，每间隔０．１８　ｍ取ｌ点，　

从网络分析仪中可以得到不同位置处的ｓ：　数　

据，在探头带有５Ｏ　Ｑ并联阻抗时，根据公式　

（３）可以计算得到腔体的并联分路阻抗　，以　

加速间隙Ａ中心区测试点为例，测得Ｓ：　值为一　

３２．５６　ｄＢ，根据公式（３），计算得到该点的并联　

分路阻抗却为９Ｏ．１５　ｋＱ，同理，在Ｂ、Ｃ两处测　

得其ｓ　，值，如表１所示。　

表ｌ各点对应测量数据　

测量点示意图，

））Ｉ　豆一连ｒ　８ｏ　

∞　∞

如图４所示。

∞　∞如　

Ａ点　Ｂ点　Ｃ点　

图４测量的各点所处位置　

在得到这些数据后，根据公式（１），以及相　

应位置所需的加速电压值，即可得到所需驱动　

功率值。　

２．２结果分析与验证　

为验证方法的准确性，论文以金属实验腔　

为平台进行了实验验证。测量方法与前述一　

致，得出结果如表２。　

表２金属实验腔体测量数据　’　

￥２１／　

￥２１／　

ｇａｐＡ　ｚａｖＢ　

分析结果可知，该腔体并联阻抗分布约为　

８５０　

ｌ：４，符合设计要求。计算可得该腔体中心区位　

置达到６Ｏ　ｋＶ时，所需驱动功率为３３．７　ｋＷ。　

与计算机仿真数据对比，如图５所示　引。　

图５　Ｄｅｅ电压随半径变化对比图　】　

从实验得出的数据与计算机模拟的数据进　

行比对可以发现，两者之问吻合得非常好，因　

此，完全可以相信该测量方法结果的正确性。　

采用矢量网络分析仪测量高频腔体谐振时　

加速缝隙不同位置处加速电压分布会造成微小　

的误差。造成误差的原因分析如下：　

（１）探头本身结构会略微加载加速间隙的　

电磁场，导致测量结果整体偏低约０．７％。　

（２）尽管采用了ＳｂｌＴ工艺的测量负载电　

阻，但在目标频率仍有１．１％左右的电容分量。　

（３）不同位置时，探头所带的杂散电容会　

带来误差，导致测量信号受杂散耦合的影响，测　

量精度受限。　

３结论　

通过理论推导，与实验测试数据表明，此方　

法对于回旋加速器加速缝隙电压的测量，不仅　

简便易行，而且实验所得出的数据相对比较精　

确，完全可以满足对回旋加速器腔体并联阻抗　

的测量与校正。这为回旋加速器加速缝隙电压　

的测量与校正提供了一种实用且有效的途径。　

参考文献：　

［１］Ｔｉａｎｊｕｅ　Ｚｈａｎｇ，Ｙｉｎｌｏｎｇ　Ｌｕ，Ｚｈｉｇｕｏ　Ｙｉｎ，ｅｔ　ａ１．Ｏｖｅｒａｌｌ　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆＣＹＣＩＡＥ一１４，ａ　１４ＭｅＶ　ＰＥＴ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ［Ｊ］．　

Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｉｎｓｔｒｍｎｅｎｔｓ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｎ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　

Ｂ，２０１１，２６９（２４）２９５０—２９５４．　

［２］张天爵，樊明武．回旋加速器物理与工程技术［Ｍ］．　

北京：原子能出版社，２０１０．　

［３］殷治国．ＩＯＯＭｅＶ强流回旋加速器数字射频低电平　

系统的设计和实验验证［Ｄ］．北京：中国原子能科　

学研究院博士论文，２００８．　

甩　一／１—

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ａｎｄ　Ｔｈｅｉｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｓｅｐｔ．６—１０，２０１０，　

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Ｉ．ａｎｚｈｏｕ，Ｃｈｉｎａ．　

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ＤＮ一８８—３７．１９８８．１０．　

ｕａ１．　

［５］Ｂｉｎ　Ｊｉ，Ｚｈｉｎｇｏ　Ｙｉｎ，Ｔｉａｎｊｕｅ　Ｚｈａｎｇ．Ｄｅｓｉｎｇ　ａｎｄ　Ｐｒｉ．　

［７］赵振鲁．加速器工程技术［ｚ］．核工业研究生院内　

ｍａｒｙ　Ｔｅｓｔ　ｏｆｆｕｌｌ　ｓｃａｌｅ　Ｃａｖｉｔｙ　ｏｆ　ＣＹＣＩＡＥ一１００［Ｃ］．　

部教材．　

Ｐｒｏ￣．Ｏｆ　１９ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎｓ　

Ａ　Ｓｈｕｎｔ　Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ＣＲＭ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　Ｃａｖｉｔｙ　

ＬＥＩ　Ｙｕ　，ＹＩＮ　ＺＨｉ—ｇｕｏ　，ＪＩ　Ｂｉｎ　，ＭＡ　Ｙｉｎｇ—ｊｉｅ　，ＬＩ　Ｐｅｎｇ—ｚｈａｎ　

（１．Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，６１００５９；２．Ｃｈｉｎａ　Ｉｎｓｆｉｔｕｄｅ　ｆｏＡｔｏｍｉｃ　Ｅｎｅｒｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０２４１３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　ｃａｖｉｔｙ　ａｒｅ　ｃｒｕｃｉａｌ　ｆｏｒ　ｂｏｔｈ　ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｏｍｍｉｓ．　

ｓｉｏｎｉｎｇ．Ａｍｏｎｇ　ｗｈｉｃｈ，ｔｈｅ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　ａｎｄ　ｓｈｕｎｔ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｇａｐ　

ａｒｅ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｋｅｙ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｗｈｅｎ　ｉｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇ　ａ　ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　ＲＦ　ｓｙｓｔｅｍ．Ａｎ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｓｈｕｎｔ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｅ．　

ｍｅｎｔ　ｃａｎ　ｌｅａｄ　ｔｏ　ａ　ｖｅｒｙ　ｃｌｏｓｅ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｄｅｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｕｎｄｅｒ　ｇｉｖｉｎｇ　ｄｒｉｖｅｎ　ｐｏｗｅｒ，ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｂｏｔｈ　ｍａｘｉｍｕｍ　

ｑｕａｎｔｉｔｙ　ａｎｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｄｉｆｉｃｕｌｔｉｅｓ　ｏｆ　ｓｕｃｈ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ａｒｅ　ｔｈａｔ　ｅｉｔｈｅｒ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｅ　ｗｉｌｌ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅ　ｌｏｃａｌ　ＥＭ　

ｉｆｅｌｄ，ｏｒ　ｈａｖｅ　ｖｅｒｙ　ｌｉｍｉｔｅｄ　ｓｉｇｎａｌ　ｔｏ　ｎｏｉｓｅ　ｒａｔｉｏ．Ａ　ｎｅｗ　ｓｈｕｎｔ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｒｅｐｏｒｔｅｄ　

ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ，ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｃａｔｔｅｒ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｏｆ　ｐａｓｓｉｖｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ，ｆｏｌｌｏｗｅｄ　ｗｉｔｈ　ｐｒｏｂｅ　ｄｅｓｉｎｇ，　

ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｓｅｔｕｐ　ａｎｄ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＲＭ　ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　ｃａｖｉｔｙ．Ａｌｓｏ，ｔｈｅ　ｓＲｌｎｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　８ｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　

ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　１００　ＭｅＶ　ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　ｃａｖｉｔｙ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　３Ｄ　ＲＦ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　

ｃｏｄｅ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｅａｓｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｉｓ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　ｏｎｅ　ｐｅｒｃｅｎｔ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ；ＲＦ　ｃａｖｉｙｔ；ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ　ｖｏｌｔａｇｅ；ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｓｈｕｎｔ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ；ｎｅｔｗｏｒｋ　ａｎａｌｙｚｅｒ　

８５１　

本文标签： 腔体加速测量