常温高频腔进腔功率测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种常温高频腔进腔功率测量装置及方法，其装置包括依次连接的功率源、环形器、定向耦合器、功率耦合器和高频腔，功率源、环形器之间、定向耦合器和功率耦合器之间通过波导传输线依次连接；环形器上设有吸收负载，高频腔设有耦合环，定向耦合器上设有测反射功率计和测前向功率计。其方法是先通过测量高频腔的场幅信号、相位角信号以及耦合度，计算出高频腔的入口反射系数；然后测量定向耦合器的反射功率和前向功率，并利用入口反射系数的幅度值计算出从定向耦合器至高频腔入口的功率衰减系数；最后利用功衰减系数计算高频腔入口处的前向功率、反射功率以及实际进腔功率。本发明专利技术可在高功率下精确测量高频腔的入腔功率。

Power measurement device and method of normal temperature high frequency cavity

【技术实现步骤摘要】
常温高频腔进腔功率测量装置及方法
本专利技术涉及进腔功率测量
，特别涉及一种常温高频腔进腔功率测量装置及方法。
技术介绍
常温高频腔常用于质子或重离子加速，由于其工作在常温下，在工作过程中，大部分入腔功率均损耗在其内壁上，而入腔功率通常在千瓦量级甚至兆瓦量级，整个高频腔系统一般包括功率源、传输线、功率耦合器和高频腔以及低电平控制系统。高频腔正常运行时的进腔功率和相位角需要锁定，正确的进腔功率和相位角是保证束流得到有效加速的前提，反之，会造成束损甚至腔体被束流打坏。当腔体工作在高功率情况下，其入腔功率损耗非常大(如在中国散裂中子源漂移管直线加速腔体内，其内壁损耗在兆瓦量级)，外侧低电平系统耦合环可测量的功率在1瓦量级，因此耦合环接近与磁力线平行，耦合度非常小，约在10-6量级，无法精确测量其偏转角，故无法直接测量腔体进腔功率。微波功率通过功率耦合器的耦合孔传输到高频腔中，因为耦合孔处(即高频腔入口处)功率无法直接测量得到，现有的功率测量方法是通过定向耦合器位置的前向功率计和反射功率计分别测得前向功率和反射功率，并将测得的前向功率和反射功率近似等于高频腔入口的实际前向功率和反射功率，但在实际应用中，从定向耦合器到高频腔入口处还连接了一段传输线和功率耦合器，因此，从定向耦合器至高频腔实际上还会产生一定的功率损耗，所以目前的测量方法也无法准确得到高频腔的入腔功率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种常温高频腔进腔功率测量装置，该装置可在高功率下精确测量高频腔的入腔功率，为后续高频运行时实时进腔功率的计算提供良好的基础，也方便后续的功率监测和低电平系统闭环控制。本专利技术的另一目的在于提供一种通过上述装置实现的常温高频腔进腔功率测量方法。本专利技术的技术方案为：一种常温高频腔进腔功率测量装置，包括依次连接的功率源、环形器、定向耦合器、功率耦合器和高频腔，其中，功率源与环形器之间、环形器与定向耦合器之间以及定向耦合器与功率耦合器之间均通过波导传输线进行连接；环形器上还设有吸收负载，高频腔还设有耦合环，定向耦合器上还设有测反射功率计和测前向功率计。该装置结构中，定向耦合器类似于变压器，其主要功能是将高微波功率取出小部分供测反射功率计和测前向功率计测量用；功率耦合器的主要功能是将波导传输线的功率传输至高频腔中。耦合环主要用于获取高频腔的场幅衰减曲线和相位角衰减曲线，其具体结构与传统耦合环相同。作为一种优选方案，所述功率源为324MHz的束调管，工作频率带宽为±1MHz，根据测量装置的实际需要，也可选择其他工作频率的束调管作为功率源。作为一种优选方案，所述环形器为324MHz的高频环形器，工作频率带宽为±3.24MHz，根据测量装置的实际需要，也可选择其他工作频率的高频环形器。作为一种优选方案，所述定向耦合器为324MHz的定向耦合器，工作频率带宽大于±1MHz，根据测量装置的实际需要，也可选择其他工作频率的定向耦合器。作为一种优选方案，所述功率耦合器为设计工作于324MHz的功率耦合器，工作频率带宽为±10MHz，根据测量装置的实际需要，也可选择其他工作频率的功率耦合器。作为一种优选方案，所述高频腔为谐振频率324MHz的漂移管直线加速腔，根据测量装置的实际需要，也可选择其他工作频率的漂移管直线加速腔或其他类型高频腔。作为一种优选方案，所述功率传输线为WR2300型号的方波导传输线，根据测量装置的实际需要，也可根据工作频率选择其他符合标准规格的波导传输线。本专利技术通过上述装置实现一种常温高频腔进腔功率测量方法，先通过测量高频腔的场幅信号和相位角信号，计算出高频腔的入口反射系数；然后测量定向耦合器的反射功率和前向功率，并利用入口反射系数的幅度值计算出从定向耦合器至高频腔入口的功率衰减系数；最后利用功衰减系数计算高频腔入口处的前向功率、反射功率以及实际进腔功率。上述测量方法的具体过程包括以下步骤：S1：通过耦合环采集高频腔的场幅衰减曲线和相位角衰减曲线，从而得到高频腔的场幅信号和相位角信号，在时间点t1采集到的场幅信号为A1、相位角信号为θ1，在时间点t2采集到的场幅信号为A2、相位角信号为θ2；S2：利用两个时间点之间的场幅信号，通过公式(1)计算高频腔的有载品质因子QL；利用两个时间点之间的相位角信号，通过公式(2)计算高频腔的实际谐振频率与理想谐振频率之差δf，公式(1)中，f0为高频腔的理想谐振频率；S3：通过公式(3)计算δ(ω)，δ(ω)表示两倍的高频腔实际谐振频率与理想谐振频率差值δf与理想频率f0的比值，公式(3)中，ω为高频腔实际谐振频率对应的角频率，可通过公式ω＝2π(f0+δf)计算获得，ω0为高频腔理想谐振频率对应的角频率，可通过公式ω0＝2πf0计算获得；其中，需指出的是高频实际谐振频率与理想谐振频率差值很小，可用公式(3)近似计算得到δ(ω)，δ(ω)大小一般在0.1％量级；S4：采用低功率测量的方式获得高频腔的耦合度β(低功率测量方式一般为离线方式，采用传统的测量方式即可实现)，然后通过公式(4)计算高频腔的入口反射系数Γ(ω)，公式(4)中，i为虚数单位；S5：通过测前向功率计测量定向耦合器的前向功率Pf，通过测反射功率计测量定向耦合器的反射功率Pr，假设定向耦合器到高频腔入口的功率衰减系数为α，则通过公式(5)计算高频腔入口处的前向功率Pf’，通过公式(6)计算高频腔入口处的反射功率Pr’，通过公式(7)计算高频腔的实际进腔功率Pin，Pf′＝Pf(1-α)(5)Pr′＝Pr(1+α)(6)Pin＝P′f-Pr′(7)同时，高频腔的入口反射系数Γ(ω)与高频腔入口处的前向功率、反射功率存在公式(8)所示的关系，公式(8)中，|Γ(ω)|表示高频腔入口反射系数的幅度值；S6：联立公式(3)、公式(4)和公式(8)，得到公式(9)，通过公式(9)求解得出高频腔入口的功率衰减系数为α，然后再通过公式(5)、公式(6)和公式(7)分别计算出高频腔入口处的前向功率Pf’、高频腔入口处的反射功率Pr’和高频腔的实际进腔功率Pin。上述常温高频腔进腔功率测量装置及方法的原理是：由于在常温高频腔的实际应用中，从定向耦合器到高频腔入口处之间一般还会设有一段波导传输线和功率耦合器，从定向耦合器至高频腔之间，会产生一定的功率损耗；因此，在本专利技术中，先通过测量高频腔的场幅信号和相位角信号，计算出高频腔的入口反射系数，然后测量定向耦合器的反射功率和前向功率，并利用入口反射系数的幅度值计算出从定向耦合器至高频腔入口的功率衰减系数，最后利用功衰减系数计算高频腔入口处的前向功率、反射功率以及实际进腔功率，从而准确得到高频腔的进腔功率，消除了因定向耦合器与高频腔之间的功率损耗而产生的误差。本专利技术相对于现有技术，具有以下有益效果：本常温高频腔进腔功率测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.常温高频腔进腔功率测量装置，其特征在于，包括依次连接的功率源、环形器、定向耦合器、功率耦合器和高频腔，其中，功率源与环形器之间、环形器与定向耦合器之间以及定向耦合器与功率耦合器之间均通过波导传输线进行连接；环形器上还设有吸收负载，高频腔还设有耦合环，定向耦合器上还设有测反射功率计和测前向功率计。/n

【技术特征摘要】
1.常温高频腔进腔功率测量装置，其特征在于，包括依次连接的功率源、环形器、定向耦合器、功率耦合器和高频腔，其中，功率源与环形器之间、环形器与定向耦合器之间以及定向耦合器与功率耦合器之间均通过波导传输线进行连接；环形器上还设有吸收负载，高频腔还设有耦合环，定向耦合器上还设有测反射功率计和测前向功率计。


2.根据权利要求1所述的常温高频腔进腔功率测量装置，其特征在于，所述功率源为324MHz的束调管，工作频率带宽为±1MHz。


3.根据权利要求1所述的常温高频腔进腔功率测量装置，其特征在于，所述环形器为324MHz的高频环形器，工作频率带宽为±3.24MHz。


4.根据权利要求1所述的常温高频腔进腔功率测量装置，其特征在于，所述定向耦合器为324MHz的定向耦合器，工作频率带宽大于±1MHz。


5.根据权利要求1所述的常温高频腔进腔功率测量装置，其特征在于，所述功率耦合器为设计工作于324MHz的功率耦合器，工作频率带宽为±10MHz。


6.根据权利要求1所述的常温高频腔进腔功率测量装置，其特征在于，所述高频腔为谐振频率324MHz漂移管直线加速腔。


7.根据权利要求1所述的常温高频腔进腔功率测量装置，其特征在于，所述功率传输线为WR2300型号的方波导传输线。


8.根据权利要求1所述装置实现的常温高频腔进腔功率测量方法，其特征在于，先通过测量高频腔的场幅信号和相位角信号，计算出高频腔的入口反射系数；然后测量定向耦合器的反射功率和前向功率，并利用入口反射系数的幅度值计算出从定向耦合器至高频腔入口的功率衰减系数；最后利用功衰减系数计算高频腔入口处的前向功率、反射功率以及实际进腔功率。


9.根据权利要求8所述的常温高频腔进腔功率测量方法，其特征在于，所述测量方法的具体过程包括以下步骤：
S1：通过耦合环采集高频腔的场幅衰减曲线和相位...

【专利技术属性】
技术研发人员：王云，刘华昌，戴建枰，李阿红，吴小磊，李波，陈强，樊梦旭，瞿培华，谢哲新，慕振成，
申请(专利权)人：散裂中子源科学中心，
类型：发明
国别省市：广东;44