一种电光法测量束流到达时间的方法技术

本发明专利技术提供一种电光法测量粒子加速器束流到达时间的方法，包括：确定满足到达时间测量分辨率的要求的腔式探头的腔体半径和腔长；根据腔体半径和腔长来制作腔式探头，并将其作为电信号拾取探头来搭建基于电光法的束流到达时间测量装置；利用束流到达时间测量装置的数据采集处理系统同时采集来自电信号拾取探头的腔式探头的输出信号和来自光电探测器的电光作用信号，利用腔式探头的输出信号和电光作用信号确定束流到达时间。本发明专利技术的方法利用相位腔作为电光法的电信号拾取探头，相较于传统高带宽纽扣电极方案，腔式探头方案频率低，加工难度和信号传输处理难度将极大降低，同时不受束流位置对测量结果的影响。不受束流位置对测量结果的影响。不受束流位置对测量结果的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种电光法测量束流到达时间的方法


[0001]本专利技术涉及加速器物理束流诊断领域，尤其涉及一种电光法测量粒子加速器束流到达时间的方法。

技术介绍

[0002]束流到达时间是直线型粒子加速器特别是自由电子激光装置的重要参数之一，测量方法主要有两种，射频相位腔法和电光法。
[0003]射频相位腔法是将相位腔探头耦合的射频束流信号和与加速器主时钟锁相的本振信号进行混频，下变频到中频信号，然后对中频信号进行同步数字化采样和处理，提取束流信号的相位计算束流到达时间。
[0004]如图1所示，电光法是利用宽带探头感应的束流双极脉冲电信号对与加速器主时钟锁相的参考激光脉冲(即参考光信号)进行调制，以输出经过调制的激光脉冲。如图2所示，当电信号过零点与输出的激光脉冲对齐时，输出的激光脉冲幅度不变，当电信号过零点早于激光脉冲到达时输出的激光脉冲幅度变小，当电信号过零点晚于激光脉冲到达时间时输出的激光脉冲幅度变大，从而通过检测激光脉冲信号幅度变化得到束流到达时间。
[0005]射频相位腔法系统相对简单，且更加可靠，但分辨率一般只能做到数十飞秒。电光法系统相对复杂，因为涉及到激光信号，成本更高，可靠性也更差，但分辨率可以做到十飞秒以下。因此，电光法束流到达时间测量方法用于对分辨率要求高的硬X射线自由电子激光装置上。
[0006]纽扣型电极输出信号的带宽大，峰值电压反比于束团长度的平方，因此，在自由电子激光装置上一般利用纽扣电极作为电光法的电信号拾取探头。电光法到达时间测量系统的到达时间测量分辨率的公式如下：
[0007][0008]其中，t
resolution
是到达时间测量分辨率，σ
A'norm
是参考光脉冲幅度检测精度，由参考光脉冲幅度抖动和系统检测误差共同决定，该值可通过检测未被调制的光脉冲得到。σ
A'norm
的典型值为：0.2％。V
π.RF
为EOM半波电压，固定为5V。S
slope
为探头信号的过零点斜率，即纽扣电极感应信号的上升斜率。可见，分辨率和纽扣电极输出的RF信号斜率成反比，斜率越大分辨率越高。
[0009]纽扣电极的输出信号的斜率越大，束流到达时间的变化对激光脉冲的调制越大，被调制后的激光脉冲幅度变化越大，因此到达时间测量越准确。信号斜率由两个条件决定，第一个是探头带宽，带宽越大感应输出的信号越陡峭；第二个是束流电荷量，电荷量对斜率的影响成线性关系，可以通过电荷量测量系统校正电荷量对测量结果的影响。
[0010]上海硬X射线自由电子激光要求在100pC束流电荷量下到达时间分辨率达到20fs，因此纽扣电极过零点输出信号的上升斜率至少达到318mV/ps，为了留有余量要求过零点斜率达到400mV/ps。为了达到这一斜率，根据仿真和通常设计，纽扣电极的探头带宽要求达到
30G以上。如此高带宽探头对加工工艺提出了很高的要求，而且高带宽射频信号的传输和处理难度很大，成本也很高。与此同时，纽扣电极的输出信号幅度存在束流位置依赖性难以消除，从而影响测量结果。
[0011]腔式探头因其耦合信号强、灵敏度高而常用于自由电子激光装置波荡器段的高精度位置测量。其中，耦合出的TM010模不受束流位置影响，通过设计可以在更低的腔体中心频率输出满足过零点斜率要求的信号。相较于传统高带宽纽扣电极方案，腔式探头方案频率低，加工难度和信号传输处理难度将极大降低，同时不受束流位置对测量结果的影响。因此，如果将腔式探头用于电光法束流到达时间测量将对该测量系统带来极大促进。
[0012]然而，腔式探头出现的时间比纽扣电极探头晚，腔式探头目前主要应用于位置测量和射频腔法到达时间测量，其他领域的应用还在研究中。电光法到达时间测量是一种新的基于激光和束流电信号相互作用的测量方法，系统性能的关键在于如何使得束流电信号的斜率足够大，目前纽扣电极输出的是宽带信号，而腔式探头输出的是单频窄带信号，因此关键在于如何设计出可以输出足够大斜率束流信号的腔式探头。

技术实现思路

[0013]本专利技术旨在设计一种采用相位腔的电光法测量束流到达时间的方法以降低探头加工难度和成本，同时避免束流位置依赖。
[0014]为了实现上述目的，本专利技术提供一种电光法测量粒子加速器束流到达时间的方法，包括：
[0015]S1：确定满足到达时间测量分辨率的要求的腔式探头的腔体半径和腔长；
[0016]S2：根据腔式探头的腔体半径和腔长来制作腔式探头，并将其作为电信号拾取探头来搭建基于电光法的束流到达时间测量装置；
[0017]S3：利用束流到达时间测量装置的数据采集处理系统同时采集来自电信号拾取探头的腔式探头的输出信号和来自光电探测器的电光作用信号，利用腔式探头的输出信号和电光作用信号确定束流的到达时间。
[0018]所述步骤S1具体包括：
[0019]S11：根据到达时间测量分辨率的要求，确定腔式探头的输出信号的过零点斜率的要求；
[0020]S12：设置束流的电荷量、腔式探头的输出信号的中心频率和带宽；将腔式探头的TM010模信号作为其输出信号，根据输出信号的中心频率，确定满足过零点斜率的要求时腔式探头的输出信号的电压峰值的要求；
[0021]S13：根据所述步骤S12设置的束流的电荷量、输出信号的中心频率和带宽，来确定满足电压峰值的要求时满足腔式探头的腔体半径和腔长。
[0022]在所述步骤S11中，过零点斜率的要求，是指腔式探头的输出信号的过零点斜率大于过零点斜率的要求值；
[0023]探头的输出信号的过零点斜率的要求值S
slope
为：
[0024][0025]其中，t
resolution
是到达时间测量分辨率的要求值，σ
A'norm
是参考光脉冲幅度检测精
度；V
π.RF
为电光调制器的半波电压。
[0026]在所述步骤S12中，腔式探头的输出信号的电压峰值的要求，是指是指腔式探头的输出信号的电压峰值大于腔式探头的输出信号的电压峰值的要求值；
[0027]确定满足过零点斜率的要求时腔式探头的输出信号的电压峰值的要求，具体包括：
[0028]S121：确定在腔式探头的TM010模信号作为其输出信号时，腔式探头的输出信号的过零点斜率与峰值的关系式；
[0029]S122：根据过零点斜率的要求值和步骤S121的腔式探头的输出信号的过零点斜率与峰值的关系式，来确定腔式探头的输出信号的峰值的要求值。
[0030]所述腔式探头的输出信号的过零点斜率与峰值的关系式为：
[0031]k＝0.995
·
V
p
·
ω，
[0032]其中，k是过零点斜率，ω是输出信号的角频率，ω＝2πf，f是输出信号的中心频率，V
p
是输出信号的峰值。
[0033]在所述步骤S13中，腔式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电光法测量粒子加速器束流到达时间的方法，其特征在于，包括：步骤S1：确定满足到达时间测量分辨率的要求的腔式探头的腔体半径和腔长；步骤S2：根据腔式探头的腔体半径和腔长来制作腔式探头，并将其作为电信号拾取探头来搭建基于电光法的束流到达时间测量装置；步骤S3：利用束流到达时间测量装置的数据采集处理系统同时采集来自电信号拾取探头的腔式探头的输出信号和来自光电探测器的电光作用信号，利用腔式探头的输出信号和电光作用信号确定束流的到达时间。2.根据权利要求1所述的电光法测量束流到达时间的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：步骤S11：根据到达时间测量分辨率的要求，确定腔式探头的输出信号的过零点斜率的要求；步骤S12：设置束流的电荷量、腔式探头的输出信号的中心频率和带宽；将腔式探头的TM010模信号作为其输出信号，根据输出信号的中心频率，确定满足过零点斜率的要求时腔式探头的输出信号的电压峰值的要求；步骤S13：根据所述步骤S12设置的束流的电荷量、输出信号的中心频率和带宽，来确定满足电压峰值的要求时满足腔式探头的腔体半径和腔长。3.根据权利要求2所述的电光法测量束流到达时间的方法，其特征在于，在所述步骤S11中，过零点斜率的要求，是指腔式探头的输出信号的过零点斜率大于过零点斜率的要求值；探头的输出信号的过零点斜率的要求值S
slope
为：其中，t
resolution
是到达时间测量分辨率的要求值，σ
A'norm
是参考光脉冲幅度检测精度；V
π.RF
为电光调制器的半波电压。4.根据权利要求2所述的电光法测量束流到达时间的方法，其特征在于，在所述步骤S12中，腔式探头的输出信号的电压峰值的要求，是指腔式探头的输出信号的电压峰值大于腔式探头的输出信号的电压峰值的要求值；确定满足过零点斜率的要求时腔式探头的输出信号的电压峰值的要求，具体包括：步骤S121：确定在腔式探头的TM010模信号作为其输出信号时，腔式探头的输出信号的过零点斜率与峰值的关系式；步骤S122：根据过零点斜率的要求值和步骤S121的腔式探头的输出信号的过零点斜率与峰值的关系式，来确定腔式探头的输出信号的峰值的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖龙伟，冷用斌，曹珊珊，刘晓庆，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：