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腔式束流位置监测系统及其相关研究

罗箐  
【摘要】:为了满足合肥光源“985工程”高亮度注入器对高精度束流位置监测系统的需要,提出了基于谐振腔的新型束流位置监测器(BPM)的研究计划。围绕此课题,讨论了腔式BPM的原理和决定其位置分辨率的主要因素,利用计算机仿真研究腔式BPM探头部分的本征模式,重点分析了波导耦合结构的特性和机械误差的影响。介绍了重入型腔式BPM系统的优化设计与原型腔离线测试结果,分析了串扰产生的机理和特性,并提出了抑制串扰的跑道型腔式BPM方案。 腔式BPM是利用谐振腔的偶极模来监测束流中心的偏移量的新颖的测量方法。偶极模在腔轴上大小为零,相对于通过腔轴的截面具备奇对称性,在近轴情况下,可以认为束流附近的电场振幅随中心轴距离线性变化,由此,耦合得到的偶极模信号可认为与束流的偏移距离成线性关系,束流偏移的方向由信号相位给出。设计腔式BPM时需要考虑外部品质因数的耦合优化问题,其理论分辨与理想分辨率有所差别。 对腔式BPM进行计算机仿真设计时使用了MAFIA、Omega3p和Microwave Studio软件。通过MAFIA仿真可以得知,波导耦合结构能有效地抑制共模泄漏,但存在探针与波导间的匹配问题。最终选择重入型腔体作为BPM探头谐振腔,选择嵌入型波导耦合结构,工作频率定为2448MHz。利用Omega3在大型计算机Bassi上对重入型谐振腔进行了进一步的优化。得到的重入型腔式BPM的理想分辨率为7nm,理论分辨率为31nm。在此基础上,讨论了加工和安装误差可能引起的问题,并给出了公差表。 对根据计算机仿真计算加工的原型腔进行了基本的离线测试并分析了测试结果。测试结果验证了腔式BPM的基本原理,原型腔的位置分辨率达到2μm,估计原型腔存在5%-10%的串扰。提出了提高离线测试精度的方法。提出了基于Libera数字束流位置处理器的BPM信号处理系统方案和基于AD8302幅相测量芯片的BPM信号处理系统方案。 分析了横向耦合的来源和校正方法。根据横向耦合产生的原理,提出了跑道型腔式BPM的设计方案。利用Microwave Studio对跑道型谐振腔的参数进行了仿真优化。选定的跑道型腔式BPM方案,两个极化方向的设计谐振频率分别为2448MHz和2652MHz,理论分辨率分别为15nm和13 nm。 本论文工作得到了自然科学基金面上项目(10875117)的支持。


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