基于二次电子偏转的纵向束团长度测量装置及控制方法

本发明涉及一种基于二次电子偏转的纵向束团长度测量装置及控制方法，属于加速器束流诊断。

背景技术：

1、对于高能强流离子加速器，特别是离子直线加速器，束团纵向分布是一个非常重要的关键参数。通过测量纵向束团长度可进行纵向发射度测量，判断束流在纵向相空间是否匹配，如果失配将会导致束流在纵向稳定区的丢失，进而在后续高能段逐渐发生横向损失,导致机器损伤，甚至更为严重的真空泄露问题。

2、因此，准确测量纵向束团长度是加速器物理的重要需求。但是对于离子直线加速器，束团纵向长度通常为纳秒，甚至皮秒量级。面对皮秒量级信号，如果采用直接测量方法，则探测器的工作带宽需高达几十ghz，才能保证准确且不失真地探测到皮秒量级束团长度信号及分布。所以如何准确测量如此高带宽的信号，为探测器的研制带来较高挑战。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于二次电子偏转的纵向束团长度测量装置及控制方法，适用于离子直线加速器中高能传输线与环形加速器传输线中，可以实现离子束流皮秒量级纵向束团长度的准确分布测量。

2、为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种基于二次电子偏转的纵向束团长度测量装置，包括：二次电子产生及加速模块、真空管路、射频谐振偏转模块、二次电子轨道校正偏转模块、二次电子收集模块和测量控制模块；所述二次电子产生及加速模块，用于产生携带主束纵向信息二次电子，并通过数千伏高电压对所述二次电子进行加速，其使用时插入所述真空管路；所述射频谐振偏转模块，设置在所述真空管路上，并与所述真空管路连通，用于建立二次电子束团的纵向长度与横向偏转角产生对应关系，并基于所述对应关系输出某一相位的二次电子；所述二次电子轨道校正偏转模块，用于传输和偏转与所述射频谐振偏转模块的二次电子相位相同的二次电子；所述二次电子收集模块，用于收集经过偏转的二次电子；所述二次电子轨道校正偏转模块和二次电子收集模块均设置在所述真空管路中；所述测量控制模块，用于测量不同相位处收集的二次电子的偏转位置，从而获得主束的纵向束团长度分布。

3、进一步，所述二次电子产生及加速模块包括：丝靶、丝靶支架、高压绝缘柱和运动控制部；所述丝靶，用于产生二次电子，并通过施加悬浮高压对所述二次电子进行加速；所述丝靶支架，用于固定所述丝靶；所述高压绝缘柱，用于隔绝丝靶支架与信号参考地；所述运动控制部，用于控制所述丝靶是否插入所述射频谐振偏转模块中。

4、进一步，所述运动控制部包括真空波纹管，所述真空波纹管与所述高压绝缘柱连接的一端设置第一真空法兰，所述真空波纹管的另一端设置第二真空法兰用于安装真空信号穿墙件。

5、进一步，所述运动控制部还包括驱动电机、联轴器、丝杠和滑块，所述驱动电机与所述联轴器的一端连接，所述联轴器的另一端与所述丝杠的一端连接，所述丝杠的另一端连接所述滑块连接，所述驱动电机通过联轴器、丝杠控制所述滑块插入所述真空波纹管与所述第二真空法兰之间，使所述真空波纹管带动所述丝靶插入所述真空管路。

6、进一步，所述射频谐振偏转模块包括：谐振偏转腔、外导体、内导体、调谐驱动器、调谐器和功率馈入器；所述谐振偏转腔固定在所述真空管路上，其一端与所述真空管路连通，另一端设置调谐驱动器，所述调谐驱动器与所述谐振偏转腔内的调谐器连接，所述调谐器下方设置内导体，所述谐振偏转腔一侧设置功率馈入器，调谐驱动器连接调谐器，用于调节谐振频率，当谐振偏转腔的谐振频率达到预设值，从所述功率馈入器馈入与主束同频率或倍频同源的信号，所述谐振偏转腔外层设置外导体，用于与设备地连接。

7、进一步，所述谐振偏转腔上设置静电场施加器，所述静电场施加器的个数为两个，且对称设置，使得二次电子能够在不施加射频偏转场时，在静电聚焦场的作用下传输至下游的二次电子轨道校正偏转模块；所述谐振偏转腔上设置有功率拾取器，用于对所述偏振偏转腔内信号的频率及耦合功率进行监测。

8、进一步，所述内导体包括平板形内导体和圆柱形内导体，所述平板形内导体和所述圆柱形内导体通过内导体连接件连接，并通过导体支撑件固定在所述谐振偏转腔内。

9、进一步，所述二次电子轨道校正偏转模块包括：二次电子偏转腔、水平垂直校正磁铁、二极偏转磁铁和残余二次电子抑制电极；所述真空管道与所述二次电子偏转腔连接，在所述真空管道段设置所述水平垂直校正磁铁，用于对二次电子的横向位置轨道进行校正，在所述二次电子偏转腔段设置所述二极偏转磁铁，用于偏转预设能量的同相位二次电子；所述二次电子偏转腔的输出端设置残余二次电子抑制电极，所述残余二次电子抑制电极用于抑制杂散能量的二次电子。

10、进一步，所述二次电子收集模块为二次电子倍增收集器或者多通道荧光倍增屏mcp。

11、本发明还公开了一种基于二次电子偏转的纵向束团长度测量装置的控制方法，用于上述任一项所述的基于二次电子偏转的纵向束团长度测量装置，包括以下步骤：使丝靶中的单丝位于束流管道中心，给丝靶的单丝施加数千伏高压，主束轰击位于束流管道中心的所述单丝，产生携带主束纵向信息二次电子；所述二次电子穿过谐振偏转腔；通过控制移相器及功率放大器，使得低电平输入信号源进行扫相及功率调节，输入环路器，将扫相功率馈入功率馈入器；二次电子经谐振偏转腔后，再通过水平垂直校正磁铁、二极偏转磁铁控制二次电子的校正路径，使得其在真空管路和二次电子偏转腔中心穿过，并被二次电子收集模块采集；基于采集的二次电子，测量不同相位处收集的二次电子的偏转位置，从而获得主束的纵向束团长度分布。

12、本发明的技术方案至少具有如下技术效果或优点：本发明提出一种基于二次电子偏转的纵向束团长度测量装置及控制系统，针对皮秒量级纵向束团长度测量的重要性及高带宽探测器限制，能够实现离子束团几十皮秒纵向长度的测量，适用于离子直线加速器和环形加速器传输线中离子束团纵向分布皮秒量级高精度诊断测量，实现整个纵向束团长度扫相测量过程及皮秒量级纵向束团长度的精准测量。

技术特征：

1.一种基于二次电子偏转的纵向束团长度测量装置，其特征在于，包括：二次电子产生及加速模块、真空管路、射频谐振偏转模块、二次电子轨道校正偏转模块、二次电子收集模块和测量控制模块；

2.如权利要求1所述的基于二次电子偏转的纵向束团长度测量装置，其特征在于，所述二次电子产生及加速模块包括：丝靶、丝靶支架、高压绝缘柱和运动控制部；

3.如权利要求2所述的基于二次电子偏转的纵向束团长度测量装置，其特征在于，所述运动控制部包括真空波纹管，所述真空波纹管与所述高压绝缘柱连接的一端设置第一真空法兰，所述真空波纹管的另一端设置第二真空法兰用于安装真空信号穿墙件。

4.如权利要求3所述的基于二次电子偏转的纵向束团长度测量装置，其特征在于，所述运动控制部还包括驱动电机、联轴器、丝杠和滑块，所述驱动电机与所述联轴器的一端连接，所述联轴器的另一端与所述丝杠的一端连接，所述丝杠的另一端连接所述滑块连接，所述驱动电机通过联轴器、丝杠控制所述滑块插入所述真空波纹管与所述第二真空法兰之间，使所述真空波纹管带动所述丝靶插入所述真空管路。

5.如权利要求1所述的基于二次电子偏转的纵向束团长度测量装置，其特征在于，所述射频谐振偏转模块包括：谐振偏转腔、外导体、内导体、调谐驱动器、调谐器和功率馈入器；

6.如权利要求5所述的基于二次电子偏转的纵向束团长度测量装置，其特征在于，所述谐振偏转腔上设置静电场施加器，所述静电场施加器的个数为两个，且对称设置，使得二次电子能够在不施加射频偏转场时，在静电聚焦场的作用下传输至下游的二次电子轨道校正偏转模块；所述谐振偏转腔上设置有功率拾取器，用于对所述偏振偏转腔内信号的频率及耦合功率进行监测。

7.如权利要求5所述的基于二次电子偏转的纵向束团长度测量装置，其特征在于，所述内导体包括平板形内导体和圆柱形内导体，所述平板形内导体和所述圆柱形内导体通过内导体连接件连接，并通过导体支撑件固定在所述谐振偏转腔内。

8.如权利要求1所述的基于二次电子偏转的纵向束团长度测量装置，其特征在于，所述二次电子轨道校正偏转模块包括：二次电子偏转腔、水平垂直校正磁铁、二极偏转磁铁和残余二次电子抑制电极；所述真空管道与所述二次电子偏转腔连接，在所述真空管道段设置所述水平垂直校正磁铁，用于对二次电子的横向位置轨道进行校正，在所述二次电子偏转腔段设置所述二极偏转磁铁，用于偏转预设能量的同相位二次电子；所述二次电子偏转腔的输出端设置残余二次电子抑制电极，所述残余二次电子抑制电极用于抑制杂散能量的二次电子。

9.如权利要求1所述的基于二次电子偏转的纵向束团长度测量装置，其特征在于，所述二次电子收集模块为二次电子倍增收集器或者多通道荧光倍增屏mcp。

10.一种基于二次电子偏转的纵向束团长度测量装置的控制方法，用于如权利要求1-9任一项所述的基于二次电子偏转的纵向束团长度测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明涉及一种基于二次电子偏转的纵向束团长度测量装置及控制方法，包括：二次电子产生及加速模块，用于产生携带主束纵向信息二次电子，对二次电子进行加速；射频谐振偏转模块，用于建立二次电子束团的纵向长度与横向偏转角产生对应关系，并基于对应关系输出某一相位的二次电子；二次电子轨道校正偏转模块，用于传输和偏转与射频谐振偏转模块的二次电子相位相同的二次电子；二次电子收集模块，用于收集经过偏转的二次电子；测量控制模块，用于根据不同相位处二次电子的偏转位置，获得主束的纵向束团长度分布。适用于离子直线加速器中高能传输线与环形加速器传输线中，可以实现离子束流皮秒量级纵向束团长度的准确分布测量。技术研发人员：张雍,李丽莉,杜泽,宿建军,尹佳,谢宏明,朱光宇,武军霞,贾欢受保护的技术使用者：中国科学院近代物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/10/10