基于反磁回路原理在线诊断强流束发射度

发布时间：2020-07-22 09:36

【摘要】：强流直线感应电子加速器在国防应用领域中占有重要的地位,而束流品质是强流直线感应加速器的重要指标之一。一定程度上,束流的半径和发射度直接决定了束流的品质,如何准确快捷的诊断出束流半径和发射度就变得十分必要。目前应用在强流直线感应电子加速器上的束流诊断技术大多是基于光学原理,且为截断式,诊断效率不是很高。本论文基于电子束流在螺线管磁场中的动力学特性,通过对束流自身的电磁场的测量,首次提出一种双线圈束流诊断结构(反磁回路束流诊断结构)。这种诊断方式可以实现严格意义下的在线束流诊断,即不破坏真空环境且不破坏束流。本工作从原理、有限元模拟仿真和实验三个角度证实了该方法的可行性。当电子束流通过螺线管线圈磁场传输时,由于存在一定的横向速度分量,会发生旋转,这种旋转会引入一个轴向磁场。轴向磁场的引入会在反磁线圈中产生感应电动势信号(差模信号),该信号的大小与束流半径和密度分布直接相关。与此同时,电子束流的电场也会在反磁线圈中感应出信号(共模信号)。当两个反磁线圈的接地方向相反时,轴线磁场在线圈中的感应电动势发生反转,而电场感应出的信号方向不变。因此,两个线圈的信号差反映的是轴向磁场信息,两个线圈的信号和反映的是电场信息。从轴向磁场信息可以反推出束流半径,甚至束流的密度分布;从电场信息可以反推出束流强度。有限元模拟部分主要从频域对反磁回路探头进行模拟。用平面波模拟束流通过时的轴向电磁场,各个端口均为同轴端口,且为电边界条件;用不同半径条件下的理想导体螺旋线模拟不同情况下的束流。通过分析发现,在低频条件下,差模信号与频率成线性关系,且随着频率增加有自积分现象;共模信号与频率成二次方关系;共模信号比差模信号大一个数量级。同时计算出不同状态下,反磁回路探头在10MHz时的灵敏度因子。实验上使用与轴向B-dot相同的平台,用不同直径和螺距的螺旋杆模拟不同状态线的束流,螺旋杆由八根2mm的铜丝构成。反磁回路探头的两个接地方向相反的线圈放置在厚度为6mm的PCB板上,采用i-pex同轴连接头。实验中提出与轴向B-dot探头类似的等效电路。分别用矢量网络分析仪和示波器对各个情况进行频域和时域测量。结果显示,频域上得到的结果与有限元模拟的结果符合的很好,通过相位拟合的方法获得等效电路中的电参数;时域上,分析了直杆情况下信号一致性问题,并对原有探头结构做了优化,信号的一致性从94%提高到99%;反推出的模拟杆的半径,误差在1mm以内。论文最后给出该结构在“神龙二号”上束流半径的测量方案和测量结果,以及采用修正三梯度法测量束流发射度的实验方案和测量结果。结果显示反磁回路探测结构在强流直线感应加速器束流诊断中可行,且测量操作简单,效率高。本文的创新点在于:提出双线圈反磁回路探测结构,并对该结构从理论、模拟和实验三个角度进行了充分研究,明确了该结构在强流束流诊断中的应用价值;首次使用该方法测量得到“神龙二号”上束流的发射度。
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL53
【图文】：

局部放大图,局部放大,束流半径,束流

束流本身并没有明确的空间界限，这给束流诊断带来了困难。大量实验证明，逡逑束流密度分布类似于高斯分布逡逑１邋＿邋0２逡逑户（Ｒ）邋＝逦■＝＝邋ｅｘｐ（——－）逦（１．２）逡逑其中Ｐ（Ｒ）为束流的概率密度函数，Ａ为束流半径，％为束流的均方根半径。采逡逑用反磁回路方法获得的束流半径等效为束流的均方根半径。当束流半径为均方根逡逑半径时，束流密度为逡逑２邋１逡逑Ｐ｛｜逦｜＜邋ｃｔＪ邋＝逦［邋ｅ＾ｄｔ邋－邋０．邋６８３逦（１．３）逡逑＾邋Ｊｏ逡逑对应包含束流的概率为逡逑Ｐ｛邋＼邋Ｒ邋＼＜邋ｃｒＲ｝２邋＝邋０．邋４６６逦（１．４）逡逑还有一种分布比较接近束流密度分布，即本涅特分布。该分部概率密度函数逡逑如式（１．５）所示，逡逑ｐ（Ｆ）邋＝邋—邋（１邋＋邋＾７邋ｒ２逦（１．５）逡逑该分部与高斯分布有些相似，但是其半高宽比高斯分布小，底宽比高斯分布大，逡逑如图１．２和图１．３所示。逡逑。上逦逦Ｂｅｎｎｅｔｔ邋ｃｔｓｔｒｉｂｉｉｏｎ逦逦Ｂｅｍｅｔｌ邋ＯｓｂｉｂｕｉＤｎ逡逑——Ｇａｕｓｓ邋ｄｉｓｔｒｂｕｌｉａｎ逦逦Ｇａｕｓｓ邋ａｓｔｒｉｔｕｔｌｏｎ逡逑

示意图,多孔板,照相法,荧光屏

起始板为多孔板，上面均匀分布的小孔，孔间距己知。离多孔板Ｌ处面对多孔板逡逑放置末端板，其背面镀上一层荧光材料。实验布局示意图和原理示意图分别为图逡逑１．邋２和图１．邋３所示。逡逑：逦ｉ逡逑＿＿逦逦Ａ逦逦邋ｘ．，逡逑马幻—＿＼丨逡逑＼ｉ邋＼ｉ邋ｈ邋ｉｙ邋１１逡逑８邋－逡逑－—－Ｃｌ逡逑图１．２多孔板照相法实验布局示意图逡逑１－螺线管；２－监测束位置电阻；３－多孔板；４－末端板；５－荧光屏；６－反射镜；７－逡逑有机玻璃；８－相机。逡逑－４－逡逑

示意图,照相法,多孔板,原理

—－Ｃｌ逡逑图１．２多孔板照相法实验布局示意图逡逑１－螺线管；２－监测束位置电阻；３－多孔板；４－末端板；５－荧光屏；６－反射镜；７－逡逑有机玻璃；８－相机。逡逑－４－逡逑

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