摘   要：本文采用LOG101對(duì)數(shù)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)比測(cè)量系統(tǒng)。

BMP測(cè)量

加速器束流測(cè)量系統(tǒng)是加速器調(diào)試和運(yùn)行的重要診斷手段，利用束流測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行各種束流參數(shù)的測(cè)量為機(jī)器研究和完善提供了重要依據(jù)，人們常稱之為加速器的“眼睛”。主要的測(cè)量有：束流位置測(cè)量(BPM)、工作點(diǎn)測(cè)量、束團(tuán)長(zhǎng)度測(cè)量、束流流強(qiáng)測(cè)量等。其中束流位置是加速器的重要參數(shù)之一，測(cè)量束流位置的最基本的方法是耦合出束流的電磁場(chǎng)。由于束流是一個(gè)電流，所以它產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)。在高能束流的情況下，這些場(chǎng)是純橫電磁場(chǎng)(TEM)。如果束流偏離真空室中心，則耦合出束流的電磁場(chǎng)將被調(diào)制，由此可以得到束流位置信息。

圖1  具有束流的束流位置檢測(cè)器和真空室示意圖

圖2  鈕扣電極的感應(yīng)電壓波形

圖3  對(duì)數(shù)比處理電路的方框圖

通常，人們采用探測(cè)電極測(cè)量束流的電磁場(chǎng)。探測(cè)電極的感應(yīng)信號(hào)是被束流調(diào)制的時(shí)域信號(hào)，其載波是束團(tuán)的回旋頻率(對(duì)單束團(tuán)而言)或高頻的RF頻率(對(duì)多束團(tuán)而言)。傳統(tǒng)的束流位置探測(cè)電極是一對(duì)電極或兩對(duì)電極(在同時(shí)測(cè)量水平和垂直位置時(shí))。

圖1為具有束流的束流位置檢測(cè)器和真空室示意圖。為了分析方便，我們采用極坐標(biāo)表示。這里，表示電極上某點(diǎn)的位置，表示束流的位置， 為真空室半徑，b為電極到真空室中心的距離，為張角。

在b接近時(shí)，采用靜電鏡象法可求解得電極上的壁電流密度為：

將上式展開(kāi)可得：

對(duì)于左右放置的兩個(gè)電極，其電流分別為：

如果用差比和(D/S)表示，則

+高次項(xiàng)

其位置靈敏度為：

如果用對(duì)數(shù)比表示，則高次項(xiàng)

由上面公式，通過(guò)BPM對(duì)數(shù)電子學(xué)，就可以計(jì)算出束流位置。

設(shè)計(jì)

從安裝在真空管道內(nèi)的四個(gè)紐扣電極感應(yīng)出的信號(hào)的波形如圖2所示。

這個(gè)信號(hào)的脈寬很小，為ns數(shù)量級(jí)，其頻譜很寬，能達(dá)到幾個(gè)GHz。

整個(gè)設(shè)計(jì)的方框圖如圖3所示。

這里所顯示的只是一個(gè)方向的位置測(cè)量。BPM需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向的位置，即水平和垂直方向的位置，兩個(gè)方向的電路結(jié)構(gòu)是完全一樣的。

在對(duì)數(shù)比方法中，對(duì)數(shù)比電路的輸出為：

在此用TI公司的對(duì)數(shù)放大器LOG101來(lái)實(shí)現(xiàn)。LOG101具有高精度(0.01% FSO Over 5 Decades)，寬動(dòng)態(tài)范圍(100pA~3.5mA)，低靜態(tài)電流(1mA)，寬供電范圍(±4.5V~±18V)等特點(diǎn)。因?yàn)槭骺赡軙?huì)工作在低流強(qiáng)，高流強(qiáng)情況下，所以要求寬的動(dòng)態(tài)范圍，當(dāng)然精度也是越高越好。

這里將從BPM來(lái)的R信號(hào)送入LOG101的1引腳，作為I1，L信號(hào)送入8引腳，作為I2，加上一些附加電路，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)運(yùn)算了。

系統(tǒng)標(biāo)定

為了測(cè)量束流的絕對(duì)位置，必須知道BPM的四個(gè)電極的電中心與BPM的機(jī)械幾何中心的關(guān)系。因此，在把BPM 安裝在加速器的真空管道上前，必須對(duì)每個(gè)BPM 進(jìn)行標(biāo)定，以得到BPM上的電壓值與位置之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖4示出束流位置監(jiān)測(cè)器標(biāo)定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

根據(jù)各電極感應(yīng)信號(hào)的幅度，可由下式計(jì)算電子學(xué)歸一化水平和垂直位置信號(hào)：

通過(guò)一定范圍內(nèi)移動(dòng)天線或拉直絲模擬束流位置移動(dòng)(X,Y)，并根據(jù)測(cè)量的信號(hào)電極(V1, V2, V3, V4)計(jì)算出水平和垂直位置信號(hào)(U,V)值，這樣可以得到BPM的Mapping圖。

圖5示出束流位置監(jiān)測(cè)器標(biāo)定系統(tǒng)得到的BPM的Mapping圖。

圖4  束流位置監(jiān)測(cè)器標(biāo)定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

圖5  BPM的Mapping圖

根據(jù)Mapping數(shù)據(jù)，采用多項(xiàng)式擬合，就可以得到機(jī)械位置(X，Y)與電子學(xué)歸一化位置信號(hào)(U，V)的關(guān)系式。下面給出4次多項(xiàng)式的公式：

其中，A0,0和B0,0分別表示電中心與機(jī)械中心的偏差；A1,0和B0,1分別為增益系數(shù)。

結(jié)語(yǔ)

BPM是加速器束流測(cè)量中的重要一項(xiàng)，并直接影響到其他一些物理量的測(cè)量，由于對(duì)數(shù)比方法的種種優(yōu)點(diǎn)，使它的應(yīng)用很廣泛。這里就是用TI的LOG101對(duì)數(shù)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)比方法的。