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    DB34 T 3240-2018 超导回旋加速器谐振腔电压分布测试方法.pdf

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    DB34 T 3240-2018 超导回旋加速器谐振腔电压分布测试方法.pdf

    1、ICS 27.120.99 F 91 DB34 安徽省地方标准 DB 34/T 32402018 超导回旋加速器 谐振腔电压分布测试方法 Superconducting cyclotron Test method of voltage distribution for radiofrequency cavity 2018 - 12 - 29 发布 2019 - 01 - 29 实施 安徽省市场监督管理局 发布 DB34/T 32402018 I 前 言 本标准按照 GB/T 1.1-2009 给出的规则起草。 本标准由合肥中科离子医学技术装备有限公司提出。 本标准由安徽省超导回旋加速器标准化技

    2、术委员会归口。 本标准起草单位:合肥中科离子医学技术装备有限公司、中国科学院等离子体物理研究所、安徽省 质量和标准化研究院。 本标准主要起草人:宋云涛、刘广、陈根、赵燕平、黄崑成、张鑫、陈永华、杨庆喜。 DB34/T 32402018 1 超导回旋加速器 谐振腔电压分布测试方法 1 范围 本标准规定超导回旋加速器谐振腔电压分布测试方法的术语和定义、方法原理、测试设备、测试要 求、测试步骤、数据处理、测试报告。 本标准适用于超导回旋加速器谐振腔电压分布的测试。 2 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 2.1 特性阻抗 characteri stic impedance 射频传输线中影响无线

    3、电波电压、电流的幅值和相位变化的固有特性,数值上等于各处的电压与电 流的比值。 2.2 阻抗匹配 impedanc e matching 信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同的状态,或传输线的特性阻抗与所接负载 阻抗的大小相等且相位相同的状态。 2.3 微波网络 microwav e network 电子系统中用于检测、传输、处理信息或能量的微波电路。 2.4 散射参数 S parameter 建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数,以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口 的信号来描述微波电路。 2.5 谐振腔 resona nt cavity 在射频波段能够提供加速粒子

    4、所需电场的封闭空腔。 2.6 D 形结构板 Dee 谐振腔中平面处的 D 形结构板块,主要用于产生加速电压。 DB34/T 32402018 2 3 方法原理 根据谐振腔并联分路阻抗测试理论,谐振腔可作为微波二端口网络进行处理,根据传输矩阵原理及 互易调件,分析了探针直接测量、探针并联特性阻抗电阻测量这两种情况的原理,并分别计算出下腔体 并联分路阻抗与传输系数的关系式。见附录A 公式(A.24)和(A.30)。 谐振腔电压分布测试原理的公式推导见附录A。 4 测试设备 测试设备包括: a) 矢量网络分析仪及标准校准器件,矢量网络分析仪宜为 2 端口或 4 端口,本地噪声小于 -100 dbm;

    5、 b) N 型接头、阻抗匹配的同轴线缆; c) 探针、无感电阻,探针直径宜为 4 mm8 mm,无感电阻的阻抗为特性阻抗,一般为 50。 5 测试要求 测试要求包括: a) 测试环境温度应为 1035,空气湿度应为 4060; b) 谐振腔外壳及矢量网络分析仪都需接地保护; c) 绝缘要求:工装条的材质表面电阻率应大于 104 M。 6 测试步骤 6.1 以腔体中心点为圆点以孔距 15 mm30 mm 取若干等距的测量点,如图 1 所示。 6.2 制备工装条,依照测量点在工装条上开孔,开孔直径应大于探针直径 3 mm5 mm。工装条应贴合 谐振腔 Dee 上下间隙。 图1 测量点分布示意图 6

    6、.3 打开矢量网络分析仪,以腔体谐振频率为中心频率,频宽宜设置为 20 MHz50 MHz,校准矢量网 络分析仪。 6.4 将矢量网络分析仪 1 端口接入谐振腔耦合馈口,调节谐振腔的调谐结构使其达到谐振频率,再调 节腔体耦合结构使其达到临界阻抗匹配状态。 DB34/T 32402018 3 6.5 将矢量网络分析仪 2 端口连接探针。测量时探针穿过工装条的测量孔,探针顶端接触 Dee 边缘, 待矢量网络分析的正向传输系数(S 21)稳定后记录。如图 2 所示。 6.6 从谐振腔中心位置开始,沿着测量点依次向外测量 Dee 的 S21数据。 6.7 将无感电阻与探针并联(接地并联),重复步骤 6

    7、.3 6.6 进行测试。测量并记录一组新的 21 S 数据。 矢量网络分析仪 2端口 1端口 耦合馈口 谐振腔 Dee 工装条 腔体中心点 测量孔 探针 同轴线缆 图2 电压分布测试示意图 7 数据处理 7.1 根据附录 A 式(A.24) 2 021 4/R ZS ,由 S 21 数据计算出腔体并联分路阻抗。 7.2 根据附录 A 式(A.30) 2 021 /R ZS ,由 S 21 数据计算出腔体并联分路阻抗。 7.3 分别得到两种腔体并联分路阻抗分布(腔体并联分路阻抗与测量点位置关系)。 7.4 由电压与并联分路阻抗的关系: 2VPR . (1) 式中: P 腔体功率损耗,单位为瓦(

    8、W); V 腔体 Dee 板某测量点处电压,单位为瓦( W); R 并联分路阻抗,单位为欧姆( )。 根据腔体功率损耗不变,依据并联分路阻抗 Rp ( Rp )的分布,计算出腔体电压分布。 8 测试报告 DB34/T 32402018 4 测试报告应包含以下内容: 本标准号; 环境温度,湿度; 测量方法; 测量时间; 矢量网络分析仪的型号; 谐振腔电压分布测试前腔体临界匹配的输入反射系数(S 11 )图以及 Smith 阻抗圆图; Dee 各测量点 S 21 参数数据; 腔体并联分路阻抗分布; 腔体电压分布。 DB34/T 32402018 5 A A 附 录 A (资料性附录) 谐振腔并联分

    9、路阻抗测试理论 A.1 矢量分析仪测量法基础理论(基于探针直接测量) 根据式(1),将测量加速电压等效转化为测量并联分路阻抗。 公式推导基于以下两点假设: 谐振腔耦合端口与传输线特性阻抗 Z 0 匹配; 谐振腔处于谐振状态,腔体等效于并联分路阻抗 R。 图A.1 谐振腔二端口网络 由上面假设,可以得出传输矩阵 ABCD 之间的关系: 122 ABVVI . (A.1) 122 CDIVI . (A.2) 式中: V 1 网络中端口1(PORT 1)电压,单位为伏特(V); V 2 网络中端口2(PORT 2)电压,单位为伏特(V); I 1 网络中端口1(PORT 1)电流,单位为安培(A);

    10、 I 2 网络中端口2(PORT 2)电流,单位为安培(A)。 A、B 、C 、D 待求解的未知系数。 由(A.1)式可知: 22 12 0 22 VV Z R . (A.3) 式中: 由假设1,端口1 匹配: 1 0 1 V Z I . (A.4) 令 2 0I ,则: DB34/T 32402018 6 1 0 2 A/ V Z R V . (A.5) 0111 212 0 / C Z R IIV VVV Z . (A.6) 令 0 /Z R ,则: A . (A.7) 0 C/Z . (A.8) 为了求解传输矩阵 B、 D 的值,采用如图A.2 所示的倒置矩阵 图A.2 谐振腔二端口网络

    11、倒置矩阵 令 1 0I . (A.9) 端口1 开路时, 2 2 V R I . (A.10) 由二端口网络互易条件: AD CB 1 . (A.11) 代入(A.1)、(A.2)可得到: B0 . (A.12) D1/ . (A.13) 得出传输矩阵 ABCD 的参数: 0 0 M /1/Z . (A.14) 由散射 S 矩阵和传输 A 矩阵转换关系可得: 11 0 0 AB/ C D/ESZZ . (A.15) 21 2/ES . (A.16) 21 12 SS . (A.17) DB34/T 32402018 7 22 0 0 AB/ C D/ESZZ . (A.18) 其中: 00 E

    12、AB/ C DZZ . (A.19) 将 ABCD 参数带入,可得: 11 2 1 12 S . (A.20) 21 2 2 12 S . (A.21) 2 22 2 12 12 S . (A.22) 其中 S 12 为反向传输系数, S 21 为正向传输系数, S 11 为输入反射系数, S 22 为输出反射系数。并可 知散射矩阵由特性阻抗 Z 0 与并联分路阻抗 R 的比值决定。并联分路阻抗通常远远大于特性阻抗,即: 1 . (A.23) 则 S 11 和 S 22 反射系数接近于 1,受到 的影响小。通过测量 S 11 或者 S 22 计算并联分路阻抗可能出 现较大误差。 通过测量传输系

    13、数 S 21 (或 S 12 )计算并联分路阻抗,再根据(A.23)式得到: 2 021 4/RZS . (A.24) A.2 基于在矢量网络分析仪测量基本理论,还可采用另一种二端口网络对腔体进行测量,即在谐振腔 端口 2 并联分路阻抗 Z 0 ,具体测量原理图如图A.3 所示。 图A.3 谐振腔端口 2 并联分路阻抗 Z 0后的网络 传输矩阵(在端口 2A 与 2B 之间),可以表示为: 0 10 1/ 1Z . (A.25) 端口1 与 2B 之间的级联传输矩阵, 为腔体传输矩阵与端口 2A 与 2B 间的传输矩阵的积,表示为: 0 0 1/ 1/ 1/Z () . (A.26) 其中 0 /Z R 。 DB34/T 32402018 8 根据基本理论的相关结论,使用新的传输矩阵(A.26),最终可以得到并联分路阻抗 Z 0 的散射矩 阵 S: 11 2 1 1 S . (A.27) 21 2 1 S . (A.28) 2 22 2 1 S . (A.29) 在 0 1ZR, 的近似条件下可知, S 11 反射系数接近于 1,全反射,而 S 22 接近于 0,在匹配状 态下。 通过测量传输系数 ,根据公式(A.28),可以求出并行阻抗 R: 2 021 /RZ S . (A.30) _


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