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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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) _