本發(fā)明是關(guān)于一種基于穩(wěn)態(tài)前向電壓矢量關(guān)系原理的束流信息在線測(cè)量方法、裝置、設(shè)備及介質(zhì)，涉及粒子加速器領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、在粒子加速器中，束流通過射頻腔體時(shí)獲取的能量增益表現(xiàn)為加速腔壓 vacc，即，其中， vc為射頻腔腔壓，為束流與 vc之間的相位。為了使得束流在經(jīng)過射頻腔時(shí)獲得指定能量增益，必須知道準(zhǔn)確的束流同步相位。為了確定正確的束流同步相位，在正式運(yùn)行束流之前，需要執(zhí)行一種被稱為“掃相”的同步相位校準(zhǔn)程序。在真實(shí)的加速器環(huán)境中，運(yùn)行條件（如溫度和濕度）引起的相位漂移會(huì)導(dǎo)致射頻腔相位發(fā)生變化。隨著束流運(yùn)行一段時(shí)間，經(jīng)過校準(zhǔn)的腔體逐漸失去正確的相位，最終導(dǎo)致相位不再準(zhǔn)確。因此，為了補(bǔ)償相位漂移，需要定期對(duì)射頻腔進(jìn)行掃相操作。

2、現(xiàn)代大型加速器裝置通常包含幾十甚至上千個(gè)射頻腔，而掃相通常需要消耗大量的機(jī)器運(yùn)行時(shí)間，從而嚴(yán)重降低了機(jī)器的可用性。此外，掃相程序以及常態(tài)束流運(yùn)行均需要專門的束流診斷儀器實(shí)時(shí)在線測(cè)量束流信息，例如束流位置探測(cè)器（bpm）和束流流強(qiáng)探測(cè)器（bcm）等。然而，這些精密儀器價(jià)格昂貴，難以裝配到全部射頻腔體上。束流穿過腔體與腔內(nèi)電磁場(chǎng)相互作用，從腔體吸收或釋放能量，導(dǎo)致腔場(chǎng)的瞬時(shí)變化即束流負(fù)載效應(yīng)。

3、近年來，以德國電子同步輻射研究中心（desy）為代表的國外先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室提出了利用瞬態(tài)束流負(fù)載效應(yīng)標(biāo)定束流同步相位的新方法。該方法能夠在無需掃相的情況下實(shí)現(xiàn)束流同步相位的測(cè)量與校準(zhǔn)，從而節(jié)省了機(jī)器時(shí)間。超導(dǎo)腔運(yùn)行在閉環(huán)模式下，束流負(fù)載會(huì)被反饋環(huán)路部分補(bǔ)償和修正，難以區(qū)分束流與環(huán)路分別對(duì)瞬態(tài)束流負(fù)載信號(hào)的貢獻(xiàn)。因此，desy的新方法通常要求射頻腔運(yùn)行在開環(huán)模式下。然而，在重離子直線加速器中，射頻腔開環(huán)運(yùn)行可能會(huì)顯著增加束流損失，甚至引起丟束。進(jìn)一步地，desy方法還要求射頻腔近似工作在諧振狀態(tài)（即激勵(lì)腔體的外部射頻信號(hào)頻率 frf與腔體自身的諧振頻率 f0相等）。首先，腔體在實(shí)際運(yùn)行中，其失諧通常是不可避免的，尤其是對(duì)于超導(dǎo)腔而言，麥克風(fēng)（microphonics）效應(yīng)、洛倫茨力失諧以及氦壓波動(dòng)等眾多因素均會(huì)導(dǎo)致腔體失諧，即腔體不再處于諧振狀態(tài)。其次，在強(qiáng)束流負(fù)載的情況下（多見于儲(chǔ)存環(huán)），出于射頻系統(tǒng)運(yùn)行效率的考慮，需要主動(dòng)對(duì)超導(dǎo)腔失諧以減小腔體反射功率。

4、綜上，現(xiàn)有方法雖然可以在線測(cè)量平均束流相位，但其在運(yùn)行方式方面存在局限性，同時(shí)也要求較為苛刻的運(yùn)行條件，制約了該方法在粒子加速器領(lǐng)域的全面推廣及應(yīng)用的可能性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。為此，針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于穩(wěn)態(tài)前向電壓矢量關(guān)系原理的束流信息在線測(cè)量方法、裝置、設(shè)備及介質(zhì)，能夠在亞微秒量級(jí)實(shí)現(xiàn)束流信息在線實(shí)時(shí)測(cè)量。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、第一方面，本發(fā)明提供的基于穩(wěn)態(tài)前向電壓矢量關(guān)系原理的束流信息在線測(cè)量方法，包括：

4、在線測(cè)量射頻腔的腔體入射信號(hào) pf獲得射頻腔原始前向電壓 vf*；

5、將原始前向電壓 vf*進(jìn)行校準(zhǔn)及歸一化處理獲得前向電壓 vf；

6、將前向電壓 vf進(jìn)行縮放獲得標(biāo)準(zhǔn)化前向電壓 uf；

7、基于無束流和有束流兩種條件下的標(biāo)準(zhǔn)化前向電壓 uf0和 uf1，分別計(jì)算其穩(wěn)態(tài)值均值 uf0和 uf1；

8、基于穩(wěn)態(tài)值均值 uf0和 uf1得到穩(wěn)態(tài)束流等效電壓 vb；

9、基于穩(wěn)態(tài)束流等效電壓 vb，獲得穩(wěn)態(tài)下的束流流強(qiáng) ib及束流同步相位。

10、一個(gè)可能的實(shí)施方式中，將前向電壓 vf進(jìn)行縮放獲得標(biāo)準(zhǔn)化前向電壓 uf：

11、?；

12、其中， β為耦合系數(shù)。

13、一個(gè)可能的實(shí)施方式中，基于無束流和有束流兩種條件下的標(biāo)準(zhǔn)化前向電壓 uf0和 uf1，分別計(jì)算其穩(wěn)態(tài)值均值 uf0和 uf1；

14、?；

15、式中，無束流條件下時(shí)間區(qū)間中 t1為起始時(shí)刻， t2為終止時(shí)刻，有束流條件下時(shí)間區(qū)間中 t3為起始時(shí)刻， t4為終止時(shí)刻。

16、一個(gè)可能的實(shí)施方式中，基于穩(wěn)態(tài)值均值 uf0和 uf1得到穩(wěn)態(tài)束流等效電壓 vb：

17、。

18、一個(gè)可能的實(shí)施方式中，基于束流等效電壓 vb計(jì)算束流流強(qiáng) ib及束流同步相位，包括：

19、；

20、其中，為腔體的幾何因子，g的取值為當(dāng)前歸一化腔壓vc對(duì)應(yīng)的真實(shí)腔壓值，為腔體有載品質(zhì)因素，為束流等效電壓的幅值，為等效電壓的相位。

21、一個(gè)可能的實(shí)施方式中，穩(wěn)態(tài)束流等效電壓 vb的計(jì)算是通過腔體微分方程進(jìn)行求解得到，具體過程為：

22、建立腔體微分方程：

23、；

24、其中， vc0和 vc1分別為無束流和有束流下的腔壓 vc，信號(hào) vf0和 vf1分別為無束流和有束流下的前向電壓 vf， vb為束流等效電壓，δ ω0和 ?δ ω1分別為無束流和有束流下的腔體失諧， ω0.5為腔體的半帶寬， β為耦合系數(shù)， j為虛數(shù)單位；

25、利用標(biāo)準(zhǔn)化前向電壓 uf簡化上述微分方程的等號(hào)右邊，得到下面公式為：

26、；

27、當(dāng)射頻腔工作在閉環(huán)模式，且束流負(fù)載得到充分補(bǔ)償，則腔壓 vc在有無束流的情況下將近似相等，即 vc0?≈ vc1，且 vc達(dá)到穩(wěn)態(tài)，即d vc?/d t ?≈0；腔體失諧在束流脈沖期間近似維持不變，即δ ω0?≈ ?δ ω1；基于上述條件，方程組左邊相等，其右邊也應(yīng)相等，即：

28、；

29、求得束流等效電壓 vb：

30、；

31、當(dāng)前向電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)，分別計(jì)算有無束流時(shí)前向電壓 uf的穩(wěn)態(tài)值，計(jì)為 uf1和 uf0， uf1和 uf0將不再隨時(shí)間變化，計(jì)算二者的矢量差得到：

32、；

33、其中， vb即為束流等效電壓 vb的穩(wěn)態(tài)值。

34、第二方面，本發(fā)明還提供一種基于穩(wěn)態(tài)前向電壓矢量關(guān)系原理的束流信息在線測(cè)量裝置，所述裝置基于fpga進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，包括：

35、前向電壓獲取模塊，被配置為在線測(cè)量射頻腔的腔體入射信號(hào) pf獲得射頻腔原始前向電壓 vf*；

36、預(yù)處理模塊，被配置為將原始前向電壓 vf*進(jìn)行校準(zhǔn)及歸一化處理獲得前向電壓 vf；

37、標(biāo)準(zhǔn)化模塊，被配置為將前向電壓 vf進(jìn)行縮放獲得標(biāo)準(zhǔn)化前向電壓 uf；

38、穩(wěn)態(tài)值均值計(jì)算模塊，被配置為基于無束流和有束流兩種條件下的標(biāo)準(zhǔn)化前向電壓 uf0和 uf1，分別計(jì)算其穩(wěn)態(tài)值均值 uf0和 uf1；

39、矢量運(yùn)算模塊，被配置為基于穩(wěn)態(tài)值均值 uf0和 uf1得到穩(wěn)態(tài)束流等效電壓 vb；

40、束流信息提取模塊，被配置為基于穩(wěn)態(tài)束流等效電壓 vb，獲得穩(wěn)態(tài)下的束流流強(qiáng) ib及束流同步相位。

41、第三方面，本發(fā)明還提供一種電子設(shè)備，包括：至少一個(gè)處理器；以及與所述處理器通信連接的存儲(chǔ)器；其中，所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)有可被所述處理器執(zhí)行的指令，所述指令被所述處理器執(zhí)行，以使所述處理器能夠執(zhí)行任一項(xiàng)所述的方法。

42、第四方面，本發(fā)明還提供一種存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)程序的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述一個(gè)或多個(gè)程序包括計(jì)算機(jī)指令，所述計(jì)算機(jī)指令用于使計(jì)算機(jī)執(zhí)行任一項(xiàng)所述的方法。

43、本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下特點(diǎn)：

44、1、本發(fā)明的一個(gè)非常大的優(yōu)勢(shì)在于所有運(yùn)算模塊均不涉及復(fù)雜算法（例如求導(dǎo)運(yùn)算及曲線擬合等），所有算法均可以完全部署在fpga芯片內(nèi)部，因此，本發(fā)明可以在亞微秒量級(jí)實(shí)現(xiàn)束流信息在線實(shí)時(shí)測(cè)量。

45、2、本發(fā)明可以在射頻腔閉環(huán)運(yùn)行模式下求解出束流相對(duì)于腔壓的相位（即束流同步相位），計(jì)算結(jié)果不再受到環(huán)境因素引起的相位漂移的影響；此外，由于算法采用穩(wěn)態(tài)的平均值進(jìn)行計(jì)算，其對(duì)瞬時(shí)的測(cè)量噪聲不敏感，可以實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)量精度。

46、3、本發(fā)明的測(cè)量結(jié)果不受腔體失諧的影響，即使腔體遠(yuǎn)離諧振狀態(tài)，本發(fā)明也可以準(zhǔn)確求解出束流信息。

47、綜上，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于粒子加速器中。