基于反磁回路与B-dot的非拦截式束流径向尺寸测量研究

Radial parameters diagnostic of electron beam is crucial to accelerator commissioning and beam dynamics study. Traditional methods for beam radius measurement may interrupt the electron beam, thus they are inefficiency for beam commissioning in LIA which works in single shot mode. Diamagnetic loop(DML) can measure the magnetic flux change excited by rotating electron beam, combine with beam current, we can obtain the RMS beam radius, it is a non-interfering method for beam radius measurement and especially ideal for use on LIA, but usually the measurement signal is disturbed by electric field and the tilt of beam. The double loop structure proposed in this project can effectively eliminate the disturb of electric field, by integrating azimuthal B-dot and axial B-dot, we can measure the beam current (needed for beam radius calculation) and beam position, beam tilt, then DML can be used not only in small beam tilt situation. In this project, we will stuy the double loop structure from theoretical analysis and simulation, then design the detector based on DML and B-dot, test it on beam simulation platform and research on the LIA.

束流径向尺寸的测量对加速器调试、理解束流动力学行为至关重要。传统的径向尺寸测量方法，往往需要截断电子束，对于单脉冲运行的直线感应加速器（LIA），极大地降低了束流调试效率。反磁回路可以测量柱对称脉冲电子束在螺线管磁场下旋转产生的轴向磁通变化，结合束流强度就可以获得束流径向尺寸，是一种非常有效的非拦截式束测手段，尤其适用于直线感应加速器的强流情况，但是在实际测量中会受到束流径向电场、束流偏角的影响。本项目提出的双线圈反磁回路结构可以有效消除径向电场、寄生电容的影响，而与角向B-dot、轴向B-dot的集成不仅可以获得径向尺寸测量必需的流强信息，还可以实现束心位置、束流倾角的测量，使反磁回路不再受限于小束流偏角的情况。本项目拟在已开展的理论分析及初步模拟计算工作的基础上，深入开展模拟计算研究，设计基于反磁回路与B-dot的探测器，在束流模拟平台上进行测试，并在LIA上进行应用研究。

束流径向尺寸的测量对加速器调试、理解束流动力学行为至关重要。传统的径向尺寸测量方法，往往需要截断电子束，对于单脉冲运行的直线感应加速器（LIA），极大地降低了束流调试效率。反磁回路可以测量柱对称脉冲电子束在螺线管磁场下旋转产生的轴向磁通变化，结合束流强度就可以获得束流径向尺寸，是一种非常有效的非拦截式束测手段。但是由于束流管道内电磁环境复杂，原有的反磁回路结构并不能有效地提取出轴向磁场的信息。本项目在充分分析束流管道内电磁场特征的基础上，提出的双线圈反磁回路结构可以有效的分离束流径向电场产生的共模信号和轴向磁场产生的差模信号，进一步的理论分析和有限元模拟表明根据共模信号可以得到时间分辨的束流强度信息，根据差模信号可以获得束流均方根半径信息。在工程设计上，该双线圈结构可以进一步与轴向Bdot和角向Bdot集成做成复合型的束流测量探头，我们设计并加工了复合型探头的原型样品，分析了该测量探头的等效电路，并结合等效电路推导了数据处理方法。为了验证上述分析，我们搭建了旋转束流模拟平台，并在平台上对该复合型束测探头进行了测试，在测试试验中根据双线圈反磁回路的测量信号成功恢复了束流波形以及束流半径，束流半径的测量误差小于1mm，测试中没有观测到复合型探头中的轴向Bdot、角向Bdot和反磁回路之间的相互干扰。在20MeV直线感应加速器上，由反磁回路测量信号成功恢复了平顶区的束流半径，并结合三梯度法得到束流发射度为2030um,与光学测量结果相当。