摘   要：本文采用LOG101對數(shù)放大器來實現(xiàn)對數(shù)比測量系統(tǒng)。

BMP測量

加速器束流測量系統(tǒng)是加速器調試和運行的重要診斷手段，利用束流測量系統(tǒng)進行各種束流參數(shù)的測量為機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”。主要的測量有：束流位置測量(BPM)、工作點測量、束團長度測量、束流流強測量等。其中束流位置是加速器的重要參數(shù)之一，測量束流位置的最基本的方法是耦合出束流的電磁場。由于束流是一個電流，所以它產生電場和磁場。在高能束流的情況下，這些場是純橫電磁場(TEM)。如果束流偏離真空室中心，則耦合出束流的電磁場將被調制，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器和真空室示意圖

圖2  鈕扣電極的感應電壓波形

圖3  對數(shù)比處理電路的方框圖

通常，人們采用探測電極測量束流的電磁場。探測電極的感應信號是被束流調制的時域信號，其載波是束團的回旋頻率(對單束團而言)或高頻的RF頻率(對多束團而言)。傳統(tǒng)的束流位置探測電極是一對電極或兩對電極(在同時測量水平和垂直位置時)。

圖1為具有束流的束流位置檢測器和真空室示意圖。為了分析方便，我們采用極坐標表示。這里，表示電極上某點的位置，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，采用靜電鏡象法可求解得電極上的壁電流密度為：

將上式展開可得：

對于左右放置的兩個電極，其電流分別為：

如果用差比和(D/S)表示，則

+高次項

其位置靈敏度為：

如果用對數(shù)比表示，則高次項

由上面公式，通過BPM對數(shù)電子學，就可以計算出束流位置。

設計

從安裝在真空管道內的四個紐扣電極感應出的信號的波形如圖2所示。

這個信號的脈寬很小，為ns數(shù)量級，其頻譜很寬，能達到幾個GHz。

整個設計的方框圖如圖3所示。

這里所顯示的只是一個方向的位置測量。BPM需要測量兩個方向的位置，即水平和垂直方向的位置，兩個方向的電路結構是完全一樣的。

在對數(shù)比方法中，對數(shù)比電路的輸出為：

在此用TI公司的對數(shù)放大器LOG101來實現(xiàn)。LOG101具有高精度(0.01% FSO Over 5 Decades)，寬動態(tài)范圍(100pA~3.5mA)，低靜態(tài)電流(1mA)，寬供電范圍(±4.5V~±18V)等特點。因為束流可能會工作在低流強，高流強情況下，所以要求寬的動態(tài)范圍，當然精度也是越高越好。

這里將從BPM來的R信號送入LOG101的1引腳，作為I1，L信號送入8引腳，作為I2，加上一些附加電路，就可實現(xiàn)對數(shù)運算了。

系統(tǒng)標定

為了測量束流的絕對位置，必須知道BPM的四個電極的電中心與BPM的機械幾何中心的關系。因此，在把BPM 安裝在加速器的真空管道上前，必須對每個BPM 進行標定，以得到BPM上的電壓值與位置之間的對應關系。

圖4示出束流位置監(jiān)測器標定系統(tǒng)的結構圖。

根據(jù)各電極感應信號的幅度，可由下式計算電子學歸一化水平和垂直位置信號：

通過一定范圍內移動天線或拉直絲模擬束流位置移動(X,Y)，并根據(jù)測量的信號電極(V1, V2, V3, V4)計算出水平和垂直位置信號(U,V)值，這樣可以得到BPM的Mapping圖。

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

圖4  束流位置監(jiān)測器標定系統(tǒng)的結構圖

圖5  BPM的Mapping圖

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

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

結語

BPM是加速器束流測量中的重要一項，并直接影響到其他一些物理量的測量，由于對數(shù)比方法的種種優(yōu)點，使它的應用很廣泛。這里就是用TI的LOG101對數(shù)放大器來實現(xiàn)對數(shù)比方法的。