本科哗业论文 信A 论文题目:』。高频腔相关参教测量与分析— --同步辐射光源相关装置研究 院系 物理系 专业 物理学 姓名:徐天吴—学号:0519029 指导教师:张新夷职称:教授 指导教师:乔山职称:研究员 2009年6月3日
本科毕业论文 论文题目： 高频腔相关参数测量与分析 ------同步辐射光源相关装置研究 院 系： 物理系 专 业： 物理学 姓 名： 徐天昊 学 号： 0519029 指导教师： 张新夷 职 称： 教 授 指导教师： 乔 山 职 称： 研究员 2009 年 6 月 3 日
学生姓名徐天昊学号0519029专业 物理学院物理系 张新夷 教授 指导教师姓名 乔山职称 部门 物理系 研究员 论文题目高频腔相关参数测量与分析-同步辐射光源相关装置研究 论文摘要 同步辐射光源的产生机理在20世纪初由英国科学家提出,但直到1947年才在同步加 速器上被观察到,从而得名为同步辐射。其巨大的应用潜力在1967年以后逐渐为人们认识 到 本论文重点在于测量同步辐射光源相关装置一一高频腔的相关参数以及参数分析,因 此正文除第一章介绍“同步辐射装置”外,其他章节着重介绍高频腔、测量仪器、相关参 数的意义、测量结果、对结果的分析等。 关键词:同步辐射、髙阶横磁模式、髙频谐振腔、品质因数、电场分布 Synchrotron radiation light source mechanism in the early 20th century by British scientists, but until 1947 only in the synchrotron was observed, which was known as synchrotron radiation. Its great potential applications in 1967 gradually recognized This paper focuses on measurement of synchrot ron radiation light source devices high-frequency cavity analysis of the relevant parameters and the parameters so the body apart from the first chapter on "synchrotron radiation facility, the other chapters focus on high-frequency cavity, measuring instruments, the significance of the relevant parameters the measurement results, the results of the anal: Key words: Synchrotron radiation, high-order transverse magnetic mode high-frequency resonator, quality factor, the electric field distribution 2
2 学生姓名 徐天昊 学 号 0519029 专 业 物理学院物理系 指导教师姓名 张新夷 乔 山 职 称 教 授 研究员 部 门 物理系 论文题目 高频腔相关参数测量与分析----同步辐射光源相关装置研究 论文摘要 同步辐射光源的产生机理在 20 世纪初由英国科学家提出，但直到 1947 年才在同步加 速器上被观察到，从而得名为同步辐射。其巨大的应用潜力在 1967 年以后逐渐为人们认识 到。 本论文重点在于测量同步辐射光源相关装置——高频腔的相关参数以及参数分析，因 此正文除第一章介绍“同步辐射装置”外，其他章节着重介绍高频腔、测量仪器、相关参 数的意义、测量结果、对结果的分析等。 关键词：同步辐射、高阶横磁模式、高频谐振腔、品质因数、电场分布 Synchrotron radiation light source mechanism in the early 20th century by British scientists, but until 1947 only in the synchrotron was observed, which was known as synchrotron radiation. Its great potential applications in 1967, gradually recognized. This paper focuses on measurement of synchrotron radiation light source devices - high-frequency cavity analysis of the relevant parameters and the parameters, so the body apart from the first chapter on "synchrotron radiation facility", the other chapters focus on high-frequency cavity, measuring instruments, the significance of the relevant parameters , the measurement results, the results of the analysis. Key words: Synchrotron radiation, high-order transverse magnetic mode, high-frequency resonator, quality factor, the electric field distribution
目录: 前言 正文 同步辐射装置与网络分析仪 高频腔参数测量 1.高频腔的品质因数与频率测量-- 7 2.高频谐振腔基模的电场分布测量 参考文献 16
3 目录： 前言 ---------------------------------------------------------------- 4 正文 同步辐射装置与网络分析仪 ------------------------------- 5 高频腔参数测量 1. 高频腔的品质因数与频率测量 ---------------------- 7 2. 高频谐振腔基模的电场分布测量 -------------------- 12 参考文献---------------------------------------- ------------------ 16
、前言: 在人类文明史上,有四种光源对人们的生活一直产生着重大的影响。 第一是1879年美国发明家爱迪生发明的电光源。电光源的发明促进了电力 装置的建设。它不仅成为人类日常生活的必需品,而且在工业、农业、交通运输 以及国防和科学研究中,都发挥着重要作用。电光源的产生给人类带来了巨大财 富 第二是1895年德国科学家伦琴发现的ⅹ射线源。在伦琴的论文中,首先显 示的是她夫人的手的ⅹ射线图像,在那神秘的光的照射下,手指骨联同戒指 起清晰地展现在人们眼前。如今,任何医院都少不了X射线源。 第三是20世纪60年代美国和前苏联一批科学家创制的激光光源,大到激光 核聚变用的10万亿瓦的激光,小到家用激光唱机、超市付账口用的激光扫描器、 作演讲时用的激光笔,还有医院中用的激光刀。激光高度的准直性使百瓦激光可 以从地球射到月球,再反射回地球,从而精确地测定地球与月球之间的距离 第四种光源就是同步辐射光源。这种光源的产生机理在20世纪初由英国科 学家提出,但直到1947年才在同步加速器上被观察到,从而得名为同步辐射。 其巨大的应用潜力在1967年以后逐渐为人们认识到。 产生光的机理有两种:一是原子内电子状态从高到低的跃迁产生的光辐射; 另一是带电粒子,特别是电子,运动速度发生变化时伴随产生的光辐射。第二和 第三类光源的产生机制主要是第一种;同步光源则完全是第二种。速度是矢量, 既有数值也有方向,数值变化或方向变化,都是速度的变化。电子绕圆周运动, 方向不断变化,速度也就时时在变化,因此电子运动能量的一部分就不断转化为 电磁辐射,即在电子运动的切线方向不断产生电磁辐射,其波长由电子的能量所 决定,其聚焦性能在很大程度上也取决于电子的能量。同步辐射最初是在高能加 速器上作为“副产品”被利用的,这种同步辐射光源就是第一代同步辐射光源 北京高能物理研究所的同步辐射光源即属此类。当同步光源的应用日益广泛后, 就反客为主,转副为正了,人们建造了同步辐射光源专用机,即出现第二代同步 辐射光源,合肥中国科学技术大学内的800MeV同步辐射光源即属此类。接着就 产生第三代同步辐射光源,其性能大大优于第二代,上海光源即属此类。第一代 第二代、第三代同步辐射光源之间的最主要区别,是在于作为发光光源的电子束 斑尺寸或电子发射度的迥异。例如第二代的合肥同步辐射光源,其电子束发射度 约150纳米弧度,而第三代的“上海光源”,其电子束发射度约4纳米弧度 者相差近40倍,其得到的光亮度相差约1600倍,约三个量级。 三代同步辐射光源的另一显著差别是,可使用的插入件的数量悬殊,第二代 光源仅能安装几个插入件,而第三代光源可有十几个到几十个插入件。由于插入 件产生的光较之弯转磁铁产生的光具有更高的亮度和更好的性能,可见插入件数 量的多寡可直观地表征光源的性能的优劣。 本论文重点在于测量用于同步辐射装置一一电子储存环中的高频腔的相关 参数以及参数分析,因此正文除第一章介绍“同步辐射装置”外,其它章节着重 介绍高频腔、测量仪器、相关参数的意义、测量结果、对结果的分析等
4 一、前言： 在人类文明史上，有四种光源对人们的生活一直产生着重大的影响。 第一是 1879 年美国发明家爱迪生发明的电光源。电光源的发明促进了电力 装置的建设。它不仅成为人类日常生活的必需品，而且在工业、农业、交通运输 以及国防和科学研究中，都发挥着重要作用。电光源的产生给人类带来了巨大财 富。 第二是 1895 年德国科学家伦琴发现的 X 射线源。在伦琴的论文中，首先显 示的是她夫人的手的 X 射线图像，在那神秘的光的照射下，手指骨联同戒指一 起清晰地展现在人们眼前。如今，任何医院都少不了 X 射线源。 第三是 20 世纪 60 年代美国和前苏联一批科学家创制的激光光源，大到激光 核聚变用的 10 万亿瓦的激光，小到家用激光唱机、超市付账口用的激光扫描器、 作演讲时用的激光笔，还有医院中用的激光刀。激光高度的准直性使百瓦激光可 以从地球射到月球，再反射回地球，从而精确地测定地球与月球之间的距离。 第四种光源就是同步辐射光源。这种光源的产生机理在 20 世纪初由英国科 学家提出，但直到 1947 年才在同步加速器上被观察到，从而得名为同步辐射。 其巨大的应用潜力在 1967 年以后逐渐为人们认识到。 产生光的机理有两种：一是原子内电子状态从高到低的跃迁产生的光辐射； 另一是带电粒子，特别是电子，运动速度发生变化时伴随产生的光辐射。第二和 第三类光源的产生机制主要是第一种；同步光源则完全是第二种。速度是矢量， 既有数值也有方向，数值变化或方向变化，都是速度的变化。电子绕圆周运动， 方向不断变化，速度也就时时在变化，因此电子运动能量的一部分就不断转化为 电磁辐射，即在电子运动的切线方向不断产生电磁辐射，其波长由电子的能量所 决定，其聚焦性能在很大程度上也取决于电子的能量。同步辐射最初是在高能加 速器上作为“副产品”被利用的，这种同步辐射光源就是第一代同步辐射光源， 北京高能物理研究所的同步辐射光源即属此类。当同步光源的应用日益广泛后， 就反客为主，转副为正了，人们建造了同步辐射光源专用机，即出现第二代同步 辐射光源，合肥中国科学技术大学内的 800MeV 同步辐射光源即属此类。接着就 产生第三代同步辐射光源，其性能大大优于第二代，上海光源即属此类。第一代、 第二代、第三代同步辐射光源之间的最主要区别，是在于作为发光光源的电子束 斑尺寸或电子发射度的迥异。例如第二代的合肥同步辐射光源，其电子束发射度 约 150 纳米弧度，而第三代的“上海光源”，其电子束发射度约 4 纳米弧度，二 者相差近 40 倍，其得到的光亮度 相差约 1600 倍，约三个量级。 三代同步辐射光源的另一显著差别是，可使用的插入件的数量悬殊，第二代 光源仅能安装几个插入件，而第三代光源可有十几个到几十个插入件。由于插入 件产生的光较之弯转磁铁产生的光具有更高的亮度和更好的性能，可见插入件数 量的多寡可直观地表征光源的性能的优劣。 本论文重点在于测量用于同步辐射装置——电子储存环中的高频腔的相关 参数以及参数分析，因此正文除第一章介绍“同步辐射装置”外，其它章节着重 介绍高频腔、测量仪器、相关参数的意义、测量结果、对结果的分析等
二、正文 第一部分:同步辐射装置与网络分析仪 这一部分主要介绍实验主要所在的上海光源的同步辐射装置以及网络分析 仪 l、SSRF SSRF由100MeV电子直线加速器、3.5GeV增强器、3.5GeV电子储存环以 及沿环外侧分布的同步辐射光束线和实验站组成,直线加速器和增强器位于储存 环内侧 SSRF储存环的设计目标是电子能量3.5GeV、周长432m、自然发射度小于 lonm*rad、束流强度200~300mA、束流寿命大于10小时、束流位置稳定度约为 束斑大小的10%、直线节总长与周长之比大于1/3。SSRF储存环的最大设计流 强300mA,二极磁铁的同步辐射损失约为417W、插入件中的同步辐射损失约 为150kW,全环高次模损耗约为25kW,总的束流负载约592kW。此外,为了获 得足够高的能量接受度,要求高频加速腔的腔压大于40MV。SSRF在预研时曾 有采用8个常温高频腔来提供40MV的总腔压的设想。随着超导高频腔的发展, 500MHz超导腔(如CESR型超导腔和KEKB型超导腔)的腔压为每腔 14~1.8MV、每腔提供的束流功率200~300kW。为了实现总加速电压大于4MV 提供束流功率大于592KW,SSRF储存环现采用3个超导高频腔。 2、网络分析仪 它本身自带了一个信号发生器,可以对一个频段进行频率扫描。如果是单端 口测量的话,将激励信号加在端口上,通过测量反射回来信号的幅度和相位,就 可以判断出阻抗或者反射情况。 而对于双端口测量,则还可以测量传输参数。 1)ENA系列网络分析仪的主要特点有 可适合各种测试器件 ENA可测试包含各种非变频器件、混频器件、平衡器件、多端口器件、天线 和非插入器件等 b.先进的校准方法 支持同轴形式校准、电子校准、混合端口校准、变频器件矢量校准和用户定义校 准件等。 c.测试性能高 接收机性能的提高可保证仪表具备很高的测试动态范围和测试精度,同时 NA具备的 Embed ing和 De-embeding可保证对各种非插入器件的测试准确性 d.使用方便扩展性好 ENA硬件组成和软件的框架使得ENA的测试应用具备灵活的扩展性。内置 的ENA编程环境可方便自动测试的应用。 2)与实验相关的网络分析仪使用: a.网络仪设置:激励信号功率和频率 网络分析仪的测试参数反映被测件在不同激励功率和激励频率条件下传输/ 反射参数的变化。对网络仪提供激励信号的功率和频率参数进行设定是仪表测试
5 二、正文 第一部分：同步辐射装置与网络分析仪 这一部分主要介绍实验主要所在的上海光源的同步辐射装置以及网络分析 仪。 1、SSRF SSRF 由 100MeV 电子直线加速器、3.5GeV 增强器、3.5GeV 电子储存环以 及沿环外侧分布的同步辐射光束线和实验站组成，直线加速器和增强器位于储存 环内侧。 SSRF 储存环的设计目标是电子能量 3.5GeV、周长 432m、自然发射度小于 10nm*rad、束流强度 200~300mA、束流寿命大于 10 小时、束流位置稳定度约为 束斑大小的 10%、直线节总长与周长之比大于 1/3。SSRF 储存环的最大设计流 强 300mA，二极磁铁的同步辐射损失约为 417kW、插入件中的同步辐射损失约 为 150kW，全环高次模损耗约为 25kW，总的束流负载约 592kW。此外，为了获 得足够高的能量接受度，要求高频加速腔的腔压大于 4.0MV。SSRF 在预研时曾 有采用 8 个常温高频腔来提供 4.0MV 的总腔压的设想。随着超导高频腔的发展， 500MHz 超导腔（如 CESR 型超导腔和 KEKB 型超导腔）的腔压为每腔 1.4~1.8MV、每腔提供的束流功率 200~300kW。为了实现总加速电压大于 4MV、 提供束流功率大于 592KW，SSRF 储存环现采用 3 个超导高频腔。 2、网络分析仪 它本身自带了一个信号发生器，可以对一个频段进行频率扫描。如果是单端 口测量的话，将激励信号加在端口上，通过测量反射回来信号的幅度和相位，就 可以判断出阻抗或者反射情况。 而对于双端口测量，则还可以测量传输参数。 1）ENA 系列网络分析仪的主要特点有： a．可适合各种测试器件 ENA 可测试包含各种非变频器件、混频器件、平衡器件、多端口器件、天线 和非插入器件等。 b．先进的校准方法 支持同轴形式校准、电子校准、混合端口校准、变频器件矢量校准和用户定义校 准件等。 c．测试性能高 接收机性能的提高可保证仪表具备很高的测试动态范围和测试精度，同时 ENA 具备的 Embeding 和 De-embeding 可保证对各种非插入器件的测试准确性。 d．使用方便扩展性好 ENA 硬件组成和软件的框架使得 ENA 的测试应用具备灵活的扩展性。内置 的 ENA 编程环境可方便自动测试的应用。 2）与实验相关的网络分析仪使用： a．网络仪设置：激励信号功率和频率 网络分析仪的测试参数反映被测件在不同激励功率和激励频率条件下传输/ 反射参数的变化。对网络仪提供激励信号的功率和频率参数进行设定是仪表测试