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单谐振腔束团长度监测器耦合结构设计与仿真

庹还湘 孙葆根 罗箐 吴芳芳 周天雨 卢平

陈希普, 罗天泺, 胡智民. Timepix探测器质子响应的蒙特卡罗模拟[J]. 强激光与粒子束, 2025, 37: 022001. doi: 10.11884/HPLPB202537.240199
引用本文: 庹还湘, 孙葆根, 罗箐, 等. 单谐振腔束团长度监测器耦合结构设计与仿真[J]. 强激光与粒子束, 2022, 34: 044002. doi: 10.11884/HPLPB202234.210261
Chen Xipu, Luo Tianluo, Hu Zhimin. Monte Carlo simulation of proton response of Timepix detectors[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2025, 37: 022001. doi: 10.11884/HPLPB202537.240199
Citation: Tuo Huanxiang, Sun Baogen, Luo Qing, et al. Design and simulation of the coupler of single resonant cavity bunch length monitor[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2022, 34: 044002. doi: 10.11884/HPLPB202234.210261

单谐振腔束团长度监测器耦合结构设计与仿真

doi: 10.11884/HPLPB202234.210261
基金项目: 国家重点研发计划(2016YFA0401900, 2016YFA0401903);国家自然科学基金项目(12075236)
详细信息
    作者简介:

    庹还湘,tuohx@mail.ustc.edu.cn

    通讯作者:

    孙葆根,bgsun@ustc.edu.cn

  • 中图分类号: TL506

Design and simulation of the coupler of single resonant cavity bunch length monitor

  • 摘要: 单谐振腔束团长度监测器利用谐振腔内的两个本征模式测量ps量级的电子束团长度,它的关键是如何将两个不同频率的模式互不干扰地耦合提取出来。为解决这个问题,基于低通和带通滤波器的理论,提出了同轴滤波耦合结构和膜片加载波导滤波结构,借助CST微波工作室对滤波器进行建模并仿真得到其S参数。为测试耦合器的应用效果,设计了一套带有该耦合结构的单谐振腔束团长度监测器探头,根据国家同步辐射实验室基于可调谐红外激光的能源化学研究大型实验装置FELiChEM的束流特点,在CST内对所设计的探头进行束流模拟仿真。仿真结果表明,该耦合器可以实现对特定模式的耦合,并有效降低其它模式的干扰,采用同轴滤波耦合结构和膜片加载波导滤波结构的谐振腔监测器可以实现对FELiChEM装置束团长度的高精度测量,测量误差小于2 %。
  • 随着科学技术的发展,核技术具有零碳排放、能源独立、安全等诸多优势,在人类社会中的地位越来越重要。然而,核辐射事故却为核技术发展迅速蒙上了一层阴影。1986年,苏联切尔诺贝利核电站发生了迄今为止人类历史上最严重的核辐射事故[1]。2011年,日本东北海岸发生了里氏9.0级的强烈地震和海啸,造成了福岛第一核电站的1~3号机组反应堆熔毁[2]。由于反应堆内部高温和高辐射等极端环境,人类无法直接进入进行勘察和处置工作,因此在福岛事故中使用了多种类型和功能的机器人。光纤激光器具有高功率、高光束质量,光束可以远距离柔性传输等优点,可以用于无人区开展激光切割救援等工作[3]。比如Shin等人研究了用10 kW光纤激光器拆除核设施的150 mm厚的厚钢板和大型管道的切割性能[4]。当然,光纤激光器在辐射环境中也会受到影响[5],高能射线会导致增益光纤产生色心等各类缺陷,这些缺陷引起的额外光吸收增加了传输损耗,降低了光纤激光器性能。

    课题组基于光纤激光器存在的自漂白效应,利用60CO辐照源探索不同辐照剂量率下的光纤激光器暗化与自漂白的平衡关系。实验先采用低功率光纤振荡器进行不同辐照剂量率下激光器输出功率演化和去辐照后自漂白研究。使用的光纤激光振荡器实验结构如图1所示,谐振腔由常规商业掺镱光纤(YDF)、高反射光纤光栅(HR-FBG)、低反射光纤光栅(OC-FBG)构成,中心波长为976 nm的泵浦源(LDs)通过前向(2+1)×1泵浦信号合束器(FPSC)注入到谐振腔中,激光经过包层光滤除器(CLS)后由光纤端帽(QBH)扩束输出。

    图  1  光纤激光振荡器实验结构
    Figure  1.  Experimental structure of the fiber laser oscillator

    首先,利用较高辐照剂量率研究在去辐照后的自漂白效应,结果如图2(a)所示。图2(a)的(I)为未辐照阶段,持续时间为680 s,由于水冷机周期性制冷使得功率计温度周期变化导致测试激光功率也存在周期变化,激光器功率起伏为1.44%;需要注意的是,这个是主要功率测量误差导致,并不是激光器本身功率起伏。图2(a)中(II)为辐照阶段,在总辐照时间298 s内,辐照总剂量为14 900 rad,激光器输出功率从150 W下降至105 W。图2(a)的(III)为去辐照后的自漂白阶段,在光纤激光器的泵浦光子与热效应的共同作用下,激光器输出功率从118 W恢复di至145 W,与初始功率相差仅5 W,表明自漂白效应可以较为有效地恢复由于辐照导致的激光功率下降。

    图  2  光纤激光器在辐照环境下的输出特性
    Figure  2.  Output characteristics of the optical fiber laser in an irradiated environment

    然后,为了探索不同剂量率的自漂白与在线辐照相互作用是否可以达到平衡,开展了不同剂量率的对比研究,结果如图2(b)所示。图2(b)中,总辐照剂量为2 400 rad,红色、蓝色曲线分别对应辐照剂量率为50 rad/s、1 rad/s时激光器归一化输出功率演化情况;在辐照剂量率为50 rad/s时,激光输出功率下降了3%;在辐照剂量率1 rad/s时,功率起伏1.22%,考虑到这里的周期性起伏主要由于水冷机周期性制冷导致,可以认为在低辐照剂量率下,光纤激光器自漂白导致的功率提升与辐照导致的功率下降基本达到平衡。

    进一步地,基于图2(b)的实验结果,我们验证了1 kW级光纤激光器中自漂白与辐照平衡的实验现象。在辐照剂量率为0.1 rad/s时,激光器输出激光功率曲线演化如图2(c)所示。从实测功率曲线来看,在总辐照剂量为190 rad的整个辐照过程中,光纤激光器的输出功率都稳定在1 050 W以上,即使考虑前述由于水冷机导致的功率变化,激光器的功率起伏在1.79%以内。如果不考虑水冷机周期性制冷影响,激光器的功率起伏在0.66%以内。

    实验首次验证了在一定辐照剂量率下,光纤激光器自漂白效应导致的激光功率提升可以平衡辐照效应导致的功率下降,为相关场景应用的光纤激光器设计提供了有效支撑。后续,我们将继续深入相关研究,探索不同类别、不同结构激光器辐照与自漂白平衡的机理、阈值和可能的应用。

  • 图  1  低通原型滤波器集总电路

    Figure  1.  Lumped circuit of low-pass prototype filter

    图  2  低通原型滤波器的衰减-频率特性

    Figure  2.  Attenuation-frequency characteristics of low-pass prototype filter

    图  3  低通滤波器的结构

    Figure  3.  Structure of low pass filter

    图  4  低通滤波器的S参数

    Figure  4.  S parameters of low pass filter

    图  5  膜片加载波导带通滤波器的电路

    Figure  5.  Circuit of diaphragm-loaded waveguide band-pass filter

    图  6  带通滤波器的三维模型结构

    Figure  6.  3D model of band pass filter

    图  7  带通滤波器的剖面图

    Figure  7.  Cutaway view of band pass filter

    图  8  带通滤波器的S参数

    Figure  8.  S parameters of band pass filter

    图  9  单谐振腔束团长度监测器结构

    Figure  9.  Structure of bunch length monitor

    图  10  耦合模式的场分布

    Figure  10.  Electric field distribution of coupling mode

    图  11  端口输出信号

    Figure  11.  Port output signals

    表  1  FELiChEM的束流参数

    Table  1.   Electron beam parameters of FELiChEM

    energy/MeVenergy spread/keVbunch charge/nCbunch length/psmicro-pulse repetition rate/GHz
    25−60<2401.02−50.476
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    表  2  带通滤波器参数

    Table  2.   Parameters of band pass filter

    d01/mmd12/mma/mmb/mml0/mml1/mml2/mmt/mm
    10.544636.2697828.49912.6241521.1922.471.2
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    表  3  束团长度仿真结果

    Table  3.   Simulation results of bunch length

    bunch length/psVTM010/10−7VTM030/10−7VTM010/VTM030measured bunch length/psrelative error/%
    2 2.175 0.966 2.251 2.03 1.50
    3 2.174 0.959 2.266 2.99 0.33
    5 2.168 0.937 2.313 4.91 1.80
    10 2.147 0.840 2.557 9.93 0.70
    15 2.116 0.700 3.024 14.94 0.40
    20 2.074 0.542 3.828 19.97 0.15
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  • [1] Li Heting, Jia Qika, Zhang Shangcai, et al. Design of FELiChEM, the first infrared free-electron laser user facility in China[J]. Chinese Physics C, 2017, 41: 018102. doi: 10.1088/1674-1137/41/1/018102
    [2] 王岍. 基于谐振腔的直线加速器束团长度诊断技术研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2020

    Wang Qian. Study of the cavity-based bunch length diagnostic technology for linac[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2020
    [3] Chen Jian, Leng Yongbin, Yu Luyang, et al. Beam test results of high Q CBPM prototype for SXFEL[J]. Nuclear Science and Techniques, 2017, 28: 51. doi: 10.1007/s41365-017-0195-x
    [4] 曹珊珊, 冷用斌, 袁任贤, 等. 基于双腔探头的流强精确测量[J]. 核技术, 2019, 42:040101. (Cao Shanshan, Leng Yongbin, Yuan Renxian, et al. Study on precise bunch current measurement based on dual cavity monitor[J]. Nuclear Techniques, 2019, 42: 040101 doi: 10.11889/j.0253-3219.2019.hjs.42.040101
    [5] 王岍, 罗箐, 孙葆根. 单谐振腔束团长度监测器的设计与仿真[J]. 强激光与粒子束, 2017, 29:115101. (Wang Qian, Luo Qing, Sun Baogen. Design and simulation of a bunch length monitor for linac based on single cavity[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2017, 29: 115101 doi: 10.11884/HPLPB201729.170258
    [6] Guo Jiang, Zhou Zeran, Luo Qing, et al. Design and simulation of TM020 cavity bunch length monitor[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2016, 28: 095104.
    [7] 裴元吉. 电子直线加速器设计基础[M]. 北京: 科学出版社, 2013

    Pei Yuanji. Basics of electron linear accelerator design[M]. Beijing: Science Press, 2013
    [8] Roberts B, Mammei R R, Poelker M, et al. Compact noninvasive electron bunch-length monitor[J]. Physical Review Accelerators and Beams, 2012, 15: 122802. doi: 10.1103/PhysRevSTAB.15.122802
    [9] 甘本祓, 吴万春. 现代微波滤波器的结构与设计[M]. 北京: 科学出版社, 1973

    Gan Benfu, Wu Wanchun. The structure and design of modern microwave filter[M]. Beijing: Science Press, 1973
    [10] Jarry P, Pham J M, Roquebrun O, et al. A new class of dual-mode asymmetric microwave rectangular filter[C]//IEEE International Symposium on Circuits & Systems. Phoenix-Scottsdale: IEEE, 2002.
    [11] Chen T S. Characteristics of waveguide resonant-iris filters (correspondence)[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1967, 15(4): 260-262. doi: 10.1109/TMTT.1967.1126437
    [12] 徐锐敏, 唐璞, 薛正辉, 等. 微波技术基础[M]. 北京: 科学出版社, 2009

    Xu Ruimin, Tang Pu, Xue Zhenghui, et al. Fundamentals of microwave technology[M]. Beijing: Science Press, 2009
    [13] Wang Qian, Wu Y W, Luo Qing, et al. Design and simulation of the waveguide coupler for the cavity beam monitor[C]//9th International Particle Accelerator Conference. 2018: 4932-4935.
    [14] 崔艳艳. BEPCII直线加速器束团长度监测器研究[D]. 北京: 中国科学院高能物理研究所, 2007

    Cui Yanyan. Studies on bunch length monitor for BEPCII linac[D]. Beijing: Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, 2007
    [15] 邹俊颖, 方佳, 孙葆根, 等. Libera Brilliance Single Pass束流位置处理器性能测试[J]. 强激光与粒子束, 2012, 24(12):2893-2896. (Zou Junying, Fang Jia, Sun Baogen, et al. Characterization test of Libera Brilliance Single Pass processor[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2012, 24(12): 2893-2896 doi: 10.3788/HPLPB20122412.2893
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-08
  • 修回日期:  2021-12-25
  • 录用日期:  2022-01-04
  • 网络出版日期:  2022-01-08
  • 刊出日期:  2022-03-19

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