复旦大学本科毕业论文：高频腔相关参数测量与分析——同步辐射光源相关装置研究.doc_大学文库

、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

的基础,需要根据被测件的工作状态和测试要求来选择这两项参数。例如在对 LNA进行测试时,除设定扫频范围外,还需确定激励信号功率参数,以保证被测放大器没有工作于饱和区。在大功率器件测试应用中,为保护仪表,可在确定被测电路的状态正常后,再开启网络仪的功率输出 b.网络仪设置:测量点数和分析带宽网络分析仪测试点数和接收机分析带宽对测试结果有重要影响。这两项参数的设置都需要考虑测试精度和测试速度两方面的要求测试点数设置的原则: 测试点数越多,仪表扫描步长越小,测试结果的分辨率越髙,但测试速度会变慢。在对传输相位参数测试时,需要尽量选择多的测试点数,保证测试结果的正确。一般测试中,测试点数可设置为:800点接收机分析带宽设置的原则接收机带宽会影响测试显示结果的噪声抖动。接收机带宽越小,接收机噪声电平越低,网络仪测试精度得到改善,但测试速度会相应变慢。一般测试中,接收机分析带宽设置为:1kHz~5kHz。 c.网络仪校准网络分析仪具备的校准功能可保证各种器件测试时的精度。校准的目的是消除仪表和外围测试连接电缆等的系统误差,校准过程实际是通过对标准校准件的测试,确定这些误差的定量参数,然后通过修正消除。网络分析仪在校准时设置测试状态应该和被测件实际测试状态相同。这些测试状态包含:频率范围、功率;测试点数、接收机带宽、扫描时间等。在校准后改变测试参数设置,将会使测试精度降低或校准关闭 d.网络分析仪测量参数仪表设置测量参数 Meas(测量参数) Format(模式) 反射损耗 SWR 被测件端口驻波比 S Smith: R+iX 被测件端口输入阻抗 Smith G+ib 被测件端口输入导纳传输幅度特性,增益/损耗 Group Delay 延迟「 Phase+ Electrical Delay「相位非线性 absolute(1) Log Mag 端口1激励时,接收机A 绝对功率测量 Absolute B(1) og Mag 端口1激励时,接收机B 绝对功率测量 S参数:显示双端口器件的传输反射参数,为本实验主要测量参数。网络分析仪表测量器件的基本参数为传输和反射特性,所有这些参数都是相对比值。在一些指标测试过程中,还需得到被测器端口信号的绝对参数,如输出功率等。所有以上测试参数可在ENA网络分析仪的Meas和 Format按键下得到确定

6 的基础，需要根据被测件的工作状态和测试要求来选择这两项参数。例如在对 LNA 进行测试时，除设定扫频范围外，还需确定激励信号功率参数，以保证被测放大器没有工作于饱和区。在大功率器件测试应用中，为保护仪表，可在确定被测电路的状态正常后，再开启网络仪的功率输出。 b．网络仪设置：测量点数和分析带宽网络分析仪测试点数和接收机分析带宽对测试结果有重要影响。这两项参数的设置都需要考虑测试精度和测试速度两方面的要求。测试点数设置的原则：测试点数越多，仪表扫描步长越小，测试结果的分辨率越高，但测试速度会变慢。在对传输相位参数测试时，需要尽量选择多的测试点数，保证测试结果的正确。一般测试中，测试点数可设置为：800 点。接收机分析带宽设置的原则接收机带宽会影响测试显示结果的噪声抖动。接收机带宽越小，接收机噪声电平越低，网络仪测试精度得到改善，但测试速度会相应变慢。一般测试中，接收机分析带宽设置为：1kHz~5kHz。 c. 网络仪校准网络分析仪具备的校准功能可保证各种器件测试时的精度。校准的目的是消除仪表和外围测试连接电缆等的系统误差，校准过程实际是通过对标准校准件的测试，确定这些误差的定量参数，然后通过修正消除。网络分析仪在校准时设置测试状态应该和被测件实际测试状态相同。这些测试状态包含：频率范围、功率；测试点数、接收机带宽、扫描时间等。在校准后改变测试参数设置，将会使测试精度降低或校准关闭。 d. 网络分析仪测量参数仪表设置测量参数 Meas（测量参数） Format（模式） S11 S22 Log Mag 反射损耗 SWR 被测件端口驻波比 Smith:R+jX 被测件端口输入阻抗 Smith:G+jb 被测件端口输入导纳 S21 S12 Log Mag 传输幅度特性，增益/损耗 Phase 相位 Group Delay 延迟 Phase+Electrical Delay 相位非线性 Absolute A(1) Log Mag 端口 1 激励时，接收机 A 绝对功率测量 Absolute B(1) Log Mag 端口 1 激励时，接收机 B 绝对功率测量 S 参数：显示双端口器件的传输反射参数，为本实验主要测量参数。网络分析仪表测量器件的基本参数为传输和反射特性，所有这些参数都是相对比值。在一些指标测试过程中，还需得到被测器端口信号的绝对参数，如输出功率等。所有以上测试参数可在 ENA 网络分析仪的 Meas 和 Format 按键下得到确定