ICS 27.120.99 F 91 DB34 安 徽 省 地 方 标 准 DB 34/T 3240—2018 超导回旋加速器 谐振腔电压分布测试方法 Superconducting cyclotron Test method of voltage distribution for radiofrequency cavity 2018 - 12 - 29 发布 安徽省市场监督管理局 2019 - 01 - 29 实施 发 布 DB34/T 3240—2018 前 言 本标准按照 GB/T 1.1-2009 给出的规则起草。 本标准由合肥中科离子医学技术装备有限公司提出。 本标准由安徽省超导回旋加速器标准化技术委员会归口。 本标准起草单位：合肥中科离子医学技术装备有限公司、中国科学院等离子体物理研究所、安徽省 质量和标准化研究院。 本标准主要起草人：宋云涛、刘广、陈根、赵燕平、黄崑成、张鑫、陈永华、杨庆喜。 I DB34/T 3240—2018 超导回旋加速器 谐振腔电压分布测试方法 1 范围 本标准规定超导回旋加速器谐振腔电压分布测试方法的术语和定义、方法原理、测试设备、测试要 求、测试步骤、数据处理、测试报告。 本标准适用于超导回旋加速器谐振腔电压分布的测试。 2 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 2.1 特性阻抗 characteristic impedance 射频传输线中影响无线电波电压、电流的幅值和相位变化的固有特性，数值上等于各处的电压与电 流的比值。 2.2 阻抗匹配 impedance matching 信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同的状态，或传输线的特性阻抗与所接负载 阻抗的大小相等且相位相同的状态。 2.3 微波网络 microwave network 电子系统中用于检测、传输、处理信息或能量的微波电路。 2.4 散射参数 S parameter 建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口 的信号来描述微波电路。 2.5 谐振腔 resonant cavity 在射频波段能够提供加速粒子所需电场的封闭空腔。 2.6 D 形结构板 Dee 谐振腔中平面处的 D 形结构板块，主要用于产生加速电压。 1 DB34/T 3240—2018 3 方法原理 根据谐振腔并联分路阻抗测试理论，谐振腔可作为微波二端口网络进行处理，根据传输矩阵原理及 互易调件，分析了探针直接测量、探针并联特性阻抗电阻测量这两种情况的原理，并分别计算出下腔体 并联分路阻抗与传输系数的关系式。见附录A 公式（A.24）和（A.30）。 谐振腔电压分布测试原理的公式推导见附录A。 4 测试设备 测试设备包括： a) 矢量网络分析仪及标准校准器件，矢量网络分析仪宜为 2 端口或 4 端口，本地噪声小于 -100 dbm； b) N 型接头、阻抗匹配的同轴线缆； c) 探针、无感电阻，探针直径宜为 4 mm～8 mm，无感电阻的阻抗为特性阻抗，一般为 50Ω。 5 测试要求 测试要求包括： 测试环境温度应为 10℃～35℃，空气湿度应为 40％～60％； b) 谐振腔外壳及矢量网络分析仪都需接地保护； c) 绝缘要求：工装条的材质表面电阻率应大于 104 MΩ。 a) 6 测试步骤 6.1 以腔体中心点为圆点以孔距 15 mm～30 mm 取若干等距的测量点，如图 1 所示。 6.2 制备工装条，依照测量点在工装条上开孔，开孔直径应大于探针直径 3 mm～5 mm。工装条应贴合 谐振腔 Dee 上下间隙。 图1 测量点分布示意图 6.3 打开矢量网络分析仪，以腔体谐振频率为中心频率，频宽宜设置为 20 MHz～50 MHz，校准矢量网 络分析仪。 6.4 将矢量网络分析仪 1 端口接入谐振腔耦合馈口，调节谐振腔的调谐结构使其达到谐振频率，再调 节腔体耦合结构使其达到临界阻抗匹配状态。 2 DB34/T 3240—2018 6.5 将矢量网络分析仪 2 端口连接探针。测量时探针穿过工装条的测量孔，探针顶端接触 Dee 边缘， 待矢量网络分析的正向传输系数（S21）稳定后记录。如图 2 所示。 6.6 从谐振腔中心位置开始，沿着测量点依次向外测量 Dee 的 S21 数据。 6.7 将无感电阻与探针并联（接地并联），重复步骤 6.3~6.6 进行测试。测量并记录一组新的 S 21' 数据。 工装条 谐振腔 耦合馈口 腔体中心点 测量孔 Dee 探针 同轴线缆 1端口 图2 7 矢量网络分析仪 2端口 电压分布测试示意图 数据处理 7.1 根据附录 A 式（A.24） R  4 Z 0 / S 212 ，由 S21 数据计算出腔体并联分路阻抗。 7.2 根据附录 A 式（A.30） R  Z 0 / S 212 ，由 S21’数据计算出腔体并联分路阻抗。 7.3 7.4 分别得到两种腔体并联分路阻抗分布（腔体并联分路阻抗与测量点位置关系）。 由电压与并联分路阻抗的关系： V  2 PR ........................................ (1) 式中： P ——腔体功率损耗，单位为瓦（W）； V ——腔体 Dee 板某测量点处电压，单位为瓦（W）； R ——并联分路阻抗，单位为欧姆（Ω）。 根据腔体功率损耗不变，依据并联分路阻抗 Rp ( Rp ' )的分布，计算出腔体电压分布。 8 测试报告 3 DB34/T 3240—2018 测试报告应包含以下内容： ——本标准号； ——环境温度，湿度； ——测量方法； ——测量时间； ——矢量网络分析仪的型号； ——谐振腔电压分布测试前腔体临界匹配的输入反射系数（S11）图以及 Smith 阻抗圆图； ——Dee 各测量点 S21 参数数据； ——腔体并联分路阻抗分布； ——腔体电压分布。 4 DB34/T 3240—2018 AA 附 录 A （资料性附录） 谐振腔并联分路阻抗测试理论 A.1 矢量分析仪测量法基础理论（基于探针直接测量） 根据式（1），将测量加速电压等效转化为测量并联分路阻抗。 公式推导基于以下两点假设： ——谐振腔耦合端口与传输线特性阻抗 Z0 匹配； ——谐振腔处于谐振状态，腔体等效于并联分路阻抗 R。 图A.1 谐振腔二端口网络 由上面假设，可以得出传输矩阵 ABCD 之间的关系： V1  AV2  BI 2 ..................................... (A.1) I1  CV2  DI 2 ..................................... (A.2) 式中： V1 ——网络中端口1（PORT 1）电压，单位为伏特（V）； V2 ——网络中端口2（PORT 2）电压，单位为伏特（V）； I1 ——网络中端口1（PORT 1）电流，单位为安培（A）； I2 ——网络中端口2（PORT 2）电流，单位为安培（A）。 A、B、C、D——待求解的未知系数。 由（A.1）式可知： V12 2Z 0  V22 2R ...................................... (A.3) 式中： 由假设1，端口1 匹配： V1 I1  Z0 ....................................... (A.4) 令 I 2  0 ，则： 5 DB34/T 3240—2018 A C I1 V2 V1 V2   I1 V1 V1 V2 Z 0 / R ................................... (A.5)  Z0 / R Z0 ................................ (A.6) 令   Z 0 / R ，则： A   ....................................... (A.7) C   / Z 0 ...................................... (A.8) 为了求解传输矩阵 B、D 的值，采用如图A.2 所示的倒置矩阵 图A.2 谐振腔二端口网络倒置矩阵 令 I1  0 ....................................... (A.9) 端口1 开路时， V2  R ...................................... (A.10) I2 由二端口网络互易条件： AD  CB  1 .................................... (A.11) 代入（A.1）、（A.2）可得到： B  0 ....................................... (A.12) D  1 /  ..................................... (A.13) 得出传输矩阵 ABCD 的参数： 0    M  ................................. (A.14)  / Z 0 1 /   由散射 S 矩阵和传输 A 矩阵转换关系可得： S11   A  B / Z 0  CZ 0  D  / E ............................ (A.15) S21  2 / E ..................................... (A.16) S21  S12 ..................................... (A.17) 6 DB34/T 3240—2018 S 22   A  B / Z 0  CZ 0  D  / E ............................ (A.18) 其中： E  A  B / Z 0  CZ 0  D ............................... (A.19) 将 ABCD 参数带入，可得： S11   1 ................................... (A.20) 1  2 2 S 21  2 .................................... (A.21) 1  2 2 S 22  1  2 2 ...............