實現加速器物理應用的次皮秒級脈衝與抖動精準量測
- Sonya Chan
- 9月21日
- 讀畢需時 4 分鐘
前言
在粒子加速器物理這類尖端研究領域中，實驗的成敗往往取決於對極短促、高能量脈衝訊號的精準掌握，研究人員不僅要面對如何捕捉這些稍縱即逝的訊號，更要克服環境中普遍存在的電磁干擾與時基飄移問題，任何微小的量測誤差都可能導致實驗數據失真，甚至影響對物理現象的根本判斷，因此，一套具備超低雜訊、高解析度與極低觸發抖動的量測儀器，便成為推進研究不可或缺的關鍵。
在加速器物理的實驗環境中，對脈衝訊號的精準量測是一項常態性的核心任務，R&S®RTO/RTP 數位示波器憑藉其卓越的數位觸發架構與低雜訊前端設計，能夠執行特性分析實驗裝置所需的高精準度量測，此外，該系列示波器內建多種專為加速器物理實驗室開發的量測功能，可支援進行更深入的訊號分析。
測試任務
加速器物理實驗，例如在同步輻射實驗室中進行的研究，通常要求對脈衝參數或兩個訊號之間的抖動進行極其精確的量測，這些資料不僅在實驗裝置的啟動與特性分析階段需要被精準擷取，在後續的正式運作期間也必須持續監控，以確保系統穩定，針對監控應用，資料必須以高更新率進行儲存與下載，才能捕捉到自由電子雷射以 100 Hz 頻率運作時發出的每一個脈衝。
Rohde & Schwarz 解決方案
研究人員將會對 R&S®RTO/RTP 出色的精準度留下深刻印象，其低雜訊前端和單核單晶片 10 Gsample/s 的類比數位轉換器（A/D converter）提供了超過 7 ENOBs（有效位元數）的解析度，確保了量測資料的精確性，而 100 ps 的取樣解析度則使其能夠偵測到高頻訊號的細微成分，數位觸發架構是實現 1 ps (RMS) 超低觸發抖動的關鍵核心，若選配 R&S®RTO-B4 恆溫控制晶體振盪器（OCXO, Oven Controlled Oscillator），更能將時基準確度提升至 0.2 ppm，這對於最小化長期量測的漂移至關重要，R&S®RTO/RTP 的量測速度同樣優異，每秒可執行 600,000 次遮罩測試，能比以往更快地偵測到訊號異常，總體而言，R&S®RTO/RTP 是同步輻射或自由電子雷射等眾多加速器物理實驗室應用中，執行精密量測的理想選擇。
應用
光束品質安全連鎖系統
隨著同步輻射光源引入連續補注（continuous top-up）的運作模式，整個注入過程必須完全自動化，這不僅對控制系統提出了重大改變，也催生了對新型安全連鎖系統的需求，用以防止同步加速器等設備受損，R&S®RTO/RTP 正是建構這類安全連鎖系統的理想工具，其高速遮罩測試功能可持續監控驅動同步加速器注入磁鐵的脈衝，一旦注入脈衝不正確並觸發遮罩，R&S®RTO/RTP 便會立即中止注入程序，從而避免對同步加速器造成損害，此外，該機種完整的遠端操控能力也是一大優勢，讓專家即使不在現場也能遠端進行故障排除，並完整存取 R&S®RTO/RTP 的所有功能。
監控自由電子雷射加速路徑中的射頻脈衝
在自由電子雷射（FEL, Free Electron Lasers）的運作中，射頻（RF）脈衝的波形受到持續監控，以防止加速器損壞，這要求系統必須能捕捉到每一個脈衝，並連續記錄其資料，最新一代的自由電子雷射將脈衝頻率提高到了 100 Hz，R&S®RTO/RTP 能夠以高達 100 Hz 的速率擷取波形並下載至個人電腦，確保「每一個脈衝」都不會被遺漏。
雷射脈衝與同步輻射源之間的抖動量測
在許多實驗中，不同的脈衝源之間需要達到精準同步，其中一個例子就是透過延遲量測，將雷射脈衝與同步輻射源對準，為了確保量測的準確性，將兩者之間的任何抖動降至最低至關重要，R&S®RTO/RTP 精確的數位觸發功能，搭配 OCXO 選配項目，是唯一能在兩個脈衝之間的時間關聯性量測上，達到次皮秒（sub-picosecond）等級準確度的方法，使用者可以透過量測統計、直方圖分佈和長期趨勢圖來深入分析延遲量測的結果。
觸發分配系統的準確度量測
同步輻射或自由電子雷射的觸發訊號，對於所有需要時間解析的實驗都至關重要，這個通常位於控制室的觸發訊號，需要被精確地分配到整個研究機構的各個角落，為了達到次皮秒等級的準確度，系統必須校正由溫度變化或其他因素引起的訊號波動，那麼該如何對這樣的觸發分配系統進行特性分析呢？，R&S®RTO/RTP 的數位觸發架構加上 R&S®RTO-B4 OCXO 選配項目，即使在相隔數微秒（microseconds）的脈衝之間，也能提供低於 1 ps 的出色量測準確度。
