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是国内首个光谱覆盖在红外波段的自由电子激光装置,频谱范围为2.5μm～200μm。该装置的直线加速器部分的电子能量最高可达到60MeV,电荷量为1nC,微脉冲重复频率为476MHz。本课题的主要工作就是针对FELiChEM装置的直线加速器部分的束流特性,对其束团长度的监测系统进行研究。主要使用的手段就是利用束流流经谐振腔时激励出的各种谐波信号,对这些谐波信号的幅度信息进行提取,从而测量出束团长度。基于谐振腔的束团长度测量方法相比于其他测量方法而言,测量的分辨率更高,对束流的影响较小,结构简单易于实现。本论文基于谐波法测量束团长度理论和谐振腔的基本理论,借助CST软件的三维电磁仿真环境平台,对单谐振腔探头实施了建模仿真设计,得到腔体探头内的电磁场分布,并进行了模拟仿真测量。同时根据同轴线低通滤波器和膜片加载波导带通滤波器的设计原理,设计了单谐振腔探头的耦合结构,使TM010模式的电磁场信号和TM030模式的电磁场信号能同时独立地从单谐振腔头中耦合出来,最终设计出来的单谐振腔探头对束团长度的模拟测量误差小于2%。同时本论文对信号引出之后进行信号处理的过程也展开了讨论,主要利用到的元器件和仪器为带通滤波器、低通滤波器、混频器和libera处理器。带通滤波器的主要作用是在信号从谐振腔探头引出之后,对原始信号中的干扰信号进行滤除。滤波后的原始信号和本振信号同时输入到混频器中,对谐振腔中提取出的原始信号进行下变频到中频信号500MHz左右,以便于之后libera处理器对其进行采样和数字信号处理,从libera中处理后得到的数据就可以用来进行束团长度的计算。在本论文的最后介绍了两个已经加工完成的单谐振腔探头,将图纸设计实物化。