Способ определения электродинамических характеристик ускоряющих структур Советский патент 1989 года по МПК H05H7/00 

: 1 .

Изобретение относится к ускори гельной технике и может быть исполь- ; зовано для экспериментального определения электродинамических характеристик ускорянщих структур, знание которых необходимо для .настройки ускоряющих структур и определения режима их работы.

Непосредственному определению подг лежит комплексный параметр нагрузки током при взаимодействии ультрарелятивистского сгруппированного пучка заряженных частиц с электромагнитным полем в ускоряющей структуре. Экспериментально определенная зависимость комплексного параметра нагрузки током от координаты вдоль продольной оси Z, в обдем случае неоднородной ускоряющей структуры, позволяет .в каждом практическом случае получать детальную информацию о таких важных электродинамических характеристиках, как

последовательное сопротивление, затухание, фазовая скорость волны электромагнитного поля.

Цель изобретения - упрощение способа при измерении параметров ускоряющих структур на высоком уровне СВЧ-мощности.

На фиг. 1 приведен разрез неод- . нородной ускоряющей структуры, поясняющей разбиение струз уры и выбор сечений Z на фиг. 2 - фазовая диаграмма для комплексных амплитуд :электромагнитных.полей в сечении структуры Z Zf,; на фиг. 3 - блок- схема устройства, пригодного для реализации предлагаемого способа; на фиг. 4 - экспериментальные зависимости амплитуды акустических сигналов от угла фазовой расстройки ускоряккцей структуры, из которых может быть определен модуль комплексного параметра нагрузки-током„

Од 4

I При ускорении упьтрарепятивистско- Го хорошо сгруппированного пучка мож- Йо ввести комплексньй параметр нагруз- Ки током , Ph/структ уры, являющий-с ся функцией продольной координаты z и завися1ций от относительной средней Скорости частиц в сгустке fin

f . VP E,,(I, Z,)/IN ,«

P I Ё;()-eЧ 10

1 деE - комплексная амплитуда поля,

I возбуждаемого пучком, В;

iЕ - комплексная амп.яитуда СВЧ1 поля внешнего генератора. В;15

:Чо фаза влета точечных сгустi ков пучка во внешнее поле

на входе ускоряющей структуIры Z О, рад; .

IР - СВЧ-мощность внешнего гене- 20

; раТора, передаваемая в струк туру, Вт;

I - ток пучка, А.

Важность экспериментального опреде|тения комплексного параметра нагрузг Ки током можно пояснить, если воспользоваться конкретными теоретическими Представлениями о распределении электромагнитных полей в ускоряющей структуре с интенсивным пучком. Так, в широко используемом приближении основной

гармоники можно (|Z,Ii«) 1

записать S

1/К„(Оехр U ()dVJex

k (

1

Рп

1. )d.ld,

и , ш J де Rv,(Z)i 2

(2)

o((Z), R(Z)

k 0) /с

К

1

(ЬФ(Е, W )

последовательное сопротивление структуры, соответственно затухание и шун- товое сопротивление структуры, Ом/м;

волновое число, 1/м;

относительная средняя скорость частиц; в сгустке;

относительная фазовая скорость основной волны при частоте поля и/21Г .

Из соотношения (2) следует, например, что экспериментальное определение значения комплексного параметра нагрузки током с последующим вьмисле- нием модуля |d x/dZl эквивалентно определению произведения

ехр

. .По/ () 2|df//dZ|,

В этом случае можно экспериментально установить дополнительное, соотношение между такими .важными характеристиками неоднородной ускоряющей структуры, как затухание c(Z) и по- следовательное сопротивление RK(Z), В реальных случаях можно записать

RM(Z) 4 I dfx/dzC,

Кроме того, зависимость p(Z) позволяет определять отличие фазовой скорости (1 ф волны в ускоряющей структуре от скорости пучка п 1

d , 1 1 , dZ - dZ- f3h f3(Z,w )

В каждом из выбранных сечений

Z Zjn 1, 2,

N) ускоряющей

структуры (фиг. 1) комплексная амплитуда Е j суммарного (действующего) поля может быть представлена, как это показано на фазовой диаграмме (фиг. 2) в виде суммы комплексных амплитуд Е и Е . При построении диаграммы учтено определение (1) и введено обозначение arg р (Z, /з) . Индекс m относится к дискретным значениям I тока пучка 1, а индекс п - к п-ому сечению ускоряющей структуры 2 Z.

Импульсное СВЧ-поле возбуждает в элементах ускоряющей структуры обусловленный пондеромоторным давлением акустический сигнал А, пропорциональный квадрату модуля амплитудь Е ,, марного поля. Из фазовой диаграммы (фиг. 2.) дпя а мплитуды А h, |( ifjfaKyc-

тического сигнала в п-ой ячейке ускоряющей структуры имеют

hi.

где зе

1

.

+ 2

WP

5

.Ь

lrUh,){

С08(Ч „-Ч)3,

(5)

амплитуда акустического сигнала в п-ой ячейке структуры при 1 0.

Из (3) очевидно, что минимальное значение Am., достигается при

(в)

U Vn

(4)

С другой стороны, А.,п АО при таком

«()

М-о

что

,

+ 2со8(К - а ) о, (5)

откуда, сопоставляя чают

(4) и (5), полуlH(ZJ|

2 Vp

.1)

cos(f -i/ ). (6)

Выражения (4) и (6) являются ключевыми для определения электродинамических характеристик ускоряющих струк- тур по предлагаемому способу.

Рассмотрим реализацию способа на примере работы устройства (фиг. 3), в котором дополнительно решаются во- просы механической установки пьезоэлектрических преобразователей на каждом из выбранных сечений структу- ры и схемного вьвделения акустического сигнала от каждого сечения структуры для исключения влияния сигналов от соседних элементов.

Способ осуществляется следующим образом

Импульс электромагнитньпс волн от возбуждающего генератора 1 поступает на импульсы-СВЧ-усилитель 2, дале по передающему волноводу 3 в групци- рователь 4. Часть электромагнитных волн по передающему волноводу 5 через фазовращатели 6 и 7 поступает на другие импульсные СВЧ-усилители 8 и 9, а от них - по передающим волно- водам 10 и 11 в ускоряющие структуры 12 и 13 соответственно. Электромагнитная волна в ускоряющей структуре, отдав часть своей энергии на ускоре

то

15

ры при отключенном токе пучка /т О/ ic 0. Затем , при Ih, О фазиров - нием поля внешнего генератора относительно поля, возбуждаемого в структуре пучком, посредством фазорраща- теля добиваются оптимального условия ускорения пучка в структуре, что соответствует максимальному приращению энергии пучка при данном значении тока, фиксируют минимальное значение амплитуды А акустического сигнала в каждом п-ом сечении структуры и отмечают угол фазовой расстройки , при котором это условие выполняется. Далее, изменяя угол фазовой расстрой- .ки структуры, добиваются выполнения

0

0

0

5

условия А

tn,

А.

и отмечают значеп 0

ние Lf угла фазовой расстройки при выполнении этого условия. Наконец, определяют модуль комплексного параметра нагрузки током в каждом из выбранных сечений по формулам (4 - 6).

Вычисленное таким образом значе- ние модуля комплексного параметра нагрузки током ускоряющей структуры само по себе является важной электродинамической характеристикой, кроме того, как показано выше, его производная позволяет определить соотношение между Rf, и at , К„и отличие скоростей пучка и ускоряющей волны в структуре.

Типичные зависимости приведены на фиг. 4.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает возможность определения электродинамических характеристик в неоднородных ускоряющих структурах на каждом выбранном сечении структуры. Исключается необходимость технологического отключения ускоряющей структуры для оптимиза

Изобретение относится к ускорительной технике. Цель изобретения - упрощение способа. Существо изобретения заключается в том, что измеряют амплитуду акустических колебаний элементов ускоряющей структуры в разных поперечных сечениях структуры соответственно при токе пуска I. о О и при токе 1 О и по приведенным в описании аналитическим выражениям рассчитывают параметры ускоряющей структуры. 4 ил. с

ние пучка 14, поглощакщется в элемен- 45 режима ускорения пучка посредст- тах структзфы и вызьтает в них акустические колебания, амплитуда которых измеряется пьезоэлектрическим преобразователем 15, укрепленным снавом оценки приращения энергии пучка по внешнему, прерывающему пучок, датчику. Появляется возможность определения электродинамических характеристик в режиме сильноточного ускорения. Способ позволяет учитывать температурные неоднородности в каждом сечении ускоряющей структзфы,. возникающие при работе на высоком уровне мощности. Появляется возможность существенно снизить трудоемкость и длительность процесса определения электродинамических характеристик и проводить процесс их оценки

ружи на поверхности данного элемента структуры в сечении Z Zj,,:сигнал от которого после обработки блоком 16 поступает на регистратор 17.

Дпя определения электродинамических характеристик ускоряющей струк- туры по предлагаемому способу сначала измеряют зависимость АО амплитуды акустического сигнала в каждом Z . Z п из выбранных сечений структуЧ ™ режима ускорения пучка посредст-

вом оценки приращения энергии пучка по внешнему, прерывающему пучок, датчику. Появляется возможность определения электродинамических характеристик в режиме сильноточного ускорения. Способ позволяет учитывать температурные неоднородности в каждом сечении ускоряющей структзфы,. возникающие при работе на высоком уровне мощности. Появляется возможность существенно снизить трудоемкость и длительность процесса определения электродинамических характеристик и проводить процесс их оценки

.

настолько часто, насколько это необходимо на работающем в режиме непре- рьшной эксплуатации ускорителе, на- пример, с целью выяснения эволюции электрофизических свойств проводящей поверхности структуры, от качества которой сильно зависит затухание электромагнитного поля в структуре - это обстоятельство позволяет увели™ 1чить срок службы дорогодаоящик уско- ряю1чих структур посредством постоян- Iного контроля состряния их проводя- 1ЩИХ поверхностей. Значительная вели- I чина отношения скоростей распростра- I нения электромагнитных и звуковых волн определяет уникальную помехозащищенность способа, что существенно для установок, работающих при высоких уровнях.электромагнитных помех. Для точных измерений исютючается необходимость в строгой идентичности датчиков, поскольку независимо от их чувствительности, единообразия установки вдоль исследуемой структуры, которые неизбежно различны, измерения требуют лишь фиксации минимума сигнала и равенства цвух сигналов на данном датчике, а это условие не зависит ни от чувствительности дан° ного датчика, ни от взаимного подобия установки этого датчика относительно остальных. Возможны некоторые отличия характеристик трактов обработки для каждого датчика, не оказы- вающие влияния на результаты измерения. При предлагаемом способе следует лишь точно определять разность углов фазовой расстройки.

.

Формула изобретений

Способ опредех1ения электродинамических характеристик скоряющих струтур, заключающийся в возбуждении в структуре собственного поля пучка пу тем пропускания через нее пучка заряженных частиц и определении электродинамических характеристик ускоряющей структуры из аналитических соотношений, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа на высоком уровне СВЧ-мощности при заданном значении мощности внешнего генератора измеряют амплитуды акустических колебаний элементов ускоря- ющей структуры в разньтх и-х .поперечных сечениях структуры Z Zj,:

, z;,) иж,(1,, z, w).

соответственно при токе пучка I О ;И при токе пучка 1 О, фиксируют значение угла фазовой расстройки структуры М ° , при котором для тока пучка I, амплитуда акустических колебаний элементов структуры минимальна, после чего определяют значение угла фазовой расстройки структу-

ры

Cf

А.,(1.,

при котором А о,do, )

z.)

li ,.и

,ч / и по разности М - ч определяют электродинамические характеристики структуры из соотношений

ilcosCu --);

Vajz) ( )аф 2|

dZ

d / dp ч dZ dZ

r-h p,(Z,- )

RflCZ) 4J

df/ dZ

4

(1)

де |((Zt,)| - модуль комплексного параметра нагрузки током. Ом ;

Z - продольная координата вдоль длины структуры, м;

п - индекс сечения структуры, Z Z,,n 1, 2, J, ... j

P - значение СВЧ-мощности внешнего генератора, Вт; - при котором А , А о ,

рад;

Ч - - угол фазовой расстройки структуры tf - при котором А достигает

минимального значения, рад; o((Z) - затухание в структуре,

м-1 ;

fi - средняя скорость ускоряемых частиц в сгустке;

/Ьф - фазовая скорость электромагнитной волны в структуре;

U) - частота электромагнитного поля внешнего генератора, Гц.

R(,(Z) - последовательное сопро тивление структуры, Ом/м2,

....

I /y // I //I

2Ж

t:

2 «7

/7

-x

/Г7

Фиг. 2

1Z .3

13

JOOгоо700 sb rbo

.Jff-0;ff..3J/)jB.,4e/}

Составитель E, Громов Редактор Л. Техред Л.Сердюкова Корректор Л, Пилипенко

Заказ 835/59

Тираж 770

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина,101

Подписное