Способ измерения высокочастотных характеристик ускоряющих структур Советский патент 1992 года по МПК H05H7/00 

Изобретение относится к СВЧ-тех- нике и является усовершенствованием известного способа, описанного в авт.св. СССР № i . Оно может быть использовано при измерении характеристик ускоряющих структур переменного шага, обладающих отрицательной дисперсией.

Известный способ для измерения высокочастотных характеристик ускоряющих структур заключается в изменении напряжения инжекции электроннот го пучка, проходящего через ускоряющую структуру . При этом измеряют приращение &W энергии электронов для различных значений напряжения инжекции-и при изменении мощности Р СВЧ-сигнала находят максимальное значение величины --. Затем по известт|Р

ным аналитическим выражениям определяют высокочастотные характеристики, в частности, отношение амплитуды ускоряющей гармоники электрического поля к квадратному корню из величины мощности , СВЧ-сигнала.

Однако этот способ позволяет бпределять лишь усредненное по длине структуры отношение -- . Для ускоч

09 4Ь

СО

N

ряющих структур переменного шага, . обладающих отрицательной дисперсией, I например для структур, состоящих из множества спаянных ячеек, это усред- ненное значение может существенно ;

Е отличаться от отношения -- на локальных участках исследуемой структуры.

Целью изобретения является расширение области применения за счет обеспечения возможности измерения

величины -- на любом локальном учас

4 ке ускоряющей структуры.

Для достижения цели по способу измерения высокочастотных характеристик ускоряющих структур, включающему пропускание через ускоряющую структуру электронного пучка, измерение приращения энергии AW электронов при изменении мощности СВЧ-си)- нала для различных значений напряжения инжекции, определение максимальAWного значения --- и нахождение комых параметров по известным аналитическим соотношениям, длительность Ј, СВЧ-импульсов питающих ускоряющую структуру, выбирают из условия

А т VrЈ + Ve

-f-.-у;- т e

где L - длина ускоряющей структуры;Vrp - групповая скорость рас-

пространения СВЧ-мощности; У,, - скорость синхронных электронов пучка, усредненная по длине измеряемого участка структуры.

Заявляемый способ отличается от изобретения по авт.св.СССР № тем, что питание ускоряющей структуры осуществляется импульсами СВЧ- мощности соответствующей длительное1 ти. Сравнение с другими известными способами, в частности с методом возмущений, показывает, что исследог вание ускоряющих секций длиной в / несколько метров известным методом ; возмущений представляет существен- ные сложности из-за провисания нити ка большой базе. Так, например, для W- ти с возмущающим телом общим весом 0,5 г, длиной 5 м при усилии натяжения 1Н провисание может достигать

0

2,5 мм, что недопустимо для точных измерений высокочастотных характеристик ускоряющих структур и диаметром апертуры в несколько миллиметров. Использование методики измерения

величины - при помощи электронного

.

пучка свободно от этого недостатка,

Q присущего методу возмущений, а модуляция СВЧ-мощности импульсами соответствующей длительности позволяет провести локалвное измерение этой величины в том или ином сечении ускоряюЩей структуры. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критериям новизна и существенные отличия.

Физическая сущность способа сводится к следующему.

В ускоряющей структуре переменного шага со взаимно встречным направлением частиц пучка и СВЧ-мощности для каждого значения напряжения ин- ;

5 жекции, соответствующего значению за- медления фазовой скорости ускоряющей гармоники электрического поля, имеется ускоряющий участок, для которого выполняется условие синхронизма вле- та частиц. Начало этого участка определяется значением напряжения инжек ции, а его длина 1 - из выражения

t д Vrp- Ve

.. . л l 6l

25 Отметим, что варьирование напряжения инжекции пучка приводит к ска- i нированию измеряемого ускоряющего | участка по продольной координате ; вдоль ускоряющей структуры. Это поз40 воляет провести зондирование структуры после сборки ее с точки зрения эффективности ускорения.

Инжектируемый электронный .пучок поступает в пространство взаимодей45 ствия ускоряющей структуры, в котором импульсом мощности СВЧ-питания формируется электрическое поле обратной волны. При равенстве скоростей электронов и фазовой скорости ускоря- ющей гармоники электрического поля создаются оптимальные условия для захвата частиц в режим ускорения в том сечении ускоряющей структуры, в котором выполняется это равенство.

При подаче на вход структуры еиикр электроны, Находящиеся в окрестности максимума ускоряющей гармоники электрического поля, уско ряются синхронно в соответствии с

55

увеличением фазовой скорости волны , по всей длине ускоряющего участка. Энергия, до которой ускоряются электроны, определяется длиной этого участка. В силу встречности движения в.пны и электронов время взаимодействия t63 импульса СВЧ-мощности с пучком укорачивается по сравнению с длительностью Ј импульса на величину, определяемую выражением

Vrp . +

63

Ј

V,

Vrrp ve

Длина 1 ускоряющего участка струк- туры определяется произведением 1 tgjVgj.H она не должна превышать длины всей ускоряющей структуры. Из неравенства 1 L следует ограничение налагаемое на длительность импульса мощности СВЧ-питания сверху

.

Vrp

v

+ Vfi

Известно, что, распространяясь в дисперсионной среде, волновой-пакет расплывается по длительности о $ .Поэтому длительность импульса ограничивается и снизу Сд, с С,

Высокочастотную характеристику согласно заявляемому способу опреф

деляют из выражения

(

iW

Ф и /100

1

да ёТ макс

о

Ye.

где Е - амплитуда ускоряющей . га рмо . ники электрического поля; Р - мощность СВЧ-сигнала;

мощность СВЧ-сигнала, соответствующая максимальноAWму значению - ;

,4 . приращение энергии электронного пучка; полное затухание напряжен- нрсти электрического поля of входа структуры до измеряемого ускоряющего : участка;

в -заряд электрона. Приращение &W энергии в; структуре определяется методом запирающего потенциала. Ускоренные электроны, пролетевшие зону торможения регистрируются вторично-электронным умногс ихр

AW Ci

жителем типа ВЭУ-1, соединенным с входом измерительного осциллографа. Приращение &W -Онергии находится из выражения

&W

e(VUHH C

где иинж- напряжение инжекции пучка; Uj - напряжение, при котором происходит полное запирание пучка.

При фиксированных значениях напряжения инжекции пучка и длительности (, импульса подбором величины мощности СВЧ-питания находят ПРИ кото рой осуществляется максимальное отношение т--

J

Измерение импульсной мощности СВЧ-питания производится при помощи детекторной головки, откалиброванной по постоянной величине СВЧ-мощности. Найденное значение мощности

обеспечивает такие ускоряющие поля по длине 1, при которых осуществляется синхронное ускорение частиц, находящихся в окрестности максимума волны. Групповая скорость Vr« определяет- ся из выражения

-

35

t

40

Ч

с

П|

- ) Т- . где с - скорость света;

п Гр - замедление групповой ско- рости волны, определяемое путем графического дифференцирования дисперсионных характеристик резонансных макетов ускоряющей структуры.

5

Скорость синхронных электронов находится из выражения

ьг

1 «

Д| m

(U

ии

&W,

0

5

Затухание об измеряется одним из методов, например методом замещения. Таким образом, максимальное зна&Wчение отношения --,

4Р1:

щее ему отношение

и соответствую-.z, для любого ус ко4 . .

ряющего участка 1 ускоряющей структуры, обладающей длиной L, достигаются при выбранных значениях напряжения инжекции иинж, входной СВЧ-мощности

717

РСИМХр и длительности Ј импульса мощности СВЧ-питания.

Погрешность определения скла4

дывается в основном из погрешности измерения импульсной мощности Р СВЧ- питания и замедления групповой скорости пг. Мощность Р определяется пересчетом входной мощности РСМцхр К входу рассматриваемого ускоряющего участка через затухание ei электромагнитной волны. Входная мощность 1 михрим пульса СВЧ-питания определяется при помощи калиброванной детекторной головки. Погрешность определения мощности Р достигает 10%. Погрешность определения замедления групповой скорости составляет 10-15%. Полная погрешность определения г- для ускоряWющих участков структуры составляет

10-13.

Пример. Заявляемый способ был экспериментально,проверен на ускоряющей структуре встречно-штыревого типа длиной L ,7 м. Начальная энергия ускоряющей структуры 210 эв, конечная %70 эВ. Длительность импульса мощности СВЧ-питания составляла 5П не.

9;8

Результаты измерений представлены в таблице. Для сравнения приведена колонка с результатами измерений

(--). „,.. полученными методом возмуще- Гр ш

ний Из таблицы видно, что результаты измерений - , проведенных

4

двумя независимыми методами, совпадают в пределах погрешностей этих методов .

О р мула изобретения

Способ измерения высокочастотных характеристик ускоряющих структур по авт.св. V 1102V/8, отличающийся тем, что; с целью расширен ния области применения, длительность Ј СВЧ-импульсов, питающих ускоряющую структуру, выбирают из условия

25

где L - длина ускоряющей структуры, м; Vr- - групповая скорость распрост ранения СВЧ-мощности, м/с; Vg - скорость синхронных электронов, м/с.

Изобретение относится к СВЧ-тех- нике. Цель изобретения - расширение области применения. По известному способу измерения высокочастотных характеристик ускоряющих структур с использованием электронного зонда, согласно которому изменяют напряжение инжекции электронного пучка, пропускаемого через ускоряющую структуру, находят максимальное значение -, величины fikW/ P, ,где 4W - прираще- j ние энергии Р - мощность высокочастотного сигнала, и затем рассчитывают высокочастотные характеристики структуры, в частности отношение амплитуды ускоряющей гармоники электрического поля Е к величине -NT. Для определения этой величины на конкретном локальном участке структуры необходимо, -чтобы длительность высо-t кочастотных импульсов, питающих ускоряющую структуру, выбиралась согласно выражению Ј L Ј(Vrp +Ve ) / (VTp Ve)3 , где L.- длина ускоряющей структуры, м; Vrpгрупповая скорость распространения СВЧ- мощности, м/с; Ve- скорост-ь синхронных электронов пучка, усредненная по длине измеряе- мого участка структуры, м/с. 3 I