Способ определения электродинамических характеристик ускоряющих структур

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„,Ю„„1464 4 (51) 4 Н 05 Н 7/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Н АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4208478/24-21 (22) 16.03.87 (46) 07.03.89. Бюл. N 9 (72) Ю.В. Капырин, В.И. Моисеев и В.В. Петренко (53) 621.384.6(088.8) (56) .Авторское свидетельство СССР

И 1102478, кл. Н 05 H 7/00, 1983.

Вальднер О.А. и др. Настройка и экспериментальное исследование ускоряющих секций линейного ускорителя электронов на энергию 60 МэВ и ток

I A;- Отчет НИР по теме Ф 69-3-117, Гос.регистрация Ф 6902109, 1970.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для экспериментального определения электродинамических характеристик ускоряющих структур, знание которых необходимо для .настройки ускоряющих структур и определения режима их работы.

Непосредственному определению под.. 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 Е, в общем случае неоднородной ускоряющей структуры, позволяет в каждом практическом случае получать детальную информацию о таких важных электродинамических характеристиках, как (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНА-

МИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УСКОРЯЮЩИХ

СТРУКТУР (57) Изобретение относится к ускорительной технике. Цель изобретенияупрощение способа. Существо изобретения заключается в том, что измеряют амплитуду акустических колебаний элементов ускоряющей структуры в разных поперечных сечениях структуры соот.ветственно при токе пуска Т = О и при токе I„ = 0 и по приведенным в описании аналитическим выражениям рассчитывают параметры ускоряющей структуры. 4 ил.

2 последовательное сопротивление, затухание, фазовая скорость бегущей волны электромагнитного поля.

Цель изобретения — упрощение способа при измерении параметров ускоряющих структур на высоком уровне

СВЧ-мощности.

На фиг, I приведен разрез неод- фф норадной ускоряющей структуры, поясняющей разбиение струн туры и выбор ф сечений Z = Z» на фиг. 2 — фазовая диаграмма для комплексных амплитуд электромагнитных полей в сечении структуры Z = Z>, на фиг. 3 — блоксхема устройства. пригодного для реализации предлагаемого способа; на фиг. 4 — экспериментальные зависимости амплитуды акустических сигналов от угла фазовой расстройки ускорякщей структуры, из которых может быть определен модуль комплексного параметра нагрузки током.

40 где

pe(Z, ) при частоте поля () /2« °

3 14б430

При ускорении ультрарелятивистскоо хорошо сгруппированного пучка мож1ло ввести комплексный параметр нагруз. Ки током P /Z, p„/ структуры, являюпплися функцией продольной координаты E

Ю. и зависящий от относительной средней скорости частиц в сгустке

6 к,<т г,»„)

I Е „(Р, Z, (I ) e (.»

Где ń— комплексная амплитуда поля, возбуждаемого пучком, В;

Š— комплексная амплитуда СВЧполя внешнего генератора, В; 15 — фаза влета точечных сгуст.— ( ков пучка во внешнее поле на входе ускоряющей структуры я = О, рад;, P — СВЧ-мощность внешнего гене- 20 ратора, передаваемая в структуру, Вт;

I — ток пучка, А.

Важность экспериментального определения комплексного параметра нагруз.ки током можно пояснить, если воспользоваться конкретными теоретическими представлениями о распределении электромагнитных полей в ускоряющей струк30 туре с интенсивным пучком. Так, в широко используемом приближении основной гармоники можно записать

»

1))

z 1 ((Е, „} = ) Й„()ехр()p((q)й4) ехр»

35 Ж ) (-„- — )d(Z) = 2 с(R — последовательное сопротивление структуры, Ом/м, Ы(Е), R<(Z) — соответственно затухание и шунтовое сопротивление структуры, Ом/м;

k == ()/с — волновое число, 1/м;

Ь вЂ” относительная средняя скорость частиц(в сгустке) — относительная фазовая скорость основной волны

4

Из соотношения (2) следует, например, что экспериментальное определение значения комплексного параметра нагрузки током с последующим вычислением модуля 1РИ2! эквивалентно определению произведения

)tR„(Z) ехр (fg (J)d4)= 2)й»/dZI о

В этом случае можно экспериментально установить дополнительное соотно" шение между такими .важными характеристиками неоднородной ускоряющей структуры, как затухание d(Z) и последовательное сопротивленйе R„(Z)

В реальных случаях можно записать

В.))(Е) 4 I d.p/йй.

Кроме того, зависимость t (Z) позволяет определять отличие фазовой скорости рл волны в ускоряющей структуре от скорости пучка /3() й1

d сЬ< 1 1 — (arg - )

1, dZ dZ (л) рф Е,)) ) В каждом из выбранных сечений

Z = Zn(n = 1, 2, ..., N) ускоряющей структуры (фиг ° 1) комплексная амплитуда Е 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 л„ = агд ((Е„, pq)Индекс m относится к дискретным значениям Х тока пучка 1, а индекс n— к п ому сечению ускоряющей структуры

Импульсное СВЧ-поле возбуждает в элементах ускоряющей структуры обусловленный пондеромоторным давлением акустический сигнал А, пропорциональный квадрату модуля амплитудь! Е суммарного поля. Из фазовой диаграммы (фиг. 2) для амплитуды А „„1(Ч,)f акус-" тического сигнала в п-ой ячейке усс коряющей структуры имеют

A»)) = Ap (1 + x )) и + X)») псоя((-ц „)), где ж „= - р (Е), ) (>)

ГР

А„ - амплитуда акустического сигнала в и-ой ячейке структуры при 1 = О.

5 14643

Из (3) очевидно, что минимальное значение Ап„ достигается при

Вычисленное таким образом значение модуля комплексного параметра нагрузки током ускоряющей структуры само по себе является важной электродинамической характеристикой, кроме того, как показано вьппе, его производная позволяет определить соотношение между К„ и d, 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 оптимизации режима ускорения пучка посредством оценки приращения энергии пучка по внешнему, прерывающему пучок, датчику. Появляется возможность определения электродинамнческих характеристик в режиме сильноточного ускорения. Способ позволяет учитывать температурные неоднородности в каждом сечении ускоряющей структуры, возникающие при работе на высоком уровне мощности. Появляется возможность существенно снизить трудоемкость и длительность процесса определения электродинамических характеристик и проводить процесс их оценки

4 „- Г! (4)

° 5

С дру1 ой стороны, А,„„ = А,„при таком

4 (,, что

+ 2соз(„ — u" ) = О, (5)

10 откуда, сопоставляя (4) и (5), получают (p(Z ° )1 = сов(— ц ) ° (6}

I Фп

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

Рассмотрим реализацию способа на 20 примере работы устройства (фиг. 3), в котором дополнительно решаются во- . просы механической установки пьезоэлектрических преобразователей на каждом из выбранных сечений структу- 2! ры и схемного выделения акустического сигнала от каждого сечения структуры для исключения влияния сигналов от соседних элементов.

Способ осуществляется следующим 30 образом.

Импульс электромагнитных волн от возбуждающего генератора 1 поступает на импульсы СВЧ-усилитель 2, далее . по передающему волноводу 3 в группирователь 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 валко- 40 водам 10 и 11 в ускоряющие структуры

12 и 13 соответственно. Электромагнитная волна в ускоряющей структуре, отдав часть своей энергии на ускорение пучка 14, поглощающется в элемен- 45 тах структуры и вызывает в них акустические колебания, амплитуда которых измеряется пьезоэлектрическим преобразователем 15, укрепленным снаружи на поверхности данного элемента 50 структуры в сечении Z =- Z„ сигнал от которого после обработки блоком

16 поступает на регистратор 17.

Для определения электродинамических характеристик ускоряющей структуры по предлагаемому способу сначала измеряют зависимость Ао„ амплитуды акустического сигнала в каждом

Z =.. Е „ из выбранных сечений структу04 6 ры при отключенном токе пучка /m . О/

I = О. Затем, при I g О фазированием поля внешнего генератора относительно поля, возбуждаемого в струк туре пучком, посредством фазовращателя добиваются оптимального условия ускорения пучка в структуре, что соответствует максимальному приращению энергии пучка при данном значении тока, фиксируют минимальное значение амплитуды А,„ акустического сигнала " n в каждом и-ом сечении структуры и отмечают угол фазовой расстройки М, при котором это условие выполняется.

Далее, изменяя угол фазовой расстройки структуры, добиваются выполнения условия А = А и отмечают значеи л <и ние < 1 угла фазовой расстройки при выполнении этого условия. Наконец, определяют модуль комплексного параметра нагрузки током в каждом из выбранных сечений по формулам (4 — 6).

1464304 настолько часто, насколько это необходимо на работающем в режиме непрерывной эксплуатации ускорителе, например, с целью выяснения эволюции электрофизических свойств проводящей поверхности структуры, от качества которой сильно зависит затухание электромагнитного поля в структуре— это обстоятельство позволяет увели- 10 чить срок службы дорогостоящих уско-! ряющих структур посредством постоян1 ного контроля состояния их проводя-! щих поверхностей, Значительная вели !чина отношения скоростей распростра нения электромагнитных и звуковых ! ,волн определяет уникальную помехоза! щищенность способа, что существенно для установок, работающих при высоких уровнях электромагнитных помех.

Для точных измерений исключается необходимость в строгой идентичности датчиков, поскольку независимо от их чувствительности, единообразия установки вдоль исследуемой структуры,,которые неизбежно различны, измере нияя требуют лишь фиксации минимума сигнала и равенства двух сигналов на данном датчике, а это условие не зависит ни от чувствительности данного датчика, ни от взаимного подо бия установки этого датчика относиIтельно остальных. Возможны некотсрые .(- отличия характеристик трактов обработки для каждого датчика, не оказы- Q5 вающие влияния на результаты измерения. При предлагаемом способе следует лишь точно определять разность углов фазовой расстройки. !

Ф о р м ул а и з о б р е т е н и я

Способ определения электродинамических характеристик ускоряющих структур, заключающийся в возбуждении в структуре собственного поля пучка пу-45 тем пропускания через нее пучка заряженных частиц и определении электродинамических характеристик ускоряющей структуры из аналитических соотношений, о т л и ч а ю щ и Й с я 50 тем, что, с целью упрощения способа,. на высоком уровне СВЧ-мощности при заданном значении мощности внешнего генератора измеряют амплитуды акустических колебаний элементов ускоря- . 55 ющей структуры в разных и-х поперечных сечениях структуры Z Z

А ьп(о» Е h ° М ) и А11, (1.1» Е1» M)» соответственно при токе пучка I = О и при токе пучка I„@ О, фиксируют значение угла фазовой расстройки структуры Ц, при котором для то" ка пучка I, амплитуда акустических колебаний элементов структуры минимальна, после чего определяют значение угла фазовой расстройки структу- ры сР, при котором Ао (I, Z„, ) = (Ч

11>

= А,„(I„, Z„, ц. ) и по разности v — q " определяют электродинамические характеристики структурь1 из соотношений

1 y(Z„) = соз(а — ) у

1, R„(Z) ехр()d()dM)= 2! — „, I » о, dp — (arg — )

dZ dZ (R„(Z) "-4 где I 1А(Е<) I

Ы(Е)

R„(Z„) модуль комплексного параметра нагрузки током, рМ 2; продольная координата вдоль длины структуры, м, индекс сечения структуры, Z = Z,n - =1, 2, 3

» ° ° ° » значение СВЧ-мощности внешнего генератора, Вт» при котором А „„= А о

Ь рад; угол фазовой расстрой<о) ки структуры М вЂ” при котором А, достигает

»h минимального значения, рад; затухание в структуре, М 1 средняя скорость ускоряемых частиц в сгустке; фазовая скорость электромагнитной волны в структуре; частота электромагнитного поля внешнего генератора, Гц. последовательное сопро тивление структуры, Ом/М2, I0

1464304

Zy Еу Zg Ep

1m

1464304

Составитель Е, Громов

Редактор Л. Зайцева Техред Л.Сердюкова Корректор Л. Пилипенко

Заказ 835/59

Подписное

Тираж 77О

ВЯИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35, Рауаская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, ул. Гагарина,101