Способ определения высокочастотных параметров ускоряющих структур

 

Использование: электронная техника, технология изготовления СВЧ-приборов. Сущность изобретения: пропускают через ускоряющую структуру непрерывный электронный пучок, измеряют входные параметры электронного пучка и параметры автогенерации пучка в исследуемой ускоряющей структуре. Высокочастотные характеристики определяют из заданных соотношений. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s Н 01 J 9/42

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕ1

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ и. н1

111 8,2N

Н„= (1 + 1+,Ú,;

Л f = т2(02) т1(01)

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4871903/21 (22) 09.10,90 (46) 23.06.92. Бюл, N. 23 . (71) Институт атомной энергии им. И,В, Курчатова (72) А.В. Смирнов, В.Н, Смирнов и К.Е. Соколов (53) 621.385.6(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 780076, кл. Н 01 J 9/42, 1978.

Авторское свидетельство СССР

N 1102478, кл. Н 05 Н 7/00, 1980.

Изобретение относится к ускорительной технике и СВЧ-технике и может быть использовано для определения дисперсионных и злектродинамических .характеристик группирующих и ускоряющих волноводов, Цель изобретения — повышение точности и упрощение способа.

Указанная цел.ь достигается тем, что согласно способу, основанному на пропускании через ускоряющую структуру непрерывного электронного пучка, возбуждении. в ней бегущей волны электромагнитного поля, измерении входных параметров электронного пучка и определении высокочастотных характеристик по аналитическим соотношениям, измеряют параметры автогенерации пучка в исследуемой ускоряющей структуре — пороговый ток, напряжение инжекции, частоту, крутизну электронной перестройки частоты и высокочастотные характеристики определяют из выражений

SU,, 1742896 А1 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСКОРЯЮЩИХ

СТРУКТУР (57) Использование: электронная техника. технология изготовления СВЧ-приборов.

Сущность изобретения: пропускают через ускоряющую структуру непрерывный электронный пучок, измеряют входные параметры электронного пучка и параметры автогенерации пучка в исследуемой ускоряющей структуре. Высокочастотные характеристики определяют из заданных соотношений, 2 ил, где V> — скорость частиц пучка, м/с.

U11 — напряжение инжекции, В;

R< —, сопротивленйе связи ускоряющей структуры для обратной (-1}.пространственной гармоники (с отрицательной групповой скоростью), Ом ;

V1.ð — значение групповой скорости для частоты f, мlc.; с — ско рость света;

mo, е — масса и заряд электрона;

1742896

N = If/V„(Un) — число замедленных длин волн, укладывающееся на длине исследуемой ускоряющей структуры 1; „— пороговое значение тока инжекции, соответствующее началу автогенерации, А; 5

S = Н/бΠ— крутизна электронной перестройки частоты, (Гц/В);

Л f — ширина полосы пропускания исследуемой структуры;

f>, U1, fz, Uz — граничные значения час- 10 тоты автогенерации, Гц, и напряжения инжекции, В, соответствующие срыву автогенерации вблизи частот отсечки;

0 — период структуры, м, На фиг. 1 представлена принципиаль- 15 ная схема для реализации способа; на фиг, 2 — дисперсионная зависимость ускоряющей структуры, Устройство содержит инжектор 1 электронного пучка, оснащенный измерителями 20

2 напряжения и измерителями 3 тока, исследуемую ускоряющую структуру 4, оснащенную согласованной поглощающей нагрузкой 5 и фокусирующей системой 6, СВЧ-тракт 7, связанный с ускоряющей сек- 25 цией и оканчивающейся согласованной нагрузкой 8, содержащей калиброванный ответвитель 9, подключенный к измерительной детекторной головке 10 и частотомеру 11; 30

Способ реализуют следующим образом.

Непрерывный электронный пучок из инжектора 1, удерживаемый магнитным полем системы 6, проходит пространство взаимо- 35 действия ускоряющей структуры 4. В такой системе возникает автогенерация СВЧмощности, распространяющейся навстречу пучку, по типу лампы обратной волны (ЛОВ), и регистрируется измерительной детектор- 40 ной головкой 8, если ток инжекции, измеряемый системой 3, ббльше порогового значения

IA

82R N3 45 где Uп — напряжение инжекции, соответствующее примерному синхронизму скорости частиц пучка Vn и фазовой скорости Vr низшей обратной пространственной гармоники

Vn(Un) = Vã

Так как обычно в ускоряющих структу- 55 рах между ячейками — элементами периодичности связь емкостная и фазовая скорость основной волны на рабочей частоте f равна скорости света, то

Vr О с 2л — 8 где 0 — рабочий вид колебания:

0=2к-Ч =2жD—

Df» г Vn где Π— период структуры, 0 < 0< л.

Рассматривая совместно эти.соотношения, получают условие для величины скорости частиц инжектируемого пучка

V„= — (1 + 6 + e/Of), Отсюда получают условие выбора напряжения инжекции пучка

Задавая это значение напряжения инжекции для данной структуры с известным периодом структуры, определяют величину порогового тока по началу автогенерации сигнала с измеренной частотой f и определяют соответствующее сопротивление связи.

Высокая точность измерения сопротивления связи (на уровне единиц процентов) обусловлена возможностью высокой точности измерения частоты, периода структуры, . напряжения инжекции, величины порогового тока автогенерации, а также большим значением производной dP/dL при пороговом значений тока, где 3 — СВЧ-мощность автогенерации, dP/dr . оо

r.- L, Для того, чтобы определить рабочую полосу частот ускоряющей структуры, достаточно задать ток, превышающий пороговый в 2-5 раз, что соответствует максимуму КПД автогенерации и проварьировать напряжение инжекции вблизи найденного значения вплоть.до срыва генерации — так можно определить граничные значения частот отсечки для ускоряющей секции в совокупности с

СВЧ-трактом.

Определение групповой скорости основано на ее взаимосвязи с крутизной электронной перестройки частоты в ЛОВ в отсутствие отражений:

f/2 Un

rp

Однако эта формула получена для нерелятивистского пучка е ЛОВ и следует

1742896 учитывать релятивистскую поправку. Следовательно, ограничиваясь в формуле Релея линейным членом в виде получают

$ = 2 — /(1 — Чг /Чгр). е

moVn )

Измеряя крутизну электронной перестройки частоты по величине производной зависимости частоты генерации от напряжения инжекции из последней формулы, легко выразить величину групповой скорости.

Пример. Период структуры D = 5,5 см, длина подсекции l 55 см, рабочая частота структуры лежит вблизи частоты 1818+ 20 1,5 МГц.

Следовательно, скорость пучка должна составлять Vn--c/2; напряжение инжекции

Un =80 кВ, N = 6,4, Из экспериментальной зависимости мощности СВЧ автогенерации 25 от тока пучка определяют величину порогового тока при Un = 80 кВ, f = 1819 МГц; 1п =

=0,25 А.

Отсюда в соответствии с (1) Яс = 150 Ом.

По определению сопротивления связи 30 это соответствует величине электродинамического параметра для первой отрицательной пространственной гармоники

= гк,-7: г 2 и = 217 КГОм.

Учитывая, что величина параметра нагружения последуемой структуры а/Л = 0,11, относительная толщина, диафрагмы r/Ë= 40

=0,0365, вид колебания 0 = 2 л/3, а для основной гармоники = 520 кг я, С целью измерения ширины полосы пропускания снимается экспериментальная зависимость частоты генерации от напряже- 45 ния инжекции. Срыв генерации наступает пРи Un 01 = 64 кВ, Un b U2 = 101 кВ, что соответствует частотам отсечки f = 1816,5 М Гц. и f2 = 1819 МГц, т.е. ширина полосы пропускания исследуемой структуры составляет 50 . л f =. f2 — 11 - 2,5 М гц.

Кроме того, эта ширина соответствует исследуемой структуре в целом, т. е. вместе с фазосдвигающей ячейкой, группирующей (первой) подсекцией, которая не участвует 55

Во взаимодействии пучка со структурой, .и трансформатором тиг1а волны, наличие которых приводит к сужению рабочей полосы пропускания и которая по оценкам, сделанным с помощью измерительной линии, составляет около 2 МГц, Полученная зависимость частоты генерации от напряжения инжекции не зависит от тока, величина которого варьируется в эксперименте от 0,25 до 0,6 А. Для определения групповой скорости на рабочей частоте 1818 МГц необходимо определить по этой зависимости величину $ = df/dU f=1818 МГц, которая составляет S = 170 Гц/В, а 0 = 88 кВ(у= 1.17), — - - = 0.011, Vг

Этой частоте соответствует максимум крутизны электронной перестройки частоты и в соответствии с измерениями с помощью измерительной линии этой частоте соответствует минимум коэффициента стоячей волны, 1

Таким образом, предлагаемый способ позволяет не только. значительно сократить количество измерений для определения сопротивления связи, ширины полосы пропускания, групповой скорости за счет независимого изменения параметров тока и напряжения инжекции в широких пределах, но и проводить эти измерения для отдельных коротких частей ускоряющих и группирующих структур многосекционных ускорителей на бегущей волне без конструктивных изменений и развакуумирования.

Формула изобретения

Способ определения высокочастотных параметров ускоряющих структур, включа ющий пропускание электронного пучка через ускоряющую структуру, возбуждение в ней бегущей волны электромагнитного поля, измерение входных параметров электронного пучка и вычисление высокочастотных параметров, о тли ч а ю щ и и с11 тем, что, с целью повышения точности и упрощения способа, после измерения входных параметров электронного пучка измеряют параметры его автогенерации, а высокочастотные параметры определяют из следующих выражений: ъ. ч.1, 5 8,2М

Vn- — (1 + 1 +--;

Dg

С к 2 01

Vrp = Н» l(1 — — — — ), е

mú 4 Р$

4 т,= т2(02) f1(»)к

U. с ((1 Ч)-./в ); где Un — напряжение инжекции; В;

1742896

Ф-ю

Фиг. 2

Составитель Н. Логутко

Техред M.Moðãåíòàë Корректор О, Ципле

Редактор А. Козориэ

Заказ 2290 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", t . Ужгород, ул.Гагарина, 101

R s — сопротивление связи ускоряющей структуры для обратной (-1) пространственной гармоники с отрицательной групповой скоростью, Ом;

V — скорость частиц пучка, м/с; с — скорость света, м/с;

m, е- масса, г и заряд, кул., электрона соответственно; и - If/Vn(Un) — число замедленных длин волн, укладывающихся на длине I, м, ускоряющей структуры;

3л — пороговое значение тока инжекции, соответствующее началу автогенерации, А;

Я " df/dU — крутизна электронной перестройки частоты f, S > О. Гц/В;

5 Ь f — ширина полосы пропускания структуры, Гц;

6, 01, f2, 02 — граничные значения частоты автогенерации, Гц, и напряжения инжекции, В, соответствующие срыву

10 эвтогенерации;

D — период структуры, м.