Способ измерения высокочастотных характеристик ускоряющих структур

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УСКОРЯЮЩИХ . СТРУКТУР, основанный на пропускании через уск,орякяцую структуру непрерывного электрического пучка,возбузвдении в ней бегущей волны электромагнитного поля, измерении параметров электронного пучка на.выходе структуры и определении параметров по аналитическим соотношениям, отличаю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерений, изменяют напряжение инжекции электронного пучка, измеряют при этом изменение энергии электронного пучка W , изменяя мощность Р возбуждаемого в ст руктуре электромагнитного поля, находят максимальное значение величины OTI щёния ь W /-4 и высокочастотные характеристики определяют из выражений - : .L( - 1-ехр(-л еЬ -1Рс„„ р1макс V CNm - амплитуда ускоряющей гаргде МОНИКИ электрическогополя; Р мощность сверхвысокочастотного сигналаJ мощность сверхвысокочассинхр (Л тотного сигнала, соответствуклцая максимальному значению ; Ус«нхр напряжение инжекции электронов , соответствующее максимальному значению . замедление фазовой скорое ти ускоряющей гармоники/ 4 С - Скорость света; , е.т заряд и масса электрона 00 соответственноJ L длина ускоряющей структурщ oi - полное затухание напряженности электрического поля в ускоряющей структуре;

ъ

COIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ÄÄSUÄÄ 1102478

4(5l) Н 05 Н 7/00. 9 .."1 1,длр -.!,: >, .kr, ".."

1 аЯ л

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ туре электромагнитного поля, находят максимальное значение величины отношения а W /4Р и высокочастотные хат рактеристики определяют из выражении

E юь; l hW

У е" ("1 8 р „„„р uagg

c m а

7, е 1синхр амплитуда ускоряющей гармоники электрического поля; мощность сверхвысокочастотного сигнала, где Е р

euHx P

Ij синхр

С е, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2 1} 3538298/18-21 (22) 11; 01. 83 . (46) 30.06.85. Бюл. ¹ 24 (72) В. В. Козлюк и В.В. Перов (71) Институт химической кинетики . и горения СО АН СССР (53) 621.,384.6(088.8) (56) 1. Дмитриев Б.С. и др. Измерение электродинамических.параметров замедляющих систем с помощью электронного зонда методом малых затуханий, 4.

II Эксперимент. — Электронная техни- ка, сер. 1, Электроника СВЧ, в.6, с.. 57-68.

2 ° Авторское свидетельство СССР . № 297087, кл. Н 01 J 9/42, 1968:(прототип). (54) (57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УСКОРЯЮЩИХ

СТРУКТУР, основанный на пропускании через ускоряющую структуру непрерывного электрического пучка, возбуждении в ней бегущей волны электромагнитного поля, измерении параметров электронного пучка на выходе структуры и.определении параметров по аналитическим соотношениям, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений, изменяют напряжение инжекции электронного пучка, измеряют при этом изменение энергии электронного пучка а5 изменяя мощность Р возбуждаемого в струк" мощность сверхвысокочастотного сигнала, соответствующая максимальному значению Ь1Щ/ Р напряжение инжекции электронов, соответствующее максимальному значению

At/ ГР;

- замедление фазовой скорос ти ускоряющей гармоники;

Скорость света заряд и масса электрона, соответственно, — длина ускоряющей структуры : — полное затухание напряженности электрического поля в ускоряющей структуре;

1102478

Изобретение относится к области сверхвысокочастотной (СВЧ) техники и может быть использовано при измерении характеристик ускоряющих структур и замедляющих систем- СВЧ-приборов с распределенным взаимодействием.

Известен способ "горячих" измерений дисперсии и сопротивления связи, основанный на измерении напряжения, соответствующего. точке перехода от 1О максимального электронного затухания к максимальному электронному усилению бегущей электромагнитной волны, тока пучка и напряжения, соответствующего максимальному усилению, а так- 15 же величине электронного усиления (1).

Однако измерения по указанному способу требуют определения многих дополнительных параметров, таких как ток пучка, коэффициент электронного р0 затухания и пр ° Точность измерений составляет 10Х.

Наиболее близким к изобретению по технической сути является известный способ измерения высокочастотных ха- 25 рактеристик ускоряющих структур, основанный на пропускании через ускоряющую структуру непрерывного электронного пучка, возбуждении в ней бегущей волны электромагнитного поля, измерении параметров электрического пучка на выходе структуры и расчета по аналитическим соотношениям (2j .

Однако погрешность измерения сос35 тавляет 12Х, что не всегда допустимо.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения 40 высокочастотных характеристик ускоряющих структур, основанном на пропускании через ускоряющую структуру непрерывного электронного пучка, возбуждении в ней бегущей волны электро-45 магнитного поля, измерении параметров электронного пучка на выходе структуры и определении параметров по аналитическим соотношениям, изменяют напряжение инжекции электронно- 50

ro пучка, измеряют при этом изменение энергии электронного пучка 4Ф, изменяя мощность P возбуждаемого в структуре электромагнитного поля, находят максимальное значение величины отношения h, Vl+P, и высокочастотные характеристики определяют из выражений к < ьа (1)

--Гр !.екрМ) eL )асан,р мокс

1Ъ п -с t (2) ге,„„„ где E — амплитуда ускоряющей гармоники электрического поля1

- мощность СВЧ-сигнала

Р с,„„„ — мощность СВЧ-сигнала, . соответствующая максимальному значению 6Wf4P 1

U ö„„ — напряжение инжекции электронов, соответствующее максимальному значению

4В / Т; п ) — замедление фазовой скорости ускоряющей гармоники, С вЂ” скорость света;

:B,m — - заряд и масса электрона соответственно; длина ускоряющей структу- . ры;

М вЂ” полное затухание напряженности электрического поля в ускоряющей структуры.

На чертеже представлена структурная схема измерительной установки, реализующей предлагаемый способ.

Схема включает в себя электроннооптическую систему 1, которая форми-. рует электронный пучок и инжектирует его в исследуемую ускоряющую структуру 2. Пучок, прошедший через ускоряющую структуру, регистрируется приемником 3, например, изолированным от установки .цилиндром Фара-, дея. Система 1, структура 2 и приемник 3 размещены в вакуумноплотной оболочке 4, которая расположена внут. ри фокусирующего соленоида 5. Генератор 6 подает в структуру СВЧ-сигнал, мощность которого измеряют ваттметром 7. Напряжение инжекции измеряют вольтметром 8,.а по показаниям электротермического вольтметра 9 определяют максимальное приращение энер-. гии ускоренных в структуре электронов.

Физическая сущность способа сводится к следующему.

Непрерывный электронный пучок . проходит через пространство взаимодействия. При фиксированных значениях мощности СВЧ-сигнала и его частоты электрометрическим вольтметром измеряют зависимости разности потен. циалов 4" между катодом электронно3 11024 оптической системы и приемником пучка от величины напряжения инжекции

U . Ilo формуле д ЧЧ = 3 -6.0 определя- ют семейство зависимостей отношения

h. W /.Д, т.е. от величины напряже ния инжекции для электронов пучка, находящихся в наиболее оптимальных с точки зрения процесса ускорения фазах ускоряющей. гармоники электрического поля. При измерении характеристик ускоряющих структур переменного шага из полученного семейства выбирают зависимость с максимальным отношением дMI/4Р и таким образом определяют мощность СВЧ-сигнала которая соответствует этой зависимости, а также напряжение "ин. жекции 0 c<„xp соответствующее этому максимальному отношению, достигаемому лишь для малой доли пучка, находящейся в окрестности максимума ускоряющей гармоники электрического поля в синхронизме с этой гармоникой в течении всего времени их взаимодействия при определенных значениях мощности СВЧ-сигнала и напряжения инжекции. В частном случае измерения характеристик строго периодической структуры определяют анало- гичную зависимость h W /WP при достаточно малой мощности СВЧ-сигнала с тем, чтобы ошибка в определении максимального отношения д 1Н / P, которое в этом случае достигается при мощности СВЧ-сигнала., стремящейся к нулю, находилась в пределах заданной погрешности измерений. Известным методом, например методом замещения, определяют полное затуханием, напряженности электрического поля на длине L исследуемой ускоряющей, структуры. По величине максимального отношения h W /.ГР" и соответствующим ей значениям Р „ „ и U c>„„ а также величине полного затухания определяют характеристики ускоряющей структуры по вышеуказанным выражениям. При величине полного затухания М (0,02 величина E /-1Р может быть определена по упрощенному выражению

50.Е 1 (aW

ГР eL(pcenip ма причем вносимая погрешность не .превышает 1 . 55

Рассмотрим взаимодействие электронного пучка с ускоряющей гармони,кой электрического поля структуры.

78 4

При энергии инжектируемого пучка, соответствующей замедлению ускоряющей гармоники электрического поля на

/ данной частоте, для начальной по траектории движения пучка ячейки структуры выполняется условие синхронизма влета электронов в пространство взаимодействия. При определенном уровне мощности СВЧ-сигнала, подаваемого.в етруктуру, выполняется условие синхронизма возрастающей в процессе взаимодействия с ускоряющей гармоникой скорости электронов, находящихся в окрестности синхронной фазы волны, с фазовой скоростью гармоники структуры переменного шага. При синхронной фазе, равной нулю, в косинусной системе отсчета отношение действующего. электрического поля ускоряющей гармоники к корню квадратному из мощности СВЧ-сигнала будет максимальным и равным измеряемой характеристике

E /4Р

Таким образом, максимальное отношение дЩ/ $ и соответствующее ему .Е /4р достигаются при напряжении инжекции Uc< ц,,, и мощности СВЧ-сигнала синхр

Для получения высокой точности измерения разности потенциалов между катодом электронно-оптической системы и приемником необходимо достичь выполнения условия дО

) >)

R .3

6х где 1 ax — выходное сопротивление вольтметра 9, с р — ток синхронных электронов пучка.

Данный способ некритичен к величи= не и стабильности тока пучка. Например, при ä9 =100 В, "ex =10 Ом величина тока синхронных электронов должна удовлетворять условию 3 c vxp

-ю .МО А. Величина тока пучка ограничивается сверху условием 3„ « P/<0, соответствующим малости величины мощности, передаваемой пучку в процессе взаимодействия, по сравнению с мощностью СВЧ-сигнала.

Например, при р =10 Вт и д0

"100 В величина тока пучка. 3 «10 А.

Выражение (1.) можно использовать, если изменение. величины Е /. р вдаль длины исследуемого участка ускоряющей структуры не превышает требуемой погрешности измерения. Выражение (2) позволяет определить Yl(p для на 1102478

"гимар В pсонхр, BT и „В/м Е/-ГР, Вт

0,03 0,1475 177,3 1,16 ° 10 23,8

7, 97 ° 10

451

23,4м

Относительная погрешность, 7.

0 1 0 1 2 0 5 2 5

Составитель Е.Громов

Редактор С.Титова Техред М.Пароцай

Заказ 4510/4 Тираж 794 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r Ужгород, ул.Проектная, 4 чальной ячейки участка ускоряющей структуры. Величина h для конечной ячейки ускоряющей структуры определяется по аналогичной формуле с учетом увеличения начальной энергии- 5 электронов W на величину к Ф, соответствующую синхронной мощности

ГСИН КР

Точность измерения разности no- l0 тенциалов 6,U ., соответствующей приращению энергии в ускоряющей структуре, определяется метрологическими характеристикамй используемого вольт. метра 9. Например, при относительной 15 I погрешности измерения величины 0,1Х. Использование данного способа 3Q обеспечивает по сравнению с известными прямое измерение высокочастотных характеристик ускоряющих структур с повышением точности в несколько раз. Способ позволяет проводить измерение фазовои скорости .ускоряющей погрешность в определении замедления не превышает 0,1-17. в области замедления 20-2. Основной вклад в погреш- ность определения величины Е j4P вносит погрешность измерения мощности СВЧ-сигнала. Например, при погрешности измерения мощности СВЧ-сигнала

1Х погрешность в измерении величины

E/ p составляет 0,5-17 даже при значительном полном затухании электромагнитного выполя " 0,1 определяемом с погрешностью не хуже 5Х.

Способ экспериментально проверен на ускоряющей структуре переменного шага "штырь-кольцо 1. Результаты.измерений приведены в таблице. гармоники электрического поля и ус- . редненного по длине структуры отношения амплитуды ускоряющей гармоники электрического поля к корню квадратному из величины мощности СВЧ-сигнала для ускоряющих структур постоянного и переменного шага.