Способ измерения высокочастотных характеристик ускоряющих структур
Изобретение относится к СВЧ-технике. 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 измеряемого участка структуры, м/с. 3 I
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСГЪБЛИН ) Н 05 Н 7/ 0
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н *втстовнт свнсвтвввствт
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ ССО!
:.(61) 1102478
"(21) 4709050/21 (22) 26.06.89 (46) 07.02.92.. Ьюл. и,5 (71) Институт химической кинетики и горения СО АН СССР (72} В.В. Козлюк (53) 621 384.6 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
К 1102478, кл. Н 05 Н 7/00, 1983. (54) СПОСОЬ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УСКОРЯЮЩИХ СТРУКТУР (57) Изобретение относится к СВЧ-технике. Цель изобретения - расширение области применения. По известному способу измерения высокочастотных характеристик ускоряющих структур с использованием электронного зонда, согласно которому изменяют напряжение инжекции электронного пучка, Изобретение относится к СВЧ-технике и является усовершенствованием известного способа, описанного в ввт.св. СССР И 1102т78 (1J. Оно ножет 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 электронно го пучка, проходящего через ускоряющую структуру При этом измеряют приращение ЬИ энергии электронов для различных значений напряжения инÄÄSUÄÄ 1711349 2
2 пропускаемого через ускоряющую структуру, находят максимальное значение величины QM/ P,,где ДM — приращение энергии Р— мощность высокочастотного сигнала, и затем рассчитывают высокочастотные характеристики структуры, в частности отношение амплитуды ускоряющей гармоники электрического поля Е к величине Ð, Для определения этой величины на конкретном локальном участке структуры необходимо.,:чтобы длительность высо-, кочастотных импульсов, питающих ускоряющую структуру, выбиралась сог" ла сна выражению ñ 4 L ((Ч„+V< ) /(Ч, xVt }), где L, - длина ускоряющей структуры, м; Ч„Р - групповая скорость Е распространения СВЧ- мощности, м/с;
V - -скорость синхронных электронов е пучка, усредненная по длине измеряе° мого участка структуры, м/с.
Ф жекции и при изменении мощности P
СВЧ-сигнала находят максимальное значение величины †. Затем по извест У
Гр ным аналитическим выражениям определяют высокочастотные характеристики> в частности, отношение амплитуды ускоряющей гармоники электрического поля к квадратному корню из величины мощности - СВЧ-сигнала.
E .(Р
Однако .этот способ позволяет определять лишь усредненное по длиE не структуры отношение -- . Для ускоР
17 13 л 1 V / + V6 е ряющих структур переменного шага, обладающих отрицательной дисперсией, например для структур, состоящих из множества спаянных ячеек, это усредненное значение может существенно
Е отличаться от отношения -- на локаль„ " ных участках исследуемой структуры.
Целью изобретения является расши- 0 рение области применения эа счет обеспечения возможности измерения
Е величины -- на любом локальном участ+p ке ускоряющей структуры.
Для достижения цели по способу измерения высокочастотных характеристик ускоряющих структур, включающему пропускание через ускоряющую структуру электронного пучка, измерение приращения энергии ДУ электронов при изменении мощности СВЧ-сигнала для различных значений напряжения инжекции, определение максимальЬИ
25 ного значения -- и нахождение ис-Р комых параметров по известным аналитическим соотношениям, длительность л с, СВЧ-импульсов, питающих ускоряющую структуру, выбирают иэ условия
30 где L — длина ускоряющей структу- 35 ры3
V - групповая скорость рас- > пространения СВЧ-мощности;
V — скорость синхронных электе ронов пучка, усредненная @ по длине измеряемого участка структуры °
Заявляемый способ отличается от изобретения по авт.св. СССР и 1102478 тем, что питание ускоряющей структу- 45 ры осуществляется импульсами СВЧмощности соответствующей длительнос ти. Сравнение с другими известными способами, в частности с методом возмущений, показывает, что исследо- 50 вание ускоряющих секций длиной s несколько метров известным методом возмущений представляет существенные сложности из-.за провисания нити ьь большой базе. Так, например, для %й- 55 ти с возмущающим телом общим весом
0,5 t-, длиной 5 м при усилии натяжения 1Н провисание может достигать
49
2,5 мм, что недопустимо для точных измерений высокочастотных характеристик ускоряющих структур и диаметром апертуры в несколько миллиметров.
Использование методики измерения
Е величины -- при помощи электронного
„Г пучка свободно от этого недостатка, 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 инжекции, соответствующего значению за- медления фазовой скорости ускоряющей гармоники электрического поля, имеет-. ся ускоряющий участок, для которого выполняется условие синхронизма влета частиц. Начало этого участка определяется значением напряжения инжекции, а его длина 1 - из выражения л Vю Ve гр + 6
Отметим, что варьИрованйе напряжения инжекции пучка приводит к ска- нированию измеряемого ускоряющего участка по продольной координате вдоль ускоряющей структуры. Это позволяет провести зондирование структуры после сборки ее с точки зрения эФФективности ускорения.
Инжектируемый электронный .пучок поступает в пространство взаимодействия ускоряющей структуры, в котором импульсом мощности СВЧ-питания
Формируется электрическое поле обратной волны. При равенстве скоростей электронов и Фазовой скорости ускоряющей 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
P 11349 жителем типа ВЭУ-1, соединенным с входом измерительного осциллографа. Приращение ЬW энергии находится из 5 выражен ия У = <(U — Ugq ). 3 где Uää - напряжение инжекции пучка; U — напряженйе, при котором про1О исходит полное запирание пучка. При фиксированных значениях напряжения инжекции пучка и длительности . импульса подбором величины мощности СВЧ-питания находят Р д р, при которой осуществляется максимальное от5W ношение —— р Измерение .импульсной мощности СВЧ-питания производится при помощи детекторной головки, откалиброванной по постоянной величине СВЧ-мощности. Найденное значение мощности Рс к р 25 обеспечивает такие ускоряющие поля по длине 1, при которых осуществляется синхронное ускорение частиц, находящихся в окрестности максимума волны. Групповая скорость V p определяет 0 ся из выражения л Vrp+ Ve 7гр Ve с V = у и, где с - скорость света; и г - замедление группово" скорости волны, определяемое путем графического дифференцирования дисперсионных характеристик резонансных 4В макетов ускоряющей структу ры. Е ЬИ 1 Ve+ 7гр «Г / = () 1 ., Р р 1оо, ж " е гр речив МакС где Š— амплитуда ускоряющей гармоники электрического гюля;.. P - мощность СВЧ-сигнала Р „„ - мощность СВЧ-сигнала, соответствующая максимальноЬ му значению . л b W — приращение энергии элект.ронного пучка; 0 - полное затухание напряженности электрического поля . от входа структуры до из50 меряемого ускоряющего: участка; 6 - заряд электрона. Приращение $ W энергии в структуре определяется методом запирающего потенциала. Ускоренные электроны, пролетевшие зону торможения, регистрируются вторично-электронным умно45 увеличением Фазовой скорости волны rio всей длине ускоряющего участка. Энергия, до которой ускоряются электроны, определяется длиной этого участка. В силу встречности движения в"-пны и электронов время взаимодействия t импульса СВЧ-мощности с пучком укорачивается по сравнению с длительностью с». импульса на величину, определяемую выражением л 7rp t (° ЬЗ Ч„° + Ve Длина 1 ускоряющего участка структуры определяется произведением 1- = = 1 Че, и она не должна превышать длины всей ускоряющей структуры. Из неравенства 1(L следует ограничение, налагаемое на длительность импульса мощности СВЧ-питания сверху Известно, что, распространяясь в дисперсионней среде, волновой пакет расплывается по длительности c,g...По" г этому длительность импульса ограничивается и снизу с с . Ф ". Высокочастотную характеристику согласно .заявляемому способу опреЕ P деляют из выражения Скорость синхронных электронов находится из выражения Затухание о измеряется одним из методов, например методом замещения. Таким образом, максимальнос зна5Я чение отношения — и соответствуюЕ щее ему отношение -- для любого уско„ГР ряющего участка 1 ускоряющей структуры, обладающей длиной L, достигаются при выбранных значениях напряжения инжекции 11д„ „ входной СВЧ-мощности 171134 Чго+ Че ФаL — — —— 1 гу 25 где L — длина ускоряющей структуры, м; Чг — групповая скорость- распространения СВЧ-мощности, м/с; V — скорость синхронных электронов, и/с. Увз Е (-.-) 1 О/ее49т Š—, В/ 0 4Р s6 —, вивт 1 авт ф„дб >Рв Сйттйт1 %ST Ullllx в п.м. о 1,04 10 0,3 1 07.10 0,3о1 1,06 10 0,303 Iв1 ° 10 0,312 1,33 7,42 10 0 95 .1,38 10 0,6 1,42 10 о,35 1 44 1о 83оо 791о 8680 6933 8401 8465 2503 2546 2641 149 189 144 154 21О 3 250 27о ! 3.7 ° Составитель 8. Козлюк Техред А, Кравчук . Корректор M. Самборская Редактор Т. Юрчикова Заказ 350 Тираж Подписное ВН1ЫПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óêãîðîä, уа. Гагарина,101 P0 Погрешность определения -- скла„ГР дывается в основном из погрешности измерения импульсной мощности P СВЧпитания и замедления групповой скорости n . Мощность P определяется пересчето1ч входной мощности Р«11>Р g входу рассматриваемого ускоряющего . участка через затухание 0(электромагнитной волны. Входная мощность Р„ц„Римпульса СВЧ-питания определяется йри помощи калиброванной детектор- 15 ной головки. Погрешность определения мощности. Р достигает 1ОЖ. Погрешность определения замедления групповой ско-: рости составляет 16-156. Полная. погЕ решностb определения -..- для ускоря Р ющих участков структуры составляет -10-133. Пример. Заявляемый способ был экспериментально»проверен на ускоряющей структуре встречно-штырево-. го типа длиной L р 0,7 м. Начальная энергия ускоряющей структуры 210 эВ,. конечная 4/О. эВ. Длительность импульса мощности СВЧ-питания составляла 50 нс. 8 Результаты измерений представлены в таблице. Для сравнения приведена колонка с результатами измерений Е (--), полученными методом возмущеГ Е09М ниц (3). Ив таблицы видно, ито реЕ зультаты измерений --, проведенных „ГР двумя независимыми методами, совпадают в пределах погрешностей этих методов. Формула и зоб ре тен и я: Способ измерения высокочастотных характеристик ускоряющих структур по авт.св. М 1102478, о т л и ч а .юшийся тем, что, с целью расшире-,, ния области применения, длительность < СВЧ-импульсов, питающих ускоряющую структуру, выбирают иэ условия
