Устройство для измерения распределения электромагнитного поля резонатора

 

Использовано: в области измерительной техники ВЧ и СВЧ диапазонов для измерения распределения полей в ускоряющих структурах резонаторных ускорителей заряженных частиц. Сущность изобретения: устройство содержит возмущающее тело высокоомного фотополупроводникового материала, выполненное в виде пластины, устанавливаемое внутри резонатора с возможностью перемещения, а также модулятор пространственного положения луча источника амплитудно-модулированного оптического излучения и конфигурации области засветки на пластине, причем оптическая ось модулятора устанавливается преимущественно нормально к плоскости пластины. При этом измеряются различные компоненты электромагнитного поля. Технический результат: увеличение производительности измерений с одновременным повышением их точности. 3 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники ВЧ и СВЧ диапазонов и может быть использовано при измерении распределения полей в ускоряющих структурах резонаторных ускорителей заряженных частиц, и объемных резонаторных любых других назначений.

Известны устройства [1] [2] [3] в которых измерения производятся на основе метода малых возмущений [4] Возмущающее тело, вносимое в резонансный объем (или изменение конфигурации стенки резонатора, [3]) производит изменение собственной частоты измеряемого типа колебаний; разность резонансных частот возмущенного резонатора позволяет определить величину поля в месте расположения возмущающего тела.

Для измерения распределения полей во всем объеме необходимо неоднократно производить установку механизма перемещения возмущающего тела (элементов натяжения тонкой нити, к которой прикреплено возмущающее тело), что при большом количестве измерений существенно затягивает эксперимент. Недостатком является также необходимость применения возмущающих тел различной формы (либо изготовленных из различных материалов) для измерения различных компонент поля. Погрешности измерений возникают из-за провисания нити (неточно определяется положение возмущающего тела) и за счет регулярных и случайных флуктуаций резонансной частоты резонатора в течение длительного эксперимента (отсчеты резонансной частоты невозмущенного резонатора только в начале и в конце измерений недостоверны).

Известно также устройство [5] содержащее возмущающее тело сферической формы из высокоомного фотополупроводника, подвешенное внутри резонатора с возможностью перемещения, и источник амплитудно-модулированного оптического излучения, установленный вне резонатора. В устройстве имеется индикатор, вход которого является входом сигнала с исследуемого резонатора; в каждом полупериоде амплитудной модуляции индикатор производит отсчет резонансной частоты с засвеченной и темновой фотополупроводниковой сферой.

При этом ликвидируется второй из указанных источников погрешности устройств [1] [2] [3] поскольку темновой отсчет можно считать резонансной частотой невозмущенного резонатора.

Недостатками устройства [5] является низкая производительность измерений такая же, как и в устройствах [1-3] и наличие погрешности из-за провисания нити.

Задачей изобретения является увеличение производительности измерений с одновременным повышением их точности.

Для решения указанной задачи в устройстве, содержащем возмущающее тело из высокоомного фотополупроводникового материала, установленное внутри резонатора с возможностью перемещения, источник амплитудно-модулированного оптического излучения, установленный вне резонатора, и индикатор, вход которого соединен с выходом резонатора, возмущающее тело выполнено в форме пластины. В устройство введен модулятор пространственного положения луча и конфигурации области засветки, вход которого оптически связан с выходом источника амплитудно-модулированного оптического излучения, а выход оптически связан с возмущающим телом, которое установлено преимущественно нормально относительно оптической оси модулятора пространственного положения луча и конфигурации области засветки.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства на фиг.2 показаны возможные области засветки пластины из высокоомного фотополупроводника, на фиг. 3 приведены элементы устройства для измерения поля в резонаторе ускорителя с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой.

Устройство для измерения распределения электромагнитного поля резонатора 1 содержит пластину из высокоомного фотополупроводникового материала 2, прикрепленную к тонкой нити 3, посредством которой пластину можно перемещать внутри резонатора 1. Оптическое излучение амплитудно-модулированного источника 5 попадает на вход модулятора 6 пространственного положения луча 4 и конфигурации области засветки: попадая с выхода модулятора 6 преимущественно нормально на пластину 2, луч засвечивает на ней область 7. Сигнал управления модулятором попадает на его вход 8, резонансная частота резонатора определяется индикатором 9. Области засветки пластины 2 имеют различный вид - 10, 11, 12, 13 для измерений различных компонент электромагнитного поля (фиг.2). Наиболее просто реализуемая конструкция модулятора пространственного положения и конфигурация области засветки состоит из коллиматора, компонента транспарантов (диафрагм) и корректирующей линзы (или объектива). Прозрачные области транспарантов соответствуют конфигурациям необходимых форм засветки. Перемещение транспарантов в поперечных направлениях осуществляется электродвигателями; подаваемые на них напряжения образуют сигнал управления.

В простейшем случае в апертуре пучка оставляют только один транспарант. Существенно большим быстродействием обладают акустооптические транспаранты и дефлекторы [6] для прямоугольных засветок переменной длины непосредственно применимо оригинальное решение [7] В качестве индикатора могут использоваться, например, серийно выпускаемые измерители амплитудно-частотных характеристик или измерители полных сопротивлений соответствующего диапазона.

При работе устройства оптическое излучение источника 5 модулируется в пространстве таким образом, что на пластине 2 луч 4 засвечивает определенную область 7. Конфигурация этой области и ее положение задается сигналом управления 8 на входе модулятора. Проводимость засвеченной области 7 на пластине существенно (на 3-5 порядков) отличается от проводимости незасвеченной части для фотополупроводниковых материалов типа арсенида галлия, аморфного кремния, сернистого кадмия и др. и сформированное таким образом возмущение, взаимодействуя с электромагнитным полем резонатора 1, изменяет его резонансную частоту, величина которой отсчитывается индикатором 9. Излучение источника 5 модулировано по амплитуде, и в последующем интервале времени интенсивность засветки уменьшается (в случае 100% модуляции спадает до нуля); индикатор производит второй (темновой) отсчет резонансной частоты. Эти два отсчета позволяют определить величину измеряемой компоненты электромагнитного поля методом малых возмущений [4] Искажения поля, вносимые темновой пластиной и нитью, определяются при измерениях в калиброванном резонаторе. Измерение поля в других точках объема резонатора производится перемещением пластины 2 в другое поперечное сечение нитью 3 или изменением положения области засветки в плоскости пластины 2. При измерении продольной компоненты электрического поля конфигурация засветки имеет вид тонкого продольного цилиндра, длина которого определяется толщиной пластины. Радиальная компонента электрического поля определяется при засветке радиальной полоски 10 на тонкой пластине 2, фиг.2; азимутальная компонента при засветке 11; продольная компонента магнитного поля при засветке в виде замкнутого контура 12; усредненные характеристики поля при засветке пятна 13 соответствующей площади. Используемое здесь геометрическое описание в цилиндрической системе координат совершенно не обязательно. При измерениях, например, в декартовой системе, поперечные компоненты электрического поля целесообразно измерять засветками в виде тонких штрихов, ориентированных вдоль осей абсцисс и ординат; а усредненные характеристики пятном квадратной или прямоугольной конфигурации.

Специальные измерения, например, поиск эквипотенциальных линий, производится изменением конфигурации засвечиваемой области до достижения минимально возможной (в идеальном случае, нулевой) разности темнового и светового отсчетов резонансных частот резонатора. Форма пластины определяется областью измерений и поперечным сечением резонатора; например, для резонатора ускорителя с пространственно однородной квадрупольной фокусировкой она имеет вид 2, фиг.3. При измерениях одновременно или последовательно засвечиваются четыре области 7, фиг.3.

Мощность источника оптического излучения определяется видом фотополупроводникового материала, и в любом случае будет минимальна при нормальном падении оптического пучка на пластину (минимально отраженная мощность), что, кроме того, упрощает конструкцию модулятора пространственного положения и области засветки. Однако при невозможности нормальной установки оптической оси модулятора из-за отсутствия соответствующих оптических прозрачных областей в корпусе резонатора наклонное падение оптического пучка на пластину вполне допустимо.

Быстродействие устройства зависит от быстродействия модулятора пространственного положения луча и конфигурации области засветки. Для акустооптических устройств частота коммутации может превышать десятки мегагерц, что оказывается выше допустимого быстродействия индикатора на основе серийно выпускаемых приборов. Кроме того, длительность переходного процесса высокодобротных резонаторов обуславливает еще больший необходимый интервал между изменениями положения засветки. Таким образом, быстродействие устройства определяется скоростью перемещения пластины и выше, чем в устройствах [1-3] [5] поскольку исключена необходимость перестановки в поперечных направлениях механизма перемещения возмущающего тела. Помимо этого, устройство позволяет измерять по крайней мере четыре различных компонента электромагнитного поля (фиг. 2) без замены возмущающих тел. Таким образом, производительность измерений в 4-6 раз выше, чем в прототипе.

Погрешность измерений, обусловленная провисанием нити, полностью исключена, так как пространственное положение возмущенной области определяется прямолинейно распространяющимся оптическим лучом; точность измерений выше, чем в прототипе и устройствах [1] [2] Дополнительным преимуществом является оперативный выбор величины возмущения. Метод [4] корректен при соизмеримости максимальной вносимой расстройки частоты и полосы пропускания резонатора; устройство позволяет оперативно изменить размеры области засветки для удовлетворения этому требованию.

Формула изобретения

Устройство для измерения распределения электромагнитного поля резонатора, содержащее возмущающее тело, выполненное из высокоомного фотополупроводникового материала, и установленное внутри резонатора с возможностью перемещения, источник амплитудно-модулированного оптического излучения, установленный вне резонатора, и индикатор, вход которого соединен с выходом резонатора, отличающееся тем, что возмущающее тело выполнено в форме пластины, введен модулятор пространственного положения луча и конфигурации области засветки, вход которого оптически связан с выходом источника амплитудно-модулированного оптического излучения, а выход оптически связан с возмущающим телом, которое установлено преимущественно нормально относительно оптической оси модулятора пространственного положения луча и конфигурации области засветки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3