直线感应加速腔横向阻抗的测量

第9卷　第3期强激光与粒子束V o l.9,N o.3 1997年8月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E BEAM S A ug.,1997　直线感应加速腔横向阻抗的测量Ξ章文卫　王华岑　代文华　李雅娟　文　龙(中国工程物理研究院流体物理研究所,成都523信箱　610003) 摘　要　采用束流模拟法测量强流直线感应加速器加速腔横向阻抗,给出了加速腔的测量结果。

采用了时域变换法提高不匹配情况下测量精度的方法,对引起测量误差的原因进行了分析。

这有助于深入理解强流加速腔内的物理过程,改进加速腔设计,提高直线感应加速器整机性能。

关键词　横向阻抗　强流加速腔　束崩溃 ABSTRACT　T he research on the tran sverse i m pedance m easu rem en ts of a linear induc2ti on accelerato r cavity is p resen ted.T he device is tran sfo rm ed in to a coax ial(T E M)configu ra2ti on by in serting tw o parallel off2ax is w ire conducto rs.Scattering param eters are m easu red u s2ing a netw o rk analyzer(H P8753D)w ith a compu ter as a con tro ller.By comparing and calcu lat2ing,the shun t i m pedance Z⊥is found.In o rder to eli m inate the m u lti p le reflecti on cau sed bynonm atched508coax ial tran s m issi on line to the beam p i pe end,ti m e2filtering is u sed.A nalyz2ing of the m easu rem en t erro r is p resen ted too. KEY WOR D S　tran sverse i m pedance,accelerate cavity,BBU 众所周知,在加速器物理中束流的横向不稳定性是影响束流品质,导致束流崩溃的重要因素。

加速腔内由于加速间隙的存在,使漂移管呈不连续状态,当被加速的强流电子束在腔内经过时,就会激发起横向电场E⊥和横向磁场H⊥,导致束流的偏转,能散增大,发射度增加,甚至产生束流崩溃的现象。

对于束流横向不稳定性的研究需要大量的关于腔内微波模式特性的信息,即束流与环境相互作用的特性。

束流与环境的相互作用在时域中用尾场函数表示,而在频域中用耦合阻抗来描述。

它们是傅里叶变换和反变换[1]。

目前,强流直线感应加速器设计的重要任务之一是降低横向阻抗。

对于纵向阻抗的测量,国内外实验室做了大量的工作,经常采用的方法为计算机模拟和模拟束流测量法,以及二者相结合进行。

对于横向阻抗的测量由于采用束流模拟法匹配问题很难解决,因此报道较少,1991年洛斯 阿拉莫斯实验室对DA RH T腔采用了束流模拟法测量横向阻抗[2]。

强流直线感应加速腔是由铁磁材料、绝缘体、加速间隙和漂移管所组成,其形状较为复杂。

本文采用同轴线法测量强流加速腔横向阻抗,给出10M eV加速腔的横向阻抗测量结果,分析了引起测量误差的原因。

1　测试原理和装置 将二根铜线平行拉紧,两线间隔为∆,沿轴线置于强流加速腔中,将加速腔转换为一根T E M同轴传输线,将射频电流馈入这一同轴线,在腔内表面引起的电流分布接近于束流产生Ξ中国工程物理研究院科学基金资助课题。

1997年5月29日收到原稿,1997年7月3日收到修改稿。

章文卫,女,1953年9月出生,助研,硕士。

F ig .1　Experi m en tal schem atic 图1　测试系统方框图的效果,腔结构中的不连续段对这一电流产生的影响类似于尾场对束流的效果。

测出在一定频率范围内的散射参数和一个与漂移管尺寸相同的圆波导的散射参数,并推算出横向阻抗[3]。

如图1所示,测试系统由矢量网络分析、586微机、被测加速腔或圆波导和两节加长管道组成。

矢量网络分析仪内部带有一个30kH z ～3GH z 的射频源,射频信号经功分器分二路分别馈入被测器件内导体,被测器件的另一端分别接终端匹配器和矢量网络分析仪输入端。

分别测出加速腔或圆波导与加长波导组成系统的散射参数S 21。

矢量网络分析仪经H P I B 接口与微机相连,采用H PV EE 软件,测试由微机控制,测试数据存入微机,并进行处理。

2　阻抗计算 设双线同轴传输线单位长度上的电阻为R 0,电感为L 0,电容为C 0,由于腔结构与传输电流的相互耦合,被测腔系统的传输常数中增加了一项干扰项Φ=R +jX ,传输常数K d =[(ΞL 0-jR 0-j Φ)ΞC 0]1 2,带腔被测系统的散射参数S d 21=exp (-jK d L ),L 是被测系统总长度。

而对圆波导的测试系统进行的测试,其散射参数S r 21=exp (-jK r L ),传输常数K r =[(ΞL 0-jR 0)ΞC 0]12,可以得出S d 21 S r 21=exp (-j K d ) exp (-jK r )(1)双芯同轴线被测系统的特性阻抗Z 0=[(R 0+j ΞL 0) j ΞC 0]1 2。

带腔被测系统中由于腔结构产生的阻抗干扰项Φ=R +jX 远小于(R 0+j ΞL 0),由此对(1)式化简,得到腔的横向阻抗Z ⊥=2cZ 0Ξ∆2ln (S r 21 S d 21)(2)分别对加速腔和圆波导进行多次测试和比较,并按(2)式计算横向阻抗,测试频率范围为200M H z～1.6GH z 。

3　测试结果讨论 根据前述原理,对10M eV 强流直线感应加速器所用加速腔的横向阻抗进行实验测试。

腔长512mm ,两节加长管道各长500mm 。

加长管道内径与漂移管的相同,并具有相同的表面粗糙度。

测试分为测模拟腔与测加速腔。

被测加速腔上驱动电缆头及真空管道口均用法兰封闭。

表1　10M eV 加速腔对TM 波的截止频率Table 1　Cut -off frequency of T M -m ode i n accelera tor cav itymodeTM 110TM 120TM 130TM 140TM 210TM 310TM 320TM 220f M H z 338.6617.38991177545561857741 测试前对仪器系统进行校准,以提高测试精度,矢量网络分析仪端口1,端口2分别通过一根长为1.5m 的高频电缆与被测系统相接,校准端面选择在高频电缆出口处。

对仪器做双端口373第3期章文卫等:直线感应加速腔横向阻抗的测量全面校准,做为以后测试中的校准因子。

由于被测系统与508电缆很难达到匹配,反射是不可避免的,为减少反射使用了时域与频域相互转换技术。

由时域中S 11参数的波形可以确定最大的反射点的位置(见图1)。

确定时域门宽度将反射点隔在测试范围之外,再返回频域对S 21进行测试。

这样所得结果就扣除了最大反射点的影响。

图2为所测圆波导系统的S 11参数在时域中的波形,发生反射最大的点在功分器后加长管的入口处。

时域门的选取直接关系到测试的精度,选取合适的时域门宽度,可以消除干扰,提高测试精度。

图3为测得的模拟腔系统和加速腔系统的S 21参数的比较。

图4为按(2)式计算的横向阻抗,其中Z 0近似选为2758。

图4曲线中四个峰值点分别对应于TM 110,TM 120,TM 130,TM 140四个模式。

图5为在选取不同的时域门时,测得的横向阻抗值的比较。

实线使用的门宽度大于虚线,两条曲线在高频处差别较大。

F ig .2　M easu red scattering param eter S 11图2　测得的S 11参数F ig .3　(a )S 21of w avegu ide ;(b )S 21of cavity 图3　(a )圆波导的S 21参数;(b )腔的S 21参数F ig .4　Shun t i m pedance图4　横向阻抗曲线F ig .5　Shun t i m pedance vs w idth of ti m e gate图5　时域门宽度对横向阻抗的影响F ig .6　Compare of differen t inner conducto res po siti on 图6　内导体方位不同波形比较 考虑加速腔和加长管道组成的被测系统,由于加速腔体并非沿圆周在各个方位角均对称,因此内导体安装方位可能对测试结果有影响。

图6为四个不同方位角上测得的曲线。

可以看出0°,-45°两条曲线较接近,45°,90°两条曲线较接近。

四次测试中频率的偏差较小,在10%以内。

而阻抗值的分散性较大,最为明显的是TM 120模。

由此可以得出结论,由于加速腔在方位角上473强激光与粒子束第9卷是不对称的,因此在各个方位角上的横向阻抗略有不同。

而TM 120模式阻抗值分散性较大的原因可能是由于与TM 210,TM 310等模的截止频率相近。

当射频电流通入被测系统时,在腔内可能激发起各种模式,由于腔体上存在不对称,当激励方向改变时,在某一频率上测得的阻抗值有可能是两种模式的贡献。

如果测试系统中的功分器采用180°反相功分器,抑制偶次模,则可以消除这种现象[4]。

在实验测试同时,用U rm el 程序进行模拟计算的结果如表2所示(内导体方位角为0°)。

表2　测试与计算结果Table 2　Param eters of m ea sur i ng and ca lcula ti ng with Ur m el progarammodem easu ring U rm el calcu lating f M H z Z ⊥ k 8Z ⊥ Q (8)f M H z Z ⊥ k 8Z ⊥ Q (8)TM 110356.5115736491.85.6TM 120668.3241.211.6662259.212.5TM 130935.6265.711966338.714TM 1401262.4308.811.31261.5225.458.3 从表中可以看出测试值与用U rm el 程序计算值在频率上符合较好,但对于阻抗值计算结果与测试结果的偏差略大于频率值。