實驗四、駐波電子直線加速器基本參量測量實驗報告

1、實驗四、駐波電子直線加速器基本參量測量班級：核32 姓名：楊新宇 學(xué)號：2013011806 同組成員：楊宗諭一、 實驗?zāi)康模?）了解駐波加速管基本參量測量方法（2）了解四端環(huán)流器在加速器微波傳輸系統(tǒng)中的作用二、 實驗原理駐波電子直線加速器主要由加速管、微波傳輸系統(tǒng)、微波源及各種普通和特殊電源等組成。其中加速管、微波源和微波傳輸系統(tǒng)是加速器的核心部分。本實驗涉及的內(nèi)容是加速管的三個基本參量測量及微波傳輸系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)的測量。加速管：其作用是負(fù)責(zé)把由電子槍送進(jìn)加速管內(nèi)的電子加速到所需要的能量。衡量駐波加速管性能的三個基本參量是：固有品質(zhì)因數(shù)Q0、工作頻率f0和輸入耦合度。微波傳輸系統(tǒng)：其作用

2、是負(fù)責(zé)把從微波源（常用的有磁控管或速調(diào)管）輸出的高功率微波實現(xiàn)定向傳輸，并以盡可能小的損耗送入加速管。它的主要技術(shù)指標(biāo)有：功率容量、工作頻帶、傳輸衰減等。本實驗將利用駐波測量線，通過測量加速器微波傳輸系統(tǒng)中的電壓駐波比，間接或直接求出：（1） 駐波加速管的三個基本參量，即加速管的固有品質(zhì)因數(shù)Q0、工作頻率f0和輸入耦合度。關(guān)于加速管的三個基本參量與加速器的能量增益關(guān)系可表示為：We=eopt+12opt0P0ZT2L-IZT2L (4-1)其中，opt為最佳耦合度；ZT2有效分流阻抗（是與固有品質(zhì)因數(shù)Q0有關(guān)的量）；從（4-1）式可知，opt、ZT2、Q0是反映加速結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。且這三個基本

3、參量直接影響加速管輸出能量和束流性能等。（2）通過對四端環(huán)流器的測量，了解微波傳輸系統(tǒng)在加速器的作用。1、微波傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵部件介紹四端環(huán)流器（見圖4-1）（1）作用定向傳輸a) 防止傳輸系統(tǒng)中的反射波進(jìn)入微波功率源；b) 利用了各向異性的鐵氧體材料，實現(xiàn)了傳輸系統(tǒng)正反向的隔離；c) 在外加磁場的作用下，對微波呈現(xiàn)方向性；d) 入射波可無衰減通過，反射波則被吸收。（2）工作原理四端環(huán)流器其結(jié)構(gòu)是由一只雙T接頭，一只基于外加磁場作用下的鐵氧體場效應(yīng)非互易相移器和一只三分貝耦合器所組成的耦合器件?？捎糜诟綦x器，也可用作功率分配器。外加磁場可為永磁式或電磁式。高功率四端環(huán)流器還需有冷卻水套。其工作原理

4、是：假定振幅為E0的微波由端口1進(jìn)入，由雙T（H分支）的特性，在A-B參考面處，波導(dǎo)和中將有振幅相等相位相同的微波輸入（功率各為1口的1/2）分別用EA和EB表示。由于非互易相移器的作用，兩波導(dǎo)中的微波傳輸?shù)紺-D參考面時相差（/2），現(xiàn)假定EC領(lǐng)先ED(/2)，（隨外加磁場的方向而變）。三分貝耦合器將每一路的功率等分輸出到2口和4口，在耦合孔處附加有/2的相差。結(jié)果在4 口合成的場相差,無輸出。在2口合成場的相位相同，有輸出，且與1口輸入的相等（不考慮傳輸損耗）。2、求加速管f0，Q0和的原理反射法測量。（1）公式推導(dǎo)：式中，f為系統(tǒng)的反射系數(shù)，是頻率的函數(shù)；yin歸一化導(dǎo)納；g和b分別為歸

5、一化電導(dǎo)和歸一化電納；f駐波系數(shù)。三、 實驗內(nèi)容及步驟1、 f曲線測量（1）按照圖4-3 連接測量線路（2) 信號發(fā)生器輸出頻率在9295MHz到9300MHz范圍內(nèi)變化，每改變0.5MHz頻率，在測量線上讀取一個駐波系數(shù)，由此可做出一條與f 對應(yīng)的曲線，即f曲線。實驗中在取數(shù)時要注意微波輸出頻率保持穩(wěn)定。(3)利用公式求出加速管的三個特性參量：固有品質(zhì)因數(shù)Q0、工作頻率f0和輸入耦合度（參見圖4-2）。Q0=x-1x-x·f0f (f=f2-f1)=0 2、四端環(huán)流器傳輸特性測量正向傳輸，反向隔離。（1）按照圖4-4 連接測量線路（2）信號發(fā)生器輸出頻率設(shè)置在9.3GHz,測量終端

6、接匹配負(fù)載時，測量在測量線1、測量線2處的電壓駐波比。（3）將終端的匹配負(fù)載換成短路板，重復(fù)上述實驗。并比較兩次的測量結(jié)果。四、 實驗數(shù)據(jù)及處理1、f曲線測量先尋找駐波比最小的點，即0點的頻率值，再以這一點為中心，向上向下各測五個點，步長為0.5MHz。測量過程中發(fā)現(xiàn)駐波比最小值對應(yīng)的頻率是9298.5MHz，所以測量區(qū)間為9296MHz-9301MHz，測量結(jié)果見下表所示：頻率/MHz92969296.592979297.59298駐波比11.0510.587.044.643.389298.592999299.593009300.593012.773.214.105.609.339.95根據(jù)

7、上表做出的f曲線如圖1所示：圖1 實驗測得的f曲線固有品質(zhì)因數(shù)Q0、工作頻率f0和輸入耦合度的計算過程如下：取x=7.04，此時f1=9297MHz，f2的值需要根據(jù)9300MHz和9300.5MHz插值得到，f2-93009300.5-9300=7.04-5.609.33-5.60，由此計算出f2=9300.19MHz。所以f=f2-f1=3.19MHz。=0=2.77，f0=9298.5MHz。所以Q0=x-1x-x·f0f=9764.39。圖中有一點需要說明，理論上f應(yīng)該是一個近似拋物線的形狀，但是實驗測得的曲線在兩個端點的值明顯偏低，在原始數(shù)據(jù)記錄表中可以看出，兩個端點處的最

8、后兩個值的電壓最小值都是0.1mV，這說明9296MHz和9301MHz處的電壓最小值出現(xiàn)了失真，實際值應(yīng)該小于0.1mV，但是這已經(jīng)超出了電表的最小刻度值，無法測量，需要更加精細(xì)的測量設(shè)備，所以實際測得的駐波比比真實值偏低，于是出現(xiàn)了圖1所示的曲線。2、四端環(huán)流器傳輸特性測量正向傳輸，反向隔離。四端環(huán)流器2口接匹配負(fù)載的時候，測量線1測得的駐波比為1.10，測量線2測得的駐波比為1.01；2口接短路板的時候，測量線1測得的駐波比為1.04，測量線2測得的駐波比為5.96?？梢?口接匹配負(fù)載的時候，從1口進(jìn)入的微波信號在2口基本被吸收，沒有反射波信號。而2口接短路板的時候則會產(chǎn)生比較強(qiáng)的反射波

9、信號，形成駐波狀態(tài)。五、 思考題1、 敘述駐波加速器微波傳輸系統(tǒng)工作原理。答：駐波加速器微波傳輸系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如上圖所示，磁控管產(chǎn)生的信號經(jīng)過方圓轉(zhuǎn)換可以從圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換成方波導(dǎo)，以TE10模傳輸，彎波導(dǎo)的作用是調(diào)整微波傳輸方向，兩個彎波導(dǎo)的存在可以使整個結(jié)構(gòu)更加緊湊，傳輸?shù)奈⒉ń?jīng)過四端環(huán)流器，過濾掉反射波信號，保護(hù)磁控管，由于微波功率較大，所以3口要接水負(fù)載吸收掉微波的能量，而4口的微波信號一般就比較弱了，可以用干負(fù)載吸收剩余能量。第二個彎波導(dǎo)后接直波導(dǎo)繼續(xù)傳輸信號，軟波導(dǎo)的作用是方便進(jìn)行機(jī)械調(diào)整，經(jīng)過軟波導(dǎo)后接波導(dǎo)窗就可以進(jìn)入加速管對電子進(jìn)行加速了。加速管的作用是將電子槍產(chǎn)生的電子送入加速系統(tǒng)。2、 四端環(huán)流器在加速