Проводится анализ экспериментальных данных по измерению магнитного поля магнитной периодической фокусирующей системы ЛБВ. Осуществляется качественный анализ процесса фокусировки, опираясь на картину распределения магнитного поля системы. Выделяются критерии оценки качества сборки и настройки МПФС.
Ключевые слова:магнитная периодическая фокусирующая система, магнитное поле, постоянный магнит, фокусировка, лампа бегущей волны.
На фокусировку электронного пучка в магнитной периодической фокусирующей системе ЛБВ оказывают влияние не только продольная составляющие магнитного поля, но и поперечная составляющая и ее азимутальное распределение [1]. При этом стоит отметить, что измерение продольной составляющей менее информативно, хотя и необходимо, поскольку показывает лишь периодичность экстремумов поля, более полную картину магнитного поля можно получить серией азимутальных измерений поперечной составляющей.
Набор измерений поперечной составляющей магнитного поля вдоль всей оси фокусирующей системы формирует представление о динамике изменения магнитного поля, что в свою очередь дает экспериментальную базу для достоверного расчета процесса фокусировки пучка. Измерения подобного рода, прежде всего, связаны с методикой их проведения и определяются количеством замеров, требуемых для достижения достаточно точности [2]. Погрешность описываемых измерений не превышает 5 %. Проблема получения нужного числа измерений была преодолена путем автоматизации средств измерений. Разработанная методика измерений опирается на микропроцессорную систему в сопряжении с программой управления. Перемещение зонда по азимуту и вдоль оси МПФС осуществляется при помощи двигателей, контроль позиции выполняют абсолютные датчики углового положения. В соответствии с алгоритмом измерений замер магнитного поля происходит каждые 3°, образуя в сумме 120 точек на оборот фокусирующей системы.
На рисунке 1 показаны графики азимутального распределения поперечной составляющей магнитного поля, построенные в полярных координатах. Датчик Холла, в процессе эксперимента сканировал систему по азимуту, а затем перемещался вдоль оси МПФС, при этом рабочая поверхность датчика располагается перпендикулярно оси. Анализ графиков позволяет изучить динамику изменения магнитного поля.
Рис. 1. Динамика изменения поперечной составляющей магнитного поля магнита, входящего в состав МПФС
Измерения были выполнены на промышленном образце МПФС. Проанализировав рисунок 1 можно заметить неравномерность распределения магнитного поля относительно оси. Для идеального магнита поперечная составляющая поля представляет набор окружностей, в данном же случае заряженная частица, проходя сквозь магнитное поле, получит компоненту силы, которая, в силу неравномерной конфигурации поля будет смещена от оси МПФС [3]. Расфокусировка пучка заряженных частиц приводит к снижению эффективности взаимодействия электронов с электромагнитной волной, в конечном итоге к ухудшению параметров прибора.
Благодаря построенным графикам можно увидеть, как изменяются магнитного поля вдоль оси магнитной системы. График, показанный на рисунке 2, представляет картину распределения поля для двух магнитов с противоположной намагниченностью. В ходе эксперимента было снято 1920точек. Картина распределения совмещает серию измерений, является рядом последовательного сканирования поперечной составляющей магнитного поля [4]. Для отображения в трехмерном виде произведен пересчет полярных координат в декартовые, кроме того данные представлены в единицах напряжения АЦП с выхода датчика, что обусловлено лучшим соотношением масштабов осей и визуальным восприятием. На рисунке 3 показаны проекции картины распределения магнитного поля на плоскость OXY.
Рис. 2. Картина распределения магнитного поля двух последовательных магнитов МПФС
Рисунок 2 позволяет понять конфигурацию магнитного поля внутри периодической системы. На графике видны области с минимальной амплитудой модуля вектора магнитной индукции, которые соответствуют либо центрам магнитов (поперечная компонента магнитного поля минимальна) либо областям перехода между магнитами. Опираясь на полученные данные можно достоверно определить силу взаимодействия электронного потока с магнитным полем и, в конечном счете, рассчитать траекторию движения.
Рис. 3. Проекция картины распределения магнитного поля на плоскость OXY
Рисунок 3 дает наглядное представление неравномерности магнитного поля внутри магнитной системы. Из рисунка видна степень отклонения серий измерений от оси системы. Стоит отметить, что, несмотря на сильное искажение магнитного поля, полученное для некоторых измерений, при конечной оценки качества фокусировки необходимо учитывать величину модуля вектора магнитной индукции, которая варьируется по координате оси МПФС.
Предварительный анализ конфигурации магнитного поля позволяет избежать потенциальных проблем после сборки прибора. Представленная картина распределения магнитного поля позволяет выявить проблемные места, произвести либо замену конкретного магнита, либо произвести подстройку системы путем добавления корректирующих магнитов — пиявок. Опять же, эффективно провести настройку системы можно только зная точную конфигурацию магнитного поля, места, требующие корректирующего воздействия [5].
Таким образом, знание картины распределения магнитного поля МПФС позволяет: во-первых, выполнить анализ качества сборки фокусирующей системы и входящих в нее магнитов; во-вторых, выявить места, требующие корректирующего воздействия, что в свою очередь позволит значительно сэкономить время настройки прибора [6]. Другим важным моментом является перспектива разработки методов моделирования процессов фокусировки, опираясь на достоверные данные. Результат взаимодействия электронного пучка с магнитным полем является суперпозицией элементарных воздействия, полученных для каждого витка измерений [7].
Отдельно стоит отметить важность методики проведения эксперимента, которая на данном этапе становится возможной только с привлечением средств автоматизации и программной обработки. Количество точек, необходимое для сканирования всей МПФС оказалось более 10000, т. е. наряду с критерием точности, существенную роль начинает играть критерий времени измерений. Привлечение микропроцессорной системы управления позволило выполнить промер фокусирующей системы в автоматическом режиме. Благодаря количеству проведенных испытаний выполнен критерий повторяемости, это в свою очередь позволяет утверждать, что с ростом объема выборки измеряемая величина стремится к своему истинному значению. Из полученных результатов можно сделать вывод о наличии в магнитной системе магнитов низкого качества. Колебания модуля вектора магнитной индукции в некоторых местах существенны и составляют до 30 % от среднеквадратичной величины. Подобная ситуация связана как с технологией производства постоянных магнитов, так и с технологией сборки магнитов в периодическую систему. Выполненные эксперименты позволили: 1) выявить дефектные места МПФС; 2) определить реальные характеристики и структуру магнитного поля.
Литература:
1. В. М. Белугин, А. Е. Васильев, В. В. Ветров, Н. Е. Розанов. Разработка, методы расчета и создание широкополосных ЛБВ для непрерывного режима работы. Препринт 2005–03. М., МРТИ РАН, 2005. 20 с.
2. Н. Е. Розанов. Программа LBV-2.5D для расчета процесса усиления электромагнитных волн электронным пучком. Научная сессия МИФИ-2002. Сб. научных трудов. М.: МИФИ, 2002. Т.7. С.124–125.
3. K.Halbach, R. F. Holsinger. SUPERFISH Computer Programs for Evaluation of RF Cavities with Cylindrical Symmetry. Particle Accelerators, 1976. Vol. 7. P. 213–222.
4. С. Марков. Цифровые сигнальные процессоры. Книга 1. — М.: фирма МИКРОАРТ, 1996–144 с.
5. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях: В 2-х томах. Пер. с франц. — М.: Мир, 1983. — Т. 1. 312 с.
6. Ковалев О. Ф. Комбинированные методы моделирования магнитных полей в электромагнитных устройствах. — Ростов н/Д.: Изд-во СКНЦ ВШ, 2001.
7. Подольский А. В. Экспериментальное тестирование вычислительных систем/ Сб. тр. 2-й конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM CmbH, Москва, 17–18 апр. 2002 г.; Под ред. А. С. Шадского. — М.: Изд-во ООО «Барс», 2002.
