УСКОРЯЮЩАЯ СТРУКТУРА Российский патент 1998 года по МПК H05H9/04 H05H7/22 

Изобретение относится к области техники ускорителей заряженных частиц и может быть использовано в качестве ускоряющей структуры для промежуточных и высоких энергий ускоряемых частиц.

Известная ускоряющая структура с шайбами и диафрагмами [1]. Недостатками такой ускоряющей структуры являются необходимость дополнительных мер для смещения по частоты паразитных колебаний и большие поперечные размеры.

Также известна ускоряющая структура с боковыми ячейками связи [2]. Недостатками такой ускоряющей структуры являются сложная конструкция и технология изготовления, а также низкий коэффициент связи k_c.

Наиболее близкой к изобретению является ускоряющая структура с внутренними ячейками связи [3], содержащая расположенные на одной оси чередующиеся ускоряющие ячейки и ячейки связи, связь между которыми осуществляется посредством азимутальных щелей, прорезанных в перегородках между соседними ячейками.

Указанная ускоряющая структура исследована и применяется в ускорителях, работающих на длине волны λ = 10 см (ускорители электронов), с рекомендуемыми [3] ограничениями на размеры:
а) 2l_c - длина ячеек связи - 0,03λ < 2lc < 0,05λ;
б) t - толщина перегородки - 0,02λ < t < 0,04λ;
в) Δ - ширина щели связи - t < Δ < 2t;
г) r_s - радиус расположения щелей связи - r_s>0,5 R_a,
где R_a - радиус ускоряющей ячейки.

Для ускорителей электронов характерными являются рабочая частота f ≈ 3000 МГц, (λ ≈ 10 см) и темп ускорения ≈ 10 МэВ/м, при β = 1,0 ( β - относительная скорость ускоряемых частиц).

Недостатками такой ускоряющей структуры являются низкий коэффициент связи k_c ≈ (3-5)%, низкая вакуумная проводимость и меньшая, по сравнению с аналогичными [1, 2] ускоряющими структурами, величина эффективного шунтового сопротивления Z_e. Эти недостатки обусловлены необходимостью обеспечить механическую прочность ускоряющей структуры и отвод тепла от ее приосевых элементов.

Задачей данного изобретения является повышение эффективности и снижение затрат на изготовление ускоряющей структуры с внутренними ячейками связи за счет уменьшения потерь СВЧ мощности и увеличения коэффициента связи путем выбора оптимального соотношения размеров элементов структуры, а также повышения вакуумной проводимости структуры.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявленной ускоряющей структуре, содержащей расположенные на одной оси ускоряющие ячейки и ячейки связи, связь между которым осуществляется посредством азимутальных щелей, прорезанных в перегородках между соседними ячейками длины 2l_c ячеек, связи выбирают в пределах - 0,004 λ <2l_c <0,02 λ , толщину t перегородки между ячейками - 0,008 λ <t < 0,013 λ , ширину Δ щели связи - 5t <Δ <10t, где λ - длина волны рабочего колебания в структуре. Кроме того, в перегородках между ячейками выполнены в радиальном направлении 2m разрезов от радиуса R₁ до радиуса R₂, причем r_t < R₁ <r_s - Δ/2, r_s + Δ/2 <R₂ <R_c с угловой протяженность Ф не более 15^o, ось первого разреза совпадает с серединой одной из щелей связи, а каждый последующий разрез смещен по азимуту на угол π/m. Здесь 2m - число щелей связи в перегородке, R_c - радиус ячейки связи, r_t - радиус трубки дрейфа.

На фиг. 1-3 представлены продольный и поперечные разрезы заявленной ускоряющей структуры, где на фиг. 1: 1 - ускоряющая ячейка, 2 - ячейка связи; на фиг. 2: 3 - щели связи; на фиг. 3: 4 - радиальные разрезы.

Ускоряющая структура работает следующим образом.

При введении ВЧ мощности в структуру на рабочей частоте в ускоряющих ячейках возбуждается электромагнитное поле с сильным электрическим полем на оси, необходимым для ускорения частиц. Выбор периода структура d = βλ/2,0 обеспечивает синхронизм частиц и ускоряющего поля. В ячейках связи возбуждается колебание с существенно меньшей амплитудой поля, не влияющее на процесс ускорения и необходимое для обеспечения потока ВЧ мощности вдоль структуры.

При применении данной ускоряющей структуры при λ ≈ 30-40 см, (в линейных ускорителях протонов, характерными режимами которых являются рабочая частота f ≈ 1000 МГц, λ ≈ 30 см, 0,05 < β < 1 и темп ускорения 1-5 МэВ/м), механическая прочность структуры и достаточный теплоотвод от приосевых элементов обеспечивается при относительной толщине перегородки 0,008 λ < t < 0,013 λ, что соответствует толщине перегородки 3-6 мм.

Относительная длина ячеек связи 0,03 λ < 2l_c < 0,05 λ также является избыточной.

При выборе длины 2l_c ячейки связи и толщины t перегородки следует учитывать два фактора, ограничивающие снизу указанные размеры.

Введение азимутальной щели связи приводит к понижению частот как ускоряющей ячейки, так и ячейки связи. Учитывая распределение поля колебания ТМ₀₁₀, являющегося рабочим для ускоряющей структуры, понижение частоты ячейки связи δf ≈ f/l_c. Понижение частоты ячейки связи компенсируется уменьшением радиуса R_c ячейки связи и уменьшать длину 2l_c ячейки можно только до тех пор, пока R_c > r_s + Δ/2.

Вторым ограничивающим фактором является электрическая прочность структуры в переходном режиме. Известно, что в стационарном режиме ячейки связи возбуждаются с малой амплитудой поля. В переходном режиме, при заполнении структуры ВЧ энергией, амплитуда поля в ячейках связи может достигать значительной величины. Максимальная напряженность электрического поля в ячейках связи развивается в течение времени 0 < τ < L/ν_g, когда вдоль структуры распространяется нескомпенсированный поток P_k мощности от ВЧ генератора. Здесь L - расстояние от точки ввода ВЧ мощности до торца структуры, ν_g = βπck_c/4 - групповая скорость.

Максимальная величина W_cm запасенной в ячейке связи ВЧ энергии в переходном режиме может быть оценена сверху как:
W_ст < P_kd/2ν_g, d = βλ/2. (1)
Здесь d = βλ/2 - период структуры.

Запасенной энергии W_cm соответствует максимальная величина E_cm напряженности электрического поля на поверхности ячейки связи. Отношение E_cm/W_cm зависит от размеров ячейки. Наибольшие значения электрического поля в ячейке связи развиваются на ближайшем к оси краю щели связи (на азимуте середины щели) и на пересечении ячейки связи апертурным каналом. Результаты трехмерного численного моделирования показали, что при выборе толщины t перегородки и длины 2l_c ячейки связи в пределах 0,004 λ < 2l_c < 0,02 λ , 0,008 λ <t < 0,013 λ и выполнении скруглений радиусом t/2 в местах развития наибольших значений электрического поля, величина E_cm при мощности P_k ВЧ генератора до P_k = 15 МВт, k_c≈15% и не превышает предела Килпатрика E_k, являющегося общеизвестным критерием электрической прочности ускоряющей структуры и определяемого из соотношения:
f[МГц]=1,643 E2k

Выбор толщины t перегородки и длины 2l_c ячейки связи в указанных выше пределах приводит к уменьшению их длины (по оси структуры) 2t + 2l_c с 0,07 λ < 2l_c + 2t < 0,13 λ (в [3]) до 0,02 λ < 2l_c + 2t < 0,046 λ , что позволяет повысить Z_e структуры на (5-12)%.

При увеличении ширины Δ щели с t < Δ < 2t до 5t < Δ < 10t (и одновременном выборе 0,008 λ < t < 0,013 λ и 0,04 λ < 2l_c < 0,02λ) увеличение k_c до (13-18)% достигается при меньшей азимутальной протяженности щели и сопровождается уменьшенным падением шунтового сопротивления. Радиус r_s расположения щели выбирается из условия: (H_a(r_s)H_c(r_s)/ , где H_a(r_s) и H_c(r_s) - напряженности магнитного поля колебаний в ускоряющей ячейке и ячейке связи, соответствующие запасенным энергиями W_a и W_c. Это условие соответствует r_s≈0,55 R_a.

Для уменьшения взаимного влияния, щели в соседних перегородках ячейки связи смещены по азимуту на угол π/m.

Результаты трехмерного моделирования структуры на частоте f = 810,24 МГц при = 8,33t, t=0,0081 λ, 2l_c = 0,019λ, β = 0,5, r_s = 0,58 R_a показывают, что коэффициент связи k_c = 15% достигается при уменьшении Z_e на 7% по сравнению со структурой без щелей.

Для повышения вакуумной проводимости вводятся 2m выполненных в радиальном направлении разрезом в перегородках от радиуса R₁ до радиуса R₂cr_t < R₁ <r_s - Δ/2, r_s+ Δ/2 < R₂ < R_c (фиг. 3). Азимутальная протяженность каждого разреза Ф не более 15^o.

Ось первого разреза в перегородке совпадает с серединой щели связи - разрез пересекает щель. Второй разрез смещен по азимуту на угол π/m и расположен между щелями связи. Третий разрез смещен на угол π/m относительно второго и пересекает следующую щель связи. Оси разрезов в прилегающей перегородке совпадает с осями разрезов в предыдущей. Таким образом, в последовательности ячеек разрезы образуют 2m сквозных каналов, проходящих через всю последовательность и облегающих проникновение молекул остаточного газа из ячейки в ячейку, повышая вакуумную проводимость структуры.

Радиальная протяженность разрезов выбирается из условия получения необходимой вакуумной проводимости, что зависит от числа ячеек в секции.

Из-за малой угловой протяженности Ф (до 15^o) и направления краев разреза по радиусу, разрезы не являются (в отличие от щели связи) резонансными элементами и не вносят дополнительных искажений в распределение ВЧ токов в ускоряющей ячейке.

Более сильное влияние разрезы оказывают на распределение ВЧ токов в ячейке связи. Поскольку в рабочем режиме структуры ячейки связи не возбуждаются, небольшое понижение добротности ячеек связи не влияет на рабочие характеристики структуры.

Результаты трехмерного моделирования структуры на частоте f = 810,24 МГц при Δ = 8,33t, t = 0,008 λ, 2l_c = 0,019 λ, β = 0,5, r_s = 0,58 R_a, R₁=r_t= 0,089 λ, R₂ = R_c = 0,25λ и с четырьмя разрезами в каждой перегородке, показывают, что характеристики рабочего колебания в структуре не изменяются, коэффициент связи k_c не уменьшается, а дробность колебаний в ячейках связи понижается не более чем на 10%. Вакуумная проводимость ускоряющей структуры с разрезами при этом в 10 раз выше, чем структуры без разрезов.

Использование настоящего изобретения позволяет обеспечить повышение эффективности и снижение затрат на изготовление ускоряющей структуры с внутренними ячейками связи за счет уменьшения потерь СВЧ мощности и увеличения коэффициента связи, путем выбора оптимального соотношения размеров элементов структуры и введения дополнительных элементов, а также повышения вакуумной проводимости структуры.

Источники информации
1. В. Г. Андреев, В. М. Пироженко. Параметры ускоряющей структуры для протонного линейного ускорителя на большие энергии. Труды Радиотехнического
Института АН СССР, М., 1972, N 9, c. 36.

2. E.A. Knapp, B.C. Knapp, J.M.Potter, Standing wave high energy linear accelerator structures. - Review of Scientific Instrument, v. 39, n. 7, p. 979, 1968.

3. О. А. Вальднер, Н.П. Собенин, Б.В. Зверев, И.С. Щедрин. Диафрагмированные волноводы. Справочник М.: Энергоатомиздат, 1991 г.

Использование: техника ускорителей заряженных частиц. Сущность изобретения: ускоряющая структура содержит расположенные на одной оси ускоряющие ячейки и внутренние ячейки связи. Для увеличения коэффициента связи и повышения шунтового сопротивления длину 2l_c ячеек связи выбирают в пределах - 0,004 λ <2l_c <0,02 λ , толщину t перегородки ячеек - 0,008 λ <t <0,013 λ , ширину Δ щели связи - 5t <Δ <10t, где λ - длина волны рабочего колебания в структуре. Для повышения вакуумной проводимости вводятся выполненные в радиальном направлении разрезы в перегородках между ячейками. Разрезы образуют сквозные каналы через всю последовательность ячеек. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ускоряющая структура, содержащая расположенные на одной оси ускоряющие ячейки и внутренние ячейки связи, связь между которыми осуществляется посредством азимутальных щелей, прорезанных в перегородках между соседними ячейками, отличающаяся тем, что длину 2l_c ячеек связи выбирают в пределах -0,004λ < 2l_c < 0,02λ, толщину t перегородки между ячейками -0,008λ < t < 0,013λ, ширину Δ щели связи -5t < Δ < 10t, где λ - длина волны рабочего колебания в структуре. 2. Структура по п.1, отличающаяся тем, что в перегородках между ячейками выполнены в радиальном направлении 2m разрезов от радиуса R₁ до радиуса R₂, причем r_t< R₁< r_s-Δ/2,r_s+Δ/2 < R₂< R_c, < R₂ < R_c, с угловой протяженностью не более 15^o, ось первого разреза совпадает с серединой одной из щелей связи, а каждый последующий разрез смещен по азимуту на угол π/m, где m число щелей связи в перегородке, R_с радиус ячейки связи, r_t радиус трубки дрейфа, r_s радиус расположения щелей связи.