СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ Российский патент 2023 года по МПК H05H9/04 

Область техники

Группа изобретений относится к области ядерной физики, в частности к физике процессов ускорения заряженных частиц и полезного их применения.

Предшествующий уровень техники

Из уровня техники известен способ ускорения заряженных частиц в линейных резонансных ускорителях (описанный в патенте РФ 2529372, от 26.09.2012, и в L.W. Alvarez et al. Rev. Sci. Instrum., 25, 264, 1954). В способе заряженные частицы ускоряются между ускоряющими электродами в структуре с пролетными трубками и с резонансно возбужденной стоячей волной. Уровень достигнутых параметров ускорителей: энергия протонов 600-800 МэВ, импульсное значение тока 20-50 мА, среднее значение тока около одного миллиампера. Длина, например, линейного ускорителя LAMPF составляет около 800 м и темп ускорения до 1 МэВ/м. Недостатками способа и устройства является ограничение по темпу ускорения частиц обусловленное пробоями U_пр<10⁶ В/см между электродами.

Известен способ ускорения частиц в линейных ускорителях на прямой бегущей волне (D.W. Fry, W. Walkinshaw, Linear accelerators, Rept. Progr. Phys., 12, 102, 1949). В способе длинный волновод нагружен дисками, которые размещены так, чтобы величина скорости ускоряемых частиц была оптимальна в процессе ускорения. При ускорении электронов темп ускорения достигает 10 МэВ/м. Недостатками способа и устройства является ограничение по темпу ускорения частиц обусловленное пробоями в системе.

Из уровня техники также известен способ ускорения и линейный ускоритель на бегущей обратной волне, принятый за прототип (А.С. Богомолов, SU №269369, SU №269369, патент РФ №2312473). В способе поток СВЧ энергии направляют навстречу инжектируемым частицам и при этом, замедляющая система выполнена в виде встречных штырей в волноводе, шаг которых выбран возрастающим от входного инжекционного конца к выходному, в соответствии с изменением скорости равновесной частицы. При ускорении протонов расчетный темп ускорения достигает 10 МэВ/м. Недостатками способа и устройства является ограничение по темпу ускорения частиц.

Раскрытие изобретений

Задачей, на решение которой направлена заявленная группа изобретений, является разработка способа ускорения заряженных частиц и ускорителя, для его реализации.

Техническим результатом, достигаемым при реализации группы изобретений, является упрощение конструкции, рост темпа ускоряемых частиц в ускорителе, рост энергетической эффективности, компактности, безопасности и экологической приемлемости, что позволяет расширить технические возможности линейных ускорителей и спектр областей их технического применения.

Указанный технический результат достигается в способе ускорения заряженных частиц волной электрического поля, обладающей фронтом когерентности таким, что совокупность элементов волны с одинаковыми фазами образует осесимметричную поверхность, характеризующийся тем, что формируют волну, фронт когерентности которой образует коническую поверхность, и направляют ее к оси ускорителя так, чтобы точка пересечения конического фронта когерентности ускоряющей волны с осью ускоряющей структуры была близка или выше скорости ускоряемых частиц, при этом, в секущей плоскости, идущей через ось ускорителя, путь проходимый ускоряемым пучком вдоль оси ускорителя за период изменения поля и путь проходимый волной ускоряющего поля при ее движении к оси ускорителя за период изменения поля, равны, и образуют треугольник третьей стороной которого является линия сечения волны ускоряющего поля фронтом когерентности этого поля, при этом угол между направлением радиально сходящегося фронта волны ускоряющего поля и направлением ускорения заряженных частиц больше 90°, сформированную волну пересекают с осью ускорителя более чем один раз.

Создания такого ускорителя возможно, но для этого необходимо создать условия, чтобы фронт когерентности ускоряющей волны не был перпендикулярен как направлению движения волны, так и оси ускорителя.

Сразу выделим существенность факта, что в данном случае фронт когерентности волны не перпендикулярен направлению движения волны, поскольку известно, что для обычного случая, когда фронт когерентности волны перпендикулярен направлению ее движения, полем электромагнитной волны одновременно ускорять заряженные частицы и фокусировать их по всем осям, невозможно.

Поэтому обычно ускорение и фокусирование имеют периодический характер, разнесены во времени и в пространстве и их реализуют на периодических структурах.

Когда путь проходимый ускоряемым пучком вдоль оси ускорителя и путь проходимый волной ускоряющего поля вдоль направления его движения к оси ускорителя за период изменения поля равны и образуют совместно с плоскостью когерентности этого поля равнобедренный треугольник, то формируется приосевая бегущая ускоряющая волна, которая и ускоряет заряженные частицы.

При этом если ускоряющая волна обратная, то есть угол между направлением радиально сходящегося фронта волны ускоряющего поля и направлением ускорения заряженных частиц больше 90°, то при этом радиальная составляющая ускоряющего поля направлена к оси ускорителя и поэтому банч ускоряемых частиц одновременно и ускоряется и фокусируется у оси ускорителя. Изменение наклона волны ускоряющего поля к оси ускорителя изменяет силу, фокусирующую пучок и ток на выходе ускорителя.

Поскольку волна ускоряющего поля знакопеременна, то в ускорителе на бегущей волне возможно одновременное ускорение как положительно заряженных частиц, так и отрицательно заряженных частиц в соседних полупериодах ускоряющей волны.

Возможно, и достижение эффекта коллективного ускорения группы положительно заряженных частиц внутри соседнего отрицательно заряженного электронного банча.

Радиально сходящуюся волну направляют к оси ускорителя с наклоном против направления движения ускоряемых частиц как в ускорителе на базе обратной ускоряющей бегущей волны.

Важно, чтобы фронт когерентности ускоряющей волны был конусным и двигался так, чтобы виртуальная точка пересечения конусного фронта когерентности ускоряющей волны с осью ускоряющей структуры была равна скорости ускоряемых частиц.

В результате поле ускоряющей волны своей аксиальной компонентой увеличивает энергию ускоряемых частиц, и одновременно радиальной компонентой фокусирует их.

Возможен также способ ускорения заряженных частиц волной электрического поля характеризующийся тем, что сформированную волну пересекают с осью ускорителя более чем один раз. Это увеличивает эффективность ускорения заряженных частиц.

Возможен линейный ускоритель заряженных частиц волной электрического поля, которое содержит источник поля, устройство ввода поля, резонатор, источник ускоряемых частиц, характеризующийся тем, что дополнительно содержит устройство формирования ускоряющей волны с фронтом когерентности повернутым относительно направления движения волны, которое содержит кольцевой рупор в виде раструба, корректирующую линзу, формирующую металлопластинчатую или диэлектрическую линзу, устройство поворота кольцевой направленной волны, формирующая металлопластинчатая линза выполнена осесимметричной, ребра пластин на входе и на выходе линзы радиальные и перпендикулярны направлению движения луча и при этом расстояние между пластинами увеличивается с ростом радиуса в направлении перпендикулярном оси ускорителя, а формирующая диэлектрическая линза выполнена цилиндрической, при этом показатель преломления ее вещества переменный, и изменяется с изменением расстояния от оси ускорителя.

Возможен также линейный ускоритель заряженных частиц такой, что формирующая линза выполнена металлопластинчатой и осесимметричной, заедино с металлопластинчатой корректирующей линзой, причем ребра пластин на выходе луча входящей волны перпендикулярны направлению ее движения и при этом расстояние между пластинами увеличивается в направлении перпендикулярном оси ускорителя.

Возможен линейный ускоритель заряженных частиц такой, что дополнительно содержит цилиндрический волновод и устройство рекуперации энергии волны.

Это позволяет мультиплицировать процесс ускорения за счет многократного повторения хода ускорения в протяженном цилиндрическом волноводе с зеркальными корректирующими линзами на поверхности цилиндрического волновода.

Поэтому следующим элементом ускорителя является основная цилиндрическая область ускорения заряженных частиц.

Ее радиус R_y должен быть кратен величине λ⋅cos30° и при этом должен быть больше величины H/cos30°, а длина кратна радиусу R_y. В этой области в основном идет процесс ускорения пучка. Рост длины цилиндрической части позволяет увеличить полную энергию ускоренного пучка. При этом при ускорении тяжелых заряженных частиц радиус цилиндрической части может быть переменным, а ускоритель может быть секционирован с разной величиной в цепочке ускоряющих секций.

В ускорителе на бегущей обратной волне со смещенным фронтом когерентности ускоряющей волны, фокусирующим образом действует и вихревое магнитное поле ускоряющей волны. При ускоряющем поле на оси в 10⁸ В/см, соответствующая величина вихревого магнитного поля составляет 0.3 Тесла, которое участвует в фокусировании ускоряемого пучка.

При этом возможно увеличить величину ускоряющего поля применением магнитной изоляции стенок. На входе (выходе) цилиндрической зоны ускорителя должно быть индукционное или емкостное устройство рекуперации энергии ускоряющей волны, которая вновь может быть возвращена в цикл работы ускорителя.

Сущность данного способа заключается в том, что, прежде всего, на оси структуры, в зоне ускорения заряженных частиц, отсутствуют ускоряющие электроды. Предпосылкой создания подобного ускорителя является то, что при радиальном схождении исходного ускоряющего ведущего поля к его приосевой области, и отсутствии конструктивных элементов на оси пучка в ней, эта величина бегущего ускоряющего поля может быть увеличена в R/λ~10^2-3 раз - до 10^8-9 В/см и соответственно темп ускорения может достигать 10⁸"⁹ эВ/см. Где R радиус на котором размещен источник формирующий радиально сходящуюся волну, а λ - длина этой волны.

То есть потенциально возможно создание ускорителя с темпом до 10-100 ГэВ/м, а при переходе к волнам миллиметрового диапазона, и с более высоким темпом ускорения. И при R~1 м пучок с приосевой длиной участка до 20 см может быть ускорен до 2-20 ГэВ. То есть потенциально возможно создание ускорителя с более высоким темпом ускорения частиц. Цилиндрическая конструкция позволяет увеличить порог пробоя и величину ускоряющего поля применением магнитной изоляции.

Создания такого ускорителя возможно, но для этого необходимо создать условия, чтобы фронт когерентности ускоряющей волны не был перпендикулярен как направлению движения волны, так и оси ускорителя.

Сразу выделим существенность факта, что в данном случае фронт когерентности волны не перпендикулярен направлению движения волны, поскольку известно, что для обычного случая, когда фронт когерентности волны перпендикулярен направлению ее движения, полем электромагнитной волны одновременно ускорять заряженные частицы и фокусировать их по всем осям, невозможно.

Поэтому обычно ускорение и фокусирование имеют периодический характер, разнесены во времени и в пространстве и их реализуют на периодических структурах.

Основой является модифицированная ускоряющая металлопластинчатая линза с кольцевым излучающим раскрывом и кольцевым облучателем.

Для формирования бегущей волны со сдвигом фронта когерентности, примем за основу кольцевую металлопластинчатую линзу. Металлопластинчатая линза представляет собой ряд пластин параллельных вектору напряженности электрического поля волны.

Если на ее пластины падает электромагнитная волна, вектор Е которой параллелен плоскости пластины, то между пластинами образуется волноводная волна типа НЮ, фазовая скорость которой V_ф.

Фазовая скорость волны V_ф в металлопластинчатой линзе больше скорости света: где а - расстояние, между пластинами выбираемое из условия распространения волны типа Е₁₀ (λ/2<а<λ), λ - длина волны в свободном пространстве.

Пространство между пластинами можно рассматривать как плоские волноводы, размер стенок которых (высота) значительно больше расстояния между пластинами а.

Эти волноводы имеют эффективный показатель преломления

и предполагается, что в них распространяется волна основного типа. Н₁₀/2λ.

Для формирования сдвига когерентного фронта ускоряющей волны существенно то, что вся система ускорителя является осесимметричной.

Формирующая металлопластинчатая линза выполнена осесимметричной, причем ребра пластин на входе и на выходе линзы чисто радиальны, и перпендикулярны направлению движения луча и при этом расстояние между пластинами увеличивается с ростом радиуса в направлении перпендикулярном оси ускорителя.

Поскольку в этом случае на входе и на выходе формирующей линзы лучи входят и выходят перпендикулярно ребрам пластин, то при этом лучи волны двигаются через линзу аксиально параллельно оси ускорителя, не меняя направления своего движения.

Но в результате осевой симметрии расстояние между пластинами на внешней части раструба и на внутренней части раструба различаются, а поэтому различаются и скорости волны на этих радиусах. Как вектор Е волны, так и фронт когерентности волны на входе в линзу, перпендикулярны лучу волны, на выходе линзы вектор Е волны перпендикулярен лучу, а фронт когерентности волны имеет наклон и своей близкой к радиусу частью опережает дальние от оси лучи.

Отразив от кольцевого зеркала, направляют к оси радиально сходящуюся волну ускорителя с наклоном против направления движения ускоряемых частиц как в ускорителе на базе обратной ускоряющей бегущей волны. Необходимо чтобы фронт когерентности ускоряющей волны с конусной поверхностью фронта когерентности волны двигался таким образом, чтобы точка пересечения конусного фронта когерентности ускоряющей волны с осью ускоряющей структуры была больше или равна скорости ускоряемых частиц.

Для создания ускорителя, необходимо создать условия, чтобы фронт когерентности ускоряющей бегущей волны был не перпендикулярен оси ускорителя и находился под углом α к направлению движения бегущей ускоряющей волны и под углом δ к этой оси.

При этом, центр сгустка ускоряемого заряда и точка фазы бегущей ускоряющей волны вдоль оси ускорителя сформированного виртуальным когерентным фронтом двигаются одновременно и как бы застывают относительно друг друга (см. фиг. 1).

А скорость движения этой точки и поэтому скорость ускоряемых частиц, составляет При этом поле ускоряющей волны своей аксиальной компонентой увеличивает энергию ускоряемых частиц, а радиальной компонентой фокусирует их. И когда α=δ=30° то и Кроме того выбором фазы ввода ускоряемых частиц можно выбрать условия и оптимальной, автофазировки пучка при ускорении. Такая точка находится на нарастающем (начальном) участке каждой виртуальной ускоряющей ячейки и при этом движется вместе с ускоряемыми частицами.

Для реализации способа формируют продольную кольцевую ускоряющую волну с радиально поляризованным плоским фронтом когерентности волны, затем формируют конусный фронт когерентности и направляют волну к оси ускорителя.

Рассмотрим процесс формирования радиально направленной ускоряющей волны со сдвигом фронта когерентности ускоряющего поля.

Вначале, зафиксируем, что при отражениях волны на зеркалах и развороте бегущей волны на диэлектрических призмах, меняется их направление движения, но сохраняется наклон плоскости когерентности к этому направлению движения.

Возможность реализации способа обусловлена тем, что реализуют линейный ускоритель заряженных частиц волной электрического поля, содержащий источник поля, устройство ввода поля, резонатор, источник ускоряемых частиц, характеризующийся тем, что дополнительно содержит устройство формирования ускоряющей волны с фронтом когерентности повернутым относительно направления движения волны, которое содержит кольцевой рупор в виде раструба, корректирующую линзу, формирующую металлопластинчатую или диэлектрическую линзу, устройство поворота кольцевой направленной волны, причем формирующая металлопластинчатая линза выполнена осесимметричной, ребра пластин на входе и на выходе линзы радиальные и перпендикулярны направлению движения луча и при этом расстояние между пластинами увеличивается с ростом радиуса в направлении перпендикулярном оси ускорителя.

А формирующая диэлектрическая линза выполнена цилиндрической, при этом показатель преломления ее вещества переменный, и изменяется с изменением расстояния от оси ускорителя.

Для реализации способа необходимо устройство, способное разворачивать фронт когерентности волны или в котором этот фронт был бы, повернут относительно направления ее движения уже при его рождении, в источнике. В качестве основы источника поля примем рупорную антенну с Е- плоскостным секториальным рупором, замкнутую в кольцо с шириной раструба антенны на выходе - Н (см. фиг. 2). Раструб кольцевой рупорной антенны выполнен расширяющимся.

Источником поля антенны, является волновод с волной типа Т₀₁₀ в каоксиальном волноводе (в плоском приближении ее можно считать Е₀₁₀) за которым и находится кольцевой Е плоскостной рупор.

Ширина кольцевого волновода сравнима с длиной волны ускорителя в нем и составляет от единиц миллиметров до сантиметров.

Это обусловлено тем, что, диаграмма направленности выходной щели резонатора без рупора является крайне широкой (вплоть до 50°). Рупор позволяет сформировать узкую диаграмму направленности формируемой резонатором волны с шириной θ_р/2.

где λ - длина волны, Н - ширина раструба рупора на его выходе.

При этом оптимальная аксиальная длина рупора составляет:

Для формирования чисто радиального (относительно оси ускорителя) и плоского фронта когерентности сформированной волны, на выходе ставится диэлектрическая или металлопластинчатая, кольцевая линза корректирующая, формирующая радиально поляризованную кольцевую волну.

При этом скорость волны в диэлектрической линзе меньше скорости света:

где ε диэлектрическая проницаемость материала линзы, например, для винипласта ε≈4,0. Поэтому корректирующая диэлектрическая линза должна быть выпуклой, а ее форма на входе является эллиптическим цилиндром.

Для формирования бегущей волны со сдвигом фронта когерентности, вдоль поля в раструбе антенны, или сразу за корректирующей линзой размещены электроды кольцевой металло пластинчатой линзы. Металлопластинчатая линза представляет собой ряд пластин параллельных вектору напряженности электрического поля волны.

Фазовая скорость волны V_ф в металлопластинчатой линзе больше скорости света: где а - расстояние, между пластинами выбираемое из условия распространения волны типа Е₁₀ (λ/2<а<λ), λ - длина волны в свободном пространстве.

Для формирования сдвига когерентного фронта ускоряющей волны существенно то, что вся система ускорителя является осесимметричной.

Возможен линейный ускоритель с формирующей металлопластинчатой линзой выполненной осесимметричной, причем ребра пластин на входе и на выходе луча входящей волны перпендикулярны направлению движения луча и при этом расстояние между пластинами увеличивается в направлении перпендикулярном оси ускорителя.

Поскольку в этом случае на входе и на выходе формирующей линзы лучи входят и выходят перпендикулярно ребрам пластин, то лучи движутся через линзу, не меняя направления своего движения.

Но при этом, в результате осевой симметрии расстояние между пластинами на внешней части раструба и на внутренней части раструба различаются, а поэтому различаются и скорости волны на этих участках, что ведет к тому, что элементы фронта когерентности, лежащие ближе к оси, опережают внешние элементы фронта, что формирует наклон фронта когерентности волны выходящей из подобной линзы. Металлопластинчатая линза, формирующая сдвиг когерентного фронта ускоряющей волны может быть помещена вне раструба за линзой или внутри раструба антенны.

На выходе кольцевой рупорной антенны подобным образом взаимодействующей с кольцевым волноводом мы получим волну, фронт когерентности которой наклонен к оси.

Вместо металлопластинчатой линзы для работы ускорителя в области волн миллиметрового диапазона может быть применена цилиндрическая линза из диэлектрика, но при этом показатель преломления ее вещества должен быть переменным, и изменяться с изменением расстояния от оси ускорителя.

Выбором угла наклона и направления наклона фронта когерентности на выходе металлопластинчатой линзы в ускоряющей волне можно корректировать и скорость, и направление движения виртуального «ковша бульдозера».

Возможен вариант, когда линейный ускоритель выполнен так, что резонатор и кольцевая рупорная антенна выполнены осесимметрично и с наклоном друг к другу.

В этом случае волна, входящая в раструб рупорной антенны будет наклонена к оси раструба и этот наклон сохранится на выходе из раструба.

Возможен вариант, когда одновременно для формирования наклона фронта когерентности используется и кольцевая формирующая металлопластинчатая линза и наклоном осесимметричных резонатора и кольцевой рупорной антенны друг к другу.

Затем размещено устройство поворота кольцевой волны, кольцевое направляющее зеркало, оно разворачивает аксиально направленную кольцевую волну у оси ускорителя.

При этом для того чтобы происходила одновременная фокусировка и ускорение пучка, величина угла α угла наклона плоскости когерентности волны к оси ускорителя, должна лежать в диапазоне 30°<α<45°. При α=30°-40° реализуется оптимальный вариант ускорителя, когда одновременно идет и ускорение заряженных частиц и их фокусировка полем виртуального фронта когерентности. При α=45° реализуется вариант без фокусировки ускоряемого пучка и без доускоряющего цилиндрического волновода.

Заметим, что возможен вариант, когда пластины металлопластинчатой линзы формирующей наклон плоскости когерентности поля ускоряющей волны доходят и касаются поверхности конического зеркала, при этом ширина зазора между пластинами формирующей металлопластинчатой линзы будет определяться другой закономерностью.

После отражения от зеркала, мы получим сформированную кольцевую сходящуюся волну, которая и является той динамической средой в приосевой области, которой, идет ускорение заряженных частиц исходного пучка, как это показано на рис. 1.

При этом оптимальным является вариант, когда наклон кольцевой конусной волны к оси ускорителя составляет 60°, и наклон смещенного конусного фронта когерентности к направлению движения этой волны составляет угол α=30° и одновременно угол δ=30° к оси ускорителя. При этом в приосевой области, конусный фронт когерентности образует тупоугольный равнобедренный треугольник с углами α=δ=30° при основании этого треугольника, и скорость когерентного фронта набегающей волны совпадает со скоростью движения заряженных частиц в ускорителе.

Существенно, что направление ускоряющего поля в последовательно сменяющих друг друга виртуальных конусных когерентных фронтах имеет знакопеременный характер, поэтому возможно одновременное ускорение частиц разных знаков в банчах, следующих одним за другим. В целом пучок электронейтрален, что может быть базой применения устройства как электрореактивного двигателя для космоса.

В приосевой области ускорителя отсутствуют конструктивные элементы, а поэтому отсутствует ограничение ускоряющего поля по пробою между ускоряющими электродами и величина темпа ускорения может быть увеличена в R_и/λ~10² - 10³ раз, и вплоть до 10⁹ В/см где R_H - нижний радиус цилиндрического резонатора, R_и≈r₀.

Поскольку при этом радиальная составляющая ускоряющего поля виртуального конусного фронта когерентности является фокусирующей для этого банча, причем эта величина сравнима с напряженностью ускоряющего поля, то и величина ускоряемого тока частиц может быть, по крайней мере, в 10² - 10³ раз больше тока ускоряемого обычными линейными ускорителями.

Затем, необходимо мультиплицировать процесс ускорения за счет многократного повторения хода ускорения в протяженном цилиндрическом волноводе с зеркальными корректирующими линзами на поверхности цилиндрического волновода. То есть следующим элементом ускорителя является основная цилиндрическая область ускорения заряженных частиц.

Ее радиус R_y должен быть кратен величине λ⋅cos30° и при этом должен быть больше величины H/cos30°, а длина кратна радиусу R_y. В этой области в основном идет процесс ускорения пучка. Рост длины цилиндрической части позволяет увеличить полную энергию ускоренного пучка. При этом при ускорении тяжелых заряженных частиц радиус цилиндрической части может быть переменным, а ускоритель может быть секционирован с разной величиной в цепочке ускоряющих секций.

В ускорителе на бегущей обратной волне со смещенным фронтом когерентности ускоряющей волны, фокусирующим образом действует и вихревое магнитное поле ускоряющей волны. При ускоряющем поле на оси в 10⁸ В/см, соответствующая величина вихревого магнитного поля составляет 0.3 Тесла, которое участвует в фокусировании встречного ускоряемого пучка. При этом возможно увеличить величину ускоряющего поля применением магнитной изоляции стенок. На входе (выходе) цилиндрической зоны ускорителя должно быть индукционное или емкостное устройство рекуперации энергии ускоряющей волны, которая вновь может быть возвращена в цикл работы ускорителя.

Пример выполнения ускорителя Чтобы существовала бегущая волна со сдвигом фронта когерентности, достаточно: 0,5≤α/λ≤1, но примем более жесткие рамки. Чтобы существовала только эта волна, расстояние между пластинами должно быть в пределах 0,58≤α/λ≤0,7. Примем эти пороговые значения 1,43≤λ/α≤1,72.

Поскольку при малой толщине пластины расстояние между ними: α=2π⋅R/N где, R - радиус, а N - число пластин в устройстве формирователя фронта когерентности, отсюда для заданного диапазона можно найти отношение радиусов верхней и нижней кромки пластин формирователя фронта когерентности R_max/R_min=1,2, а ширина этой пластины будет А=0,2⋅R_min. И диапазон изменения фазовых скоростей будет:

Фазовая скорость волны в ней может быть почти в 2 раза больше скорости света.

Это ведет к тому, что как вектор Е волны, так и элементы фронта когерентности, лежащие ближе к оси ускорителя, опережают внешние элементы фронта, что формирует наклон (конусность) фронта когерентности волны выходящего из подобного устройства.

При этом на выходе из устройства формирователя фронта когерентности наклон фронта когерентности может быть представлен как:

Примем, что наклон фронта когерентности к направлению движения волны после него составляет α=30°. Отсюда длина пластины формирователя фронта когерентности составит:

На выходе из линзы вектор Е волны остается перпендикулярным лучу волны, но при этом фронт когерентности волны на выходе из линзы уже не перпендикулярен направлению движения волны. При наклоне фронта когерентности к направлению движения волны с α=30°, фокусирующая составляющая бегущей волны обладает некоторой избыточностью, приняв, что этот наклон составляет α=40°, получим что:

При этом ширина расстояния между пластинами в диапазоне между R_max и R_min имеет более сложный характер корректируемый количеством и толщиной пластин, устройства формирователя фронта когерентности:

При R_min≈1 м и λ≈0.5÷1 см величина бегущего ускоряющего поля может достигать R/λ~10^2-3 раз - до E_usk=E_пр⋅R/λ=10^8-9 В/см и соответственно темп ускорения может достигать 10^8-9 эВ/см. Где R радиус на котором размещен источник формирующий радиально сходящуюся волну, а λ - длина этой волны.

При этом пластины формирователя фронта когерентности имеют размер 20×63 см.

То есть, возможно, создание ускорителя с темпом до 10-100 ГэВ/м, а при переходе к волнам миллиметрового диапазона, и с более высоким темпом ускорения. И на длине ускоряющего участка около 20 см может быть ускорен до 2-20 ГэВ.

Сделаем оценку тока частиц ускоряемого ускорителем.

Будем считать, что микробанч ускоряемого на длине λ пучка имеет диаметр 0.2λ, и сила его кулоновского расталкивания компенсируется фокусирующим полем бегущей ускоряющей волны Е_фок=0.1⋅E_пр⋅R/λ=10⁷ В/см, в результате микробанч содержит 10¹² заряженных частиц и заряд q_b=4⋅10^-7 кулон.

Это эквивалентно ускоряемому току I_u=с⋅q_b/λ=1⋅10⁴А и потоку Ф_u=8⋅10²² с^-1.

Фактическая интенсивность формируемого таким ускорителем пучка заряженных частиц определяется мощностью системы его энергопитания и величиной тока, который инжектируется входным источником ускоряемых заряженных частиц и.

Даже в минимальной конфигурации без цилиндрической области ускорения заряженных частиц при длине 2 м всей конструкции, потоке Ф_u=8⋅10²² с^-1 и энергии пучка протонов в 2 Гэв, он может быть интересен уже как сильноточный источник μ, К и v. Что интересно и как компактный космический ускоритель заряженных пучков.

В полноценном варианте линейного ускорителя в виде последовательного ряда секций, энергия в 3 ТэВ достижима на ускорителе длиной всего 300 м. В этом случае представляет интерес коллайдер на встречных е^- - е^-, или е⁺- е^- пучках.

Краткое описание фигур чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 - формирование процесса ускорения и фокусировки на обратной волне на виртуальном повернутом фронте когерентности ускоряющей волны,

на фиг. 2 - ускоритель со сдвигом фронта когерентности ускоряющего поля (схематически),

на фиг 3 - характеристики пластин формирователя фронта когерентности.

Линейный ускоритель содержит: кольцевой резонатор 1, кольцевую рупорную антенну 2, корректирующую линзу 3, металлопластинчатую формирующую линзу 4, кольцевое направляющее зеркало 5, фронт когерентности ускоряющей бегущей волны 6, направление движения бегущей волны 7, приосевая зона ускорения 8, протяженный цилиндрический волновод 9, пучок от источника 10, ускоряемый банч заряженных частиц 11, область устойчивого ускорения заряженных частиц 12, устройство рекуперации волны 13.

Осуществление группы изобретений

Работа устройства рассмотрена на примере вариантов, показанных на фиг. 1, 2, 3. От внешнего источника СВЧ в кольцевом резонаторе 1, возбуждают замкнутый в кольцо волновод волной типа Е₀₁₀. Ширина кольцевого волновода сравнима с длиной волны ускорителя в нем и составляет от единиц миллиметров до сантиметров. За волноводом находится кольцевая Е плоскостная рупорная антенна 2. На выходе рупорной антенны стоит корректирующая линза 3. формирующая плоский фронт когерентности ускоряющей волны на выходе. Металлопластинчатая формирующая линза 4 находящаяся за корректирующей линзой 3 и за счет различного расстояния между профилированными радиальными пластинами формирующей линзы, формирует конусообразный фронт из плоского фронта когерентности 6. выходящего из рупорной антенны. После этого с помощью кольцевого направляющего зеркала 5 сформированную волну направляют к оси ускорителя, изменяя ее направление движения 7. В приосевой зоне ускорения 8. Пучок от источника 10 ускоряется, двигаясь в области устойчивого ускорения зараженных частиц 12, и группируется в банчи 11. Энергия ускоряющей волны поглощается или отражается в устройстве рекуперации волны 13.

Изобретение относится к области ядерной физики, в частности к физике процессов ускорения заряженных частиц. Технический результат - упрощение конструкции, расширение технических возможностей линейных ускорителей и областей их применения. Способ ускорения заряженных частиц волной электрического поля, обладающей фронтом когерентности таким, что совокупность элементов волны с одинаковыми фазами образует осесимметричную поверхность, характеризуется тем, что формируют волну, фронт когерентности которой образует коническую поверхность и направляют ее к оси ускорителя так, чтобы точка пересечения конического фронта когерентности ускоряющей волны с осью ускоряющей структуры была близка или выше скорости ускоряемых частиц. В секущей плоскости, идущей через ось ускорителя, путь проходимый ускоряемым пучком вдоль оси ускорителя за период изменения поля и путь проходимый волной ускоряющего поля при ее движении к оси ускорителя за период изменения поля равны и образуют треугольник, третьей стороной которого является линия сечения волны ускоряющего поля фронтом когерентности этого поля. При этом угол между направлением радиально сходящегося фронта волны ускоряющего поля и направлением ускорения заряженных частиц больше 90°, сформированную волну пересекают с осью ускорителя более чем один раз. Линейный ускоритель заряженных частиц дополнительно содержит устройство формирования ускоряющей волны с фронтом когерентности повернутым относительно направления движения волны, которое содержит кольцевой рупор в виде раструба, корректирующую линзу, формирующую металлопластинчатую или диэлектрическую линзу, устройство поворота кольцевой направленной волны. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ ускорения заряженных частиц волной электрического поля, обладающей фронтом когерентности таким, что совокупность элементов волны с одинаковыми фазами образует осесимметричную поверхность, отличающийся тем, что формируют волну, фронт когерентности которой образует коническую поверхность и направляют ее к оси ускорителя так, чтобы точка пересечения конического фронта когерентности ускоряющей волны с осью ускоряющей структуры была близка или выше скорости ускоряемых частиц, при этом в секущей плоскости, идущей через ось ускорителя, путь проходимый ускоряемым пучком вдоль оси ускорителя за период изменения поля и путь проходимый волной ускоряющего поля при ее движении к оси ускорителя за период изменения поля равны и образуют треугольник, третьей стороной которого является линия сечения волны ускоряющего поля фронтом когерентности этого поля, при этом угол между направлением радиально сходящегося фронта волны ускоряющего поля и направлением ускорения заряженных частиц больше 90°, сформированную волну пересекают с осью ускорителя более чем один раз.

2. Линейный ускоритель заряженных частиц волной электрического поля, которое содержит источник поля, устройство ввода поля, резонатор, источник ускоряемых частиц, отличающийся тем, что дополнительно содержит устройство формирования ускоряющей волны с фронтом когерентности повернутым относительно направления движения волны, которое содержит кольцевой рупор в виде раструба, корректирующую линзу, формирующую металлопластинчатую или диэлектрическую линзу, устройство поворота кольцевой направленной волны, формирующая металлопластинчатая линза выполнена осесимметричной, причем ребра пластин на входе и на выходе линзы радиальные и перпендикулярны направлению движения луча и при этом расстояние между пластинами увеличивается с ростом радиуса в направлении перпендикулярном оси ускорителя, а формирующая диэлектрическая линза выполнена цилиндрической, при этом показатель преломления ее вещества переменный, и изменяется с изменением расстояния от оси ускорителя.

3. Линейный ускоритель п. 2, отличающийся тем, что дополнительно содержит цилиндрический волновод и устройство рекуперации энергии волны.