УСКОРЯЮЩИЙ РЕЗОНАТОР Российский патент 2023 года по МПК H05H9/00 

Изобретение относится к технике ускорителей заряженных частиц и предназначено для применения в линейных ускорителях ионов водорода на средние энергии.

Линейные ускорители ионов водорода на средние, менее 200 МэВ, энергии ускоряемых частиц используются либо как инжекторы в комплексы циклических ускорителей, ускоряющих частицы до энергий в десятки ГэВ или выше, либо как начальные части линейных ускорителей интенсивных пучков до энергий порядка 1 ГэВ.

В настоящее время неотъемлемой частью ускорителей ионов является ускоритель с Пространственно Однородной Квадрупольной Фокусировкой (ПОКФ, [И.М. Капчинский, В.А. Тепляков, ПТЭ, N2, стр. 19, 1970]), захватывающий частицы в режим ускорения и ускоряющий их до энергии (3-5) МэВ.

Для ускорения ионов водорода до более высоких энергий, порядка 100-200 МэВ, традиционно применялась ускоряющая структура Альвареца, ([L.W. Alvarez, Physical Review, v. 70, p. 799, 1946]). Структура Альвареца представляет собой длинный резонатор, работающий на колебании типа ТМ010 и содержащий внутри до нескольких десятков трубок дрейфа, в которых размещены фокусирующие элементы - квадрупольные линзы. Варианты, характеристики и особенности резонаторов Альвареца подробно рассмотрены в книге [Мурин Б.П. и др. Линейные ускорители ионов, Атомиздат, Москва, 1978, Т. 2, параграф 2.5, Ускоряющая структура с трубками дрейфа и ее модификации]. В современной зарубежной литературе структура Альвареца классифицируется как Drift Tube Linac (DTL). Основные трудности и ограничения в создании и эксплуатации структуры вызывают большие размеры корпусов резонаторов, необходимость иметь в длинном резонаторе элементы стабилизации распределения ускоряющего поля и высокие требования к точности юстировки трубок дрейфа, в которых размещены фокусирующие элементы.

Для устранения недостатков структуры Альвареца предложена ускоряющая структура SDTL - Separated Drift Tube Linac, [Т. Kato, Proposal of a Separated-type Drift Tube Linac for a Medium-Energy Structure, KEK report 92-10, 1992]. Схема резонатора SDTL показана на Фиг. 1. Фокусирующие элементы - квадрупольные линзы или дублеты линз, расположены вне резонатора. Это позволяет уменьшить диаметр трубок дрейфа и оптимизировать их форму как для повышения ВЧ эффективности, определяемой величиной эффективного шунтового сопротивления, так и существенно упростить технологию изготовления. Отсутствие в трубках дрейфа фокусирующих элементов радикально ослабляет требования к точности юстировки трубок дрейфа при их установке, посредством крепящих штанг, на корпусе резонатора. Расположенные вне резонатора фокусирующие элементы более доступны для юстировки и обслуживания. Так же как и резонаторы Альвареца, резонаторы SDTL работают на колебании типа ТМ010 и длина периода ускорения - расстояние между центрами соседних ускоряющих зазоров - равно D=βλ, где β - относительная скорость ускоряемых частиц, а λ - длина волны рабочего колебания. Число N периодов ускорения в резонаторе выбирается как из условий динамики частиц для обеспечения устойчивых условий поперечного и продольного движений частиц, так и из условий доступной ВЧ мощности. Поэтому резонаторы SDTL содержат относительно малое число периодов ускорения N<10 и их длина, L=Nβλ, по сравнению с резонаторами Альвареца, невелика, что упрощает процесс изготовления корпусов резонаторов. Относительно короткие резонаторы, работающие на колебании типа ТМ010, не требуют дополнительных элементов для стабилизации распределения ускоряющего поля, и такие элементы в резонаторах SDTL не используются, что существенно упрощает процедуру настройки резонаторов и дополнительно упрощает конструкцию корпуса резонатора.

На рабочей частоте 324 МГц структура SDTL реализована в линейном ускорителе комплекса J-PARC (Japan Research Accelerators Complex) на участке энергий ионов Н^- от 50 МэВ до 191,5 МэВ, [Т. Ito et. al., RF Characteristic of the SDTL for J-PARC, Proceedings of LINAC 2006, Knoxville, Tennessee, USA, 2006].

Модификацией SDTL является структура CCDTL - Side Coupled Drift Tube Linac, разработанной на основе структуры, предложенной в [J. Billen et. al., A New RF Structure for Intermediate-Velocities Particles, Proceedings of LINAC 1994, Tsukuba, Japan, 1994]. Схема CCDTL показана на Фиг. 2. Для питания от одного мощного ВЧ источника несколько резонаторов SDTL объединяются ячейками связи в единую. На рабочей частоте 352 МГц структура CCDTL реализована в линейном ускорителе Linac 4 ускорителей ЦЕРН, [A.G. Tribendis et.al., Construction and RF Conditioning of the Coupled-Cell Drift Tube Linac (CCDTL)for Linac4 at CERN, Proceedings of LINAC 2014, Geneva, Switzerland, 2014].

Исследования показали, что максимум ВЧ эффективности структуры SDTL приходится в районе энергии ионов водорода порядка 20 МэВ, [С.Bourat, С.Perraudin, A DTL with Short Tanks and External Focusing for High Power CW Linac, Proceedings of 1997 Particle Accelerators Conference, Vancouver, Canada] и структура применима при более низких энергиях ионов. Для применения на рабочей частоте 3 ГГц в линейных ускорителях для протонной терапии структура SDTL разработана для участка энергий свыше (5-7) МэВ и в зарубежной литературе обозначается как SCDTL (Side Coupled Drift Tube Linac), [L. Picardi et.al., The First Module of the 3 GHz Side Coupled Drift Tube Linac - Numerical Studies of RF Properties and Cold Test Results, Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria, 2000]. Схема SCDTL и ускоряющий модуль из связанных резонаторов SDTL, питаемый от одного клистрона, показаны на Фиг. 3.

Основой модификаций SCDTL и CCDTL являются ускоряющие резонаторы SDTL с вынесенными за пределы резонаторов фокусирующими элементами и структура SDTL применима в широком диапазоне рабочих частот и в диапазоне энергий ионов водорода от 5 МэВ до 200 МэВ.

Дисперсионные свойства резонаторов SDTL рассмотрены в [В.В. Парамонов, Дисперсионные Свойства Ускоряющей Структуры SDTL, стр. 299, Сборник Научных Трудов LX Международной Конференции ЛАЛЛА3-2023, НИЯУ МИФИ, Москва, 2023].

В цилиндрическом волноводе основной, низшей по частоте, является волна ТЕ11. В цилиндрическом резонаторе, подобном SDTL, частоту колебания ТЕ111 можно качественно оценить по соотношению:

где с - скорость света, ν₁₁ - первый корень уравнения J’₁(ν)=0 для функции Бесселя J₁ и R - радиус резонатора. В резонаторе с трубками дрейфа штанги для крепления трубок являются нарушением осевой симметрии, что приводит к расщеплению дважды вырожденного колебания ТЕ111. Низшим по частоте из расщепленных мод ТЕ111 становится колебание с пучностью компоненты магнитного поля H_z в плоскости штанг. Векторное распределение магнитного поля низшей моды ТЕ111 в резонаторе показано на Фиг. 4, где:

1 - трубки дрейфа;

2 - штанги.

Распределения электромагнитного поля в резонаторах, определение размеров элементов и определение рабочих частот моделировалось с использованием программного пакета COMSOL.

Мерой энергетической эффективности ускоряющего элемента является величина эффективного шунтового сопротивления Ze. На Фиг. 5 показаны графики зависимостей частот колебаний ТЕ111 и ТМ011, в единицах рабочей частоты, для резонаторов SDTL с N=5, размеры элементов которых оптимизированы для получения максимальной величины Ze в диапазоне энергий ионов водорода от 5 МэВ до 200 МэВ. Видно, что с ростом энергии частиц частота колебания ТЕ111 быстро приближается к рабочей частоте резонатора и в диапазоне от 20 МэВ до 80 МэВ мода ТЕ111 находится в непосредственной близости по частоте к рабочей моде ТМ010. С ростом энергии ионов величина оптимального радиуса резонатора для обеспечения максимальной величины Ze уменьшается и частота колебания ТЕ111 повышается. В случае близости колебаний по частоте проявляется явление взаимодействия мод, [В.Б. Штейншлегер, Явления взаимодействия волн в электромагнитных резонаторах, Москва, Государственное издательство оборонной промышленности, 1955]. В общем случае учета влияния многих колебаний в книге [Мурин Б.П. и др. Линейные ускорители ионов. Атомиздат, Москва, 1978, Т. 2 параграф 2.3, Неравномерности распределения поля в длинных резонаторах] показано, что поле Е в резонаторе с возмущением δV состоит из поля невозмущенного резонатора Е₀ с добавками других мод резонатора E_m,

где μ₀ и ε₀ - магнитная и диэлектрическая проницаемости вакуума, W₀ и W_m - запасенные энергии колебаний. При близости частот добавки в распределение рабочего поля возрастают и проектные рабочие характеристики резонаторов не достигаются.

Поэтому возможность приближения, или даже совпадения по частоте, в некотором диапазоне энергий ионов, колебаний ТЕ111 и рабочего ТМ010 недопустимо и является дополнительным ограничивающим фактором, который необходимо учитывать при разработке резонаторов SDTL.

Целью изобретения является устранение возможного влияния колебания ТЕ111 на рабочие характеристики резонаторов SDTL, возникающего при взаимодействии этой моды с рабочей, путем смещения этого колебания по частоте.

Сущность изобретения поясняется ниже прилагаемыми чертежами.

В конструкцию резонатора SDTL в плоскости, перпендикулярной оси резонатора z, вводится дополнительный элемент - проводник, концами прикрепленный к корпусу резонатора, как это поясняется на Фиг. 6, где:

1 - трубки дрейфа;

2 - штанги для крепления трубок дрейфа;

3 - корпус резонатора;

4 - вводимый проводник;

5 - места крепления проводника к корпусу резонатора.

Возможны различные конфигурации вводимого проводника, как это показано на Фиг. 7, где:

1 - трубки дрейфа;

2 - штанги для крепления трубок дрейфа;

3 - корпус резонатора;

4 - вводимый проводник;

5 - места крепления проводника к корпусу резонатора; '

6 - плоскость штанг - плоскость симметрии резонатора;

S - площадь замкнутого контура, образованного введенным проводником и частью цилиндрической образующей корпуса резонатора;

α - угол раскрыва вводимого проводника в форме дуги в Варианте 1 и Варианте 4;

r - средний радиус окружности вводимого проводника в форме части тора в Варианте 2 и в Варианте 4;

L_c - длина вводимого проводника, по его контуру, от одной точки крепления с корпусом резонатора до другой, для всех вариантов.

В варианте 1 на Фиг. 7 вводимый проводник сформирован в дугообразной форме с углом раскрыва дуги α и состоит из двух прямых отрезков и части тороида. В варианте 2 вводимый проводник сформирован в виде части тороида со средним радиусом r и с центром на цилиндрической поверхности резонатора. В варианте 3 вводимый проводник сформирован в виде отрезка прямого цилиндра. В варианте 4, как и в варианте 1, вводимый проводник сформирован из двух прямых отрезков и части тороида с центром на оси резонатора.

Физически важными параметрами являются длина вводимого проводника, Lc, по его контуру, от одной точки крепления с корпусом резонатора до другой и площадь замкнутого контура S, образованного введенным проводником и частью цилиндрической образующей корпуса резонатора.

Низшее по частоте колебание ТЕ111 имеет пучность составляющей магнитного поля Hz в плоскости штанг, являющейся одновременно плоскостью симметрии резонатора. Расположенный в перпендикулярной к оси резонатора плоскости проводник для поля этого колебания является коротко-замыкающим. На поверхности проводника наводятся сильные поверхностные токи, подавляющие поле исходного колебания ТЕ111 в контуре, образованном проводником и цилиндрической стенкой резонатора, как показано на Фиг. 8. В результате частота колебания ТЕ111 в резонаторе с введенным проводником повышается. Эффективность, или скорость, повышения частоты с увеличением длины проводника Lc и соответствующего увеличения площади контура S, определяется долей магнитного потока колебания ТЕ111, блокируемого контуром. Для повышений этой эффективности необходимо учитывать структуру магнитного поля низшего колебания ТЕ111. Распределение компоненты H_z описывается в цилиндрических координатах соотношением:

где угол φ отсчитывается от плоскости симметрии штанг. Максимальная величина H_z достигается на цилиндрической стенке резонатора при r=R, z=L/2, φ=0,(π). Поэтому контур вводимого проводник должен быть симметричным относительно плоскости штанг, как показано на Фиг. 7 и проводник должен находиться на равном удалении от торцевых стенок резонатора, как показано на Фиг. 6. Выбор формы контура проводится с учетом численного моделирования распределений полей и частоты низшего колебания ТЕ111.

Результаты моделирования показывают, что наибольшую эффективность, т.е. скорость повышения частоты моды ТЕ111 с увеличением длины проводника Lc обеспечивает прямой проводник, показанный в Варианте 3 на Фиг. 6.

Колебания типа TM01n, где n - число вариаций поля по оси z, относятся к одному семейству с рабочей модой ТМ010. Частоты мод TM01n можно качественно оценить по соотношению:

При энергии ускоряемых ионов водорода ~ 200 МэВ, β ~ 0.56, колебание типа ТМ0111 также существенно приближается по частоте к рабочей моде, что ограничивает возможное число периодов резонатора SDTL величиной N<6.

Для колебаний рабочего семейства - типа TM01n вводимый проводник является резонансным элементом - полуволновым вибратором с заземленными концами. На нем реализуется колебание типа ТЕМ с пучностью электрического поля в середине проводника. Частота этого колебания зависит от длины проводника:

Поэтому характер влияния вводимого проводника на частоты колебаний типа TM01n зависят от соотношения частоты колебания ТЕМ, развивающегося на проводнике, с частотами мод TM01n в резонаторе. Практический интерес представляет взаимодействие моды ТЕМ с тремя колебаниями - рабочим ТМ010 и ближайшими модами резонатора ТМ011 и ТМ012.

На Фиг. 9 в единицах рабочей частоты резонатора показаны графики расчетных зависимостей частот колебаний в резонаторе SDTL, N=5, W=50 МэВ от относительной длины Lc/λ, проводника, показанного на Фиг. 6, вариант 3. Физическое объяснение поведения показанных на Фиг. 9 графиков полностью соответствует общим теоретическим положениям, [В.Б. Штейншлегер, Явления взаимодействия волн в электромагнитных резонаторах, Москва, Государственное издательство оборонной промышленности, 1955, Глава 2. Неоднородности в резонаторах и явления совпадения]. При малой длине проводника L_c<0.4λ, частота колебания ТЕМ на проводнике существенно выше частот колебаний ТМ010, ТМ011 и ТМ012 в резонаторе и взаимодействия не наблюдается. При 0.4λ<L_c<0.5λ взаимодействие мод проявляется, что выражается в понижении частот колебаний, происходящих от мод ТМ011 и ТМ012, распределение поля которых теперь имеет составляющую колебания ТЕМ на проводнике. Размеры области взаимодействия определяются коэффициентом связи колебаний k_c, который можно определить как интеграл перекрытия полей колебаний по объему резонатора V:

где μ₀ и ε₀ - магнитная и диэлектрическая проницаемости вакуума, W_TM01n и W_TEM - запасенные энергии колебаний. Из свойств симметрии распределений полей колебаний следует, что для проводника, размещенного в середине резонатора и в плоскости перпендикулярной оси резонатора связь между колебаниями ТЕМ на проводнике и ТМ010 в резонаторе минимальна, а связь между колебаниями ТЕМ и ТМ011 максимальна.

При взаимодействии колебаний поле результирующего колебания содержит составляющие как мод резонатора, так и мод проводника. При непрерывном увеличении Lc/λ, происходит постепенное замещение поля одного колебания полем другого. При L_c>0.51λ частота колебания происходящего от моды ТМ010 в резонаторе, быстро понижается, что отображается поведением синей линии на Фиг. 9, и это колебание уже является модой ТЕМ на введенном проводнике. А распределение поля рабочего колебания ТМ010 имеет мода, изначально бывшая модой ТМ011 резонатора и трансформированная в процессе взаимодействия колебаний.

С увеличением Lc/λ частота колебания ТЕ111, изначально бывшая ниже рабочей, непрерывно повышается и проявляется нарастающий полезный эффект превышения частоты f_TE111>f_TV010.

Показанное на Фиг. 9 поведение зависимостей частот колебаний от длины проводника Lc является характерной и для проводников другой формы отличия содержатся в скорости повышения частоты моды ТЕ111 с увеличением Lc и величины коэффициента связи мод TM01n резонатора и моды ТЕМ на проводнике.

Существуют две области применения полезного эффекта без ухудшения рабочих характеристик резонатора.

Область дорезонансного взаимодействия колебаний TM01n и колебания ТЕМ при 0.4λ<L_c<0.495λ. В этой области частота колебания ТЕ111 уже выше рабочей и растет с увеличением Lcλ. Но одновременно понижается частота взаимодействующего колебания ТМ011+ТЕМ. Поэтому по увеличению Lc/λ эта область ограничена равенством сближающихся частот.При этом дополнительные потери ВЧ мощности, рассеиваемой на проводнике, не превышают 0,4% от мощности ВЧ потерь в резонаторе.

В пострезонансной области L_c>0.52λ частота колебания ТЕ111 продолжает возрастать, частота моды ТЕМ быстро понижается. Для оптимального разделения по частоте рабочего колебания со всеми другими эта область сверху ограничена L_c~0.595λ, что дает равенство частот колебания ТЕ111 и составного колебания ТМ011+ТЕМ+ТМ010, которое замещает моду ТМ011 в исходном резонаторе. При этом частотное разделение рабочей моды с ближайшими высшими лучше, чем у исходного резонатора Lc/λ. Но радиус резонатора на рабочем колебании ТМ010 R~0.61λ, с учетом емкостной нагрузки трубками дрейфа. Размещение проводника большой длины L_c~0.595λ приводит к конфликту с размещением трубок дрейфа или нахождением проводника в непосредственной близости к апертуре резонатора - области прохождения пучка. Становится реализуемыми только проводники варианта 3, показанного на Фиг. 7, при L_c<0.55λ, или варианта 4, при L_c<0.58λ.

Дополнительные потери ВЧ мощности, рассеиваемой на проводнике такой длины, не превышают 0,6% от мощности ВЧ потерь в резонаторе.

В дорезонансной области взаимодействия положительный эффект повышения частоты моды ТЕ111 при одновременном улучшении частотного разделения рабочей моды с составным колебанием ТМ011+ТЕМ достигается введением двух проводников, расположенных на расстояниях L/3 от торцевых стенок резонатора, так же расположенных в плоскостях, перпендикулярных оси резонатора. Размещение проводников иллюстрируется на Фиг. 10, где:

1 - трубки дрейфа;

2 - штанги для крепления трубок дрейфа;

3 - корпус резонатора;

4 - вводимые проводники;

5 - места крепления проводников к корпусу резонатора.

Составляющие полей колебаний TM01n и ТЕ111 в резонаторе распределены следующим образом:

где ν₀₁ - первый корень уравнения J₀(x)=0 для функции Бесселя J₀. При размещении проводников на расстояниях z=L/3 и z=2L/3 суммарное блокирующее действие двух проводников для составляющей Hz колебания ТЕ111 возрастает в раза, а коэффициент связи мод ТЕМ проводников с модами ТМ010 и ТМ011 резонатора практически не возрастает.

Аналогичные Фиг. 9, но для двух проводников, на расстояниях z=L/3 и z=2L/3, графики расчетных зависимостей частот колебаний в резонаторе SDTL, N=5, W=50 МэВ от относительной длины Lc/λ проводников, Фиг. 6, вариант 3, приведены на Фиг. 11.

В дорезонансной области взаимодействия два введенных проводника обеспечивают примерно в раза большее разделение по частоте рабочего колебания с другими модами. Оптимальное значение длин проводников уменьшается примерно на 0.02λ и дополнительные потери ВЧ мощности, рассеиваемой на проводниках, не превышают 0,8% от мощности ВЧ потерь в резонаторе.

В пострезонансной области взаимодействия двух проводников по частоте ниже рабочего существуют уже два колебания типа ТЕМ на введенных проводниках. На рабочей частоте со структурой поля ТМ0101 существует колебание, преобразованное из моды ТМ012 в результате взаимодействия колебаний. А ближайшая сверху по частоте мода ТМ011 формируется из преобразуемой моды ТМ013. Положительный эффект повышения частоты моды ТЕ111 реализуется. Также при уменьшенной до Lc~0.56λ длины введенных проводников реализуется большее частотное разделение рабочей моды с ближайшими, чем у исходного резонатора. Дополнительные потери ВЧ мощности, рассеиваемой на проводниках возрастают до 2.0% от мощности ВЧ потерь в резонаторе. В целом, применение двух введенных проводников в пострезонансной области взаимодействия дает положительный эффект, но преимуществ по сравнению с применением одного проводника в этой области не выявлено.

Изобретение относится к технике ускорителей заряженных частиц и предназначено для применения в линейных ускорителях для ускорения ионов водорода на участке энергий от 4 МэВ до 200 МэВ. Ускоряющий резонатор представляет собой высокочастотный (ВЧ) резонатор, работающий на колебании ТМ010, включающий корпус, трубки дрейфа без фокусирующих элементов, которые вынесены за пределы резонатора, и штанги для крепления трубок дрейфа на корпусе резонатора. Число периодов ускорения в резонаторе определяется из условий динамики ускоряемых частиц и мощности источников ВЧ питания. С целью уменьшения влияния колебания ТЕ111 на рабочие характеристики резонатора путем повышения частоты в середину резонатора в плоскости, перпендикулярной оси резонатора вводится проводник, концами закрепленный на корпусе резонатора, симметричный относительно плоскости расположения штанг и длина проводника выбирается в пределах от 0.42λ до 0.495λ, где λ- длина волны рабочего колебания. Техническим результатом является обеспечение большей свободы реализации оптимальных рабочих характеристик резонатора. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Ускоряющий резонатор для ускорения ионов водорода в диапазоне энергий от 4 МэВ до 200 МэВ, работающий на колебании ТМ010, включающий корпус, трубки дрейфа без фокусирующих элементов и штанги для крепления трубок дрейфа на корпусе резонатора, отличающийся тем, что с целью уменьшения влияния колебания ТЕ111 на рабочие характеристики резонатора путем повышения частоты в середину резонатора в плоскости, перпендикулярной оси резонатора вводится проводник, концами закрепленный на корпусе резонатора, симметричный относительно плоскости расположения штанг и длина проводника выбирается в пределах от 0.42λ до 0.495λ, где λ - длина волны рабочего колебания.

2. Ускоряющий резонатор для ускорения ионов водорода в диапазоне энергий от 4 МэВ до 200 МэВ, по п. 1, отличающийся тем, что с целью увеличения разделения по частоте между рабочим колебанием и колебанием ТЕ111 в резонатор в плоскостях перпендикулярных оси резонатора расположенных на расстоянии одной трети от длины резонатора вводятся два проводника, концами закрепленные на корпусе резонатора и симметричные относительно плоскости расположения штанг и длина проводников выбирается в пределах от 0.40λ до 0.47λ.

3. Ускоряющий резонатор для ускорения ионов водорода в диапазоне энергий от 4 МэВ до 200 МэВ, по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что с целью увеличения разделения по частоте рабочего колебания с ближайшими по частоте другими колебаниями в резонаторе длина проводника или проводников выбирается в пределах от 0.53λ до 0.59λ.