Способ увеличения тока пучка в линейном ускорителе с асимметричной фазопеременной фокусировкой Российский патент 2024 года по МПК H05H9/00 

Изобретение относится к области ускорителей заряженных частиц и может использоваться в медицине, областях ядерной энергетики, для решения проблем радиационной стойкости материалов.

В линейных ускорителях заряженных частиц инжекция этих частиц производится в электрические центры периодов ускорения резонансной ускоряющей системы, образуемых зазорами между последовательностью трубок дрейфа и самими трубками дрейфа в резонаторе высокочастотных (ВЧ) электромагнитных колебаний в момент времени, соответствующий определенной (равновесной) фазе волны ускоряющего электромагнитного поля. Электрическим центром периода ускорения называют такую фиксированную точку в периоде ускоряющей системы (структуры), которую равновесные частицы, двигаясь по оси ускорителя, пролетают при одной и той же равновесной фазе высокочастотного электромагнитного поля, (И.М. Капчинский. «Теория линейных резонансных ускорителей». М., Энергоиздат, 1982, с. 6-14, 111).

После прохождения заряженной частицей периода ускоряющей структуры, она получает определенный прирост энергии движения, зависящий от величины напряженности электрического поля между трубками дрейфа и значений равновесной фазы. Величина зазоров между трубками дрейфа и длина трубок дрейфа периодов ускоряющей структуры, увеличиваются, соответствуя росту скорости ускоряемых заряженных частиц. Отношение длины ускоряющего зазора между трубками дрейфа, к длине периода ускоряющей структуры, в котором происходит ускорение заряженных частиц, называют коэффициентом зазора, которым пользуются при расстановке трубок дрейфа в линейных ускорителях. Его значение в линейных ускорителях ионов не велико и составляет 0,25 - 0,3 от длины периода ускорения, (О.А. Вальднер, А.Д. Власов, А.В. Шальнов, «Линейные ускорители». Атомиздат 1969, с. 155-159).

Ускорители с фазопеременной фокусировкой имеют два электрических центра с изменяющимися значениями равновесных фаз на каждом периоде ускоряющей структуры. Периодами изменения равновесной фазы в таких линейных ускорителях называют ускоряющие периоды, в которых ускорение и группировка заряженных частиц производится электрическим полем волны с равновесными фазами, расположенными как на нарастающих, так и на спадающих участках электромагнитной волны, относительно ее максимальной величины (гребня волны), (Я.Б. Файнберг «Теория и расчет линейных ускорителей». М, Госатомиздат, 1962, с. 161). Каждый период изменения равновесной фазы состоит из полупериода, в котором производится уменьшение разброса скоростей заряженных частиц в направлении их ускорения, фазировка зарядов и полупериода из дефазировки. Преодолев которые, ускоряемая заряженная частица получает прирост энергии, соответствующий процессу ее ускорения в режиме с полным циклом изменения равновесных фаз, (Безногих Ю.Д. «Некоторые вопросы реализации принципа переменной фокусировки в линейных ускорителях ионов» Препринт ОИЯИ 39-5312, Дубна, 1970).

При ускорении пучка заряженных частиц в ускоряющих периодах с электрическим центром, равновесная фаза которого находится на возрастающем участке электрического поля стоячей электромагнитной волны, осуществляется продольная группировка заряженных частиц в направлении ускорения пучка, происходит их фазировка и происходит одновременное радиальное расфокусирование пучка заряженных частиц. При ускорении заряженных частиц в электрическом центре с равновесной фазой на спаде такой волны, происходит дефазировка заряженных частиц, с одновременной их радиальной фокусировкой пучка, (И.М. Капчинский. «Теория линейных резонансных ускорителей». М. Энергоиздат, 1982, с. 11-21, 111, 112). Такие ускоряющие периоды принято называть фазирующими или дефазирующими, соответственно.

Известен способ увеличения тока пучка заряженных частиц (пучка) в линейных ускорителях с асимметричной фазопеременной фокусировкой (АФПФ) путем введения асимметрии ускоряющего поля в ускоряющих зазорах, в которых происходят фазировка и радиальная фокусировка данного пучка. Наличие этих факторов, способствует повышению устойчивости пучка на траектории ускорения. Асимметрия ускоряющего поля выражается в том, что равновесные фазы в соседних ускоряющих промежутках (ускоряющих зазорах) расположены не симметрично относительно максимального значения волны ускоряющего электрического поля. В результате наличия асимметрии, равновесные частицы, переходя от одного ускоряющего зазора с определенной равновесной фазой, в другой ускоряющий зазор, попадают в ускоряющее электрическое поле, изменяющееся по фазе и по амплитуде, (Кушин В.В. «О повышении эффективности фазопеременной фокусировки в линейном ускорителе» Труды Радиотехнического. Института АН СССР, 1972, №9, с. 23-35).

Известен ускоритель протонов с АФПФ, использующий бегущую волну Н₁₀, (Мохов В.М. Кушин В.В. «Особенности синхронного движения заряженных частиц в поле бегущих волн», Атомная Энергия, 1973, т. 34, вып. 3, с. 209-210).

Недостатки - малый ток ускоренного пучка из-за большой потери заряженных частиц в ускоряющих периодах.

Известен способ увеличения тока пучка в многоканальном линейном ускорителе ионов с АФПФ за счет одновременного ускорения нескольких пучков заряженных частиц в резонаторе ВЧ электромагнитных колебаний, (В.K. Kondratev, V.V. Kushin, S.V. Plotnicov, et all. "An Injector for a Multibeam Proton Accelerator". Instruments and Experimental Techniques. Vol 47, No 4. 2004, pp. 425-432).

Недостатки - большая потеря заряженных частиц при ускорении, из-за слабой фокусировки и фазировки пучка на траектории движения, низкий темп ускорения.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, (Б.П. Мурин. Линейные ускорители ионов». Том. 1. М. Атомиздат, с. 201, 1978 г.) является способ ускорения пучка заряженных частиц в электрическом поле бегущей волны Ню в линейном ускорителе с асимметричной фазопеременной фокусировкой, за счет использования резонатора высокочастотных электромагнитных колебаний содержащего, последовательно установленные на металлических опорах, соединенных со стенками резонатора высокочастотных электромагнитных колебаний, разделенные между собой промежутками, трубки дрейфа таким образом, что два промежутка разделенных трубкой дрейфа и последующая за ними трубка дрейфа, апертуры которых соосны продольной оси ускорителя, образуют периоды изменения равновесной фазы длиной L_p=1,5⋅β⋅λ;

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

периоды изменения равновесной фазы состоят из чередующихся полупериодов, дефазировки, протяженностью L_d=β⋅λ⋅(dϕ/π)⋅β⋅λ;

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

dϕ - угол сдвига равновесной фазы относительно среднего значения двух соседних равновесных фаз, находящихся как на восходящем, так и на спадающем участках электромагнитной волны, относительно ее гребня;

π - известная математическая константа = 3,14;

и, полупериодов фазировки, протяженностью L_f=β⋅λ/2+(dϕ/π)⋅β⋅λ;

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

dϕ - угол сдвига равновесной фазы относительно среднего значения двух соседних равновесных фаз, находящихся как на восходящем, так и на спадающем участках электромагнитной волны, относительно ее гребня;

π - известная математическая константа = 3,14.

Недостатки - малый ток ускоренного пучка из-за слабой устойчивости ускоряемых заряженных частиц на траектории ускорения и в результате их потерь при перезарядке на остаточном газе и адсорбции на стенках внутри трубок дрейфа.

Техническая проблема состоит в необходимости увеличения тока ускоренного пучка в линейном ускорителе с асимметричной фазопеременной фокусировкой.

Техническая задача состоит в решение указанной технической проблемы за счет использования резонатора высокочастотных электромагнитных колебаний с электрическим полем электромагнитной волны Н₁₀ стоячего типа.

При решении технической задачи было обеспечено достижение не только увеличения тока ускоренного пучка заряженных частиц, но и уменьшения длины периодов изменения равновесной фазы и длины составляющих их трубок дрейфа, повышения устойчивости пучка на траектории ускорения, уменьшения потерь заряженных частиц пучка в процессе ускорения, что составляет технический результат предложенного изобретения.

Достижение заявленного способа увеличения тока пучка в линейном ускорителе с асимметричной фазопеременной фокусировкой обеспечивается за счет применения для ускорения заряженных частиц резонатора высокочастотных электромагнитных колебаний с электрическим полем стоячей волны Н₁₀, позволяя:

- увеличить время действия на заряженные частицы ускоряющего электрического поля,

- увеличить частоту процессов фазировки и радиальной фокусировки пучка заряженных частиц,

- уменьшить потери пучка заряженных частиц в процессе их ускорения.

Как и в ближайшем аналоге, заявленный способ реализован путем ускорения пучка заряженных частиц в электрическом поле волны Н₁₀ за счет резонатора высокочастотных электромагнитных колебаний, содержащего последовательно установленные на металлических опорах, соединенных со стенками резонатора ВЧ электромагнитных колебаний, разделенные между собой промежутками, трубки дрейфа таким образом, что два промежутка разделенных трубкой дрейфа и последующая за ними трубка дрейфа, апертуры, которых соосны продольной оси ускорителя, образуют периоды изменения равновесной фазы, состоящие из, полупериодов дефазировки, с электрическим центром, равновесная фаза которого находится на спадающем участке волны ускоряющего поля, относительно ее гребня, и полупериодов фазировки, с электрическим центром, равновесная фаза которого находится на восходящем участке волны ускоряющего поля, относительно ее гребня. В отличие от прототипа, в предлагаемом изобретении, для увеличения тока пучка, ускорение его заряженных частиц происходит в электрическом поле волны Н₁₀ стоячего типа, за счет использования резонатора высокочастотных электромагнитных колебаний, выход которого перекрыт металлической заглушкой, имеющей апертуру, для выпуска заряженных частиц и закрепленной на выходном торце данного резонатора таким образом, что ее апертура сосна с апертурами трубок дрейфа, которые, для уменьшения потерь заряженных частиц в процессе ускорения, установлены таким образом, что периоды изменения равновесной фазы имеют длину L_c=β⋅λ;

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

составляющие их полупериоды дефазировки имеют длину L_dc=β⋅λ/2-(dϕ/π)⋅β⋅λ;

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

dϕ - угол сдвига равновесной фазы относительно среднего значения двух соседних равновесных фаз, находящихся как на восходящем, так и на спадающем участках электромагнитной волны, относительно ее гребня;

π - известная математическая константа = 3,14;

и, полупериоды фазировки имеют длину L_fc=β⋅λ/2+(dϕ/π)⋅β⋅λ;

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

dϕ - угол сдвига равновесной фазы относительно среднего значения двух соседних равновесных фаз, находящихся как на восходящем, так и на спадающем участках электромагнитной волны, относительно ее гребня;

π - известная математическая константа = 3,14.

Протяженность которых уменьшена, по сравнению с прототипом.

Известно, что ВЧ резонаторы электромагнитных колебаний, в которых распространяются электромагнитные волны, являются волноводами. В волноводе не замкнутом на конце распространяются электромагнитные волны бегущего типа. В волноводе замкнутом на конце, в результате отражения волн, распространяющихся от их источника, устанавливаются стоячие волны. Бегущие и стоячие электромагнитные волны типа Н₁₀ разнятся по характеру изменения их электрической составляющей. На рис. 1а и рис. 1б показано изменение амплитуды электрической составляющей бегущей и стоячей волн Н₁₀, соответственно, (И.П. Соловьянова, Ю.Е. Мительман. «Расчет и измерение параметров электромагнитных волн в направляющих системах и на естественных трассах» Уральский федеральный университет Екатеринбург.2015. С. 8-12, http://hdl.handle.net/10995/35333).

В отличие от ближайшего аналога (прототипа), в резонаторе ВЧ электромагнитных колебаний данного изобретения устанавливается электрическое поле с волной Н₁₀ стоячего типа. Распространяющаяся от источника волна Н₁₀, отражаясь от металлической заглушки, установленной на выходном торце резонатора, перекрывающей (замыкающей) выход электромагнитного поля этой волны из данного резонатора, формирует в нем электрическое поле с волной Н₁₀ стоячего типа. В прототипе с бегущей волной, ускорение заряженных частиц пучка может осуществляться только в течение положительного полупериода волны ускоряющего поля, рис. 1а. В течение отрицательного полупериода волны, изменившееся направление вектора ее электрическое поля будет тормозить пучок. Увеличение частоты процессов фазировки и фокусировки пучка заряженных частиц в предложенном изобретении обеспечивается за счет формирования направлений вектора электрического поля, способствующего ускорению заряженных частиц в течение всех полупериодов волны Н₁₀ ускоряющего поля (отсутствие отрицательных амплитуд в полупериодах волны), рис. 1а. Периодическое изменение амплитуды однонаправленного электрического вектора в стоячей волне Н₁₀, позволяет размещать равновесные фазы как на восходящем, так и на спадающем участках такой волны, во всех полупериодах ее электрического поля, рис. 1б. Данная особенность способствует уменьшению длины периодов изменения равновесной фазы и составляющих их полупериодов, обеспечивая возможность полного цикла, ускорения, фазировки и дефазировки заряженные частицы пучка за время, равное одному периоду электромагнитной волны. В прототипе, из-за наличия тормозящего электрического поля (соответствующего времени отрицательной полуволны, рис. 1а), в течение которого заряженные частицы пролетают трубку дрейфа без ускорения, для реализации таких процессов требуется время, равное 1,5 периодам бегущей волны Н₁₀ ускоряющего поля. Это приводит к увеличению протяженности периодов изменения равновесной фазы и составляющих их полупериодов. Уменьшение длины периодов изменения равновесной фазы, достигнутое в настоящем изобретении, позволяет, по сравнению с прототипом, уменьшить соответствующим образом и длину трубок дрейфа, сохранив одинаковый с прототипом прирост скорости заряженных частиц в этих периодах. Меньшая длина трубок дрейфа способствует уменьшению адсорбции заряженных частиц на их стенках и увеличению тока ускоряемого пучка.

Перечисленные выше физические явления и полезные свойства, появившиеся в заявленном способе ускорения заряженных частиц в электрическом поле стоячей волной Н₁₀, способствуют уменьшению потерь заряженных частиц при их ускорении и увеличению тока пучка ускоренного в ускорителе с асимметричной фазопеременной фокусировкой, обеспечивая достижение заявленного технического результата.

Анализ отличительных существенных признаков и появившихся новых физических свойств, а именно, возможность проводить ускорение, фазировку и фокусировку пучка заряженных частиц в течение каждого полупериода волны ускоряющего поля, способствующих уменьшению потерь заряженных частиц в процессе ускорения и увеличению тока ускоряемого пучка этих частиц, позволяют считать, что предложенное решение - способ увеличения тока пучка в линейном ускорителе с асимметричной фазопеременной фокусировкой, соответствует критериям изобретения.

Особенность предложенного в изобретении способа ускорения, реализована за счет предложенной оригинальной конструкции резонатора высокочастотных электромагнитных колебаний линейного ускорителя с АФПФ, показанной на рис. 2. В данном резонаторе 0, на металлических опорах, выполненных в виде стержней и соединенных со стенками этого резонатора, установлены друг за другом в определенной последовательности, разделенные между собой промежутками, трубки дрейфа, апертуры которых сосны продольной оси ускорителя. Трубки дрейфа установлены таким образом, что промежуток между трубками дрейфа 1 и 2, промежуток между трубками дрейфа 2 и 3, и сами трубки дрейфа 1-3, образуют период изменения равновесной фазы. Этот период составляют, дефазирующий полупериод - промежуток между трубками дрейфа 1 и 2, и сама трубка дрейфа 2. Фазирующий полупериод - промежуток между трубками дрейфа 2 и 3, и трубка дрейфа 3. Следующий период изменения равновесной фазы в данном резонаторе начинается с промежутка между трубками дрейфа 3 и 4. Протяженность периодов изменения равновесной фазы и его трубок дрейфа возрастает, по мере набора энергии ускоряемыми частицами. В промежутках между трубками дрейфа (ускоряющих зазорах) происходит ускорение и группировка заряженных частиц в продольном и радиальном направлениях (фазировка и фокусировка, соответственно). Ускоряющая система ускорителя с АФПФ состоит из нескольких периодов изменения равновесной фазы 5, рис. 2. В отличие от ближайшего аналога, торец на выходе данного резонатора перекрыт металлической заглушкой 6, имеющей апертуру для выпуска ионов. Эта заглушка установлена таким образом, чтобы не касаться трубок дрейфа и ее апертура была соосна с апертурами этих трубок. В резонаторе ВЧ электромагнитных колебаний возбуждается электромагнитная волна Н₁₀, которая, распространяясь по резонатору, отражается от металлической заглушки 6, и в данном резонаторе устанавливается электрическое поле стоячей волны Н₁₀, которое используется для ускорения заряженных частиц. Характер изменения электрической составляющей такого поля позволяет проводить радиальную фокусировку и продольную фазировку заряженных частиц пучка в течение времени, равного одному периоду стоячей волны Н₁₀, рис. 3. В ближайшем аналоге, имеющим длину периода изменения равновесной фазы L_p=1,5⋅β⋅λ;

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

для реализации этих процессов требуется время, равное полутора периодам волны ускоряющего поля, (Б. П. Мурин. «Линейные ускорители Ионов». Том 1. М. Атомиздат, с. 201, 1978). Расположение и длина трубок дрейфа 1, 2, 3 периода изменения равновесной фазы 7, относительно графика изменения амплитуды напряженности электрического поля 0 стоячей волны Ню, поясняющие процессы ускорения, дефазировки и фазировки пучка заряженных частиц, показаны на рис. 3. На этом рисунке показано, что инжекция заряженных частиц из трубки дрейфа 1, в электрический центр ускоряющего зазора между трубками дрейфа 1 и 2, производится в момент времени, когда величина волны 0 ускоряющего электрического поля соответствует равновесной фазе ϕ2 на спаде напряженности электрической составляющей волны ускоряющего электрического поля. Характер изменения амплитуды электрического поля стоячей волны Н₁₀ демонстрирует возможность выбора равновесных фаз 4 как на подъеме, равновесная фаза ϕ1, так и на спаде - ϕ2, волны ускоряющего электрического поля в смежных полупериодах данной волны, рис. 3. На этом рисунке показаны основные параметры, влияющие на ускорение, фазировку и дефазировку заряженных частиц. А именно, положение среднего значения разности равновесных фаз 5 (точка ϕ0 на кривой 0 графика, рис. 3), угол сдвига равновесных фаз относительно их среднего значения 6, которые позволяют реализовать полные циклы ускорения и группировки заряженных частиц, в течение одного периода стоячей волны Н₁₀. В ближайшем аналоге существуют временные полупериоды с отрицательными значениями амплитуды волны на графике, когда электрическое поле препятствует ускорению зарядов, рис. 1а. В это время заряженные частицы, для предотвращения их торможения, должны находится внутри трубок дрейфа, двигаясь без ускорения. Из-за наличия отрицательных полуволн поля, в прототипе полупериоды дефазировки и фазировки требуется разносить во времени на несколько полупериодов бегущей волны Н₁₀. Данные факторы приводят к необходимости увеличивать длину периодов изменения равновесной фазы и составляющих их трубок дрейфа в прототипе.

Известно, что на потери заряженных частиц пучка в процессе его ускорения влияют эффекты перезарядки этих частиц на остаточном газе, адсорбции зарядов на стенках трубок дрейфа, радиальной и продольной группировки этих частиц. Степень экранировки трубками дрейфа ускоряющего электрического поля в прототипе и в предлагаемом изобретении можно оценить математически. При одинаковой величине амплитуд и частот волны ускоряющего поля, если принять величину коэффициента зазора постоянной и одинаковой у прототипа и предлагаемого изобретения, например, k=0,3. Длина трубок дрейфа в периодах изменения равновесной фазы прототипа L_trp=L_p⋅(1-k)=1,05λβ;

где k - коэффициент зазора;

β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля.

Длина трубок дрейфа в периодах изменения равновесной фазы данного изобретения L_trc=0,7βλ;

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

рис. 3. Длина трубок дрейфа и соответствующих ускоряющих зазоров периодов изменения равновесной фазы предлагаемого изобретения будет на 30% меньше, чем эти параметры в прототипе. Ускоряемые заряженные частицы в предлагаемом изобретении будут быстрее набирать одинаковую скорость, по сравнению с ускоряемыми частицами прототипа, меньше выпадать из пучка в результате адсорбции на стенках трубок дрейфа и при перезарядке на остаточном газе. В настоящем изобретении, по сравнению с ближайшем аналогом, повышена устойчивость заряженных частиц на траектории их ускорения, из-за увеличения частоты процессов фазировки и фокусировки ускоряемого пучка заряженных частиц за время одного периода волны ускоряющего поля. Перечисленные выше факторы, по сравнению с ближайшим аналогом, способствуют увеличению тока пучка, ускоряемого в предлагаемом изобретении.

Способ ускорения пучка заряженных частиц в линейном ускорителе с асимметричной фазопеременной фокусировкой, предусматривающий их ускорение в электрическом поле волны Н₁₀, за счет использования резонатора высокочастотных электромагнитных колебаний, содержащего последовательно установленные на металлических опорах, соединенных со стенками резонатора высокочастотных электромагнитных колебаний, разделенные между собой промежутками трубки дрейфа таким образом, что два промежутка разделенных трубкой дрейфа и последующая за ними трубка дрейфа, апертуры которых соосны продольной оси ускорителя, образуют периоды изменения равновесной фазы, состоящие из чередующихся полупериодов, дефазировки, с электрическим центром, равновесная фаза которого находится на спадающем участке волны ускоряющего поля, относительно ее гребня, и полупериод фазировки, с электрическим центром, равновесная фаза которого находится на восходящем участке волны ускоряющего поля, относительно ее гребня, оригинальность и новизна которого в том, что, для увеличения тока ускоренного пучка заряженных частиц в линейном ускорителе с асимметричной фазопеременной фокусировкой, применяется электрическое поле стоячей волны Н₁₀, выход данного резонатора перекрывается металлической заглушкой с апертурой для выпуска ионов, устанавливаемой таким образом, что апертура данной заглушки соосна с апертурами трубок дрейфа, заглушка не касается трубок дрейфа, которые устанавливаются в данном резонаторе так, что периоды изменения равновесной фазы имеют длину L_c=β⋅λ;

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

полупериоды дефазировки имеют длину L_dc=β⋅λ/2-(dϕ/π)⋅β⋅λ;

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

dϕ - угол сдвига равновесной фазы относительно среднего значения двух соседних равновесных фаз, находящихся как на восходящем, так и на спадающем участках электромагнитной волны, относительно ее гребня;

π - известная математическая константа = 3,14;

полупериоды фазировки имеют длину L_fc=β⋅λ/2+(dϕ/π)⋅β⋅λ;

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

dϕ - угол сдвига равновесной фазы относительно среднего значения двух соседних равновесных фаз, находящихся как на восходящем, так и на спадающем участках электромагнитной волны, относительно ее гребня;

π - известная математическая константа = 3,14.

Краткое описание чертежей.

Рис. 1а и рис. 1б - показан характер изменения электрической компоненты бегущей волны Н₁₀ и стоячей волны Н₁₀, соответственно.

Рис. 2 - вид резонатора высокочастотных электромагнитных колебаний, где:

0 - резонатор высокочастотных электромагнитных колебаний,

1, 2, 3, 4 - трубки дрейфа,

5 - период изменения равновесной фазы,

6 - металлическая заглушка с апертурой для выпуска ионов.

Рис. 3 - положение трубок дрейфа периода изменения равновесной фазы, на графике напряженности электрической составляющей ускоряющего поля стоячей волны Н₁₀, где:

0 - график изменения напряженности электрической составляющей ускоряющего поля стоячей волны Н₁₀,

1, 2, 3, - трубки дрейфа,

4 - равновесные фазы электрических центров в полупериодах (ϕ1 - равновесная фаза полупериода фазировки, ϕ2 - равновесная фаза полупериода дефазировки),

5 - (ϕ0) - среднее значение равновесных фаз ϕ1 и ϕ2 полупериодов фазировки и дефазировки,

6 - отклонение равновесной фазы от среднего значения равновесных фаз.

7 - период изменения равновесной фазы.

Пример реализации.

На рис. 2 показан вид резонатора высокочастотных электромагнитных колебаний с установленными в нем трубками дрейфа ускоряющей структуры линейного ускорителя с АФПФ рассчитанного на конечную энергию пучка ускоренных протонов = 2,0 МэВ, за счет которого реализован заявляемый способ увеличения тока пучка в линейном ускорителе с асимметричной фазопеременной фокусировкой.

Предложенный в изобретении линейный ускоритель с АФПФ работает следующим образом. В резонатор ВЧ электромагнитных колебаний 0, с электрическим полем электромагнитной стоячей волны Н₁₀, имеющей длину 2 м, и наибольшую амплитуду напряженности электрического поля 7 МВ/м. Через апертуру трубки дрейфа 1, поступает пучок протонов, предварительно ускоренный электрическим напряжением 70 кВ. Равновесная фаза электрического центра ускоряющего полупериода в зазоре между трубками дрейфа 1 и 2 имеет величину 50°. Она расположена на спаде электромагнитной волны, и соответствует ϕ2, рис. 3. Пучок протонов ускоряется в зазоре между трубками дрейфа 1 и 2, рис. 2. В этом полупериоде происходит радиальная фокусировка пучка. Попадая в трубку дрейфа 2, ускоренные в предыдущем зазоре протоны пролетают эту трубку без ускорения. Из трубки дрейфа 2 пучок протонов инжектируется в электрический центр с положительной равновесной фазой равной 50°, находящейся на подъеме волны электрического поля, в ускоряющем зазоре между трубками дрейфа 2 и 3. На графике волны ускоряющего поля 0, положение этой равновесной фазы соответствует ϕ1, рис. 3. Между трубками дрейфа 2 и 3 пучок вновь ускоряется, рис. 2. В это время происходит группировка протонов в направлении продольного движения пучка, возникающая в результате известного эффекта автофазировки. Угол сдвига среднего значения величины равновесных фаз ϕ0, от максимального значения волны электрического поля в полупериодах, отрицателен, рис. 3. В настоящем ускорителе его величина составляет 8°. Ускоренные в зазоре между трубками дрейфа 2 и 3 протоны, после дрейфа в трубке дрейфа 3, инжектируются в электрический центр ускоряющего зазора между трубками дрейфа 3 и 4, с равновесной фазой на подъеме волны, следующего периода ускорения равновесной фазы, рис. 2. И все процессы ускорения и группировок повторяются вновь. Длина периода изменения равновесной фазы 5, протяженность его трубок дрейфа и величина ускоряющих зазоров между ними, увеличиваются по мере ускорения пучка. В резонаторе ВЧ электромагнитных колебаний установлено 10 трубок дрейфа, рис. 2. После ускорения пучок протонов инжектируется из данного резонатора через апертуру в металлической заглушке 6, рис. 2.

Изобретение относится к способу увеличения тока пучка в линейном ускорителе с асимметричной фазопеременной фокусировкой и может использоваться в областях ядерной энергетики, радиационной стойкости материалов, в медицине, например для лечения онкологических заболеваний методами адронной терапии. Способ реализуется за счет использования резонатора высокочастотных электромагнитных колебаний с закрытым выходом, в котором для ускорения заряженных частиц применена электромагнитная стоячая волна Н₁₀. Причем периоды изменения равновесной фазы определяются особенностями изменения во времени электрической составляющей этой волны. В периодах изменения равновесной фазы ускорение, фазировка и фокусировка пучка заряженных частиц осуществляются в электрических центрах с различными равновесными фазами и отличающимися по величине электрической составляющей амплитудами ускоряющего поля. Техническим результатом является повышение эффективности использования электрического поля для ускорения заряженных частиц, а также повышение устойчивости пучка на траектории ускорения и увеличение тока ускоренного пучка заряженных частиц при повышении частоты актов фокусировки и фазировки пучка заряженных частиц с одновременным уменьшением длины периодов изменения равновесной фазы и длины трубок дрейфа. 3 ил.

Способ ускорения пучка заряженных частиц в линейном ускорителе с асимметричной фазопеременной фокусировкой, предусматривающий их ускорение в электрическом поле волны Н₁₀, за счет использования резонатора высокочастотных электромагнитных колебаний, содержащего последовательно установленные на металлических опорах, соединенных со стенками этого резонатора, разделенные между собой промежутками, трубки дрейфа таким образом, что два промежутка разделенных трубкой дрейфа и последующая за ними трубка дрейфа, апертуры которых соосны продольной оси ускорителя, образуют периоды изменения равновесной фазы длиной L_p=1,5⋅β⋅λ,

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля,

каждый из которых состоит из чередующихся полупериодов, дефазировки длиной L_d=β⋅λ-(dϕ/π)⋅β⋅λ,

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

dϕ - угол сдвига равновесной фазы относительно среднего значения двух соседних равновесных фаз, находящихся как на восходящем, так и на спадающем участках электромагнитной волны относительно ее гребня;

π - известная математическая константа = 3,14;

и полупериод фазировки длиной L_f=β⋅λ/2+(dϕ/π)⋅β⋅λ;,

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

dϕ - угол сдвига равновесной фазы относительно среднего значения двух соседних равновесных фаз, находящихся как на восходящем, так и на спадающем участках электромагнитной волны относительно ее гребня;

π - известная математическая константа = 3,14;

отличающийся тем, что для увеличения тока ускоренного пучка заряженных частиц в линейном ускорителе с асимметричной фазопеременной фокусировкой применяется электрическое поле стоячей волны Н₁₀, выход данного резонатора перекрывается металлической заглушкой с апертурой для выпуска ионов таким образом, что апертура данной заглушки сосна с апертурами трубок дрейфа, заглушка не касается трубок дрейфа, которые устанавливаются в данном резонаторе так, что периоды изменения равновесной фазы имеют длину L_c=β⋅λ,

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

полупериоды дефазировки имеют длину L_dc=β⋅λ/2-(dϕ/π)⋅β⋅λ,

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

dϕ - угол сдвига равновесной фазы относительно среднего значения двух соседних равновесных фаз, находящихся как на восходящем, так и на спадающем участках электромагнитной волны относительно ее гребня;

π - известная математическая константа = 3,14;

полупериоды фазировки имеют длину L_fc=β⋅λ/2+(dϕ/π)⋅β⋅λ;

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

dϕ - угол сдвига равновесной фазы относительно среднего значения двух соседних равновесных фаз, находящихся как на восходящем, так и на спадающем участках электромагнитной волны относительно ее гребня;

π - известная математическая константа = 3,14.