Ускоряющая система Советский патент 1985 года по МПК H05H9/00 

1,3, а смещение диафрагмы дХ- относительно центра ускоряющей ячейки

соответствует ДХ; (0,05

0,3)

где fl - длина волны}

- относительная скорость частицы в -той ячейке.

1. Ускоряющая система, вьшолненная в виде цилиндрического резонатора с шайбами и диафрагмами, содержащего группироватепь с диафрагмами переменного внутреннего диаметра и разной толщины, о т л ичающаяся тем, что, с целью увеличения темпа ускорения и интенсивности пучков заряженных частиц, диафрагмы группирователя снабжены кольцеобразными выступами, отношение высоты которых Ь| : к высоте диафрагмы S, соответствует Ь; / 6; 0,2-0,7 и удовлетворяет условию Ц+ Ь; /2;, а отношение радиуса выступа г; к радиусУ диафрагмы R.; соответствует Г / R, 0,7-0,95 и удовлетворяет условию i J где i 1,2,3 - номер диафрагмы.. 2. Система по п. 1, о т л и ч аю щ а я с я тем, что в группирователе шайбы снабжены кольцеобразными выступами, обращенными к выступам на диафрагмах, при этом отношение наружного радиуса выступа Р к.радиусу шайбы соответствует П; 0,8-1,4, отношение ширины выступа i к радиусу шайбы - i; /f,,, 0,07-0,3, а отношение толщины выступа ч И ТОЛЩИНЫ шайбы di соответствует Pj /d; 0-2, где л номер шайбы. 3.Ускоряющая система, выполненная в виде цилиндрического резонатора с шайбами и диафрагмами, содержащего группирователь с диафрагмами переменного внутреннего диаметра.и разной толщины, отличающа я(Л с я тем, что, с целью увеличения темпа ускорения и интенсивности пучков заряженных частиц, стенка щайбы группирователя или ее части выполнена наклонно к продольной оси ускоряющей системы, при этом угол -накло-; на ОС, равен 60-89°, а отношение наружного радиуса шайбы VQ к радиусу : диафрагмы 8;,-, соответствует Го;/1 со о со 0,6-0,9, где i - номер шайбы. 4.Ускоряющая система, выполненная в виде цилиндрического резонато4ib ра с шайбами и диафрагмами, содержащег го группирователь с диафрагмами переменного внутреннего радиуса и разной толщины, о тличающая ся тем, что, с целью увеличения темпа ускорения и интенсивности пучков заряженных частиц, диафрагмы группирователя смещены относительно центров ускоряющих ячеек, а шайбы имеют различный наружный радиус, при этом от-/ ношение наружньрс радиусов соседних шайб соответствует

Изобретение относится к области ускорительной техники.

В последние годы в линейных ускорителях широкое применение нашли бипериодические ускоряющие системы, состоящие из ускоряющих ячеек омегообразной формы и ячеек связи ij . Причем начальная часть такой системы группирователь для линейных уско рителей электронов (ЛУЭ), выполняется с переменной геометрией.

Недостатком этих систем является низкий коэффициент связи между ячейками (2-5%), что повьшает требования к точности изготовления системы и усложняет процесс наладки. Кроме того, ускоряющая система, описанная в работе i, обладает низким темпом ускорения.

Наиболее близким техническим решением является ускоряющая система, выполненная в виде цилиндрического резонатора с шайбами и диафрагмами, содержащего группирователь с диафрагмами переменного внутреннего диаметра и разной толщины 2J ,

При применении в ЛУЭ резонатсзра с шайбами и диафрагмами его начальная часть должна быть выполнена с переменной фазовой скоростью, чтобы осуществить группировку электронов, т.е. резонатор должен содержать группирователь, В работе проведен расчет отдельных ускоряющих ячеек с щайбами и диафрагмами с различной фазовой скоростью, причем диафрагмы расположены симметриЧ1Но между шайбами так, что средняя напряженность аксиального электрического поля максимальной в цервой ячейке и далее уменьшаться по закону

0,8 /iu,/Дл + 0,2,

где 1 - относитель ная скорость частицы в i -ой ячейке

;,;,., - средняя напряженность электрического поля в { и (U) ячейках сооветственно.

Недостатком ускоряющей системы являются низкий темп ускорения и слаба интенсивность пучка заряженных частиц. Максимально допустимая напряженность электрического поля Б ума НС в системе достигается в первой ячейке с фазовой скоростью, равной скорости инжекции частиц А , а в ячейках с фазовой скоростью р 1, напряженность поля равна Е - (af довательно, возможный темп ускорения частиц такой системы снижен в раз.

Оитимальный фазовьй захват частиц и их радиальная устойчивость может быть обеспечена только в нарастающем аксиальном электрическом поле. Поэтому распределение электрического поля в начальной части системы-прототипа будет приводить к,радиальной дефокусировке частиц, в особенности при малых скоростях.

Цель изобретения - увеличение темпа ускорения и интенсивности пучков заряженных частиц (на выходе ускоряющей системы ЛУЭ).

Поставленная цель достигается тем, что в ускоряющей системе, вьтолненной в виде цилиндрического резонатора с шайбами и диафрагмами, содержащего группирователь с диафрагмами переменного внутреннего диаметра и разной толщины, диафрагмы группирователя снабжены кольцеобразными выступами, отношение высоты которых h, к высоте диафрагмы ч соответствует hj/f; 0,2-0,7 и удовлетворяет условию hIt, / C,+t , a отношение радиуса выступа Г, к радиусу диафрагмы соответствует г, /( 0,7-0,95 и удовлетворяет условию пч i где 1 1,2,3 -номеп диафрагмы. Кроме того, в группирова.теле шайбы снабжены кольцеобразными выступами, обращенными к выступам на диафрагмах, при этом отношение наружного радиуса выступа г; к радиусу шайбы соответствует ri 0,8-1,4, отношение ширины выступа t; к радиусу шайбы 0,07-0,3, а отношение толщины выступа Р| и толщины шайбы dl .соответствует i 0-2, где i номер шайбы. Вторым вариантом достижения поставленной цели является ускоряющая система, выполненная в виде цилиндрического резонатора с шайбами и диафрагмами, содержащего группирователь с диафрагмами переменного внутреннего диаметра и разной толщины, в которой стенка шайбы группирователя или ее части выполнена наклонно к продольной оси ускоряющей системы, при этом угол наклона об равен 60а отношение наружного радиуса шайбы Гп к радиусу диафрагмы соответствует j RI 0,6-0,9, где 1 - номер шайбы. Третьим вариантом достижения поставленной цели является ускоряю- щая система, выполненная в виде цилиндрического резонатора с шайбами и диафрагмами, содержащего группирователь с диафрагмами переменного внутреннего радиуса и разной толщины, в которой диафрагмы групиировате ля смещены относительно центров ускоряющих ячеек, а шайбы имеют различ ный наружный радиус, при этом отноше ние наружных радиусов соседних шайб соответствуетrQ /Pcuj il смещение диафрагмы i.Xl относительно центра ускоряющей ячейки 1а- соо А il ветствует ЛХ (0,05-0,03) , где 1 - длина волны . относител ная скорость частицы в 1 -и ячейке. . Сущность изобретения поясняется фиг. 1-13, где на фиг. 1-7 изображен первый вариант ускоряющей системы, на фиг. 8-10 - ее -второй вариантJ на фиг. 11-12 - ее третий вариант. При этом на фиг. 1, 4, 9, 12 предст лена геометрия ускоряющей системы в масштабе .1:1; на фиг, 1 представлен ускоряющая система с группирователем первого варинта, в котором шайбы и диафрагмы снабжены выступами на фиг. 2 - 4 представлены варианты геометрии группирователей с выступами на шайбак и диафрагмахJ на фиг.З и 5 - эпюры распределения электрических полей вдоль продольной оси группирователей, изображенных на фиг. 2 и 4 соответственно; на фиг. 6 и 7 представлены некоторые варианты размещения выступов на шайбах, на фиг. 8 - ускоряющая система с группирователем второго варианта, в котором стенки шайб наклонены под углом к продольной оси системы; на фиг. 9 геометрия группйрователя второго варианта, на фиг. 10 - эпюры распределения электрических полей вдоль продольной оси группйрователя; на фиг.11ускоряющая система с группирователем третьего варианта, в котором диафрагмы смещены относительно шайб; на фиг. 12,- геометрия группйрователя третьего варианта и на фиг. 13 эпюры распределения электрических полей вдоль группйрователя третьего варианта.. На фиг. 1 представлена ускоряющая система, содержащая группирователь первого варианта и выполненная в виде цилиндрического резонатора 1 с диафрагмами 2 и шайбами 3, которые крепятся к диафрагмам посредством штанг 4, диафрагмы снабжены кольцеобразным выступом 5, а шайбы снабжены выступом 6, высокочастотная энергия в резонатор подается через высокочастотный (ВЧ) ввод 7, на торцах цилиндрического резонатора и в шайбах выполнены соосные отверстия 8 для пролета заряженных частиц. На фиг. 2 и на фиг. 4 представлены два варианта геометрии группйрователя ускоряющей системы, состоящего из четырех ускоряющих ячеек с фазовой скоростью РФ 0,6, 0,8, 0,92, 1,0 соответственно. Ускоряющие системы возбуждаются на частоте 3200МГц В группирователе, представленном на фиг. 2, диафрагмы вьтолнены с поочередно переменными толщиной и радиусом и снабжены кольцеообразным выступом, причем, с наименьшей толщиной и внутренним диаметром выполнена первая диафрагма, а толщина и внутренний диаметр последующей диафрагмы меньше предьщущей, выступ расположен на части тела диафрагмы, обращенной к началу резонатора, щайбы вьшолнены с поочередно изменяющимся диаметром, причем с наибольшим диаметром выполнена первая шайба, а диаметр последующей шайбы меньше предьщущей, на каждой шайбе, расположенной против диафрагмы с выступо выполнен кольцеобразный выступ, который расположен на части тела шайбы, обращенной к выступу на диафраг ме. На фиг. 3 сплошными линиями обо значены эпюры распределения напряженностей В электрического поля вдоль продольной оси группирователя а пунктирными линиями обозначены их средние по ячейкам значения напряженностей электрических рсолей для группирователя с размерами радиуса цилиндрического резонатора 65,08 мм . 0,24, 0,41, -1 0,74 84 23,21 мм, т;. 08 -Г, R .60.08 мм, Kj - И / h „ „,, f 0,064, - 0,84 4 -J- О, 891, 55,42 мм. где Р - 4 - толщина диафрагм; R, - Ri} внутренний радиус диафрагмы. Hi - р 2 4 тоогйдина и внутренний диаметр выступов, уста новленных: на диафрагмах А - 9,376 - длина волны. Соответствующие относительные размеры шайб, следующие: it п nt/ . -,- 0,064, -f 0,064 0,032 - 0,15, Т, 0,157, -il 0,15 ± п 1 . Р, ° Р ТГ j; 0,5,г, 36,0 .-Й- и05,1,04, IT- -f- -Т 0,064, где. tf- bj- ширина выступов; Р, - РЭ - высота выступов; oi радиусы 1яайб; А -(э - толщины шайб. Отношение напряженностей электри ческих полей равно |ft 0,40, 0,66, . Icpt4cp t-- 0,91, -У-- 0,682, Чср E, 0,835, где E, - E - максимальное значение напряженностей электрических полей в центре ускоряющих зазоров, Е, - средние значения элект рических полей в ускоряющих Зсчзорах. На фиг. 4 представлен другой вариант геометрии группирователя, в котором диафрагмы выполнены с переменной толщиной и диаметром, причем с наименьшей толщиной выполнена первая диафрагма, а толщина псследзгющей диафрагмы больше предьщущей, внутренний диаметр первой диафрагмы максимальнь1й, а диаметр последующей больше предьщущей, выступ выполнен с переменной толщиной и внутренним диаметром, причем наименьшими толщиной и внутренним диаметром обладает выступ на первой диафрагме, а толщина и внутренний диаметр последзпощего выступа больше предьщущего, шайбы выполнены с переменным внешним диаметром, максимален диаметр у первой шайбы, а диаметр последующей щайбы меньше предьщущей, на первой и второй шайбах выполнен выступ одинаковый по высоте и ширине, на третьей шайбе выступ не установлен. На фиг. 5 сплошными лияними обозначены эпюры распределения напряженностей электрического поля вдоль продольной оси (E.J) рассматриваемого варианта группирователя, а пунктирными линиями - их средние по ячейкам значения напряженностей электрических полей для резонатора со следующими размерами: радиус цилиндрического резонатора 67,1 см. е,S, -g--- ,0,258, -|-- 0,430, 0,803, е, 23.,21 0,918, -jj 1,012, -0-- 1,031, Ri 60,08 мм, п d, I -4- 0,0304, 0,0427, 1Г 0,064, A 9,376 см, - 0,846, 0,941, Г4 54,72 мм. о,об4,ц О, . -Т Р, О, „ .,« Ьч 0,149, -, 0,154, -1 О 1 110 21. 1 083 -- - 1,11 у, р I ,joj. - -V- - 0,0б4,г,

Отношение напряженностей электрических полей равно На фиг. 5 сплошными линиями обозначены эпюры распределения напряженнос тей электрических полей вдоль продольной оси группирователя, а пунктирными линиями - средние по ячейкам значения напряженностей электрических полей. На фиг. 6, 7 дополнительно представлены некоторые варианты размещения выступов н шайбе. В одном случае выступ расположенна боковой поверхности шайбы, (фиг. 6), в другом случае (фиг, 7) выступ расположен на ребре шайбы. Следует отметить, что формирование ускоряющего напряжения в ячейках может быть осуществлено и без выступов на шайбах. Однако наличие выступов на шайбах позволяет осуществить более глубокую регулировку ускоряющего напряжения в соответствующих ускоряющих ячейках Пределы изменения выступов следующие: внутренний диаметр выступов, расположенных на диафрагмах, может достигать значений диаметра шайб, а величина выступов, расположенных на шайбах, ограничена электрической прочностью промежутка между выступами, расположенными на соответствующей шайбе и диафрагме. Из распределений электрических полей, представленных на фиг. 3 и 5 видно, что значения средних напряженностей электрических полей в груп пирователе ускоряющей системы возрас тает с номером ячейки. Такое распределение электрических полей позволяет повысить темп ускорения и радиаль ную устойчивость частиц. Ускоряющая система линейного уско рителя работает следующим образом. При поступлении высокочастотной ВЧ-мощности через ввод 7 в резонаторе возбуждаются ВЧ-колебания.. Пучки заряженных частиц, пролетая резонаI Второй вариант ускоряющей системы представлен на фиг. 8.

В этом варианте стенка шайбы группирователя или ее части выполнена наклонно к продольной оси ускоряющей системы, при этом угол наклона об

при равен 60-89°

а отношение наружного 36,03мм 1109034 8 через отверстия 8, взаимодрйствуют с электрическими полями в зазорах между шайбами и приобретают кинетическую энергию. радиуса шайбы Го, К радиусу диафрагмы , соответствует foJ/R- 0,6-0,9, R где. 4 - номер шайбы. Ускоряющая система состоит из цилиндрического резонатора 1, диафрагм 2, шайб 3, которые крепятся посредством штанг 4 к диафрагмам, высокочастотного ввода 7, торцовые стенки цилиндрического резонатора и шайбы имеют соосные пролетные отверстия 8. В группирователе диафрагмы выполнены с переменными толщиной и внутренним диаметром, причем с наименьшим внутренним диаметром и толщиной выполнена первая диафра:гма, а толщина и внутренний диаметр последующей диафрагмы больше предьщущей. Стенка каждой шайбы наклонена под разными углами к продольной оси резонансной системы, шайбы одновременно выполнены с переменным внешним диаметром. причем наибольшим диаметром обладает крайняя шайба, а внешний диаметр последующей шайбы меньше предьщущей. На фиг. 9 представлена геометрия группирователя с соответственно, обозначенными размерами. На фиг. 10 представлены -сплошными линиями эпюры распределения напряженностей электрических полей вдоль продольной оси группирователя, а пунктирными линиями - средние по ускоряющим ячейкам значения напряженностей электрических полей. В группирователе ячейки выполнены с переменной скоростью Вт Л /: л л ч .лл л 0,6, 0,8, 0,92, 1,0 со следующими размерами радиус цилиндрического резонатора 67,1 мм R,. 0,885, --щ- 0,944, 4г 0,981, 0,25, ,429, - 0,805, , 1,077, 1.034,R, 58,55 MM, 64 22,55 , 0,817, J2/d4 0,842, d,/d4 0,942, 90°, где o(( - 064 - наклон стенок шайб к продольной оси. Наклон шайб может быть осуществлен до ближайшей торцовой плоскости диафрагмы. Для указанной геометрии отношения напряженнос тей электрического поля следующие: -| 0,680, 0,920, Lfi- 0,978, ,- . 0.6,, -. , I 0,97. Т.е. напряженность электрического n ля возрастает с увеличением номера ячейки. Ускоряющая система, предста ленная на фиг. 8, работает также, как и система, представленная на фиг. 1. Третий вариант ускоряющей систем представленный на фиг. 11, решает ту же задачу, что и предыдущие варианты. В этом варианте диафрагмы смещен относительно центров ускоряющих яче ек, а шайбы имеют различный наружны радиус, причем отношение наружных радиусов соседних шайб соответствуе о /o{i+0 1,07-1,3, а смещение диафрагмы iXi относительно центра ускоряющей ячейки / {Д/4 соответствует АХ; (0,05-0,3) , где 1( - длина волны, / - относитель ная скорость частицы в i -ой ячейке Система также состоит из цилиндрического резонатора 1 с диафрагмами 2 и шайбами 3, причем шайбы крепятся к диа,фрагмам посредством штанг 4, высокочастотная энергия подается в резонатор через ввод 7, на торцах цилиндрического резонатора и в шайбах выполнены соосные отверстия 8 для пролета пучка. В группирователе ускоряющей системы диафрагмы выполнены с различными толщиной и внутренним диаметром и расположены несимметрично относительно соседних шайб. На фиг.11 диафрагмы смещены влево относительно центров ускоряющих промежутков между соседними шайбами. Первая диа фрагма в начальной части системы вь 34О полнена с наименьшими внутренними диаметром и толщиной, а в последующих диафрагмах их внутренний диаметр и толщина возрастает. Первая шайба, наоборот, имеет наибольший диаметр, а далее диаметр шайб уменьшается. На фиг. 12 представлена начальная часть ускоряющей системы для частного случая изменения фазовой скорости в ячейках со следующими размерами: радиус цилиндрического резонатора 67,1 мм. 0,8715, 0,9226, R, 56,2 мм. -«7 -03712. 2i) 25,55 мм, Т - 2.0347. 2,23 мм. -i-f- 1,14527, - 1,0771, nS- 1,03448, Го4 38,02 мм, где iXt смещенир диафрагм относительно центров ускоряющих промежутков шайб. Для этой геометрии отношение напряженностей электрического поля следующее: Н, -p- 0,849, -f- 0,628, Смещение диафрагм может быть осуществлено до пересечения близлежащих плоскостей соответствующих шайб и диафрагм. На фиг. 13 сплошными линиями приведены эпюры распределения напряженностей электрического поля вдоЛь продольной оси группирователя, а пунктирными линиями обозначены средние по ячейкам значения напряженностей. Видно, что напряженность аксиального электрического поля в группирователе системы возрастает с номером ячейки, что позволяет повысить темп ускорения и радиальную устойчивость частиц. Ускоряющая система этого варианта работает следующим образом. При поступлении мощности через ввод 7 в системе возбуждаются ВЧколебания, пучок заряженных частиц, пролетающих через отверстие 8,

взаимодействует с возбужденными электрическим полями и приобретает кинетическую энергию.

Рассмотренные варианты конструкций группирователей ускоряющей системы между собой имеют преимущества и недостатки. Геометрия группирователя второго варианта позволяет осуществить более глубокую регулировку ускоряющего напряжения в соответствующей ячейке. Геометрия группирователя третьего варианта наиболее технологична из рассматриваемых вариантов. Геометрия группирователя первого варианта по своим техническим и технологическим показателям находятся между вторым и третьим вариантами.

Таким образом, во всех предложенных вариантах геометрии ускоряющей системы реализуется поячеечно нарастающее среднее ускоряющее напряжение. Это позволяет, как отмечено вьщ1е, реализовать в ускоряющей системе более высокий темп ускорения. Pus.

фиг. 2 2

У

«О iEzI

фиг. W Фиг. 9

2