Способ ускорения пучка заряженных частиц Советский патент 1985 года по МПК H05H9/02 

Изобретение относится к област ускорительной техники и может быть использовано для создания ускорителей электронов. Известны высоковольтньш способ ускорения заряженных частиц заключающийся в том, что между двумя электродами создают разность потенциалов и -инжектируют частицы нэ источ ника заряженных частиц, раоголоженного на -ОДНОМ из электродов . Недос7.атком этого способа является ограниченность выходной энергии заряженных, частиц, связанная с трудностями получения высоких напряжений. Наиболее близким по .технической сущности являете.;, способ ускорения шучка заряженных частиц, основан ный на его резонансном взанмодейст-вии с электромагнитным полем бегущей волнь,, заключающийся в инжекцг-и заряженных частиц Б волноводj в кото-ром возбуж,дены продольное магн-иЛ-ное поле и электромагннтяая волна типа Е, , где Ш; п. - соответственно число азрмутальных и радиалычых од|)и-аций толя 21 . Об1 ;чя;:: длл Э;-их цапеи HcnojibsyKiT волноводы,. (агруж;-. замедляющей структурой, иаприм;.- круглые диафрагмированные волново.п,ы.. Диафрагм ;, расположенные .и волнокоде; обеспечивают синхронность движенмя. волны и частиц, фокусировка ко )орых осущест7з.ляется продольньич магнитным полем. Недостатком этог-с слослэба . являются вьгсокне rKJ-TtOH (зкоч.ас.тотной мощност 1 в стенках .диафрагмиро.ч:а:1 ного Еолноаода. Это связано с теь/,. что поверхностьJ п.о которой протекают высокочастотные гоки, 1,меат большую величину Цель изобретения - ,еньи;кние и,..--терь Еысокочастоткой мо-цности в С|--енкак волновода, Цель дocтvsгaeтcE тем,, что в к-звест .ном способе ускорения пучка заря-женных частиц азимутальное движение чес-тйц синхронизируют с aa.vj-.jy ггшьнымизменением продоль}.;ого тсомпонемта электрического ускоряющей электромагнитной 1зо..пкы5 изменяя п;-дукцию продолыюго MariiHTKoro поля со.гласко выражению 4J L. I 1 in г qcSA Н V I.-. j гд ча то но со во ум во эл Е ва Е гд ви .но ся .Г гда то ро гд еD - циклическая частота высокочастотного поля; q - заряд частицы; с - скорость света; Зфр- относительная фазовая скорость волны в волноводе; .р - относительная азимутальная скорость частиц; Е энергия частиц; Е - энергия покоя. Такой способ ускорении заряженных стиц позволяет увеличить КОД и шунвое сопротивление ускоряющего волвода за счет снижения потерь вь кочастотной мощности в стенках лновода. Это достигается путем еньшения граничной поверхности лновода. Уравнение ;родольг ого -компонента ектрического поотя Оагуа;ей волны Е цилиндрических координатах записыется следующим образом: .. w3nif.Kj,pr)coe № (|еур , (ujl- ) J (1) есм ам} литуда ускоряющего ;;оля; J ,v, функция Бесселя порядка т; Kj,,j - iiorsepeiHoe волнсвох; число; - прп.цольное волновое число Записывая соа га i-f з ког ашексн§м де, получим два компонента продольго ао.пя, один из которых выражаетформулой ,и,)1 . ) Ес.ли угол изменяется но закону О-at. О состветс гйует частице,, вращаюйся sioKpyr оси Еолновода с частой о&ргицег-гия и то фаэоы то скость .волнь можно определить по форQ I , .. : . mm . , .. 4 :i -7:rJ Vi -7rb (е ;„ фаз;: лая скорость замедлен ной волны; Vfn,- у У J о ij а я скорость н ол н ы в БО.ЧНОэОДЯ О, iaciOta G pat eitHK частиц Таким образом, частица, вращающаяся в волноводе, видит электрома нитную волну замедленной. Из соотношения (4.) видно, что фазовая ско рость замедленной волны V в гладк волноводе при определенном соотношении частот и числа азимутальных вариаций поля может стать меньше скорости света. Поэтому гладкий волновод можно использовать для ускорения частиц полем бегущей, вол ны с фазовой скоростью, большей ск рости света. Нагружая волновод диа фрагмами или другими устройствами можно предварительно уменьшить фазовую скорость волны в волноводе .Уф , при этом соответственно будет уменьша.ться фазовая скорость замед ленной волны. Меняя величину индук магнитного поля, и, следовательно, частоту обращения заряженных частиц и можно также изменять фазовую скорость волны. Зависимость индукции магнитного поля вдоль оси волновода от параметров ускоряющей системы и энергии частиц можно най ти из равенства фазовой скорости волны и продольной скорости частиц Vl- l-f-Pir) Индукция магнитного поля равна «,-t( -;;HWТаким образом, если индукция магнитного поля вдоль оси волновода будет изменяться в соответствии с этой формулой, частицы будут двигаться синхронно с бегущей волной. Угол между направлением скорост частиц и ее азимутального компонен та выражается формулой V f. 5 e.qra.-где Tjj - радиус движения частиц. Процесс ускорения выглядит следующим образом; частицы, ускоряясь продольным компонентом электрического поля, двигаются по азимуту одновременно с перемещением волны вдоль оси волновода. Частота обращения частиц выбрана такой, что они, двигаясь по азимуту, выходят из области, в которую приходит волна, имеющая тормозящее направление продольного компонента электрического поля, и входят в область, где направление поля ускоряющее, На чертеже изображена ускоряющая система, предназначенная для ускорения электронов по предлагаемому способу. Система состоит из цилиндрического гладкого волновода 1, помещенного в соленоид 2, ось которого параллельна оси волновода и смещена на расстояние, меньшее радиуса волновода. Ось инжектора 3 параллельна оси волновода. Волновод 1 возбуждают на волне Е с азимутальными вариациями ПОЛЯ И через отверстие в торцовой стенке в него инжекцируют пучок электронов, выходящий из инжектора 3 и двигающийся по спирали под действием магнитного поля соленоида 2, Подбором плотности витков соленоида вдоль волновода добиваются изменения индукции магнитного поля соленоида в зависимости от конечной энергии ускоряемых электронов по формуле (6), Конкретные примеры осуществления способа ускорения при различных значениях азимутальной составляющей скорости (различные значения энергии инжекции при разных величинах смещения оси медного волновода относительно оси соленоида) при одном и том же законе изменения индукции магнитного поля приведены в таблице. Как видно из таблицы,, коэффициент затухания для различных типов ускорителей имеет один и тот же порядок и колеблется в пределах от 1,6-10 до 5,110 1/М, что на порядок меньше, чем в существующих ускорителях с диафрагмированным волноводом и осевым ускорением заряженных частиц. Возбуждение магнитного поля по заданному закону (6) обеспечивает синхронное азимутальное движение частиц с. азимутальным изменением продольной составляющей электрического поля и позволяет достить той е энергии при меньших потерях ощности.

СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ПУЧКА ЗАР ЖЕННЫХ ЧАСТЩ, основанный на его резонансном ззаимодействии с электромагнитным полем бегущей волны, заключающийся в инжекции заряженных частиц в волновод, в котором возбуж дают; продольное магнитное поле и электромагнитную волну типа Е т, п число соответственно азимутальных и радиальных вариаций поля отличающийся тем, что, с целью уменьшения потерь высокочастотной мощности в С1енках волновода, азимутальное движение частиц синхронизируют с азимутальным изменением продольного коьшонента электрического поля ускоряющей электромагнитной волны, изменяя индукцию продольного магнитного поля согласно выражению R соЕ ( г fiof i - л;1 оГ лт| j где U3 - циклическая частота высокочастотного поля; q - заряд частицы; с - скорость света; . ,. относительная фазовая скорость волны в волноводе; относительная азимутальная скорость частиц; Е - энергия частиц; Е - энергия покоя.