Линейный резонансный ускоритель Советский патент 1986 года по МПК H05H9/02 

Изобретение относится к устройствам для ускорения заряженных частиц, а именно к линейным ускорителям для коллективного ускорения ионов. Целью изобретения является повышение КПД ускорителя, которое достигается за счет увеличения среднего тока ускоренных ионов. На фиг. 1 приведена схема одного каскада линейного резонансного ускорителя у на фиг. 2 - вид А на фиг.1. Коллективньш ускоритель состоит из электронно-ионного инжектора 1, фокусирующего соленоида 2, резонанс ной ускоряющей структуры 3, устройст на возбуждения, которое содержит электронный инжектор 4, фокусирующий соленоид 5, резонансную структуру 6 устройства возбуждения, кольцевые магнитные индукторы 7, а также ускоритель, состоящий из двух СВЧ-генераторов 8, 9 и отражателя 10. Углы раствора конусов (слоев) обозначены Устройство работает следующим об.разом. Внутри полости отражателя 10 поперечное сечение которого выполнено в форме эллипса, расположены уско ряющая резонансная структура 3 и резонансная структура 6 устройства возбуждения, выполненные в виде двух частотных с частотами Q, и COg интер ференционных фильтров. Продольные оси резонансной структуры 6 устройст ва возбуждения и ускоряющей резонанс ной Структуры 3 совпадают с фокальными параллельными между собой осями отражателя 10. Резонансная структура 6 устройст возбуждения и ускоряющая резонансная структура 3 выполнены, например, из слоев металлизированного (толщиною в доли скин-слоя для СВЧ) диэлектри ка с разными показателями преломления слоев (в простейшем случае с двумя разными показателями). Слои фильтров резонансных структур располагаются с периодами fl, /2 и , что обеспечивает вьщеление волн А, и А 2 за счет пространственного параметрического резонанса. Радиальные размеры фильтра, его толщина составляют много длин волн СВЧ. Расположение и шаг слоев соответствзпот линиям равной интенсивности (иэофотам) двух цилиндрических волн типа , с частотами ы, исо (w,a)j; Слои диэлектрика выполнены в виде усеченных конусов. Углы раствора этих конусов ( i D) у слоев резонансной структуры 6 устройства Bj33буждения постоянны в каждом каскаде, но изменяются от каскада к каскаду. Резонансная структура 6 устройства возбуждения окружена кольцевыми магнитными индукторами 7, которые, в свою очередь, подключены к источнику квазистатического напряжения (который на чертежах не обозначен). Интерференционный фильтр ускоряющей резонансной структуры 3 выполнен аналогично вьш1еописанному фильтру из однородных слоев в виде усеченных конусов, металлизированного диэлектрика (в доли скин-слоя для СВЧ) с разными показателями преломле шя. Радиальные размеры фильтра, его толщина составляют много длин волн СВЧ. Углы раствора конусов слоев фильтра ускоряющей резонансной структуры 3 увеличиваются по продольной оси Zj фильтра в направлении электронноионного инжектора 1 и связаны зависимостью со скоростью VZ, продольного движения узлов биений двухчастотного и,, cOj поля, вьфажаемой в нерелятивистском приближении формулой -Г- Щ7% -|7 St2-«z,,(,, где С - скорость света в вакууме, С)| ,00(601 GJj) - резонансные частоты двухчастотного поля, К, Kj - продольные волновые числа двухчастотного поля. Указанные резонансные структуры 3 и 6 подключены к двум СВЧ-генераторам 8 и 9. При отсутствии электронно-ионного и электронного пучков от инжекторов 1 и 4 генераторы возбуждения 8 и 9 создают в резонансных структурах 3 и 6 двухчастотное (с частотами G), и CJj ) поле. В фильтре резонансной структуры 6 устройства возбуждения - это цилиндрическое поле типа для каяздой частоты, а в фильтре ускоряющей резонансной структуры 3 - это суперпозиция цилиндрических полей типа Е. Эти поля концентрируются в приосевых зонах около осер Z, и Z до напряженности , , где га рядка Е Q / li Ц I |1 J --.- ,5 М„знергия покоя электрона. 5 и рабочие длины волн генерато ра 8 и 9 (,,.J 2ТС/СО,р. Интерферен ционные фильтры резонансных структу 3., 6 подавляют паразитные волны. У полученных с помощью фильтров двухчастотных полей узлы биений движутся по осям Z, и Z, причем в резонансной структуре 6 устройства возбзгждения эта скорость постоянна, а в ускоряющей резонансной структуре 3 скорость узлов биений нарастает по оси Z (, (в направлении от инжектора 1).-Значение этих скоростей опре деляется формулой (1). В окрестност узлов биений двухчастотных полей существуют в.ч. ямы, т.е. области устойчивого финитного движени:я заря женных частиц. Если в одну из многих, в.ч. яму поместить равномерно заряженный электронный шар, то макс мальный заряд шара, удерживаемый в.ч. ямой, будет таков, что напряженность кулоновского поля на повер нести шара может достигать. примерн десяти процентов от амплитуды напря женности Б.ч. поля Ё. Таким образом в приосевой зоне при напряженностях Б.ч. поля порядка Е -ь m эффективность, в. ч. ям велика. После того как напряженности в .ч. полей достигают указанных пределов, включ ются инжекторы 1 и 4. Электронный п чок с энергией порядка 100 кэВ от инжектора 4 движется по продольной оси резонансной структуры 6, попада ет в зону сильного приосевого поля и распадается на сгустки в окрестностях узлов биений Б.ч. поля. Сред няя продольная скорость этих сгуст- ков за ВдЧ. период Т (Т 2ff/Uo, 7, «t+Wi .... 1 ) постоянна и совпадает со скоростью движения узлов биений двухчастотного поля резонансной структуры 6, т.е. сгустки сидят в в.ч. ямах и синхронно с ними движут ся. Индукторы 7 создают в резонансной структуре 6 квазистатическое (с частотой порядка 100 кГц) продол ное электрическое поле подпора, кот рое смещает среднее положение сгуст ков вперед относительно центров Б.Ч ям В результате этого смещения электр.онные сгустки когерентно колеблются в продольном направлении относительно центров в.ч. ям, что приводит к когерентному излучению в резонансной структуре 6. Магнитные 077 индукторы поддерживают постоянство энергии и средней скорости электрон ного пучка, возбуждающего устройстве возбуждения. Электронно-ионный пучок от инжектора 1 попадает в зону сильного приосевого поля резонансной структуры 3 и распадается на электронно-ионные сгустки, которые захватываются в,ч. ямами, движущимися с нарастающей по оси Z, скоростью. Gryстки под действием сил инерции смещаются назад относительно центров в.ч. ям, что вызывает их когерентные продольные колебания, аналогичные опи- санным выше, и приводит к когерентному излучению в резонансной структуре 3. При этом в резонансных структурах 3 и 6 происходит комбинационное рассеяние электромагнитных волн на когерентно колеблющихся сгустках. Это приводит к резонансной структуре. 6 к нарастанию в.ч. волны, т.е. волны с повьш1енной частотой cOi за счет энергии индукторов 7 и отчасти за счет н.ч. волны сО , а в резонансной структуре 3 - к нарастанию н.ч. БОЛны СОг за счет в.ч. волны О, и к передаче энергии ускоряемым электронноионным сгусткам. Связь обеих резонансных структур 3 и 6 по в.ч. полю, обеспечиваемая отражателем 10, дает возможность поддержания амплитуд в.ч, С0| и н.-ч. COj волн Б резонансных структурах 3 и 6 постоянными. Средняя скорость электронно-ионных сгустков совпадает со скоростью движения узлов биений в.ч. поля, когторая рассчитывается по формуле (1). Из формулы видно, что для увеличения скорости узлов необходимо либо уменьшить разность продольных волновькчисел (что здесь и осуществляется), либо увеличивать разность резонансных частот (как это быпо сделано Б прототипе) . Для этого в протогипе организовывалась периодическая частотная модуляция сигнала, которая обеспечивала повторно-периодический режим ускорения подобно синхрофазотрону. Этот режим приводил к снижению среднего тока ионов в прототипе. В ускоряющей резонансной структуре 3 уменьшение по продольной оси Z, 7 % угла раствора (--t6(Z ,)jконических слоев, необходимое для ускорения электронно-ионных сгустков ускоренно движущимися Б.ч. ямами (ловушками) , приводит к уменьшению напряженности ускоряющего поля по продольной оси Z, так как напряженность поля пропорциональна cos 9(Z, ). Это огра,ничивает максимальную вариацию продольной скорости ускоряемых частиц (их кинетическую энергию) и снижает темп ускорения. Конструктивно избавиться от этого недостатка можно OFраничением углов раствора конусов резонансных структур. Чтобы увеличить скорость и энергию ускоряемых частиц, в предлагаемом ускорителе предусмотрена возможность каскадного включения резонансных структур 3 и 6 При этом разность резонансных частот C0| - и в последующем каскаде относительно предыдущего каскада увеличена при одновременном уменьшении в резонансной структуре 6 величины sec 9 (Z,) (т.е. уменьшение угла раствора конических олоев фильтра) в то же число раз. Расчеты на ЭВМ траекторий электронов в ВЧ ловушках показывают, что оптимальным диапазоном изменения углов раствора конических слоев 9(Z) в котором существуют высокочастотные ловушки, является примерно 45 115 , так как косинусы углов раствора кони ческих слоев изменяются не более, че в три раза. Скорость электронных сгустков совпадает со скоростью движения высокочастотных ловушек и выра жается формулой (1). Поэтому скорост сгустков в одном каскаде резонансной структуры целесообразно увеличивать не более, чем в 2-3 раза. Поэтому разность частот СО, -О нарастает в 2-3 раза от каскада к каскаду, а углы раствора конусов меняются по одному закону. Если разность частот в последующем каскаде относительно предьщущего увеличена в три раза, то в последую щем каскаде из-за этого происходит утроение числа в.ч. ям на единицу длины, так что из каждой тройки Б.Ч ям сгустком заряженных частиц запол ,нена только одна. Если начальная ск рость заряженных частиц равна двадцатой части скорости света (с/20, т.е. начальная энергия 3neKtpoHo W. 500 эВ, энергия ионов 1.,2 МэВ) , а конечная с сорость..заряженных частиц равна с/2 (Wg 80 кэВ, WP 145 МэВ), то для достижения этой скорости потребуется три каскада. Выбор показателей преломления П; и п и толщины слоев d для интерференционного фильтра делается следующим образом. По заданной частоте COi, i 1,2 (длина волны Я i 2iiC/coi, где С - скорость света в вакууме) подбираются два диэлектрика с близкими показателями преломления П( и п, например (п - п)/ /(п, + п„) 10(для того, чтобы пачраметрический резонанс был острым) и средним показателем преломления п,,5д (пу + п)/2. Толщина каждого слоя покрытия составляет d -i- .ррд, Wi(n, + n) Фильтры для частот Q,и СО (см. фиг. 1) выполнены в виде соосных диэлектрических цилиндров (труб с ТОЛС-. тыми стенками), состоящих из однородных диэлектрических колец четьфехугольного сечения. Показатели цре-, ломления колец чередуются вдоль показанных на фиг. 1 образующих конусов с углами раствора 0 относительно продольной оси симметрии цилиндров. Для проверки принципа действия предлагаемого ускорителя проводились численные расчеты на ЭВМ: вычислялись траектории релятивистской заряженной частицы при совместном действии на нее цилиндрических в.ч. полей (типа ), кулоновского йоля сгустка, фокусирующего магнитного поля и поля продольного электрического подпора. Проведенные расчеты показывают, что использование предла- гаемого ускорителя позволит в длинных импульсах (микросекунды) или даже в непрерывном режиме ускорять протоны до энергии порядка 100 МэВ.Предпочтительный диапазон рабочих частот СВЧ со, , LO, соответствует сантиметровым волнам.- ххххххх

1. ЛИНЕЙНЬЙ РЕЗОНАНСНЫЙ УСКОРРГГЕЛЬ, содержащий электронноионный инжектор, фокусирующие соленоиды, резонансную структуру, содержащую отражатель, поперечное сечение которого выполнено в форме эллипса, и многослойные линзы, подключенную к двум СВЧ-генераторам с различными рабочими частотами и устройство возбуждения, содержащее кольцевые магнитные индукторы, подключенные к источнику квазистатического напряжения, отличающи. йся тем, что, с целью повьшения. КПД ус1« рителя, в него дополнительно введен электррнньй инжектор, а внутри полости отражателя размещены ускоряющая резонансная структура и резонансная структура устройства возбуждения, вьшолненные в виде двухча.стотных интерференционных фильтров, приэтом ускоряющая резонансная структура настроена на выделение волн типа Е, а резонансная структура устройства возбуждения настроена на вьщеление волн типа Е, при выполнении следующих условий: СО, о г О-г, где Сд5, - первая резонансная частота ускоряющей резонансной структуры и резонансной структуры устройства возбуждения i Ci) - вторая резонансная частота ускоряющей резонансной структуры и резонансной структуры устройства возбуждения, Ы, - частота первого СВЧ-генера тора} частота второго СВЧ-генера.тора, а кольцевые магнитные индукторы выполнены охватывающими резонансную структуру устройства возбуждения, при этом электродный инжектор, фокусирующий соленоид, и ускоряющая структура устройства возбуждения расположены последовательно и соосно. 2.Ускоритель по п. 1, о т л и(Л чающийсЯ тем, что интерференционные фильтры вьшолнены из однородных слоев металтшзированного диэлектрика с разными показателями преломления , причем слои выполнены в виде усеченных конусов с уменьшающимися , углами раствора конусов в ускоряющей резонансной структуре в направлении а от электронно-ионного инжектора и с 00 .постоянными углами раствора конусов в р.39 нансной структуре устройства о возбуждения. л 3.Ускоритель по пп. 1 и 2, о тли чающийся тем, что резонансные структуры выполнены в виде каскадов, расположенных соосно и следующих один за другим в направлении от инжекторов, причем в каждом последующем каскаде косинус угла раствора конических слоев резонансной структуры устройства возбуждения увелич-ен.