Ускоряющая система ускорителя со стоячей волной Советский патент 1987 года по МПК H05H9/00 H05H9/04 

1 Изобретение относится к ускорительной технике, а более конкретно устройствам ускоряющих систем мало габаритных ускорителей заряженных: частиц со стоячей волной, и может найти применение в тех областях науки и техники, где требуются мощные источники ионизирлощих излучений или потоков ускоренных частиц. Это, преж де всегоi радиационная химия и медицина, дефектоскопия, стерилизация отходов и т.д. Целью изобретения является увеличение предельного значения ускоряемого тока заряженных частиц, что осо бенно важно для мобильных облучающих установок, которые применяются в.дефектоскопии радиационной терапии и радиационного каротажа скважЪн. На чертеже изображена ускоряющая система ускорителя со стоячей волной позволяющая в режиме работы без применения внешних фокусирующих уст- / ройств увеличить значение ускоряемог тока заряженных частиц. Она содержит профилированные цилиндрические ускоряющие ячейки 1 и непрофилированные цилиндрические ускоряющие ячейки 2, методу которыми находятся ячейки связи 3, причем все ячейки связаны друг с другом щелями связи 4 в общих торцовых стенках, в них же имеются пролетные отверстия разного диаметра конические 5 и цилиндрические 6, образующие пролетный канал системы, причем в профилирован ных ускоряющих ячейках вокруг пролетных отверстий имеются пролетные конические -втулки 7. Система работает следу ощим образом. Внутренние диаметры ускоряющих профилированных ячеек 1, ускоряющих непрофилированных ячеек 2 и ячеек связи 3, индуктивно связанных между собой через щели связи 4,.имеют такие геометрические размеры (диаметр ,7-0,8, где К - длина волны гене ратора) , что в них на .рабочей частоте возбуждаются колебаний Е вида Возбуждение осуществляется через узел ввода мощности, присоединенной к любой ускоряющей ячейке 1 или 2 так, чтобы направление полей в ячейке совпадало с направлением полей около отверстия связи узла ввода мощности, причем вся система возбуждается на виде колебаний. , 042 аждая ускоряющая ячейка 1 или 2 возуждается в противофазе по отношению соседним ускоряющим ячейкам. Поле ячейках связи 3 практически равно улю. Расстояние между двумя соседими резонаторами равно /2, де f - относительная скорость уско-. ряемых .частиц в промежутке между этими ячейками. Ускоряемые частицы проходят через пролетный канал системы, образованньш пролетными промежутками ячеек и пролетными отверстиями 5 и 6 в их торцовых стенках, и ускоряются в ячейках 1 и 2. Наличие в профилироваиньк ускоряющих ячейках 1 конических пролетных втулок 7, выступающих к центру ячеек на расстояние 0,080,1ЗЛ , позволяет за счет концентри,рования электрического поля на оси системы и увеличения значения коэффициента пролетного времени повысить эффективность использования ускоряющего поля. Наличие втулок 7 в ячейках 1 приводит из-за сильного искривления силовых линий электрического поля к появлению в областях, прилегающих к этим втулкам, значительной по величине радиальной компоненты электрического поля, причем направление электрического радиального поля у разных втулок 7 одной ячейки 1 в каждьй момент времени противоположно. Кроме радиальной компоненты электрического поля на радиальное движение ускоряемых частиц, в данном случае электронов, сильное действие оказывает азимутальная компонента магнитного поля, опережающая во времени продольное ускоряющее электрическое поле на четверть.периода колебаний. Как радиальная компонента электрического поля, .так и азимутальная магнитного поля оказывают на ускоряющиеся частицы как фокусирующее, так и дефокусирующее действие. Известно, что чередование фокусирующих и дефокусирующих полей при определенных условиях может привести к общему фокусирующему эффекту. Анализ динамики электрона в ВЧ полях ускоряющих ячеек 1 и 2 показывает, что если ускоряющее электрическое поле изменяется во времени по гармоническому закону, то для f , близких к 1, областью начальных фаз влета ускоряемых частиц в кскоряющие , для которых происходит продольное ускорение, является область фаз -аг±2згк ц)„ o+ZTiK. Область фаз, в которой фокусирующее действие оказывает радиальное электрическое поле, -ir/2±2TiK % Т/2±21К. ОбластЬфаз, в которой фокусирующее действие оказывает азимутальное маг нитное поле, - 3/2ТГ±2 К « ipe -ТГ/2±2 ГК. Фазовые области, для которых осущес вляется радиальная фокусировка под действием радиальной компоненты эле трического и азимутальной компонент магнитного поля, не совпадают и сдв нуты относительно друг друга на Т . В завис1шости от того, действие какой компоненты ВЧ поля будет более значительным на ускоряющиеся частиц областью радиальной фокусировки и продольного ускорения является -1Г/2±21ГК { „ 0±25ГК , -ТГ +2ТТК фо -Tf/2±2f К Первьй диапазон используется в прототипе, являющемся в то же время и базовым объектом, где ускоряющие ячейки - это профилированные ускоряющие ячейки 1. Здесь фазац р г9Г/2 соответствует наибольшему, набору энергии чacтицaмиj а О Фаза, соответствующая наиболее полному использованию фокусирующих свойств ускоряющей ячейки 1. В прототипе фаза влета сгруппированного в группирователе сгустка находится между этими двумя фазами, что приводит к недобору выгсодной энергии, а из-за довольно большой фазовой протяженности сгустка (до 60°) - к большому энергетическому разбросу. Второй диапазон продольного ускорения и радиальной фокусировки справедлив в случае использования в качестве ускоряющих ячеек непрофилированных цилиндрических резонаторов. Чередование ускоряющих ячеек 1 и ячеек 2 создает даш интервалов фаз -ЗГ/2±2«К чр„с 0±2TiK - ±2ТГК р„ -ЗГ/2±23ГК последовательно чередующиеся фокусирующие и дефокусирующие участки. Имеется некоторое подобие механизма сильной фокусировки в ускорителях, только фокусирующими ПОЛЯМИ служат собственные высокочастотные поля системы, радиальная компонента электрического и азимутальная - магнитного, изменяющиеся во времени. Поэтому условно можно вьщелить для указанных фаз структурную схему периодов фокусировки (условно, так как она меняется во времени). Для первого интервала фаз это будет ФОДО. а для., второго ДОФО. Роль дрейфового промежутка в структуре выполняют ячейки связи 3 и пролетные отверстия 5 и 6, т.е. те области, где отсутствует ВЧ-поле. Можно на основе данной ускоряющей структуры выполнить структуры и с другой ст уктурной схемой фокусировки, например ФОФОДОД. Подбором параметров ускоряющих ячеек всегда реализуется такое положение, при котором на всех фокусирующих участках для рассматриваемых диапазонов фаз ускоряемые частицы будут в среднем более удалены от оси, чем на соседних дефокусирующих, а из-за того, что напряженность как электрического радиального, так магнитного азимутального поля в пролетном канале возрастает при движении от оси, получается суммарный фокусирующий эффект для всего фазового диапазона, для которого осуществляется ускорение. После группировки сгусток сажается в фазу ц) ТГ/2 что позволяет получить оптимальнз величину выходной энергии, при этом из-за симметричной посадки сгустка относительно максимума ускоряющего поля удается минимизировать энергетический разброс. Что касается начальной части ускорителя, где электроны набирают скорость, близкую к скорости света, то для электронов это 2-3 первые ускоряющие ячейки, обладающие по этой причине рядом особенностей. Известно, что в этом случае дополнительный положительный эффект фокусировки достигается за счет увеличения скорости частицы при пролете через ячейку. Можно регулировать в некоторых пределах значения ради- ; альной компоненты электрического поля и азимутальной магнитного в пролетном канале. В отличие от прототипа пролетное отверстие 5 в ус.коряющей ячейке 1 имеет форму усечен ного конуса, что позволяет увеличить значение радиальной компоненты электрического поля, при этом, как показали расчеты, происходит и некоторое увеличение значения шунтового сопротивления структуры, а это тоже важный положительньй фактор. Увеличение воздействия азимутального магнитного поля в цилиндрических ячейках 2 достигается за счет з еньшения значения радиальной компоненты электричес кого поля при уменьшении диаметра, пролетного отверстия 6 до 0,06)1 в отличие от профилированных ускоряющих ячеек 1, где минимальный диаметр пролетного отверстия 5 составляет величину 0,i;i . При этом шунтовое сопротивление цилиндрических ячеек 2 тоже несколько возрастает. Такое уменьшение апер -туры системы возможно в результате эффективного действия предлагаемого механизма фокусировки, подтверлсденного соответствующими расчетами, Вве депие вокруг пролетных отверстий 6 небольших компенсируюпрх втулок, выступающих к центру ячеек на расстояние до 0,04j, позволяет также миними зировать величину радиальной компо- ненты электрического поля и тем самым усилить действие азимутального . магнитного поля. Некоторое радиальное электрическое поле появляется в ячейках 2 из-за наличия пролетных от верстий в, а наличие компенсирующих втулок делает распределение электромагнитных полей в ячейках 2 аналогич ным распределению в цилиндрическом резонаторе без отверстий, при этом частота возбуждения резонатора зависит только от его диаметра, но не зависит от протяженности. Существование такирс компенсирующих втулок подтверждается теоретически и экспери- ментально. Наличие всех конструктивных изменений, описанных вьш1е, приводит к тому, что внутренние диаметры всех ячеек 1, 2, 3 становятся примерно одинаковыми и равны 0,75j(. Расчеты полностью подтвердили работоспособность предлагаемой системы. Для расчетов использовалась про грамма, осуществляющая интегрирование уравнений движения частицы в структуре со стоячей волной. Высокочастотные поля, взаимодействующие с ускоряемыми частицами на всей длине ускорителя, задавались в табличном виде , их значения были получены с помощью программы, позволяющей по геометрическим размерам ускоряющих ячеек определить их электродинамические характеристики. Использование такой ускоряющей системы позволяет примерно в 2 раза увеличить захват частиц в процесс ускорения и тем самым вдвое увеличить значение ускоряемого тока по сравнению с прототипом, являющимся в то же время и базовьм объектом, при этом энергетический спектр пучка на выходе установки становится уже (примерно на: 40%) из-за симметричной посадки ускоряемого сгустка относительно максимума ускоряющего электрического поля. особенно отметить тот факт, что применение даже 1-2 цилиндрических ячеек в начальной части ускорителя позволяет увеличить на 25-30% величину ускоряемого тока, хотя и за счет некоторого снижения темпа ускорения, обусловленного изменением шунтового сопротивления.

УСКОРЯЮЩАЯ СИСТЕМА УСКОРИТЕЛЯ СО СТОЯЧЕЙ ВОЛНОЙ, в начале и ;конце которой установлены ус/ J f J Aj / J коряющие цилиндрические ячейки, :между которыми в чередующемся порядке расположены цилиндрические ячейки связи и цилиндрические уско- ряющие ячейки, причем все ячейки имеют щели связи в общих торцевьк стенках вблизи боковых стенок, а в центрах торцевых стенок ячеек выполнены пролетные отверстия, образующие общий пролетный канал, причем пролетные отверстия ускоряющих ячеек выполнены в конических втулках с вершиной конуса к центру ячейки, о тличающаяся тем, что, с° целью увеличения предельного значения ускоряемого тока заряженных частиц, четные ускоряющие цилиндрические ячейки имеют пролетные отверстия цилиндрической формы, а,пролетные отверстия в конических втулках выполнены конусньми с вершиной конуса от центра ячейки, при этом минимальный диаметр которых d и диаметр dg цилиндрических каналов удовлетворяют вьфажению d d, внутренние диаметры dj всех ячеек соответствуют условию dj- 0,75Л , где }. - длина волны генератора. г J f