Способ возбуждения ускоряющего высокочастотного поля в периодической структуре линейного ускорителя ионов Советский патент 1987 года по МПК H05H9/00 

13

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для ускорения ионов, для генерации высокочастотных (ВЧ) колебаний и воз- буждения быстрых и медленных циклотронных волн плотности заряда в элект poHHbtx пучках.

Цель изобретения - повышение КПД возбуждения ВЧ-поля и увеличение ста- бильности возбуждаемого ВЧ-поля ускорения.

Пример. Возбуждение ВЧ-поля в протонном ускорителе на Н-волне, состоящем из трех резонаторных сек- дий и ВЧ-рекуператора, работающих на одной частоте, производится интенсивным электронным пучком. Электронный пучок энергией 1 МэВ и током 40 А инжектируется в направлении ускорения протонов. Продольное магнитное

поле Н создается внешним соленоидом и изменяется по длине соленоида в соответствии с соотношением

21Го.

H.()(Z)-,

.2Ulll)ki;xi 2f (,)

пространственная координата вдоль оси системы, м; продольная составляющая напряженности магнитного поля в функции от Z, Тл;

2irn

DCZJ:

Zo

D(Z) х„ a

}f v(Z)

e

m

продольная постоянная распространения n-й пространственной гармоники, продольная постоянная распространения нулевой пространственной гармоники, , в положительном направлении оси Z; длина периода структуры, м, увеличивающаяся в положительном направлении оси Z| поперечная постоянная распространения п-й пространственной гармоники, м- ; частота колебаний, рад С j релятивистский фактор;. продольная скорость электронного пучка, , в положительном, в отрицательном направлении оси Z;

заряд электрона, Кл; масса покоя электрона, кг;

СО,, - ленгмюровская частота °

электронного пучка, рад-с

п - номер пространственной гамоники;

S - номер циклотронной гармоники .

В данном примереv 0, , , , , .

Соотношение (1) выполняется по всей длине ускорителя. При этом электронным пучком на циклотронной неустойчивости с высокой степенью

избирательности ( -10 ) возGU

бзгждается основной тип колебаний () за время меньше 0,1 мкс. Структура полей вблизи оси обеспечивает для ускоряег4ых ионов кулоновскую и резонансную высокочастотную радиальную фокусировку.

Предельный ток ускоряемого пучка в данном случае определяется только его продольной устойчивостью. Ускорение ионов может быть осуществлено на пространственной гармонике. Напряженность магнитного поля, исходя из соотношения (1), при , , создают такой, чтобы в 1-й секции ускорителя происходила генерация ВЧ-поля на +1-Й пространственной и -1-й циклотронной .гармониках. Генерация сопровождается уменьшением продольных и, увеличением поперечных импульсов электронов, и результате чего во 2-ю секцшо поступает пучок электронов, закрученных вокруг силовых линий магнитного поля. Во 2-й секции нап1)яженность магнитного поля, .исходя из (1), при , создают тав .ой, чтобы осуществлялась генерация ВЧ-поля на -1-й пространственной и +1-Й циклотронной гармониках. При этом изменяется величина, но не направление магнитного поля. Одновременно происходит преобразование поперечных импульсов электронов в продольные.

В 3-й секции ускорителя напряженность магнитного поля, снова соответствует генерации ВЧ-поля на +1-й пространственной и -1-й циклотронной гармониках и преобразованию продольных импульсов электронов в поперечные. Б целом по длине ускорителя напряженность магнитного поля уменьшается в соответствии с увеличением лины периода структуры.

После вькода из 3-й секции электронный пучок с целью эффективного отбора у него оставшейся мощности направляется в ВЧ-рекуператор, представляющий собой ВЧ-структуру с фазовой скоростью, большей или порядка скорости электронов, с чисто поперечным типом колебаний на частоте, ран- ной рабочей частоте ускорителя, и внешним магнитным полем, соответствующим соотношению (1). В ВЧ-рекупе- раторе происходит окончательное торможение пучка, а образовавшуюся ВЧ- мощность по ВЧ-тракту передают в уско ритель, тем самым повьшая общий КПД,

Форм у л а изобретения

1. Способ возбуждения ускоряющего высокочастотного поля в периодической структуре линейного ускорителя ионов преимущественно на волне THna.ff, включающий создание магнитного поля и продольную инжекцию интенсивного электронного пучка, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и увеличения стабильности режима ускорения, напряженность магнитного поля изменяют по длине со- гласно выражению

H,(Z),v(Z)

хШ1 1М-х|1

2f (Ц+х2„) J

де Z - пространственная координата вдоль оси системы, м; Н (Z) - продольная составляющая напряженности магнитного поля в функции от Z, Тл; 40 v(Z) - продольная скорость электронного пучка, , в положительном, .0 в отрицательном направлении оси Z;.45

е - заряд электрона, Кл; m - масса покоя электрона, кг;

Составитель Е,Громов Редактор П,Гереши Техред М,Дидык Корректор М,Пожо

Заказ 4837/57 Тираж 801Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г,Ужгород, ул,Проектная, 4

Q 5

0 5

f - релятивистский фактор;

0

5

0 5

частота колебаний, раД С

-

О

го+

27п

+--Т-Г - продольная постоянная распространения п-й пространственной гармоники, - продольная постоянная распространения нулевой пространственной гармоники, , в положительном направлении оси Z;

D(Z) - длина периода структуры, м, увеличивающаяся в положительном направлении оси Z; х - попйречная постоянная распространения п-й пространственной гармоники, м ; Оц- ленгмюровская частота

электронного пучка, раД С ; п - номер пространственной гармоники, преимущественно

S - номер циклотронной гармоники, преимущественно , причем режим распределения Н(Z) , соответствующий , , , или режим распределения H(Z), соответствующий , , ncO, задают на всей длине системы либо чередуют данные режимы по длине системы.

2.Способ по п. 1, отлича ю- щ и и с я тем, что электроны генерирующего пучка предварительно направляют по спиральной траектории вокруг силовых линий магнитного поля,

3,Способ поп, 1, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД путем преобразования остаточной кинетической мощности в высокочастотную, электронный пучок после выхода из ускорителя ионов направляют в помещенную в резонансное магнитное поле электродинамическую структуру

с поперечным типом, колебаний и фазовой скоростью, равной продольной скорости пучка.

Изобретение относится к области ускорительной техники. Цель изобретения повьпаение КПД и увеличение стабильности режима ускорения уско- р}пощего высокочастотного (ВЧ) поля в периодической структуре линейного ускорителя ионов. Она достигается тем, что.при создании магнитного поля (МП) его напряженность изменяют по длине по определенному математическому закону, при этом электроны генерирующего пучка (П) предварительно направляют по спиральной траектории вокруг силовых линий МП, а после выхода электронного П из ускорителя ионов его направляют в электродинамическую структуру с поперечным типом колебаний и фазовой скоростью продольной скорости П, помещенную в резонансное МП. В описании изобретения приведено математическое вьфажение для продольной составляющей напряженности МП. Изобретение может быть использовано для ускорения ионов, для генерации ВЧ-колебаний, для возбуждения быстрых и медленных циклотронных волн плотности заряда в электронных П, 2 3,П ф-лы. х; оо . со ел О5 СО