Циклический ускоритель заряженных частиц Советский патент 1993 года по МПК H05H13/00 

nizzzi rz .VTTvliffr:

fJ

hrai

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке малогабаритных ускорителей заряженных частиц, работающих в диапазоне от тепловых до сильно реляти1вистских скоростей в циклическом ускорителе со сплошным электромагнитом.

Цель изЬбрете ия - повышение энергии заряжеаных частиц путем увеличения раДиуса «реяя1 иви 1ской орбиты частиц, за счет понижения собственной частоты резо- натора при неизменных его геометрических размерах;

На фиг.1 изображено устройство, общий вид; на фиг,2 - приведены зпюры ин- дукции В магнитного поля и напряженности Е электрического поля, соответственно вдоль оси и радиуса ускоряющего резонатора.

Ускоритель содержит электромагнит 1 ведущего магнитного поля, внутри которого козксиально с ним помещен внутри вакуу- мированной камеры 2 объемный резонатор элект|зомагнитной волны типа Нщ. Стенками резонатора являются два проводящих цилиндрических стакана 3 и 4, обращенных друг к другу и прозрачных .цля ведущего магиитного поля. Медианные плоскости электромагнита м резонатора совмещены. В объем резонатора 0 каждый из стаканов 3 и 4 введены идентичные диэлектрические цилиндры 5 м 6. Между торцами этих цилиндров S медианной плоскости резонатора образован зазор, длина которого вдоль оси симметрии резонаторз менее четве15ти длины аолны резонансной частоты резонатора, при этом нижний предел длины h .зазора ограничен условиями возможности вывода синхронного излучения из резонатора. В объем резонатора, со стороны его торцов, введены петли связи 7 и 8, электрически соединенные между собой длинной линией 9, Длина которой кратна половине длины волны резонансной часте тырезонатора. Резонатор связан петлей, связи ТО с источником возбуждения 11 84 поля. По оси симметрии в обьеме резонатора расположен инжектор частиц 12. Вакуумная камера 2 прозрачна для ведущего магнитного поля.

Ускоритель работает следующим обра- зом.

при включении электромагнита 1 внут- р11 него возбуждается ведущее магнитное поле ускорительной конфигурации. С помощью источника 11 возбуждения ВЧ-поля через петлю связи 10 в резонаторе возбуждается ускоряющее поле волны Нщ. Ускорение части от инжектора 12 происходит в плоскости орбиты пучка по разворачивающейся спирали до установления постоянно

го радиуса орбиты при достижении частицами релятивистских скоростей. В прототипе, в условиях воздушного диэлектрика в резонаторе релятивистская орбита пучка в силу структуры волны Нш оказывается на радиусе, равном приблизительно половине стаканов 3 и 4, образующего токоведущие поверхности. Это связано с тем, что собственная частота f резонатора длиной I и радиусом В для волны Нш определяется следующим выражением:

3,41 R

(1)

где С - скорость света.

Если , что практически, как правило, выполняется, то

(2)

3,41 R

25

30

Из условия синхронизма между частотой вращения частицы и частотой вращения электрического поля для релятивистской частицы;

(3)

2л:г

0

0

5

5

0

5

где г- радиус релятивистской орбиты частицы (показанный для наглядности на фйг.1 пунктирной линией совместно с огибающей пучка заряженных частиц, имеющей место в прототипе).

Сравнивая (2) и (3), получим: г 0,543R. Это соотношение ограничивает энергию частиц при заданной геометрической конфи- гурации электромагнита ведущего магнитного поля. Понижение, согласно предложению, собственно частоты резонатора с помощью диэлектрических цилиндров 5 и 6, автоматически увеличивает радиус релятивистской орбиты до величины, опр,- деляемой степенью частотной перестройки резонатора, связанной с величиной вводимого объема диэлектрика. При этом диэлектрические цилиндры 5 и 6 с диэлектрической постоянной, большей единицы, должны иметь такую форму, чтобы не препятствовать движению частиц в центральной области резонатора (вблизи источника), например, как показано на фиг.1, в виде полых цилиндров, а также образовывать между собой зазор для создания условий д вижения пучка на релятивистской орбите и возможности вывода излучения из резонатора. Ограничение величины зазора h значением: меньше четверти длины волны обусловлено необходимостью сохранить

напряженность ускоряющего ВЧ-поля в медианной плоскости резонатора, близкой к ее величине, свойственной резонатору с зазором h 0. Увеличение зазора h выше ука занной границы приведен к уменьшению напряженности ускоряющего поля а зоне орбиты пучка, что скажется на уменьшении интенсивности пучка заряженных частиц и его энергии. Вакуумный зазор между диэлектрическими цилиндрами 8 объеме резо- натора приводит к тому, что реактивная мощность высокой частоты сосредотачиаа- ется локализованно в каждой из этих полостей с диэлектрическими вставками, что при больших перестройках резонансной часто- той с большим объемом диэлектрических вставок, имеющих большую диэлектрическую постоянную, приводит к нарушению электрической связи между полостям резонатора. Это, в свою очередь, привадит к вырождению необходимого кода колебаний Нш. Для устранения этого явления необходимо образовать связь между полостями по Rf yroff i компоненту стоячей волны - маг- нитную связь. Это осуществляется с по- мощью петель связи 7 и 8, и линией 9. Положение петель и длина линии должнь быть такими, чтобы удовлетворялось условие противофазности магнитного потока у торцоз резонатора. Для этого петли связи 7 и 8 введены в объем резонатора в противоположных его торцах, а длина линии кратна половине.длины волны резонансной частоты резонатора. На фиг.2 показана эпюра индукции 8 магнитного поля вдоль оси резонатора и напряженное гь Е электрического поля вдоль радиуса резонатора. Пунктиром показаны те же эпюры для В и Е для резонатора в отсутствии диэлектрика. Как. видно из рассмотрения эпюр, присутствие диэлектрика приводит к перераспределению напряженности электрического поля по радиусу, При этом она возрастает в центральной области и уменьшается на периферии. Такое перераспределение способствует повышению захвата частиц в ус-- корение.

Таким образом, Б описанном ускорителе за счет обеспечения возможности ускорения частиц на увеличенном радиусе орбиты по сравнению с прототипом почти з 2 раза повышается энергия заряженных частиц. ,.

(56) Коломенский А.А. Физические основы методов ускорения заряженных частиц. М., издательство МГУ, 1980, с.199.

Пзнасюк B.C., Соколов А.А.. Степанов Б.М, Способ циклического ускорения заряженных частиц.

Авторское свидетельство СССР N 344802, кл. И 05 Н 13/00, 1970.

Изобретение может быть использовано при разработке малогабаритных ускорителей заряженных частиц, работающих в диапазоне от тепловых до сильно релятивисткиз скороаей в циклическом ускорителе со сплошным электромагдатом. Циклический ускоритель заряженныз частиц электромагнит 1, лри включении которсго возбуждается ведущее магнитное поле ускорите шной конфигурации, внутри которого коаксиально С ним размещен резонатор (ОР) электромагнитной волны типа Н , в объем которого введены два идентичных диэлектрических цилиндра 5 и б, между торцами которых имеется зазор, длина которого вдоль оси сим гетрии ОР менее четверти длины волны резонансной частоты ОР. при этом нижний предел длины h зазора ограничен условиями возможности вывода синхротронного излучения из ОР, и Две петли 7 и 8 связи, расположенные со стороны противоположных медианной плоскости торцов диэлектричесхих цилиндров и соединенные электрически пинией 9, длина которой кратна половине длины волны резо- на 1сной частоты ОР, Присутствие диэлектрических цилиндров 5; 6 приводит к перераспределению напряженности элект)1ческого поля по радиусу. При этом она возрастает в центральной области и уменьшается по периферии Такое перера сп|5еде- ление способствует -повышению захвата частиц в ускорение. (Дикличеай й ускоритель заряженных частиц имеет повышенную энергию заряженных частиц. Зил,

Формула изобретения Циклический ускоритель заряженных 35 частиц, содержащий электромагнит ведущего магнитного поля, внутри которого коакси- ально с ним помещен объемный резонатор электромагнитной волны типа Нш, выполненный в виде двух цилиндрических стака-40 нов с общей осью, медианная плоскость которого совмещена с медианной плоскостью электромагнита ведущего магнитного поля и который связан петлей связи с источником ВЧ мощности, отличающийся 45 тем, что, с целью повышения энергии заряженных частиц путем увеличения радиуса релятивистской орбиты частиц за счет понижения собственной частоты резонатора при неизменных его геометрических размерах, 50 в объем резонатора введены два идентич-.

ных диэлектрмчаских цилиндра и две допол- нительные петли связи, при этом Д1 электрические цилиндры расположены внутри объемного резонатора по одному в каждом из стаканов соосно с ними и между торцами диэлектрических цилиндров со.сто- роны медианной плоскости резонатора имеется зазор, длина которого вдолъ оси симметрии резонатора меньше четверти длины волны резонансяой частоты резонатора, а две дополнительные петли связи расположены со стороны противоположных медианной плоскости торцов диэлектрических цилиндров и электрически соединены между собой длинной линией, длина которой кратна половине длины волны резонансной частоты резонатора.

по

nopoduycti