Ускоряющая структра для линейных ускорителей заряженных частиц Советский патент 1990 года по МПК H05H7/18 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для ускорения пучков заряженных частиц в линейных ускорителях.

Цель изобретения - увеличение темпа ускорения.

На фиг, 1 приведены проекции ускоряющей структуры; на фиг.2 - проекции поперечного сечения резонатора,образованного разветвлением прямоугольного и цилиндрических резонаторов; на фиг о 3 и 4 - варианты возбуждения ускоряющей структуры.

Ускорякяцая структура (фиг. 1) представляет собой прямоугольный волновод 1, на щироких стенках 2 которого одно

против другого расположены круглые отверстия Зо В эти отверстия вставлены и закреплены (например,с помощью лайки или сварки) запредельные цилиндрические волноводы 4. Торцы 5 цилиндрических волноводов расположены в плоскостях щироких стенок 2 прямоугольного волновода. Оси последовательно расположенных цилиндрических волноводов находятся одна относительно другой на одинаковых расстояниях S. Оси цилиндрических волновоцсв с нечетными номерами расположены в одной плоскости (прямая АВ на фиг. 1), оси цилиндрических волноводов с четными номерами - в другой плоскости (прямая

00

CD на фиг„ DC Эти плоскости параллельны одна другой, параллельны оси прямоугольного волновода ff и расположены на одинаковом расстоянии h от нее. Диаметры цилиндрических волноводов 2а и расстояние между широкими стенками прямоугольного волновода 1 выбраны из условия существования собственного типа колебаний резонато- ров, образованных областями связи цилиндрических и прямоугольного волноводов о Каждая пара цилиндрических волноводов с примыкающей к ним частью прямоугольного волновода образуют в этом случае резонатор.

Ускоряющая структура работает следующим образом.

Для создания ускоряющего поля структуру возбуждают с помощью внешнего ВЧ-генератора или модулированного пучка. Для возбуждаемого типа колебаний цилиндрические и прямоугольный волноводы запредельные и поле в них быстро спадает с расстояния, Поле сосредоточено в основном в областях связи цилиндрических и прямоугольного волноводов Расстояние между узкими стенками прямоугольного волновода L и длина цилиндрических волноводов g выб- раны из условия, чтобы напряженность электрического поля на узких стенках прямоугютьного волновода Е, и напряженность электрического поля на торцах 6 цилиндрических волноводов Eij бьши меньше пробивной напряженности поля Епр для того, чтобы при работе ускоряющей структуры не происходил пробой.

После возбуждения ускоряющей структуры через нее пропускают ускоряемый пучоко Прирост энергии ускоряемой частицы в ускоряющей структуре представляет собой сумму приростов энергии частиц в каждом из резонаторов. Находят прирост энео1 ии частицы в k-M резонаторео Исходят из известного

-evh

b. + (N-k)d

Чк

(

-Ь;, -kd

еЕ V.

(1)

уравнения для прироста энергии частицы б

ае.

dt

Для рассматриваемого типа, колебаний электрическое поле имеет только одну азимутальную составляющую Еф которая является функцией времени t, г и Z, где г - расстояние от оси k-ro резонатора, z - расстояние по высоте от оси прямоугольного волновода (фиг о 1):

Е (г, Z, t) Eip(r, z) cosG3tt(2)

Выбирая оптимальное значение , рассчитывают прирост энергии частицы в k-M резонаторе. На фиг. 2 показана траектория частицы вдоль оси X в окрестности k-ro резонатора. Из этого следует, что

Eip vh

Е V Е, V coso

.X

(3)

где за начало отсчета по оси X принято положение центра резонатора.

Пользуясь (1), (3) и фиг о- 1, получают для прироста энергии в k-м резонаторе .

f cosuJtdt,

{, n| (t) (4)

где t( , t - йоме нты влета и вылета частицы из ускоряющей структуры; r(t) - расстояние от оси k-ro

резонатора до места расположения частицы в момент времени t;

x(t) - координата частицы в момент времени t. в формуле (4) от интег- t к интегрированию по х

Переходя рИрования по (фиг,. 1) , находят

() cos

tOx -dx

(5)

Изобретение относится к ускорительной технике. Цель изобретения - ускорение за счет повышения предельно допустимой величины напряженности ускоряющего поля. Ускоряющая структура выполнена в виде прямоугольного волновода, в широких стенках которого друг против друга расположено две последовательности одинаковых отверстий, оси которых параллельны. Отверстия расположены по обе стороны от оси канала транспортировки пучка на одинаковом расстоянии, выбор которого осуществляется с помощью аналитического выражения. В отверстиях укреплены отрезки круглых запредельных цилиндрических волноводов, так что вдоль оси структуры образуется последовательность объемных резонаторов с TE_OMN-типом колебаний. Поскольку в данной конструкции не существует тип колебаний TE_IMN на рабочей частоте, то электрическое поле на стенках мало, что позволяет поднять напряженность ускоряющего поля на оси структуры. 4 ил.

где N - полное число резонаторов в ускоряющей системе.

Ь .в,ьГ f (4гад) cos Й . -Ж, .(6)

К:: O-K.-t

b ,-kd

fxW

Для полного прироста энергии при , оптимальной фазировке полей в резонаторах получают

-Ж,

fxW

Для получения максимального прироста энергии частиц расстояние h от оси пучка до плоскостей, в которых

Г N Ь,+ (N-k)d

Э.

ЭЬ1, J

hC Е -Ь,-kd

Рассмотрим пример практической реализации предлагаемой структуры, схе- на которой показана на фиг. 3, В этом примере ускоряющая структура представляет собой последовательность из N Я резонаторов, работающих на см волне, Запитка резонаторов

f- tb«o -1 . , |.|&л1 , , ,,,, jj, ,,,j, ,,у, ,

Р.

а;

(„-корень уравнения I, (ц, а)0;

(;

«(

-Jp ./2ll). - Ч PC V .

1о(у а), 1(ура) -

((е )

lh({ltoz) lh(Ql72T

. R I)№fir) + BO 7-7--Y cosPnz I(Jfea)

К 4 ( «er)

N t . щег;1

) ° Р-г P« a,(z) |;

pi Д I. (РцО ((-(/г) : - i;(P,a) РИ « « (2) ,

1 2

где I,(P,r), IO(P,r) - функции Бесселя 1-го рода;

г - расстояние от оси k-ro резонатора до точки, где определяется электрическое поле Подставляя вьфажение EJ для области значений Х1 fa z- Ы и Е$ для области значений 1x1 h - из формулы (9) в формулу (7), можно определить расстояние h от оси цилиндрических волноводов до оси прямоугольного волновода. Для выбранных в данном примере условий (f 6000 МГц;

расположены оси цилиндрических волноводов, необходимо выбирать из условия

dx

-

0. (7)

СВЧ-полем производится с помощью вол- новодной линии 7 и направленньк ответ- вителей 8. Для настройки резонатора на собственную частоту f разветвления волноводов на ТЕд,, -типе колебаний их размеры должны удовлетворять соотношению

5

0

Из формулы (8) следует, что,.например, собственная частота МГц может быть получена при а 2,98 см, 1 1,87 смо При этом как цилиндричес-. кие, так и прямоугольный волноводы будут для этого типа колебаний запредельными и электромагнитное поле будет сосредоточено в основном в областях их связи.

Электрическое поле в k-м открытом резонаторе такого типа описьшается следующими соотношениями в одноволно- вом приближении, являкнцимся достаточно точным:

при r a, (z)

1 2

а - 2,98 см; 1 1,87 см) эта величина равна h ; 1,5 см

Для того, чтобы не развивался про- °й, узкие стенки прямоугольного резонатора должны располагаться на таком расстоянии одна от другой, чтобы электрическое поле

55

Е (Р

h ч- |)Е„р.

(10)

В рассмотренном примере при максимальном значении напряженности поля ..«- , t 10 В/см и пробивной напря 1598228

женности поля Е 3-10 В/см с поIL

.мощью формул (9) получают r+h см,

т,е„ L 7 смо

Возбужде1ад:е предлагаемой ускоряющ структуры не обязательно должно производиться с помощью волноводной линии (фиг о 3). Другая возможность иллюстрируется примером, показанным на фиг о 4 о Здесь возбуждение ускоряющей структуры осуществляется двумя модулированными электронными пучками 9 и 10 с относительно высокой интенсивностью и небольшой энергией, пропускаемых в области, где возбуждаемое ими в резонаторах электрическое поле является малым. Частота модуляции пуч ков совпадает с собственной частотой резонаторов на ТЕо« -волне.

Третьей возможностью является возбуждение ускоряющей структуры путем ввода ВЧ-мощности через открытьй конец прямоугольного волновода. В этом .случае должны быть соблюдены условия равенства фазовой скорости волны и скорости ускоряемых частиц.

Предлагаемый способ позволяет получить значительно больший темп ускорения заряженных частиц. Это связано с тем обстоятельством, что в цилиндрических резонаторах колебаний является выраженным, при его возбуждении одновременно возбуждается . колебаний, имеющий такую же резонансную частоту. Поскольку электрическое поле на стенках в резонаторе на таком типе колебаний имеет большую величину, то возможности увеличения напряженности поля в такой структуре ограничиваются на уровне сотен киловольт на сантиметр из-за развития пробоя о

В предлагаемой структуре при выбранных размерах волноводов, обеспечивающих настройку на заданную частоту резонаторов, образованных разветвлением цилиндрических и прямоугольного волноводов.

тип колебаний

h

N

Г

К:

(N-k)d

Е

-Ьд-kd

00 - собственная частота резона-(

торов, с V - скорость ускоряемых частиц, м/с;

8

10

5

0

5

.

5

0

0

5

гп

этой частоте не существует Поэтому электрическое поле на стенках мало и может быть всегда сделано меньше пробивной напряженности поля.

Кроме того, в этой ускорякяцей структуре нет необходимости делать отверстия для пролета пучка, которые таюке снижают электрическую прочность. По этим причинам ограничения возможности увеличения напряженности поля, а следовательно, и темпа ускорения, обусловленные развитием пробоя в предлагаемой структуре практически отсутствуют „ В рассмотренном примере показана возможность получения максимальной напряженности поля В/см, что более чем на порядок превьш1ает макси- . мальную напряженность поля, которую можно в известных ускоряющих структурах.

Формула изобретения

Ускоряющая структура для линейных ускорителей заряженных частиц, содер- жа1цая последовательность резонаторов с TEij -типом колебаний, оси которьк расположены параллельно друг другу и перпендикулярно продольной оси структуры на одинаковом расстоянии h (м) от нее, при этом оси четных резонаторов лежат в одной плоскости по одну сторону от продольной оси структуры, нечетных по другую сторону, а геометрические размеры структуры выбраны из условий обеспечения электрической прочности и существования собственного типа колебаний, отличающаяся тем, что, с целью увеличения темпа ускорения, вдоль продольной оси структуры и соосно ей расположен дополнительно введенный прямоугольный волновод, на широких стенках которого соосно расположены друг против друга цилиндрические волноводы одинакового диаметра, соединенные с прямоугольным волноводом отверстием того же диаметра, а расстояние h выбрано из условия

Ь(- расстояние от начала прямоугольного волновода до оси первого цилиндрического волновода, м;

paccTOHmie от оси последнего циливдрического волновода до конца прямоугольного волновода, м; s -Ah,

S - расстояние между осями соседних цилиндрических волноводов, м;

а6

159

5 -г О

Ец.- азимутальная составляющая напряженности собственного электрического поля резонатора, В/м; N - полное число резонаторов.

н-Х

OoVoVoVo

Редактор А.Козориз

Составитель Е Громов

Техред Л.Олийнык Корректор Н. Король

Заказ 3074

Тираж 667

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

1}

Фиг.З

10

ФигЛ

Подписное