Способ ускорения заряженных частиц Советский патент 1979 года по МПК H05H9/00 

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к линейным ускорителям ионов. Известен способ ускорения заряженных частиц, основанный на их взаимодействии с продоль ным электрическим полем стоячей электромагнитной волны, возбуждаемой в резо}1аторе с трубками дрейфа, причем режим ускорения выбран так, что ускоряемые частицы периодически находятся под воздействием то фазирующих, то фокусирующих сил Tl. Однако при таком способе сравнительно мал коэффициент захвата ускоренных частиц. Известен также способ ускорения в линейном ускорителе на бегущей волне, когда в волноводе с пролетными трубками, наряду с основ ной волной, выделяют дополнительную волну с частотой, превышающей частоту основной вол ны, причем отнощение амплитуд основной и до полнительной волны больше единицы 2. Его применение ограничено в ускорителях н бегущей волне. Наиболее близким к изобретению является способ ускорения заряженных частиц, например ионов, основанный на их взаимодействии с продольным аксиштьным полем стоячей электромагнитной волны, возбуждаемой в резонаторе с трубками дрейфа 3. Однако монознергетичность пучка ионов, ускоренного таким способом, хуже чем в некоторых других типах ускорителей, например электростатических генераторах. Улучшение этого параметра пучка ионов является актуальной задачей. Известно, что в лучижх линейных ускорителях относительный разброс частиц по энергии на выходе составляет ±0,3%. Такая величина является недостаточной для целого ряда исследований по ядерной физике и некоторых прикладных задач. Поэтому для получения более моноэнергетичного пучка на выходе ускорителя устанавлившот специальные монохроматоры, представляющие собой сложную систему громоздких магнитов. При этом улучщенне монознергетичности пучка на один порядок влечет за собой потери интенсивности на один-два порядка. Цель изобретения - повыщение эффективности ускорения за счет улучщения монознергетичности пучка ускоряемых частиц и фокусиров ки их ускоряющим полем. Это достигается тем, что одновременно с основной волной в резонаторе путем подключения к нему дополнительного генератора возбуждают дополнительную волну типа Е,,, где п 2, 3 ....частоту которой настройкой резона- . тора подбирают кратной частоте основной волны, d отношение амплитуд основной и дополнительнбй волны больше единицы. На фиг. 1 показана зависимость электрического поля Е на оси резонатора от величины cot, где кривая 1 - для поля основной волны 010. кривая 2 - для поля дополнительной волны (в данном случае ), кривая 3 результирующее поле; на фиг. 2 - графики распределения электрического и магнитного полей в цилиндрическом резонаторе в плоскбсти поперечного сечения, где по оси абсцисс отложе но расстояние от оси резонатора в относительных единицах r/R, где R - радиус резонатора, г - расстояние от оси, а по оси ординат - отно сительное изменение полей ,.,1. и .1, где cf ч TI/ Ь(г) И Н(г) - значения полей в точке, находящейся на расстоянии г от оси и (0), Я(0) - значения полей на оси резонатора (кривая 4 соответствует изменению электрического поля основной волны ЕОЮ, кривая 5 - магнитному полю основной волны EOIQ, кривые 6 и 7 - электрическому и магнитному полю дополнител ной волны 030; на фиг. 3 - расчетное значение функции распределения ионов, ускоренных на линейном ускорителе на 100 МэВ, по энергиям, по оси абсцисс отложены значения энергии ускоренных ионов, а по оси ординат - величина, характеризующая распределение ионов по энергиям, где Да - тасло частиц в диапазоне энергетического спектра Д w , NO - полное число ycKopeifflbix частиц (кривая 8 - для случая ускорения только на одной основной волне кривые 9 и 10 - для случаев,когда ускорение осуществляется совмещенными полями основной волны и дополнительной волны 030, при этом отношения амплитудных значений . электрических полей на оси ускорителя основной и дополнительной волн К соответственно равны 2 и 2,75. Одновременное возбуждение в ускоряющей структуре линейного ускорителя двух резонансных волн, частоты которых отличаются в 3 раза, может сбыть осуществлено при условии, когда ускоряющее поле с более низкой частотой - основная волна образуется за счет возбуждения резонансной волны типа Яо i о, обычно используемой в структуре типа Альваренца, а поле более высокой частоты - дополнительная волна образуется при возбуждении резонансной волны типа озо. распределение поля которой показано на фиг. 2. В пустом резонаторе частота волны 030 в 3,6 раза выше частоты волны jFoioНеобходимое отношение этих частот, равное 3, может быть за счет разностного эффекта возм)тцений при нагрузке резонатора трубками дрейфа, а также расположения настроечных элементов в областях резонатора, в которых возмущение полей, соответствующш; каждому из указанных типов волн, различное. Это позволяет изменять частоту одной из волн в большей степени, чем другой, до тех пор, пока их отношение не достигнет требуемой величины, равной 3.. Две указанные волны в резонаторе с трубками дрейфа могут быть возбуждены до номинальных амплитудных значений ускоряющих полей от отдельных генераторов ВЧ-мощности. При этом количество ВЧ-мощности, расходуемое на создание поля дополнительной волны, будет в К раз меньше мощности, расходуемой на создание номинального уровня поля основной волны. Требуемые фазовые соотношения между полями основной и дополнительной волн, обеспечивающие необходимый характер изменений результирующего поля во времени, достигаются с помощью известных фазовращателей, установленных в тракте передачи ВЧ-мощности от генераторов в резонатор. Энергетический спектр при ускорении в указанном результирующем поле улучшается вслед-сгвие малого изменения амплитуды результирующего поля в пределах угла захвата. Для приведенного на фиг. 1 соотношения амплитуд полей основной и дополнительной волн, К-5, изменение амплитуды результирующего поля 3 в пределах угла захвата (Д|/)-«-Д ) составляет 8% от максимального, в то время как для прототипа, когда ускорение происходит на одной основной волне, упомянутое изменение составляет около 50%. В линейном ускорителе ионов для заданных значений коэффициентов зазора (отношения длины промежутка между смежными трубками дрейфа к длине ячейки ускоряющей структуры) учет фактора времени пролета частицами указанного промежутка требует внесения соответствующей поправки в соотношение амплитуд основной и дополнительной волн. Конкретное значение этой поправки зависит от реальной величины коэффициента зазора. При нахождении оптимального соотношения амплитуд в конкретной структуре линейного ускорителя на 100 МэВ, . в котором коэффициент зазора равен 0,25, расчеты показали, что максимальный эффект моноэнергетизации пучка без заметного уменьшения его интенсивности Получен при возбуждении в резонаторе основной и одной дополнительной волн, при Kf 2,0-2,75. Из фиг.З видно, что разброс по энергиям уменьшился в 2050 раз. Однако и при других значениях К моноэнергетичность пучка лучше, чем в случае возбуждения только одной основной волны. Диапазон значений К, при котором улучшается моно- знергетичность пучка, ограничен снизу значением К-, а сверху при любых величинах К моноэнергетичность пучка будет лучше, чем в случае возбуждения только одной основной волны.

Более высокую степень моноэнергетичности пучка можно пол)дшть при возбуждении в ускоряющей структуре большего количества дополнительных волн, когда зависимость поля от времени приближается к прямоугольной. Однако практически возбуждение такого спектра дополнительных вопи в объемном резонаторе и настройка их частот затруднена, а дополнительный зффект улучшения моноэнергетичности по сравнению со случаем возбуждения одной дополнительной волны, приведенном на фиг. 3, будет небольшим.

Одновременное возбуждение двух указанных волн в ускоряющей структуре, кроме монознергетизации пучка ускоренных ионов, позволяет получить также эффект одновременной фазовой и радиальной устойчивости. В известном способе ускорения заряженных частиц в линейном ускорителе области фазовой и радиальной устойчивости несовместимы. Для значения фаз от О до 90 имеет место радиальная устойчивость, а в области 0-90° - фазовая устойчивость. По это причине при рабочем диапазоне отрицательных фаз обычно используют внешние фокусирующие устройства, например в виде квадрупольных линз. Как видно из фиг. 1, при одновременном возбуждении.двух волн результирующая кривая может

иметь двугорбый характер (кривая 3). В этом случае в процессе ускорения частицы будут совершать колебания по фазам в пределах двугорбости, попадая при этом поочередно то в область фазовой, то радиальной устойчивости. Таким образом, возбуждение дополнительной волны дает возможность получить фокусирующий эффект, это позволяет избежать использования дорогостоящих внешних фокусирующих устройств.

Формула изобретения

Способ ускорения заряженных частиц, например ионов, основанный на их взаимодействии с продольным аксиальным полем стоячей электромагнитной волны, возбуждаемой в резонаторе с трубками дрейфа, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности ускорения, одновременно с основной волной в резонаторе путем подключения к нему дополнительного генератора возбуждают дополнительную волну типа ,где , 3частоту которой настройкой резонатора подбирают кратной частоте основной волны, а отношение амплитуд основной и дополнительной волны больше единицы.

Источники информации, принятые во нимание при экспертизе

1.Власов А. Д. Теория линейных ускорителей. Атомиздат, М., 1965, с. 115.

2.Гаврилов Н. М. Исследование радиальной устойчивости в системе с пролетными трубками и магнитной связью на периферии. Ж.Т.Ф. ТХП, в. 5, 1971, с. 1012.

3, Каретников Д. В. и др. Линейные ускорители ионов, Атомиздат , 1962, с. 13-24.

Кдй

го

г

-ftv

o.s о.е/ 0л /о.е а к и

Фиг I

Ю1.$