Способ ускорения заряженных частиц Советский патент 1981 года по МПК H05H9/00 

(54) СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

1 ,,.

Изобретение относится к ускорительной технике.

Известны методы ускорения заряженных частиц, в которых ускорение частиц осуществляют с помощью высокочастотных ускоряющих структур резонаторов или волноводов Cl.

Эти методы основаны на возбуждении в высокочастотных структурах бегущих или стоячих электромагнитных ТМ-волн, продольная составляющая электрического поля которых и осуществляет ускорение частиц.

Недостатком этих методов является наличие большой величины Ълектрическог-. поля ТМ-волны у металлических стенок ускоряющей структуры. В связи с э ТИМ и 3-3а оп аснос ти раз вития пробоя ограничены возможности увеличения напряженности ускорякйцего поля.

Наиболее близким техническим решением является способ ускорения зйряженных частиц с помощью высокочастотного цилиндрического резонатора 2J

В таком резонаторе возбуждают стоячую электромагнитную ТМ-волну, содержащую продольную и поперечную составляющие электрического поля и пr, составляющую магнитного

поля. Пучок заряженных частиц пропускают вдоль оси резонатора, где осуществляется его ускорение с помощью продольной составляющей электрического поля.

Недостатком этого способа явЛяется наличие большой величины продольного электрического поля на торцовых металлических стенках резонатора, а

0 в некоторых случаях также и больших величин поперечных составляющих электрического поля на его боковых поверхностях. Благодаря этому напряженность продольного ускоряющего ito15ля в известном способе ограничивается величиной порядка 1о В/см из-за опасности развития пробоя.

Целью изобретения является увеличение напряженности ускоряющего поля за счет увеличения электрической проч20ности резонатора.

Цель достигается тем, что при осуществлении способа ускорения заряженных частиц с помощью электромагнитного поля возбуждаемого в высокочастотном цилиндрическом резонаторе, ускорение пучка осуществляют, пропуская его в полости, перпендикулярной продольной оси резонатора, в котором .возбуждают, 30 электромагнитную ТЕ-волну с тангенциально направпенным вблизи стейок атор1аэ лектрйче скйм поле Способ проиллюстЕ иройан чертежом. В цилиндрическом резонаторе 1 с круговым поперечным сечением возбуждают ТЕ-волну, имеющую следующие компоненть : азимутальное электрическое поле , радиальное магнитное поле Нр и продольное магнитное пол Н. Ускоряющий пучок 2 прОпускййт че рез резонатор перпендикулярно его оси - вдоль оси X (см.чертеж). Расстояние Ь от оси резонатора до оси X выбирают таким образом, чтобы элёйт эйческбё поле в точке 3 траекто рий пучка было близко К максимальному . При этом прирост энергии частиц в резонатбре будет близок к м ксймальнбмуТТТрй двйжёнйийддль оси X пучок снача ла вблизи стенки попадае.т в малое электрическое поле, которое к тому

. (m) (,1..,„й4Ч)

пле

.- nm J-1 т |-)со -гъ ()

пп. а

-Enm Jo(m |-) (4)t+4) постоянная величина, опре деляющая амплитуду колеба ний; ,Jo - функции Беесаля; бгп - корень уравнения J(Л) О ; с - скорость света; . Ч - фаза колебаний; . - собственная частота резонатора;R - радиус резонатора; d - его длина (см.чертеж). , 1 .- От ч: - Rl dl Из формулы (1) видно, что элёктри еское поле обращается в нуль на зсех стенках резонатора. Поэтому даже при большой величине этого поля порядка 10 В/см при достаточно вы сокой вакууме в резойаторе не разо вьётся пробой. Это следует из того известно J факта, что при высоком ва кууме развитие пробоя начинается с пр электродной области,а в самом вЪкуумном промежутке в случае ,когда его размеры Существенно меньше длины свобод ного пробега молекул остаточного гаэп, пробой не развивается (при отсутствии затравки из области электродов) . : . .; , . Дл5Гпtjлyчёния мaкcимaльнo гo энергии ускоряемый пучок йадо пропускать в области, где ускоряю Щёй элекТрическое поле имеет Макбимдл ную величину, т.е. согласно формулы

OJT же направлено под углом к траектории пучка (угол et см.чертеж), однако по мере его движения электрическое поле возрастает и угол между его направлением и траекторией пучка уменьшается. Накркец в точке 3 угол oi обращается в нуль, при этом действие поля на пучок наиболее эффективно: вцбрром расстояния Ь достигают того, чтоЬы электрическое поле в этой точке траёк брии пучк.а было максимальйо. При этом полный прирост энергии Частицы в резонаторе будет максимальHbw (при дальнейшем движении после точки 3 ускоряющее поле уменьшается и угол меЖду его направлением и траекторией пучка увеличивается). 1 ассКШтримпринцип действия предлагаемогр способа ускорения.Электромагнитное поле ТЁ-волн, как известно, определяется соотношением: (l) области, где sin Z 1.. БУ-. дем считать для простоты, что ускоряемый пучок движется равномерно и прямолинейно вдоль оси X: . t Это практически выполняется для релятивистских пучков, либо имеющих достаточно большуюначальную энергию, либо движущихся в фокусирующем продол%ном магнитном поле.В обоих этих случаях влиянием высокочастотного магнитного поля Hg можно пренебречь (поле Ef-Q) в выбранной области, где51Г1- н 1. В этих предположениях легко получить следующее выражение для прироста энергии частицы, пролетевшей резонатор cosC- X+w- Xo) -Cix , (4} УЪ«+«5 где за. принята точка 3 (см.чертеж) Следует заметить, что могут быть выбраны условия, при которых эффективность предлагаемого метода будет еще более высокой. Так можно пропускадь; пучок по криволинейной траектории, показанной на чертеже пунктиром 4. При этом длина пути частиц в резонаторе уменьшается как раз за счет участкой, где пучок, движущийся по прямолинейной траектории 2, находится в тормозящей фазе, а на самих эти участках пучок движется перпендикуля но направлению электрического поля и не тормозится. Кроме того рассмотренный цилиндрический резонатор с круговым поперечным сечением является не единственно возможным для реализации предлагаемого способа ускорения. Электро магнитные колебания с тангенциально направленным у стенок резонатора электрическим полем возможны, как известно, и в других структурах. Так перспективным представляется использование цилиндрического резонатора с эллиптическим поперечным сечением. Здесь из-за уменьшения угла пролета при движении пучка параллельно короткой оси эллипса можно повысить среднюю напряженность-ускбрякдде го поля. Формула изобретение Способ ускорения заряженных частиц с помощыд электромагнитного поля, возбуждаемого в высокочастотном цилиндрическом резонаторе, отличающийся тем, что,С целью увеличения напряженности ускоряющего поля, ускорение пучка осуществляют, пропуская его в плоскости, перпендикулярной продольной оси резонатора, в котором возбуждают электромагнитную ТЕ-волну с тангенциально направлен- . ным у стенок резонатора электрическим полем. Источники информации, принятые во. внимание при экспертизе 1: Вальднер О.А. Линейные ускорители электронов.- Атомиздат, М., 1966. 2. Вальднер О.А., Власов А.Д., Шальнов А.В.. Линейные ускорители. -Атомиздат, М., 1969.