Ускоряющая структра для линейных ускорителей заряженных частиц

 

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<SB POS="POST">OMN</SB>-типом колебаний. Поскольку в данной конструкции не существует тип колебаний TE<SB POS="POST">IMN</SB> на рабочей частоте, то электрическое поле на стенках мало, что позволяет поднять напряженность ускоряющего поля на оси структуры. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 5 Н 05 H 7/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР. (21) 4623255/24-21 (22) 20.12.88 (46) 07. 10.90. Бюл. Р 37 (72) В. В. Закутин, И, Е. Кулешов, В.А. Кушнир и А.M Шендерович (53) 621.384(088.8) (56) Farkas Ь,D. Particle acceleration with ТЕD cavity. In Proc. Ä of

1979 Тinear accelerator conference

Montank, 10-14 Sept. 1979, YiewYork, 1979, Р 4, р.р. 190-193. (54) УСКОРЯ10ЩАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ (57) Изобретение относится к ускорительной технике. Цель изобретения ускорение за счет повышения предельно допустимой величины напряженности ускоряющего поля. Ускоряющая структура выполнена в виде прямоугольного

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, 3 и 4 — варианты возбуждения ускоряющей структуры, Ускоряющая структура (фиг. 1) представляет собой прямоугольный волновод

1, на широких стенках 2 которого одно

„„5U. „, 1Ы8226Ь1

2 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 запредKIbHI х цилиндрических волноводов, так что вдоль оси структуры образуется последовательность объемных резонаторов с

ТЕ „ -типом колебаний. Поскольку в данной конструкции не существует тип колебаний ТЕ;,„„ на рабочей частоте, Я то электрическое поле на стенках мало, что позволяет поднять напряженность ускоряющего поля на оси структуры. 4 ил. против другого расположены круглые отверстия 3. В эти отверстия вставлены и закреплены (например,с помощью пайки или сварки) запредельные цилиндрические волноводы 4, Торцы 5 цилиндрических волноводов расположены в плоскостях широких стенок 2 прямоугольного волновода. Оси последовательно расположенных цилиндрических волноводов находятся одна относительно другой на одинаковых расстояниях

S Оси цилиндрических волноводсв с нечетными номерами расположены в одной плоскости (прямая AB на фиг. 1), оси цилиндрических волноводов с четными номерами — в другой плоскости (прямая

1598228

CD на фиг. 1). Эти плоскости параллельны одна другой, параллельны оси прямоугольного волновода и pacdc положены на одинаковом расстоянии h

5 dt — -=еЕч. от нее. Диаметры цилиндрических волноводов 2а и расстояние между широкими стенками прямоугольного волновода 1 выбраны иэ условия существования собственного типа колебаний резонаторов, образованных областями связи цилиндрических и прямоугольного волноводов. Каждая пара цилиндрических волноводов с примыкающей к ним частью прямоугольного волновода образуют в (,, ) (е ) (2) этом случае резонатор.

Е (r, z, t) = Е (r, z) cosCOtt.(2

Ускоряющая структура работает следующим образом.

Для создания ускоряющего поля структуру возбуждают с помощью внешне-2р го ВЧ-генератора или модулированного пучка. Для возбуждаемого типа колебаний цилиндрические и прямоугольный волноводы запредельные и поле в них

° а Ee yh

E v - =E.„h ч соз()(= — — — —быстро спадает с расстояния. Поле сос-25 Ьс Хс

Ь+Х редоточено в основном в областях связи цилиндрических и прямоугольного волноводов. Расстояние между узкими стенками прямоугольного волновода L и длина цилиндрических волноводов g выбраны из условия, чтобы напряженность электрического поля на узких стенках прямоугольного волновода Е, и напряженность электрического поля на тор- ьа+x(t)с а уравнения для прироста энергии частицы 6

Для рассматриваемого типа колебаний электрическое поле имеет только одну азимутальную составляющую Е(), которая является функцией времени t, r и z, где r — расстояние от оси

k-ro резонатора, z — расстояние по высоте от оси прямоугольного волновода (фиг. 1):

Выбирая оптимальное значение z=p рассчитывают прирост энергии частицы в k-м резонаторе. На фиг. 2 показана траектория частицы вдоль оси Х в окрестности k-ro резонатора. Из этого следует, что где за начало отсчета по оси Х принято положение центра резонатора.

Пользуясь (1), (3) и фиг; 1, получают для прироста энергии в k-м резонатор е

6 к =evh г E (г(t) j сов(д tdt

1. (4) Для полного прироста энергии при оптимальной фазировке полей в резонаторах получают ц х 6 цилиндрических волноводов Eq были меньше пробивной напряженности где t, tq — моменты влета и вылета поля Е(е для того, чтобы при работе частицы иэ ускоряющей ускоряющей структуры не происходил пробой. структуры;

r(t) — расстояние от оси k-ro

После возбуждения ускоряющей струк-4О резонатора до места растуры через нее пропускают ускоряемый положения частицы в мопучок. Прирост энергии ускоряемой мент времени t,; частицы в ускоряющей структуре пред- х(t) — координата частицы в моставляет собой сумму приростов энер- мент времени t, гии частиц в каждом из резонаторов. 45 Переходя в формуле (4) от интегНаходят прирост энергии частицы в рирования по t к интегрированию по х

k-м резонаторе. Исходят из известного (фиг. 1), находят ь + (m-1.)1 еч",) < <„ (X +h ) cos-- ° — -- —, (5) е дх . dx

Х +Ь ч р где N - полное число резонаторов в ускоряющей системе. м- ь0+(N-ки

Ях, dx ф =evh j Е (Х +Ь|) eoe — — — - ° (6) хе+ь

5 1598228 6

Для получения максимального при- расположены оси цилиндрических волноI роста энергии частиц расстояние h от водов, необходимо выбирать из условия оси пучка до плоскостей, в которых

М Ь2+ (N k)d

dx (X +h ) (3x

=О. (7) Ечк

-ь,-м кй

СВЧ-полем производится с помощью волноводной линии 7 и направленных ответвителей 8. Для настройки резонатора на собственную частоту f разветвления волноводов на ТЕО -типе колебаний их размеры должны удовлетворять соотношению а е 1 (сЛ е — +I I ) — — - + — -) = 8 p pP ((+ Рт)(чт рт) (8)

1 Гlo(K а) Ко(а) q О l p () е ) I (Еаа) К((g(I а) I < L и O ()Е где Р, =3

Р = fI /1;

25 м, ) р (--) ° ье,->

1î (g а), 1> (у а) — модифицирован30 ные функции

Бесселя;

К, (gq ), К (а) — функции Макдональда .

«I8(i

Е = Ао + Во — — — — cosP z npu r < à (z)61/2;

I©(Р, а) 1h(ggl/2) I((уа) 2 з

6 K8 (ter) Eq - =Â() — — — - cos P z

К (а) при r > а,(z) ( ( (9) Х (Рr) Е = А I (Р,а) 3 Ф(2 С/1) 1 е

-; при r

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

Ъ L

55 Ä (P 2) ЕНР (10) В рассмотренном примере при максимальном значении напряженности поля

E()8()I«w 10 В/см и пробивной напряРассмотрим пример практической реализации предлагаемой структуры, схема которой показана на фиг. 3. В этом примере ускоряющая структура представляет собой последовательность из

N = 8 резонаторов, работающих на

ТЕ и » волне. Запитка резонаторов де I <(P г), 1О(Р< r) — функции Бесселя 1-го рода;

r — расстояние от оси k-го резонатора до точки, где определяется электрическое поле. к

Подставляя выражение Еу для области значений (х) а (ач- лз н Еч ллн области значений IXI т (аз- 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;

Из формулы (8) следует, что, . например, собственная частота f=6000 МГц может быть получена при а = 2,98 см, 1 = 1,87 см. 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 описывается следующими соотношениями в одноволновом приближении, являк)щимся достаточно точным

1598228 женности поля Е = 3 10 В/см с по5

1 4 мощью формул (9) получают -+h 15 см, те.L=7см. 5

Возбуждение предлагаемой ускоряющей структуры не обязательно должно производиться с помощью волноводной линии (фиг, 3). Другая возможность иллюстрируется примером, показанным

10 на фиг. 4. Здесь возбуждение ускоряющей структуры осуществляется двумя модулированными электронными пучками

9 и 10 с относительно высокой интен15 сивностью и небольшой энергией, пропускаемых в области, где возбуждаемое ими в резонаторах электрическое поле является малым. Частота модуляции пуч-.

1 ков совпадает с собственной частотой

20 резонаторов на ТЕод -волне.

Третьей возможностью является возбуждение ускоряющей структуры путем ввода ВЧ-мощности через открытый конец прямоугольного волновода. В этом 25 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 ТЕО„„„-тин колебаний является выраженным, при его возбуждении одновременно возбуждается 7N „-тип . колебаний, имеющий такую же резонансную частоту. Поскольку электрическое поле на стенках в резонаторе на таком типе колебаний имеет .большую величину, то воэможности уве40 личения напряженности поля в такой структуре ограничиваются на уровне сотен киловольт на сантиметр из-за развития пробоя.

Б предлагаемой структуре при выбранных размерах волноводов, обеспечивающих настройку на заданную частоту резонаторов, образованных разветвлением цилиндрических и прямоугольного чолноводов, тип колебаний TN „на

rn

Ь +(N-Wd

Е4к

-ь,-м где М вЂ” собственная частота резонаторов, с, v — скорость ускоряемых частиц, м/с; этой частоте не существует. Поэтому электрическое поле на стенках мало и может быть всегда сделано меньше пробивной напряженности поля.

Кроме того, в этой ускоряющей структуре нет необходимости делать отверстия для пролета пучка, которые также 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 10 В/см, что более чем на порядок превышает макси- . мальную напряженность поля, которую можно получить в известных ускоряющих структурах. формулаизобретения

Ускоряющая структура для линейных ускорителей заряженных частиц, содержащая последовательность резонаторов с TE „-типом колебаний, оси которых 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, о т л и ч а ю— щ а я с я 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

Ях dz (X +h ) cos

V xn+he1

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

Фиа!

Ьг. 2

1598228

b - расстояние от оси последнего цилиндрического волновода до конца прямоугольного волновода, м, (=$ S -4К, S - расстояние между осями соседних цилиндрических волноводов, м;

F<„- аэимутальная составляющая напряженности собственного электрического поля реэонатора, В/м;

N — полное число реэонаторов.

1598228

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", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Редактор А.Козориз

Заказ 3074

Составитель Е. Громов

Техред Л. Олийнык Корректор Н, Король

Г, Подписное