Способ ускорения пучка заряженных частиц

 

СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ПУЧКА ЗАР ЖЕННЫХ ЧАСТЩ, основанный на его резонансном ззаимодействии с электромагнитным полем бегущей волны, заключающийся в инжекции заряженных частиц в волновод, в котором возбуж дают; продольное магнитное поле и электромагнитную волну типа Е т, п число соответственно азимутальных и радиальных вариаций поля отличающийся тем, что, с целью уменьшения потерь высокочастотной мощности в С1енках волновода , азимутальное движение частиц синхронизируют с азимутальным изменением продольного коьшонента электрического поля ускоряющей электромагнитной волны, изменяя индукцию продольного магнитного поля согласно выражению R соЕ ( г fiof i - л;1 оГ лт| j где U3 - циклическая частота высокочастотного поля; q - заряд частицы; с - скорость света; . ,. относительная фазовая скорость волны в волноводе; относительная азимутальная скорость частиц; Е - энергия частиц; Е - энергия покоя.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСГ1УБЛИН (! 9) (11) А (51)4 Н 05 Н 9 02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ с целью уменьшения потерь высоко" частотной мощности в стенках волновода, азимутальное движение частиц синхронизируют с азимутальньм изменением продольного компонента электрического поля ускоряющей электромагнитной волны, изменяя индукцию продольного магнитного поля согласно выражению

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3587789/24-21 (22) 04.05.83 (46) 15.08.85. Бюл, 11 - 30 (72) В.H. Пашенцев (53) 621.384.6(088.8) (56). 1. Лебедев А.И. и Шальнов А.В.

Основы физики и техники ускорителей. H.„ Энергоиздат, т.1, 1981, с. 26-28.

2. Вальднер O.A. и др. Линейные ускорители., 1970, Атомиздат, с. 62-68 (прототип). (54)(57) СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЬИ ЧАСТИЦ, основанный на его резонансном взаимодействии с электромагнитным полем бегущей волны, заключающийся в инжекции заряженных частиц в волновод, в котором возбуждают продольное магнитное поле и злектоомагнитную волну типа Е„„, где

m и — число соответственно азймутальных и радиальных вариацьи поля, отличающийся тем, что, циклическая частота высокочастотного поля; заряд частицы; скорость света; относительная фаэовая скорость волны в волноводе; относительная азимутальная скорость частиц; энергия частиц; энергия покоя.

11354? Ц

"GJlf10BOPB .

) 2 = и 2.

1«2t. (1 1 ?-@в < f- P,- -."- ) I)

С «1< tie 1

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для создаш<я ускор?1телец электронон.

Известны высоковольтный си<:соб ускорения заряженных частиц, ЗаклюЧа!ОЩИ?<с?< В ТОМ g Ч ГО «.<Е)«ДУ ДВ<(МЯ злектродами создают разность потенциалон и инжектируют частицы ff3 .<сгочника заря.кенных частиц, рас<<оложен<-ного на .Одном ?<3 электродов Pi) .

Недостатком этого способа является ограниченность выходной энерги 1 заряженных частиц, С.вяэанная грудностями получения высоких напряжений.fi. 11

Наиболее близким по технической сущности являет"; :.-.пасоб ускорения

*" пучка 3 аряженны;<. Частиц, Ос ноBG?f, ный на еГО резОHанснОы взаиыОде*<ст

Вии с электромаГнитным по)<еи б(1 у,?f

«<< <1 число азимутальных и рад?<аль<1?<х гзри-< I ации -1оля (2 .:0<;;- ;; Г:< ° 3.?<х це.«1::- испол<)зу<(<< вол:<овс, bf,, нагруж;- «ные замедляющей стру<,-:. урой, -«<р?<ь<:,, круглые диафраг" 1»р эванны< волн;. Во.-(ы .. )

ДИафРаГМЫ > РаС ПОЛО)<((- 1<НЫЕ н ВОЛЕ » ВО«",<. .

Об< спечиыают инх2-;Онностг, 01<ижс«н,?«<

ВОЛНЫ И ЧаС1 ИЦ фОКУС<«РОВКа:,С 1 ОРЫ>

ОСУЩЕСт:.ЛЯЕГСЯ ЛРОД01<ЬНЬьь< МВГ:;НТным 11олем, Н<г<0< T?1 < KGi < э < о А ", (< f 0(: .<о(1

/ ялляю гся вь«сокие. ПО 1 ;- p?I Высоко ч«а с тот ной мощно т,< в сте <к=-х дна<(<ра<ь

ЦЕЛЬ ?1306pBT<ЕНИЯ " у 1Е?<Ь< = Hi

Цель достигается те, -;„, -г<0 в н в(,ном cf)Gc06<- ус1 "Орс ния ffучк а Заряжен ных частиц азимуталь;<ое дв<гжение ч;;:с" тиц синхрсннзируют с ази.. .,утальньг<,. изменением продольного комионе;<та "м < электрическо-G по:1я ускор:::-.ющ<е?1 электромагнитнои волны изменяя 1и:дукцию продбльнОГG ма-., н <тнoi 0 11021;I согласно вь<ражени<в

-.H0

q — -заряд частицы; с — скорость света;

9 о — относительная фазовая скорость волны в волноводе; .О< GTHOcительная азимутальная скорость частиц „

;нергия частиц;

Š— знергия покоя. г)

Такой сгособ уско-ения заряженных частиц позволяет увеличить КйД и шун f GBGe сопротивление ускоряющего волновода за счет снижения потерь высокОчастОТНОЙ ?<0<12?foe T?I в :т<енках вопновода. Это достигается путем уменьшения граничной повер1ности

Уран?<ение 1:родо)ль?<ого компонента электрическо1 о поля бегущей волнь: Е

«<< <, в ц<<линд- н<1ес ких координатах 3 аписы ваеi< я следующим образом:

< .- -6«..2 й. г (.<з Ф <. «Е1(<< < 1421 i- 2 <) (2) г;le" ., - ам.1литуда уско яющего и <ля; фУII:;.ЦИЯ 8: < .е„ IЯ "IРРЯДка <<2„

К„,, - .Опер;!

К> — про «Ольно(БОлнОВОС число.Запис«1<ая с, t<1 43< 3 комплексном

Виде„ получим два компонента лродольHG 0 »0ffH один из которых выражаеr

c H формул ой

2 2 <, «. „, =- - <.„,, „(«r <.>I1L«ь2 и, -"«Яf" . (2}

Ес<эи уг0. изм=tIR<= 1< c» l

« 1 <3 -Ос гв(- тс riiует ча«-тl<це вращаю

ЩьйСЯ В<ЭКРУГ ОСИ ВОЛ IOHOP& С «< "ICTO т011 Обрг<11<02< IA < > Tc "()аЗОвую ско» рость волны:«10 1:<о определи"-ь по фор-.-уле

Я («Й2 )) . г<<1)

-;.й . ) р ы << <,< — фаз; яая c!<:Gðocòü замедлен)

НG<; нол<<ы!

V,-. - 4<а<3«<11:.ая скоросTb волны в

« l< 1?1«з " -<д - 2 часто<а сБращ()2<1<я частиц, 1135420 4

Таким образом, частица, вращающаяся в волноводе, видит электромагнитную волну замедленной. Из соотношения (4) видно, что фазовая скорость замедленной волны V в гладком волноводе при определенном соотношении частот и числа азимутальных вариаций поля может стать меньше скорости света. Поэтому гладкий волновод можно использовать для ускорения частиц полем бегущей. волны с фазовой скоростью, большей скорости света. Нагружая волновод диафрагмами или другими устройствами можно предварительно уменьшить фазовую скорость волны в волноводе

Ч, при этом соответственно будет ф 9 уменьшаться фазовая скорость замедленной волны. Меняя величину индукци магнитного поля, и, следовательно, частоту обращения заряженных частиц Я, можно также изменять фазовую скорость волны, Зависимость индукции магнитного поля вдоль оси волновода от параметров ускоряющей системы и энергии частиц можно найти из равенства фаэовой скорости волны и продольной скорости частиц вдоль оси волновода. Частота обращения частиц выбрана такой, что они, двигаясь по азимуту, выходят из области, в которую приходит волна, имеющая тормозящее направление продольного компонента электрического поля, и входят в область, где направление поля ускоряющее.

На чертеже изображена ускоряю0 щая система, предназначенная для ускорения электронов по предлагаемому способу.

Система состоит из цилиндрического гладкого волновода 1, помещенного в соленоид 2, ось которого парал- . лельна оси волновода и смещена на расстояние, меньшее радиуса волновода. Ось инжектора 3 параллельна оси волновода. Волновод 1 возбуждают на волне Е с азимутальными вариаmn циями поля и через отверстие в торцовой стенке в него иижекцируют пучок электронов, выходящий из инжектора 3 и двигакяцийся по спирали под действием магнитного поля соленоида 2. Подбором плотности витков соленоида вдоль волновода добиваются изменения индукции магнитного поля соленоида в зависимости от конечной энергии ускоряемых электронов по формуле (6).

Конкретные примеры осуществления способа ускорения при различных значениях азимутальной составляющей скорости (различные значения энергии инжекции при разных величинах смещения оси медного волновода относительно оси соленоида) при одном и том же законе изменения индукции магнитного поля приведены в таблице.

Как видно иэ таблицы, коэффициент затухания для различных типов ускорителей имеет один и тот же порядок и колеблется в пределах от 1,6 ° 10 до 5,1 10 1/М, что на порядок меньше, чем в существующих ускорителях с диафрагмированным волноводом и осевым ускорением заряженных частиц.

Возбуждение магнитного поля по заданному закону (6) обеспечивает синхронное аэимутальное движение

15 и

2$ (5) 30 т с.rq p (т E! (6) З

Таким образом, если индукция магнитного поля вдоль оси волновода будет изменяться в соответствии с этой формулой, частицы будут двигаться синхронно с бегущей волной.

Угол между направлением скорости частиц и ее азимутального компонента выражается формулой

Индукция магнитного поля равна где r — радиус движения частиц.

Процесс ускорения выглядит следующим образом: частицы, ускоряясь продольным компонентом электрического поля, двигаются по азимуту одновременно с перемещением волны

В частиц с. азимутальным изменением продольной составляющей электрического поля и позволяет достить той же энергии при меньших потерях мощности.

ll35420

Тип ускоряющего волновода

Примеры цилиндрический коаксиальный

3 8 6

3,5

530

0,134 0,082

Ов058

0,97 0,9

0,69

Корректор Е. Сирохман

Техред А.Бабинец

Редактор Л, Письман

Заказ 5764/2 Тираж 794

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 1 3035, Москва, 3-35, Раушская наб., д . 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент",, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Тип волны E пn

Длина волны, см

Радиус волновода, см

Радиус внутреннего проводника, см

Смещение оси волновода от оси соленоида, см

Энергия инжекции, КэВ

Индукция инжекции, Т (Выходная энергия., МэВ

Индукция на выходе ускорителя, Т

Длина ускорителя, М

Коэффициент затухания, 1/М

Е Е

2 3

1,75 2,7

680 600

1,95 3,1

3,3 10 1,6 10

Е.

3,1

5в l l0