Линейный резонансный ускоритель

 

1. ЛИНЕЙНЬЙ РЕЗОНАНСНЫЙ УСКОРРГГЕЛЬ, содержащий электронноионный инжектор, фокусирующие соленоиды , резонансную структуру, содержащую отражатель, поперечное сечение которого выполнено в форме эллипса , и многослойные линзы, подключенную к двум СВЧ-генераторам с различными рабочими частотами и устройство возбуждения, содержащее кольцевые магнитные индукторы, подключенные к источнику квазистатического напряжения , отличающи. йся тем, что , с целью повьшения. КПД ус1« рителя , в него дополнительно введен электррнньй инжектор, а внутри полости отражателя размещены ускоряющая резонансная структура и резонансная структура устройства возбуждения, вьшолненные в виде двухча.стотных интерференционных фильтров, приэтом ускоряющая резонансная структура настроена на выделение волн типа Е, а резонансная структура устройства возбуждения настроена на вьщеление волн типа Е, при выполнении следующих условий: СО, о г О-г, где Сд5, - первая резонансная частота ускоряющей резонансной структуры и резонансной структуры устройства возбуждения i Ci) - вторая резонансная частота ускоряющей резонансной структуры и резонансной структуры устройства возбуждения, Ы, - частота первого СВЧ-генера тора} частота второго СВЧ-генера .тора, а кольцевые магнитные индукторы выполнены охватывающими резонансную структуру устройства возбуждения, при этом электродный инжектор, фокусирующий соленоид, и ускоряющая структура устройства возбуждения расположены последовательно и соосно. 2.Ускоритель по п. 1, о т л и (Л чающийсЯ тем, что интерференционные фильтры вьшолнены из однородных слоев металтшзированного диэлектрика с разными показателями преломления , причем слои выполнены в виде усеченных конусов с уменьшающимися , углами раствора конусов в ускоряющей резонансной структуре в направлении а от электронно-ионного инжектора и с 00 .постоянными углами раствора конусов в р.39 нансной структуре устройства о возбуждения. л 3.Ускоритель по пп. 1 и 2, о тли чающийся тем, что резонансные структуры выполнены в виде каскадов, расположенных соосно и следующих один за другим в направлении от инжекторов, причем в каждом последующем каскаде косинус угла раствора конических слоев резонансной структуры устройства возбуждения увелич-ен.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) <НИ 4 Н 09 Н 9/02

1 н Н

t ь

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3647680/24-21 (22) 27.09.83 (46) 30.09.86. Вюл. и 36 (72) А.И.Дзергач и В.В.Кузьмин (53) 621 ° 384 ° 6(088 ° 8) ь (54) (57) 1. ЛИНЕЙНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ

УСКОРИТЕЛЬ, содержащий электронноионный инжектор, фокусирующие соле ноиды, резонансную структуру, содержащую отражатель, поперечное сечение которого выполнено в форме эллипса, и многослойные линзы, подключенную к двум СВЧ-генераторам с различными рабочими частотами и устройство возбуждения, содержащее кольцевые магнитные индукторы, подключенные к источнику квазистатического напряжения, о т л и ч а ю щ и, и с я тем, что, с целью повышения КПД ускорителя, в него дополнительно введен электронный инжектор, а внутри полости отражателя размещены ускоряющая резонансная структура и резонансная структура устройства возбуждения, выполненные в виде двухчастотных интерференционных фильтров, при. этом ускоряющая резонансная структура настроена на выделение волн типа

Е, а резонансная структура устройства возбуждения настроена на выделение волн типа Е „, при выполнении следующих условий:

И! =Q< ("г где Ы, — первая резонансная частота ускоряющей резонансной структуры и резонансной структуры устройства возбуждения; (! — вторая резонансная частота ускоряющей резонансной структуры и резонансной структуры устройства возбуждения, ! (<2< — частота первого СВЧ-генератораа, !

Юг — частота второго СВЧ-генератора, а кольцевые магнитные индукторы выполнены охватывающими резонансную структуру устройства возбуждения, при этом электронный инжектор, фокусирующий соленоид, и ускоряющая структура устройства возбуждения расположены последовательно и соосно.

2. Ускоритель по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что интерферен- < ционные фильтры выполнены из однород- („„ ных слоев металлизированного диэлектрика с разными показателями преломления, причем слои выполнены в виде усеченных конусов с уменьшающимися углами раствора конусов в ускоряющей резонансной структуре в направлении от электронно.-ионного инжектора и с постоянными углами раствора конусов в резс<нансной структуре устройства возбуждения.

3. Ускоритель по пп. 1 и 2, о тл и ч а ю шийся тем, что резонансные структуры выполнены в виде каскадов, расположенных соосно и следующих один за другим в направлении от инжекторов, причем в каждом

0 последующем каскаде косинус угла раствора конических слоев резонансной структуры устройства возбуждения увеличен.

1168077

Изобретение относится к устройствам для ускорения заряженных частиц, а именно к линейным ускорителям для коллективного ускорения ионов.

Целью изобретения является повышение КПД ускорителя, которое достигается за счет увеличения среднего тока ускоренных ионов.

На фиг. 1 приведена схема одного каскада линейного резонансного ускорителя; на фиг. 2 — вид А на фиг.1.

Коллективный ускоритель состоит из электронно-ионного инжектора 1, фокусирующего соленоида 2, резонансной ускоряющей структуры 3, устройства возбуждения, которое содержит электронный инжектор 4, фокусирующий соленоид 5, резонансную структуру 6 устройства возбуждения, кольцевые магнитные индукторы 7, а также ускоритель, состоящий из двух СВЧ-гене° раторов 8, 9 и отражателя 10.

Углы раствора конусов (слоев)

ll обозначены (- a O) .

Устройство работает следующим образом. Внутри полости отражателя 10, поперечное сечение которого выполнено в форме эллипса, расположены ускоряющая резонансная структура 3 и резонансная структура 6 устройства возбуждения, выполненные в виде двух-частотных с частотами Q и Я интерференционных фильтров. Продольные оси резонансной структуры 6 устройства возбуждения и ускоряющей резонансной структуры 3 совпадают с фокальными параллельными между собой осями отражателя 10.

Резонансная структура 6 устройства возбуждения и ускоряющая резонансная структура 3 выполнены, например, из слоев металлизированного (толщиною в доли скин-слоя для СВЧ) диэлектрика с разными показателями преломления слоев (в простейшем случае с двумя разными показателями).

Слои фильтров резонансных структур располагаются с периодами Я< /2 и % /2, что обеспечивает выделение волн %<и h за счет пространственного параметрического резонанса.

Радиальные размеры фильтра, его толщина составляют много длин волн

СВЧ.

Расположение и шаг слоев соответствуют линиям равной интенсивности (изофотам) двух цилиндрических волн где С вЂ” скорость света в вакууме, У,,И (И, ьз ) — резонансные частоты двухчастотного поля, К <, К вЂ” продольные волновые числа двухчастотного поля.

40 Указанные резонансные структуры

3 и 6 подключены к двум СВЧ-генераторам 8 и 9.

При отсутствии электронно-ион45 ного и электронного пучков от инжекторов 1 и 4 генераторы возбуждения

8 и 9 создают в резонансных структурах 3 и 6 двухчастотное (с частотами Q,и 6)< ) поле. В фильтре резонансной структуры 6 устройства возбуждения — это цилиндрическое поле типа Е,„ для каждой частоты, а в фильтре ускоряющей резонансной структуры 3 — это суперпозиция цилиндрических полей типа Е. Эти поля концент55 рируются в приосевых зонах около

ocean Z< и Zq до напряженности порядка E = ш„С 6А,, где m С

3 Ю

I « 0,5 М - энергия покоя электрона, 5

10 !

30 типа Е„„с частотами Я, ия,(и< ь),-)

Слои диэлектрика выполнены в виде усе«енных конусов. Углы раствора этих конусов (— «<- D) у слоев реэоЯ нансной структуры 6 устройства возбуждения постоянны в каждом каскаде, но изменяются от каскада к каскаду.

Резонансная структура 6 устройства возбуждения окружена кольцевыми магнитными индукторами 7, которые, в свою очередь, подключены к источнику квазистатического напряжения (который на чертежах не обозначен).

Интерференционный фильтр ускоряющей резонансной структуры 3 выполнен аналогично вышеописанному фильтру из однородных слоев в виде усеченных конусов, металлизированного диэлектрика (в доли скин-слоя для СВЧ) с разными показателями преломления.

Радиальные размеры фильтра, его толщина составляют много длин волн СВЧ.

Углы раствора конусов слоев фильтра ускоряющей резонансной структуры 3увеличиваются по продольной оси Z< фильтра в направлении электронноионного инжектора 1 и связаны зависимостью со скоростью VZ продольного движения узлов биений двухчастотного ц,, М< поля, выражаемой в нерелятивистском приближении формулой

v(z) (Я< - ы,) и< -ю — — — вес&(Е) (1)

С С(К< — K ) Ó< tN<

116 и — рабочие длины волн генератоI L°. ра 8 и 9 (," = 2>C/сд,д) . Интерференционные фильтры резонансных структур

3, 6 подавляют паразитные волны. У полученных с помощью фильтров двухчастотных полей узлы биений движутся по осям Z и Z< причем в резонансной структуре 6 устройства возбуждения эта скорость постоянна, а в ускоряющей резонансной структуре 3 10 скорость узлов биений нарастает по оси Z (в направлении от инжектора 1) .- Значение этих скоростей определяется формулой (1). В окрестности узлов биений двухчастотных полей 15 существуют в.ч. ямы, т.е. области устойчивого финитного движения заряженных частиц. Если в одну из многих, в.ч. яму поместить равномерно заряженный электронный шар, то макси- 20 мальный заряд шара, удерживаемый в.ч. ямой, будет таков, что напряженность кулоновского поля на поверхности шара может достигать. примерно десяти процентов от амплитуды напрял женности в.ч. поля Е. Таким образом, в приосевой зоне при напряженностях в.ч. цоля порядка Е т С С5 эффективность,в.ч. ям велйка. После того как напряженности в.ч. полей 30 достигают указанных пределов, включаются инжекторы 1 и 4. Электронный пучок с энергией порядка 100 кэВ от инжектора 4 движется по продольной оси. резонансной структуры 6, попада- 35 ет в зону сильного приосевого поля и распадается на сгустки в окрестностях узлов биений .в.ч. поля. Средняя продольная скорость этих сгуст- ков за в, ч. период Тд(ТО = 2в /(до, Я, 1<д

Я = — — — ) постоянна и совпадает

) со скоростью движения узлов биений двухчастотного поля резонансной структуры 6, т.е. сгустки сидят в в.ч. ямах и синхронно с ними движутся. Индукторы 7 создают в резонансной структуре 6 квазистатическое (с частотой порядка 100 кГц)- продольное электрическое поле подпора, кото- о рое смещает среднее положение сгустков вперед относительно центров в.ч. ям, В результате этого смещения электронные сгустки когерентно колеблются в продольном направлении относительно центров в.ч. ям, что приводит к когерентному излучению в резонансной структуре 6. Магнитные .

8077 4 индукторы поддерживают постоянство энергии и средней скорости электрон ного пучка, возбуждающего устройствс возбуждения. Электронно †ионн пучок от инжектора 1 попадает в зону сильного приосевого поля резонансной структуры 3 и распадается на электронно-ионные сгустки, которые захватываются в.ч. ямами, движущимися с нарастающей по оси Z скоростью. Сгустки под действием сил инерции смещаются назад относительно центров в.ч. ям, что вызывает их когерентные продольные колебания, аналогичные описанным выше, и приводит к когерентному излучению в резонансной структуре 3. При этом в резонансных структурах 3 и 6 происходит комбинационное рассеяние электромагнитных волн на когерентно колеблющихся сгустках. Это приводит к резонансной структуре 6 к нарастанию в.ч. волны, т.е. волны с повышенной частотой ь, за счет энергии индукторов 7 и отчасти за счет н.ч. волны Я, а в резонансной структуре 3 — к нарастанию н.ч. волны Q за счет в.ч. волны Я, и к передаче энергии ускоряемым электронноионным сгусткам. Связь обеих резонансных структур 3 и 6 по в.ч. полю, обеспечиваемая отражателем 10, дает возможность поддержания амплитуд в.ч.

Я, и н.ч. СО< волн в резонансных структурах 3 и 6 постоянными.

Средняя скорость электронно-ионных сгустков совпадает со скоростью движения узлов биений в.ч. ноля, ко-. торая рассчитывается по формуле (f) .

Из формулы видно, что для увеличения скорости узлов необходимо либо уменьшить разность продольных волновых чисел (что здесь и осуществляется), либо увеличивать разность резонансных частот (как это было сделано в прототипе). Для этого в прототипе организовывалась периодическая частотная модуляция сигнала, которая обеспечивала повторно-периодический режим ускорения подобно синхрофазотрону. Этот режим приводил к снижению среднего тока ионов в прототипе.

В ускоряющей резонансной структуре 3 уменьшение по продольной оси Е

/ угла раствора (— +0(Z )) конических

2 слоев, необходимое для ускорения электронно-ионных сгустков ускорен5 1168 но движущимися в.ч. ямами (ловушками), приводит к уменьшению напряжен- ности ускоряющего поля по продольной оси Z>, так как напряженность поля

Ф пропорциональна cos 9 (Z ) . Это огра,ничивает максимальную вариацию продольной скорости ускоряемых частиц (их кинетическую энергию) и снижает темп ускорения. Конструктивно избавиться от этого недостатка можно or- 1p раничением углов раствора конусов резонансных структур. Чтобы увеличить скорость и энергию ускоряемых частиц, в предлагаемом ускорителе предусмотрена возможность каскадного включения резонансных структур 3 и 6.

При этом разность резонансных частот Я, — (г в последующем каскаде относительно предыдущего каскада увеличена при одновременном уменьшении 2р в резонансной структуре 6 величины . I

sec 9 (Z> ) (т. е. уменьшение угла раствора конических слоев фильтра) в то же число раз.

Расчеты на ЭВМ траекторий элект- 2S ронов в ВЧ ловушках показывают, что оптимальным диапазоном изменения углов раствора конических слоев 9(Е), в котором существуют высокочастотные ловушки, является примерно 45 +15, . gp так как косинусы углов раствора конических слоев изменяются не более, чем в три раза. Скорость электронных сгустков совпадает со скоростью движения высокочастотных ловушек и выражается формулой (1). Поэтому скорость сгустков в одном каскаде резонансной структуры целесообразно увеличивать не более, чем в 2-3 раза. Поэтому разность частот 4) -Q2 нарастает 40 в 2-3 раза от каскада к каскаду, а углы раствора конусов меняются по одному закону.

Если разность частот в последующем каскаде относительно предыдущего 45 увеличена в три раза, то в последующем каскаде из — за этого происходит утроение числа в.ч. ям на единицу длины, так что из каждой тройки в.ч. ям сгустком заряженных частиц запол- 50 иена только одна. Если начальная скорость заряженных частиц равна двадцатой части скорости света (с/20, 077 б т. е. начальная энергия электроноФ вЂ” 500 эВ, энергия ионов W

1.,2 МэВ), а конечная с3сорость..заряженных частиц равна с/2 (Wt, — 80 кэВ, Np = 145 МэВ), то для достижения этой скорости потребуется три каскада.

Выбор показателей преломления п и и и толщины слоев d для интерфе—

2 ренционного фильтра делается следующим образом. По заданной частоте — 1,2 (длина волны g i — 2iiC/631, где С вЂ” скорость света в вакууме) подбираются два диэлектрика с близкими показателями преломления n < и п2, например (n< — n )/

/(и, + n2) = 10 (для того, чтобы параметрический резонанс был острым) и средним показателем преломления и,, „= (n> + n<) /2. Толщина каждого

cfIоя покрытия составляет

ТС

4nср ui(n„+ n2)

Фильтры для частот <,),и у (см. фиг. 1) выполнены в виде соосных диэлектрических цилиндров (труб с толс— тыми стенками), состоящих из однородных диэлектрических колец четырехугольного сечения. Показатели преломления колец чередуются вдоль показанных на фиг. 1 образующих конусов с углами раствора 6 и Ф-6 относительно продольной оси симметрии цилиндров.

Для проверки принципа действия предлагаемого ускорителя проводились численные расчеты на ЭВМ: вычислялись траектории релятивистской заряженной частицы при совместном действии на нее цилиндрических в.ч. полей (типа Е „ ), кулоновского Моля сгустка, фокусирующего магнитного поля и поля продольного электрического подпора. Проведенные расчеты показывают, что использование предлагаемого ускорителя позволит в длинных импульсах (микросекунды) или даже в непрерывном режиме ускорять про= тоны до энергии порядка 100 МэВ.Пред— почтительный диапазон рабочих частот

СВЧ Ц,, сд соответствует сантиметровым волнам.

1168077 йУ Ю. Редактор О.Юркова Техред И.Попович

Корректор Е.Сирохман

Тирам 765 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретЕний и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 5267/2

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная, 4