Устройство для ускорения заряженных частиц

 

Изобретение относится к получению ускоренных пучков заряженных частиц высокой энергии, а именно к конструктивным элементам линейных ускорителей. Технический результат заключается в получении пучков мегаваттной мощности нерелятивистских и релятивистских заряженных частиц, увеличении кпд и сокращении длины ускоряющей системы. Ускоряющие структуры выполнены в виде, по крайней мере, одной пары секций, активной и пассивной, которые настроены на расход половины поступившей на их вход высокочастотной мощности на ускорение пучка заряженных частиц и на передачу второй половины высокочастотной мощности на входы сумматора. 6 ил.

Изобретение относится к получению ускоренных пучков заряженных частиц высокой энергии, а именно к конструктивным элементам линейных ускорителей.

В известных линейных ускорителях (патент Великобритании №1241319, 1971 г., патент США №5285166, 1994 г., патенты Российской Федерации №№2054831, 2135234, 1999 г., 2152142, 2000 г., МПК: Н 05 Н 9/04, 7/00) приращение кинетической энергии пучка на единицу длины ускоряющей структуры снижается. Снижается и кпд ускоряющей структуры, рассматриваемой как преобразователь мощности ВЧ-источников в энергию ускоренного пучка. Эта особенность ускорителей на бегущей волне общеизвестна (О.А.Вальднер, А.Д.Власов, А.В.Шальнов, Линейные ускорители электронов, М., Атомиздат, 1969, с.98-103, 160-161).

Поток высокочастотной электромагнитной энергии в ускорителях распространяется от одного входного по ВЧ конца ускоряющей структуры к противоположному выходному по ВЧ концу. Мощность ВЧ-источников тратится на увеличение кинетической энергии пучка и теряется на стенках и элементах ускоряющих структур. Амплитуда ускоряющего электрического поля E_z (z) вдоль оси z ускоряющей структуры падает, т.к. она пропорциональна корню квадратному из значения потока электромагнитной энергии P(z) в данном сечении z.

Около тринадцати процентов ВЧ-мощности выводят из структуры в пассивную нагрузку, т.к. при полном использовании мощности длина и стоимость ускорителя велики.

Известно устройство для ускорения заряженных частиц, содержащее инжектор, ускоряющие структуры, источник высокочастотной мощности, в котором по ВЧ-тракту часть мощности с одной ускоряющей структуры подана на вход другой ускоряющей структуры (П.Р.Зенкевич, А.В.Шальнов, сб. “Линейные ускорители”, МИФИ, М., Госатомиздат, 1963, вып.5, стр.75, прототип). Неизрасходованная мощность, направленная в пассивную нагрузку, истрачена лишь на нагрев хладагента. Подача части ВЧ-мощности с выхода на вход ускоряющей структуры снижает устойчивость схемы к флуктуациям величины ускоряемого тока. При большой величине ВЧ-мощности рассеивание остаточной мощности в многосекционных ускорителях - трудная техническая проблема. Спад амплитуды Е(z_вых) в е раз не устраняется, средний по структуре темп ускорения пучка много меньше, чем в начальных ячейках ускоряющей структуры.

Данное изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.

Задачей изобретения является получение пучков мегаваттной мощности нерелятивистских и релятивистских заряженных частиц, увеличение кпд и сокращение длины ускоряющей системы.

Техническим результатом изобретения является повышение мощности ускоренного пучка, повышение кпд, уменьшение суммарной длины ускорителя, повышение среднего темпа ускорения частиц, повышение устойчивости процесса ускорения к флуктуациям тока пучка заряженных частиц, уменьшение потерь ВЧ-энергии.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для ускорения заряженных частиц, содержащем инжектор, ускоряющие структуры, источник высокочастотной мощности, в котором по высокочастотному тракту выходная часть мощности с одной ускоряющей структуры подана на вход другой ускоряющей структуры, ускоряющие структуры выполнены в виде, по крайней мере, одной пары секций, высокочастотный тракт содержит сумматор высокочастотной мощности с основным и контрольным выходами, контрольный выход сумматора соединен с нагрузкой, каждая пара секций состоит из активной и пассивной ускоряющих структур, вход активной ускоряющей структуры соединен с источником высокочастотной мощности, а выход - с одним из входов сумматора, вход пассивной структуры соединен с выходом сумматора, а выход пассивной структуры соединен со вторым входом сумматора, а основной выход сумматора соединен со входом пассивной ускоряющей структуры, активные и пассивные ускоряющие структуры настроены на расход половины поступившей на их вход высокочастотной мощности на ускорение пучка заряженных частиц и на передачу второй половины высокочастотной мощности на входы сумматора.

Изобретение поясняется фиг.1-6. На фиг.1 представлены схемы ускорителя, изменения ВЧ-мощности и ускоряющего поля в ускорителе на прямой волне. На фиг.2 представлены схемы ускорителя, изменения ВЧ-мощности и ускоряющего поля в ускорителе на обратной волне. На фиг.3 представлены схемы ускорителя, изменения ВЧ-мощности и ускоряющего поля в ускорителе на бегущей волне по данному изобретению. На фиг.4 представлены схемы ускорителя, изменения ВЧ-мощности и ускоряющего поля в ускорителе на обратной волне по данному изобретению. На фиг.5 представлена блок-схема функциональных элементов ускорителя на прямой волне (E_z-компонентом прямой пространственной гармоники бегущего электромагнитного поля). На фиг.6 представлена блок-схема функциональных элементов ускорителя на обратной волне (E_z-компонентом обратной пространственной гармоники бегущего электромагнитного поля).

На фиг.1-6 приняты обозначения: _jl_a,п - ускоряющие активные (а) и пассивные (п) структуры; _j2_a,п - входы ВЧ-мощности ускоряющих структур; _j3_a,п - выходы ВЧ-мощности ускоряющих активных и пассивных структур соответственно; _j4 - сумматоры ВЧ-мощности; _j5_a,п - входы сумматоров от активных или пассивных соответственно; _j6_a,п - выходы сумматоров на активную и пассивную ускоряющие структуры соответственно; _j7 - источники ВЧ-мощности; _j8 - пассивные нагрузки сумматоров; стрелками показаны направления распространения ВЧ-потоков; Р={1; 0,5; 0,13} - обозначает ВЧ-мощность и соответствующую ее величину в данном месте (сечении). Одинаковые индексы соответствуют структурам объединенной пары секций. Ускоряемые пучки частиц показаны пунктиром. В приведенных установках пучки ускоряют слева направо.

Половину потока ВЧ-мощности, направленной на вход ускоряющей структуры _jl_a (назовем ее активной), используют на ускорение пучка и на покрытие потерь ВЧ-мощности, а вторую половину ВЧ-мощности выводят из этой структуры и по ВЧ-тракту направляют на один из входов _j5_a сумматора ВЧ-мощности. На второй вход сумматора _j5_п направляют такую же величину ВЧ-мощности с ВЧ-выхода другой ускоряющей структуры _j3_п. При соответствующем фазировании входных мощностей мощность на выходе сумматора _j6_а,п становится равной единице (P=1). Существенно, что на ускорение пучка в пассивной ускоряющей структуре и на покрытие ВЧ потерь мощности в этой структуре расходуется так же половина величины ВЧ-мощности, направленной по ВЧ-тракту с выхода _j6_п сумматора _j4 на ВЧ вxoд _j3_п ускоряющей пассивной секции.

В каждой паре одна ускоряющая активная секция _j1_а подсоединена к активному ВЧ источнику мощности _j7 (например, к клистрону), в то время как ВЧ-вход второй пассивной ускоряющей структуры _j2_п подсоединен к выходу _j6_п сумматора ВЧ-мощности (пассивный источник ВЧ-энергии). Входы этого сумматора _j5_а,п соединены с ВЧ-выходами _j3_а,п этих ускоряющих структур. Ускоряющие структуры _j1_a,п, объединенные в пары, не обязательно являются смежными. Компоновка ускорителя из ускоряющих структур _j1_a,п может быть линейной, последовательность структур может образовывать многоугольную фигуру, в том числе трехмерную.

Ускоряющие структуры _j1_a,п короче, чем половинная длина ускоряющей структуры известного ускорителя. Число ускоряющих секций ускорителя на заданную энергию удвоено. Каждая пара секций снабжена ВЧ-источником, подсоединенным к одному входу активной структуры. Выходы _J3_a,п обеих структур соединены с входами _j5_a,п сумматоров ВЧ-мощности. Выход сумматора _j6_п соединен со входом _j2_п второй ускоряющей структуры _j1_п. От двух структур неизрасходованные, поступившие на их ВЧ-выходы _j3_а,п половинные доли входной ВЧ-мощности направляют в ВЧ сумматор _j4. В структурах создается распределение E_z(z) с медленным спадом мощности, расходуется примерно 30% энергии от входа к выходу ускоряющих структур (фиг.3, 4). Ускоряемый пучок пропускают через обе секции, в которых на ускорение пучка и компенсацию ВЧ потерь теперь расходуется вся первоначальная мощность ВЧ-источника. Суммарная длина ускорителя на заданную энергию уменьшается, средний темп ускорения возрастает, устойчивость ускоряемого пучка к возмущениям также возросла. Половина ускоряющих структур присоединена к активным источникам ВЧ-мощности (клистронам), другая половина структур присоединена к выходам ВЧ-сумматоров _j6_a,п, мощность в которых получают в результате сложения ВЧ-мощностей, поступающих в сумматор _j4 по двум каналам с выходов двух ускоряющих структур 1_а,п - от одной, соединенной с клистроном _j1_a, и другой, соединенной с сумматором _j1_п. Ускоряемый пучок пропускают через всю последовательность ускоряющих структур.

Устройство работают следующим образом.

Заряженные частицы с некоторой начальной скоростью (с начальной энергией) поступают на вход первой (активной) ускоряющей структуры _j1_а и в результате взаимодействия с E_z-компонентом пространственной гармоники ускоряются. На ускорение пучка и на ВЧ потери в стенках и элементах структуры расходуется половина поступившей в ускоряющую структуру _j1_a мощности, а оставшуюся после прохождения этой структуры ВЧ-мощность (половину от поступившей на вход) направляют в ВЧ-сумматор (например, на один из входов 3-дБ-ного волноводного моста). Второй вход сумматора соединен с ВЧ-выходом второй (пассивной) структуры. На ВЧ-вход этой ускоряющей структуры ВЧ-мощность поступает с выхода ВЧ-сумматора. Процессы взаимодействия ВЧ электромагнитного поля с пучком и ускоряющей пассивной структурой аналогичны процессам в ускоряющей активной структуре. Вся мощность каждого ВЧ-источника расходуется на ускорение пучка и на компенсацию омических потерь, связанных с самим существованием в ускоряющей структуре ВЧ-поля. Темп ускорения увеличивается, т.к. изменение величины потока ВЧ-мощности вдоль структуры много меньше, чем в известных способах ускорения. В пассивную нагрузку _j8, присоединяемую к контрольному выходу ВЧ-сумматора _j4, мощность при равенстве мощностей на входе _j5_a,п сумматора _j4 и необходимой их фазировке не поступает (только на время нестационарного переходного процесса в пассивной структуре - на фронте - мощность в пассивную нагрузку _j8 поступает; это - ничтожная доля для ускорителя непрерывного действия и ускорителей с длинными импульсами t_имп>>t_фронт). Процесс ускорения устойчив по отношению к возмущениям тока ускоряемого пучка.

Формула изобретения

Устройство для ускорения заряженных частиц, содержащее инжектор, ускоряющие структуры, источник высокочастотной мощности, в котором по высокочастотному тракту часть выходной мощности с одной ускоряющей структуры подана на вход другой ускоряющей структуры, отличающееся тем, что ускоряющие структуры выполнены в виде, по крайней мере, одной пары секций, высокочастотный тракт содержит сумматор высокочастотной мощности с основным и контрольным выходами, контрольный выход сумматора соединен с нагрузкой, каждая пара секций состоит из активной и пассивной ускоряющих структур, вход активной ускоряющей структуры соединен с источником высокочастотной мощности, а выход с одним из входов сумматора, вход пассивной структуры соединен с выходом сумматора, а выход пассивной структуры соединен со вторым входом сумматора, а основной выход сумматора соединен со входом пассивной ускоряющей структуры, активные и пассивные ускоряющие структуры настроены на расход половины поступившей на их вход высокочастотной мощности на ускорение пучка заряженных частиц и на передачу второй половины высокочастотной мощности на входы сумматора.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6