Ускоряющая система

(56) 1. Авторское свидетельство СССРВ 279822, кл, Н 05 Н 9/00, 1971.2, БсЬг 1 Ьег БО. ЮОМ - Теарегецге сои 1 Сдев Рог Н 1 я 1 ц - Веса Ассе 1 егаС 1 п 8 31 гцсйцгев Ассе 1 ега 1 огТесЬпо 1 ояу Рхч 1 взоп Ьов-А 1 ашовЗсепйИс ЬаЬагойогу Ьоя А 1 ашовЮею Мехсо, 87545 (прототип).(54) УСКОРЯЮЩАЯ СИСТЕМА (ЕЕ ВАРИАНТЫ), (57) . Ускоряющая система, выполненная в виде цилиндрического резонатора с шайбами и диафрагмами, содержащего группирователь с диафрагмами переменного внутреннего диаметра и разной толщины, о т л ич а ю щ а я с я .тем, что, с целью увеличения темпа ускорения и интенсивности пучков заряженных частиц, диафрагмы группирователя снабжены кольцеобразными выступами, отношение высоты которых ц; к высоте диафрагмы 01 соответствует Ь; / 0;= 0,2-0,7 и удовлетворяет условию 1;, /Ю;+,И; /В;, а отношение радиуса выступа г к радиусу диафрагмы , соответствует г; / 1; = = 0,7-0,95 н удовлетворяет условию р,г; , где= 1,2,3 - номер диафрагмы.2. Система по и. 1, о т л и ч аю щ а я с я тем, что в группироваГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ ТОРСНОМУ СВИДЕТ теле шайбы снабжены кольцеобразными выступами, обращенными к выступам на диафрагмах, при этом отношение наружного радиуса выступа г; к.радиусу шайбы Г 0; соответствует г; /Г = 0,8-1,4, отношение ширины выступа , к радиусу шайбы - 1; /г; = = 0,07-0,3, а отношение толщины выступа 1 и толщины шайбы с 1; соответствует Р; /д; = 0-2, где номер шайбы.3. Ускоряющая система, выполненная в виде цилиндрического резонатора с шайбами и диафрагмами, содержащего группирователь с диафрагмами переменного внутреннего диаметра.и разной толщины, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что, с целью увеличения темпа ускорения и интенсивности пучков заряженных частиц, стенка шайбы группирователя или ее части выполнеа наклонно к продольной оси ускорящей системы при этом угол накло- Эо на 0 С равен 60-89 , а отношение наружного радиуса шайбы Г 0; к радиусу диафрагмы 1;,; соответствует Г 0 /1101 = 0,6-0,9, где- номер шайбы.4. Ускоряющая система, выполненная в виде .цилиндрического резонатора с шайбами и диафрагмами, содержащег го группирователь с .диафрагмами переменного внутреннего радиуса и разной толщины, отличающаяся теМ, что, с целью увеличения темпа ускорения и интенсивности пучков заряженных частиц, диафрагмы групнирователя смещены относительно центров ускоряющих ячеек, а шайбы имеют ра личный наружный радиус, пр ношение наружных радиусовшайб соответствует го 1 /"о("Патент",г. Уж д, ул.Проектная, 4 фили 2 Тираж 794 Подп ИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 41,3, а смещение диафрагмы Ь(; относительно центра ускоряющей ячейки Рдсоответствует ЬХ; = (005 -т 1109034Р,эО, 3) --- , где Э - длина волны,- относительная скорость частицыв 1 -той ячейке.Изобретение относится к области ускорительной техники.В последние годы в линейных ускорителях широкое применение нашли бипериодические ускоряющие системы, 5 состоящие из ускоряющих ячеек омегообразной формы и ячеек связи Я , Причем начальная часть такой системы, группирователь для линеиных уско 1 О рителей электронов (ЛУЭ), выполняется с переменной геометрией.Недостатком этих систем является низкий коэффициент связи между ячейками (2-5%) что повышает требования к точности изготовления системы и усложняет процесс наладки. Кроме того, ускоряющая система, описанная в работе Я , обладает низким темпом ускорения.Наиболее близким техническим решением является ускоряющая система, выполненная в виде цилиндрического резонатора с шайбами и диафрагмами, содержащего группирователь с диафрагмами переменного внутреннего диа 25 метра и разной толщины 2 .При применении в ЛУЭ резонатора с шайбами и диафрагмами его начальная часть должна быть выполнена с переменной Фазовой скоростью, чтобы ЗО осуществить группировку электронов, т.ерезонатор должен содержать группирователь, В. работе проведен расчет отдельных ускоряющих ячеек с шайбами и диафрагмами с различной 35 фазовой скоростью, причем диафрагмы расположены симметриЧно между шайбами так, что средняя напряженность аксиальиого электрического поля будет максимальной в первой ячейке 40 и далее уменьшаться по закону/1+ 08 еД. + 02где. /3 - относительная скорость 45 частицы в"ой ячейке Е;,Е, - средняя напряженностьэлектрического поляви (11) ячейках соответственно.Недостатком ускоряющей системы являются низкий темп ускорения и слабая интенсивность пучка заряженных частиц, Максимально допустимая напряженность электрического поля Ед в системе достигается в первой ячейке с фазовой скоростью равной скорости инжекции частиц /3 , а в ячейках с фазовой скоростью= 1, напряженность поля равна Е =/и ЕйСледовательно, возможный темп ускорения частиц такой системы снижен в(Д 1, раз.Оптимальный Фазовый захват частиц и их радиальная устойчивость может быть обеспечена только в нарастающем аксиальном электрическом поле. Поэтому распределение электрического поля в начальной части системы-прототипа будет пРиводить к,радиальной дефокусировке частиц, в особенности при малых скоростях.Цель изобретения - увеличение темпа ускорения и интенсивности пучков заряженных частиц (на выходе ускоряющей системы ЛУЭ).Поставленная цель достигается тем, что в ускоряющей системе, выполненной в виде цилиндрического резонатора с шайбами и диафрагмами, содержащего группирователь с диафрагмами переменного внутреннего диаметра и разной толщины, диафрагмы группирователя снабжены кольцеобразными выступами, отношение высоты которых я; к высоте диафрагмысоответствует 1;/ 1;0,2-0,7 и удовлетворяет условию 11;,;, с ,ф; а отношение радиуса выступа Р, к радиусу диафрагмы 1; соответствует г, /3; = 0,7-0,95 и удовлетворяет условию г;1г,где= 1,2,3 -номеодиафрагмы. Кроме того, в группирователе шайбы снабжены кольцеобраэными выступами, обращенными к выступам на диафрагмах, при этом отношение наружного радиуса выступа г, к радиусу шайбы го, соответствует г /го, = 0,8-1,4, отношение ширины выступЗ 1, к радиусу шайбы -/го = 0,07-0,3, а отношение толщины выступа ; и толщины шайбы 3 .соответствует , 3; = 0-2, гденомер шайбы.Вторым вариантом достижения поставленной цели является ускоряющая система, выполненная в виде цилиндрического резонатора с шайбами и диафрагмами, содержащего группирователь с диафрагмами переменного внутеннего диаметра и разной толщины,которой стенка шайбы группирователя или ее части выполнена наклонно к продольной оси ускоряющей системы, при этом угол наклона ж равен 60- 89 , а отношение наружного радиусаОшайбы Ро, к радиусу диафрагмы ;,., соответствует Ро;1;+,= 0,6-0,9, где 1 - номер шайбы.Третьим вариантом достижения поставленной цели является ускоряющая система, выполненная в виде цилиндрического резонатора с шайбами и диафрагмами, содержащего группирователь с диафрагмами переменного внутреннего радиуса и разной толщины, в которой диафрагмы группирователя смещены относительно центров ус-. коряющих ячеек, а шайбы имеют различный наружный радиус, при этом отношение наружных радиусов соседних шайб соответствует г;/Го(;1= .1,07-1,3, а 40 смещение диафрагмы ЕХ 1 относительно центра ускоряющей ячейкисоотв, ветствует ЬХ, = (0,05-0,03) где 3 в . длина волны, /; - относитель 45 ная скорость частицы в 1 -й ячейке.Сущность изобретения поясняется фиг. 1-13, где на фиг. 1-7 изображен первый вариант ускоряющей системы, на фиг. 8-10 - ее .второй вариант, 50 на фиг. 11-12 - ее третий вариант. При этом на фиг. 1, 4, 9, 12 представлена геометрия ускоряющей системы в масштабе 1:11 на фиг. 1 представлена ускоряющая система с группирователем 55 первого варинта, в котором шайбы и диафрагмы снабжены выступами, на фиг. 2 - 4 представлены варианты геометрии группирователей с выступами на шайбах и диафрагмах, на фиг.Э и 5 - эпюры распределения электрических полей вдоль продольной оси группирователей, изображенных на фиг. 2 и 4 соответственно, на фиг. 6 и 7 представлены некоторые варианты размещения выступов на шайбах, на фиг, 8 - ускоряющая система с группирователем второго варианта, в котором стенки шайб наклонены под углом к продольной оси системы; на фиг, 9 - геометрия группирователя второго варианта, на фиг. 10 - эпюры распределения электрических полей вдоль продольной оси группирователя; на фиг.11 ускоряющая система с группирователем третьего варианта, в котором диафрагмы смещены относительно шайб, на фиг. 12, - геометрия группирователя третьего варианта и на фиг. 13 эпюры распределения электрических полей вдоль группирователя третьего варианта.На фиг. 1 представлена ускоряющая система, содержащая группирователь первого варианта и выполненная в виде цилиндрического резонатора 1 сиафрагмами 2 и шайбами 3, которыерепятся к диафрагмам посредством штанг 4, диафрагмы снабжены кольце- образным выступом 5, а шайбы снабжены выступом 6, высокочастотная энергия в резонатор подается через высокочастотный (ВЧ) ввод 7, на торцах цилиндрического резонатора и в шайбах выполнены соосные отверстия 8 для пролета заряженных частиц.На фиг. 2 и на фиг. 4 Kредставлены два варианта геометрии группирователя ускоряющей системы, состоящего из четырех ускоряющих ячеек с фазовой скоростью /3= 0,6, 0,8, 0,92, 1,0 соответственйо. Ускоряющие системы возбуждаются на частоте 3200 МГцВ группирователе, представленном на фиг. 2, диафрагмы выполнены с поочередно переменными толщиной и радиусом и снабжены кольцеообразным выступом, причем с наименьшей толщиной и внутренним диаметром выполнена первая диафрагма, а толщина и внутренний диаметр последующей диафрагмы меньше предыдущей, выступ расположен на части тела диафрагмы, обращенной к началу резонатора, шайбы выполнены С поочередно изменяющимся диаметром, причем с наибопьшим0,846 диаметром выполнена первая шайба,а диаметр последующей шайбы меньшепредыдущей, на каждой шайбе, расположенной против диафрагмы с выступомвыполнен кольцеобразный выступ, который расположен на части тела шайбы, обращенной к выступу на диафрагме, На фиг. 3 сплошными линиями обозначены эпюры распределения напряженностей Г электрического поля 10вдоль продольной оси группирователя,а пунктирными линиями обозначеныих средние по ячейкам значения напряженностей электрических ролей длягруппирователя с размерами радиуса 15цилиндрического резонатора 65,08 мм- = 0,24, - = 0,41, -г- = 0,74,14 = 23,21 м ,Йг ф гО"о 1 - гое- радиусы шайб31 "3 - толщины шайб,Отношение напряженностей электрических полей равноф 1 ср Егор- - = 0,40, -г = Оьббю4 ср 4 ср55-- = 0,91, - ф - "0,682,Ег Е4Е= 0,064,1)= О, Ой,Р 5= О, Ья Ру -- = 0 154 ог Ь где Г, - Г 4 - максимальное значениенапряженностей электрических полей в центреускоряющих зазоров,средние значения элект 1 ср 4 сррических полей в ускоряющих зазорах.На фиг. 4 представлен другой вариант.геометрии группирователя, в ко- .тором диафрагмы выполнены с переменной толщиной и диаметром, причем снаименьшей толщиной выполнена перваядиафрагма, а толщина последующей диафрагмы больше предыдущей, внутреннийдиаметр первой диафрагмы максимальный, а диаметр последующей большепредыдущей, выступ выпблнен с переменной толщиной и внутренним диаметром, причем наименьшими толщинойи внутренним диаметром обладает выступ на первой диафрагме, а толщинаи внутренний диаметр последующеговыступа больше предыдущего, шайбывыполнены с переменным внешним диаметром, максимален диаметр у первойшайбы, а диаметр последующей шайбыменьше предыдущей, на первой и второй шайбах выполнен выступ одинаковыйпо высоте и ширине, на третьей шайбевыступ не установлен. На фиг. 5 сплош.ными лияними обозначены эпюры распределения напряженностей электрическогоноля вдоль продольной оси (Е ) рассматриваемого варианта группирователя, а пунктирными линиями - их средние по ячейкам значения напряженностей электрических полей для резонатора со следующими размерами: радиусцилиндрического резонатора 67,1 см.6, е,Р,1 "а1, 1 1 9, - = 1, 083,1,061,--- О, 064, Г, = .36, 03 ммД, дг Аэ = Г аОтношение напряженностей электрических полей равно .Е Ег- 0,653, - = 0,816,0 959% У- " = 0,364, -= 0,667,0,929.Езс 94 срНа фиг, 5 сплошными линиями обозначены эпюры распределения напряженностей электрических полей вдоль продольной оси группирователя, а пунктирными линиями - средние по ячейкамзначения напряженностей электрических полей.На фнг. 6, 7 дополнительно представлены некоторые варианты размещения выступов на шайбе. В одном случае выступ расположенна боковой поверхности шайбы, (фиг. 6), в другомслучае (фиг. 7) выступ расположенна ребре шайбы, Следует отметить,что формирование ускоряющего напряжения в ячейках может быть осуществлено и без выступов на шайбах. Однако наличие выступов на шайбах позволяет осуществить более глубокуюрегулировку ускоряющего напряженияв соответствующих ускоряющих ячейкахПределы изменения выступов следующие. внутренний диаметр выступов,расположенных на диафрагмах, можетдостигать значений диаметра шайб,а величина выступов, расположенныхна шайбах, ограничена. электрическойпрочностьюпромежутка между выступами, расположенными на соответствующей шайбе и диафрагме.Из распределений электрическихполей, представленных на фиг. 3 и 5,видно, что значения средних напряженностей электрических полей в группирователе ускоряющей системы возрас.тает с номером ячейки. Такое распределение электрических полей позволяет повысить темп ускорения и радиальную устойчивость частиц,Ускоряющая система линейного ускорителя работает следующим образом.При поступлении высокочастотнойВЧ-мощности через ввод 7 в резонаторе возбуждаются ВЧ-колебания. Пучкизаряженных частиц, пролетая резонаЪор через отверстия 8, взаимодейст -вуют с электрическими полями в зазорах между шайбами и приобретают кинетическую энергию.5Второй вариант ускоряющей системыпредставлен на фиг. 8В этом варианте стенка шайбы группирователя или ее части выполнена10 наклонно к продольной оси ускоряющейсистемы, при этом угол наклона Жоравен 60-89 , а отношение наружногорадиуса шайбы го; к радиусу диафрагмысоответствует Ро; /0;, = О, 6-0, 9,15где 1 - номер шайбы.Ускоряющая система состоит из цилиндрического резонатора 1, диафрагм 2, шайб 3, которые крепятсяпосредством штанг 4 к диафрагмам,высокочастотного ввода 7, торцовыестенки цилиндрического резонатораи шайбы имеют соосные пролетные отверстия 8.В груплирователе диафрагмы выполнены с переменными толщиной и внутренним диаметром, причем с наименьшим внутренним диаметром и толщинойвыполнена первая диафрагма, а толщи 30на и внутренний диаметр последующейдиафрагмы больше предыдущей. Стенкакаждой шайбы наклонена под разнымиуглами к продольной оси резонанснойсистемы, шайбы одновременно выполнены с переменным внешним диаметром,причем наибольшим диаметром обладаеткрайняя шайба, а внешний диаметрпоследующей шайбы меньше предыдущей.На фиг. 9 представлена геометриягруппирователя с соответственно обоз 40наченными размерами. На фиг. 10 представлены сплошными линиями эпюрыраспределения напряженностей электрических полей вдоль продольной осигруппирователя, а пунктирными линия 45ми - средние по ускоряющим ячейкамзначения напряженностей электрическихполей. В группирователе ячейки выполнены с переменной скоростью /3 р ="- - = 1,034, Я, = 58,55 мм, 0газго 4ф 422,55 мм,а 1/3, = 0,817, й,д 4 = 0,842,31/34 = 0,942, Ю 4 = 90 5где Ы - С - наклон стенок шайб к1 4продольной оси. Наклон шайб можетбыть осуществлен до ближайшей торцовой плоскости диафрагмы. Для указанной геометрии отношения напряженностей электрического поля следующие:Ь Ег-- = 0,680, -- = 0,920,ф ф Е 4 ф4 Ег,р15Е /Е =039, -- Р-=0,61,1 сР 4 ср ф э Е 4 э фЗср-."- = 0,97.4 срТ.е, напряженность электрического поля возрастает с увеличением номераячейки, Ускоряющая система, представленная на фиг. 8, работает также,как и система, представленная нафиг. 1.25Третий вариант ускоряющей системы,представленный на фиг. 11, решаетту же задачу, что и предыдущие варианты,В этом варианте диафрагмы смещеныотносительно центров ускоряющих яче 30ек, а шайбы имеют различный наружныйрадиус причем отношение наружныхрадиусов соседних шайб соответствуета 7 "О(;+,1 = 1, 07-1, 3, а смещениедиафрагмй аХ 1 относительно центра Э 5ускоряющей ячейки ,9 4 соответствует ЬХ, = (0,05-0,3) , гдеЖФ9 - длина волны, Я, - относительная скорость частицы в 4 -ой ячейке. 41Система также состоит из цилиндрического резонатора 1 с диафрагмами 2 и шайбами 3, причем шайбы крепятся к диафрагмам посредствомштанг 4, высокочастотная энергияподается в резонатор через ввод 7,на торцах цилиндрического резонатора и в шайбах выполнены соосныеотверстия 8 для пролета пучка..В группирователе ускоряющей системы диафрагмы выполнены с различными толщиной и внутренним диаметром я расположены несимметрично относительно соседних шайб. На фиг. 11диафрагмы смещены влево относительно центров ускоряющих промежутковмежду соседними шайбами, Первая диафрагма в начальной части системы вьг полнена с наименьшими внутреннимидиаметром и толщиной, а в последующих диафрагмах их внутренний диаметри толщина возрастает. Первая шайба,наоборот, имеет наибольший диаметр,а далее диаметр шайб уменьшается.На фиг. 12 представлена начальнаячасть ускоряющей системы для частного случая изменения фазовой скорости в ячейках со следующими размерами: радиус цилиндрического резонатора 67,1 мм.Я 1 Р,0,7215, -= 0 87154 Я 40,9226, 64 = 56,2 мм,- = 0,1009, -- =,0 3712Е 40,6960,= 25,55 м,ЬХ ЬХ 2-- : О 58375 -- = 2 0347аХ 4 ф ф ьХ+1 3344 гХ = 2 23 ммаХзАХ 4 ф ф 4 эго Гаг1 14527 в= 1 0771Го 4 ф04У448 гщ 38 02 ммгде ЬХ, - 6 Х 4 - смещени диафрагмотносительно центров ускоряющих промежутков шайб. Для этой геометрииотношение напряженностей электрического поля следующее:Е Еа:4Е ар Егор- 0,416, -- = 0,628,4 сРЕ 4 о ф-- = 0,975.Е 4 ср фСмещение диафрагм может быть осуществлено до пересечения близлежащихплоскостей соответствующих шайб идиаФрагм.На фиг. 13 сплошными линиямиприведены эпюры распределения напряженностей электрического поля вдольпродольной оси группирователя, апунктирными линиями обозначены средние по ячейкам значения напряженностей. Видно, что напряженность аксиального электрического паля в группи.рователе системы возрастает с номером ячейки, что позволяет повыситьтемп ускорения и радиальную устойчивость частиц.Ускоряющая система этого вариантаработает следующим образом,При поступлении мощности черезввод 7 в системе возбуждаются ВЧколебания, пучок заряженных частиц,пролетающих через отверстие 8,2 1109034 В Ю 2 Е взаимодействует с возбужденнымиэлектрическим полями и приобретает кинетическую энергию.Рассмотренные варианты конструкций группирователей ускоряющей системы 5 между собой имеют преимущества и недостатки. Геометрия группирователя второго варианта позволяет осуществить более глубокую регулировку ускоряющего напряжения в соответствую щей ячейке. Геометрия группирователя третьего варианта наиболее технологич на из рассматриваемых вариантов. Геометрия группирователя первого варианта по своим техническим и технологическим показателям находятся междувторым и третьим вариантами,Таким образом, во всех предложенных вариантах геометрии ускоряющейсистемы реализуется поячеечно нарастающее среднее ускоряющее напряжение.Это позволяет, как отмечено вьппе,реализовать в ускоряющей системеболее высокий темп ускорения.