Способ ускорения заряженных частиц

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических Республикрц 782721 1) Дополнительное 2) Заявлено 04,06. к авт. свид-ву(21) 2774647/18 Кл.05 Н 9/О соединением заявки осударственный комите СССР ло делам изобретеннй н открытий) Приоритет И 081. Бюллетень Мо 40ия описания 30,10,81 ОпубликованоДата опубликов ДК 621. 384 .6(088.8 2) Авторы изобретен Т Б(71) Заявитель 54) СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ 2 5 20 25 Изобретение относится к ускорительной технике.Известны методы ускорения заряженных частиц, в которых ускорение частиц осуществляют с помощью высокочастотных ускоряющих структур резонаторов или волноводов 11 .Эти методы основаны на возбуждении в высокочастотных структурах бегущих или стоячих электромагнитных ТМ-волн, продольная составляющая электрического поля которых и осуществляет ускорение частиц.Недостатком этих методов является наличие большой величины элект рическог поля ТМ-волны у металлических стенок ускоряющей структуры. В связи с этим из-за опасности развития пробоя ограниченй возможности увеличения напряженности ускоряющего поля.Наиболее близким техническим ре" шением является способ ускорения за- ряженных частиц с помощью высокочастотного цилиндрического резонаторами.23 .В таком резонаторе возбуждают стоячую электромагнитную ТМ-волну, содержащую продольную и поперечную составляющие электрического поля и пп вечнчю составляющую магнитного поля. Пучок заряженных частиц пропускают вдоль оси резонатора, где осуществляется его ускорение с помощью продольной составляющей электрического поля.Недостатком этого способа является наличие большой величины продольного электрического поля на торцовых металлических стенках резонатора, а в некоторых случаях также и больших величин поперечных составляющих электрического поля на его боковых поверхностях. Благодаря этому напряженность продольного ускоряющего Поля в известном способе ограничивается величиной порядка 10 В/см иэ-за опасности развития пробоя.Целью изобретения является увеличение напряженности ускоряющего поля за счет увеличения электрической прочности резонатора.Цель достигается тем, что при осуществлении способа ускорения заряженных частиц с помощью электромагнитного поля возбуждаемого в высокрчастотном цилиндрическом резонаторе, ускорение пучка осуществляют, пропуская его в полости, перпендикулярной продольной оси резонатора, в котором, возбуждают, электромагнитную ТЕ-волну с танген782721 же направлено под углом к траекториипучка (угол Ы см.чертеж), однакопо мере его движения электрическоеполе возрастает и угол между егонаправлением и траекторией пучка уменьшается. Наконец в точке 3 угол о(, обращается в нуль, при этом действиецоля на пучок наиболее эффективно:вцбором расстояния Ь достигают того,чтобы электрическое поле в этой точке траектории пучка было максималь"но. При этом полный прирост энергиичастицы в резонаторе будет максимальным (при дальнейшем движении послеточки 3 ускоряющее поле уменьшаетсяи угол между его направлением .и траек 15 торией пучка увеличивается),Рассмотримпринцип действия предлагаемого способа ускорения.Электромагнитное поле ТЕ-волн, как известно, определяется соотношением:20 Рнп-Еимфе р - )5) - И мз (оеейфч) Р п 3 иэс у Л НР: -Еп а (6 - )сое - 2 мг(иг "ь+ч) пю щ д " я д вл пп)обтрасЧцощИз Формулы (1) видно, что электрическое поле обращается в нуль навсех стенках резонатора. Поэтому даже при большой величине этого поляпорядка 10 В/см при достаточно вы"сокбм вакуумев резонаторе не разовьетсяпробой. Это следует из тогоизвестнофакта, что при высоком вакууме развитие пробоя начинается с приэлектродной области, а в самом вакуумном промежутке в случае,когда его размеры Существенно меньше длины свободного пробега молекул остаточного газа, пробой не развивается (при отсутствии затравки из области электродов).Для"получения максимального"прироста энергии ускоряемый пучок надопропускать в области, где ускоряю" " щее электрическое поле имеет Максимальную величину, т.е. согласно формулы 45 50 55где за.х=О принята точка 3 (см.чертеж)Следует заметить, что могут бытьвыбраны условия, прн которых эффективность предлагаемого метода будет 60 еще более высокой; Так можно пропускать пучок по криволинейной траектории, показанной на чертеже пунктиром 4. При этом длина пути частиц в резонаторе уменьшается как раз за счет 65. участков, где пучок, движущийся по циально направленным вблизи стенокрезонатора"электрйческим полем.Способ проиллюстрирован чертежом.В цилиндрическом резонаторе 1 скруговым поперечным сечением возбуждают ТЕ-волну, имеющую следующиекомпонентй: азимутальвое электрическое поле Е , радиальное магнитноеполе НР и продольное магнитное полеН., Ускоряющий пучок 2 пропускабт через резонатор перпендикулярно егооси - вдоль оси х (см.чертеж), Расстояние Ь бт оси резонатора до осих выбирают таким образом, чтобы"электрическое поле в точке 3 траекторий пучка было близко к максимальному. При этом прирост энергии частиц врезонаторе будет близок к максймальному".При двйжении" вдоль оси х пучок сйачала вблизи стенки попадает в малоеэЛектрическое поле, которое к тому постоянная величина, определяющая амплитуду колебаний;функции Бессаля,корень уравнения.ЦФ)=0; скорость светафаза колебанийсобственная частота резонатора)радиус резонатора,его длина (см.чертеж),30 35 40(1) в области, где в(п - Е =1. Буйидем считать для простотЪ, что ускоряеи 4 й пучок движется равномерно и прямолинейно вдоль оси х:х=х+ч(3) Это практически выполняется для релятивистских пучков, либо имеющих достаточно большую начальную энергию либо движущихся в фокусирующем продольном магнитном поле. В обоих этих случаях влиянием высокочастотногомагнитного. поля Н можно пренебречь (поле Ну=О) в выбранной области, где Мн в -"1. В этих предположениях легко получить следующее выражение для прироста энергии частицы, пролетевшей резонатор782721 Формула изобретения Составитель Л.МоевРедактор Т.Месропова Техред.М.Голинка Корректор В.Бутяг Тираж 89нного комений и о35, Рауш Подписноета СССРтийнаб., д.4/5 176/35 ВНИИПИ Государств по делам изобре 113035, Москва, Жаказ т к атентф, г.ужгоро ул Проектная Фили прямолинейной траектории 2, находится в тормозящей фазе, а на самих этихучастках пучок движется перпендикулярно направлению электрического поля ине тормозится,5Кроме того рассмотренный цилинд" рический резонатор с круговым поперечным сечением является не единственно возможным для реализации предлагаемого способа ускорения. Электромагнитные колебания с тангенциально направленным у стенок резонатора электрическим полем возможны, как известно, и в других структурах. Так перспективным представляется использование цилиндрического резонатора с эллиптическим поперечным сечением. Здесь из-за уменьшения угла пролета при движении пучка параллельно короткой оси эллипса можно повысить среднюю напряженность ускоРяющего поля. Способ ускорения заряженных частиц с помощью электромагнитного поля,возбуждаемого в высокочастотном цилиндрическом резонаторе, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюувеличения напряженности ускоряющегополя, ускорение пучка осуществляют,пропуская его в плоскости, перпендикулярной продольной оси резонатора,в котором возбуждают электромагнитнуюТЕ-волну с тангенциально направленным у стенок резонатора электрическимполем.Источники информации,принятые во. внимание при экспертизе1. Вальднер О.А. Линейные ускорители электронов. - Атомиздат, М1966.2. Вальднер О.А.; Власов А.Д.,Шальнов А.В., Линейные ускорители.