Способ ускорения пучка заряженных частиц

(51)4 Н 05 СВИДЕТЕЛЬСТ ВТОР СН Шальнов А.В.ускорите 1, 1981,и - заряд ч с - скорост 3 - относит 9 юрость в 3, - относитскорост Е - энергия Е - энергия Р частиц;частиц;покоя. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(54)(57) СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ПУЧКА ЗАРЯ ЖЕННЫХ 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 электоомагнитную волну типа Е, где ш, и - число соответственно азймутальных и радиальных вариаций поля, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью уменьшения п частотной мощности в вода, аэимутальное д синхронизируют с аз нением продольного к рического поля ускор нитной волны, изменя дольного магнитного выражению атерь высоко"стенках волновижение частиц имутальньм иэмеомпонента электяющей электромагя индукцию прополя согласно циклическая частота высокочастотного поля; стицы;света;ельная аэовая сколны в волноводе;льная азимутальна(.1 - й(. 11. ( 1 т Е.а - .( г,-)с 1 А Йу ( " Изобретение относится к областиускорительной техники и может быть использовано для создашя ускорителец электронон.Известны высоковольтный сп 1;соб ускорения заряженных частиц, заключающийся в том, что между двумязлектродами создают разность готенциалов ц инжектируют частицы из;сгочника заряженных частиц, расоложенг .ного на .Одном из электродов (11 .Недостатком этого способа является ограниченность выходной энергии заряженных частиц, с.вязанная грудполуения высоких напряжений 1Наиболее близким по техническсй сущности являет"; способ ускорения."пучка Заряженных частиц Основан , ный на еГО резонансном езаиыодейст Вии с электромаГнитным полем бе 1 у - Д щей волнь, заключающийся Б ижекц.и заряженных частиц Б волновод в котором возбуждены продольное магнитное поле и электромагнитная волна типа Е , где и; и - соответственно д%1число азимутальных и радиальных гз,ри.-"1ац 111 1 ДЯ 2 1,;).,;,1; 11 Х 1 Е 1 испальзукю Бо 11 новс гь, нагруж;. ные замедляющей стру,турой, а;риз:,., круглые диафрагмирэванные Боли;.воды. ДнафРаГМЫ РаСПОЛОжн 1 НЫЕ ч БОЛНОВОДе. Об спеч 1 вают инронеость д 11 иже волны и час 1 иц фокусровка:;01 оры. осущест;ляе гся лрое 01 ьньй 1 магнитным 110 лем, Недостатком этого способа я:1 ляются вьсокие по 1 е р 11 высоко частотной мощ 110:.1 2 сгенках диафра 11 г,:,3:ного Болновода, Это связан 0 с темчто поверхность л которой прог 1-:кают высокочастотные ;Оки, имевбольшую величину. Цель изобрзтения - у ееье 1 е 1 . тере высокоастотной мощносги Б с анках БолеоводаЦель достигается те "То Б 11.;БХ" . - ,ном с.особе ускорсния пучка заряженных частиц азцмутальное двггжение чс" тиц синхрснизируют с азы.угальньй; изменением продольного компоне;та "м ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПО:1 Я У СКОР:;ЮЩЕй электромагнитнои 1 алны измея- н- дукцию продольного ма-, ГЕтногв ноля согласно Бьражению гпеГО - циклическая астота высокочастотного поля;с( - заряд частицы;с - скорость света;(": о - относительная фазовая скорость волны в волноводе;.01 - ОтнОсительная азимутальнаяскорость частицэнергия частиц;Е, - энергия покоя.оТакой способ ускорения заряженных частиц позволяет увеличить КПД и шунтовое сопротивление ускоряющего волНОБОДа За СЧЕТ СНИжеНИЯ ПОТЕРЬ сокочастотьой моаности в стенках вопновода. Это достигается путем уменьшения граничной поверхности Уравнение 1:родольеого компонента з.ектрнческо 1.0 поля бегущей Болнь: Е11 Г:,цилиндр и чес ких 1 оордиьатах з аписывает я следующим образом: йе"., - амллит;да ускоЯющего 1 оля;фун;ция Я-: сея порядка 1( - .Оперенное Бо.11 сна:. число;К, - еродо 11 ь 100 Болновос числа ЗаписХая с юБ комплексном Биде получим два компонента гро 1 ольного поля, один из которых выражаетформуой1 Х;Г Е Х (11 Ь 1,. й-П. 1 2 ) Если угое изие 1 яется 1 о закону Г 1 О СОствето гвует часте 1 це вращаю;ЕйЯ БОКРУГ ОСИ БОЛНОВОДа С астотой 05 р;11101;ия :., то фазовую скорость волны мож:10 опредслигь по формуле(з ( г 11, рЯф, Х;. 1 03г63,7 с; где 1 - ззцяая скорость замедленНсй НОЛ 1 Ы:.Б 1 1 а 11 .КОРОСТЬ БО,1 НЫБолнозодеасто 1 0 рдЕС.11 Яча.тиц(5) оля рав ндукция магнитно сЫ ь г ос де тоПро дующим продол кого и одновр- радиус движени есс ускорения вы образом; частицы ным компонентом оля, двигаются по менно с перемеще час ляди уск лект тицат слеоряясь ричес- ту зимем Таким образом, частица, вращающаяся в волноводе, видит электромагнитную волну замедленной. Из соотношения (4) видно, что фазовая скорость замедленной волны Ч( 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 будетУофуменьшаться фазовая скорость замедленной волны. Иеняя 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 св)( Р (т)(6) 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 скорост частиц и ее азимутального компонен та выражается формулойвй) 15 и20 25 ЗО 35 40 45 50 5 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 ускоряющая система, предназначенная для ускорения электронов по предлагаемому способу,Система состоит из цилиндрического гладкого волновода 1, помещенного в соленоид 2, ось которого параллельна оси волновода и смещена на расстояние, меньшее радиуса волновода. Ось инжектора 3 параллельна оси волновода. Волновод 1 возбуждают на волне Е с азимутальными варнавациями поля и через отверстие в торцовой стенке в него иижекцируют пучок электронов, выходящий из ин" жектора 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 5,110 1/И, что на порядок меньше, чем в существующих ускорителях с диафрагмированным волноводом иевым ускорением заряженных частиц.Возбуждение магнитного поля по заданному закону (6) обеспечивает синхронное аэимутальное движение частиц с. азимутальным изменением продольной составляющей электрического поля и позволяет достить той же энергии при меньших потерях мощности1135420 Тип ускоряющего волновода Примеры цилиндрический коаксиальный 3)8 6 3,5 530 0,134 0,082 Ое 058 15 0,97 0,9 0,69 Корректор Е. Сирохман Техред А,Баоинец Редактор Л, Письман Заказ 5764/2 Тираж 794ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб д4/5 Подписное Филиал ППП "Патент". г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Тип волны ЕвпДлина волны, смРадиус волновода, см Радиус внутреннего проводника, см Смещение оси волновода от осисоленоида, см Энергия инжекции, КэВИндукция инжекции, ТВыходная энергия., МэВ Индукция на выходе ускорителя, Т Длина ускорителя, МКоэффициент затухания, 1/М Е Е2 3 1,75 2,7680 600 1,95 3,13,3 1 О 1,6 10 3)15 в 1 10