Ускоряющая система ускорителя со стоячей волной

(71) МосковскКрасного Знамкий институт.(56) Викулов Взапуск и испытсо стоячей волн ток 100 мА.эксперимента,с. 3-5,р. Разработка, мпактного ЛУЭ я,5 М ка ф ой нергию сер. Техн ), Харько 2 Сменные группиЛУС-З, в сб.частиц; М,:с. 43-46.Фокусировка ВЧй волной, ЖТА,279-285,54) (57) УСКОРТЕЛЯ СО СТОЯЧЕ ЩАЯ СИСТЕМА УСКОРИОЛНОЙ, в начале и становлены усонце которой ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ ОПИСАНИЕ И АВТОРСКОМУ СВИД Вюл. У 3ий ордена Трудового ени инженерно-физичесатов и В К. Шилов 6(088.8) Филатов А.Н. и др. ователи ускорителя Р скорители заряженных нергоатомиздат, 1983Филатов А.Н. и др. олями в ЛУЭ со стояч54, в. 2, 1974, с,коряющие цилиндрические ячейки,между которыми в чередующемсяпорядке расположены цилиндрическиеячейки связи и цилиндрические ускоряющие ячейки, причем все ячейки имеют щели связи в общих торцевых стенках вблизи боковых стенок, а в центрах торцевых стенок ячеек выполнены.пролетные отверстия, образующие общий пролетный канал, причем пролетные отверстия ускоряющих ячеек выполнены в конических втулках с вершиной конуса к центру ячейки, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что, с;целью увеличения предельного значения ускоряемого тока заряженных частиц, четные ускоряющие цилиндрические ячейки имеют пролетные отверстияцилиндрической формы, а,пролетныеотверстия в конических втулках выполнены конусными с вершиной конуса отцентра ячейки, при этом минимальныйдиаметр которых д и диаметр Й цилиндрических каналов удовлетворяютвыражению д ) Й , внутренние диаметры Йэ всех ячеек соответствуют условию сакэ 0,753 , где 3 - длина волны78304 5 10 15 20 35 40 45 50 55 1 11Изобретение относится к ускорительной технике, а более конкретно -к устройствам ускоряющих систем малогабаритных ускорителей заряженныхчастиц со стоячей волной, и можетнайти применение в тех областях науки и техники, где требуются мощныеисточники ионизирующих излучений илипотоков ускоренных частиц. Это, прежде всего, радиационная химия и медицина, дефектоскопия, стерилизацияотходов и т.д.Целью изобретения является увеличение предельного значения ускоряемого тока заряженных частиц, что особенно важно для мобильных облучающихустановок, которые применяются в.дефектоскопии радиационной терапии ирадиационного каротажа скважин.На чертеже изображена ускоряющаясистема ускорителя со стоячей волной,позволяющая в режиме работы без применения внешних фокусирующих уст- /ройств увеличить значение ускоряемоготока заряженных частиц.Она содержит профилированные цилиндрические ускоряющие ячейки 1 инепрофилированные цилиндрическиеускоряющие ячейки 2, между которыминаходятся ячейки связи 3, причем всеячейки связаны друг с другом щелямисвязи 4 в общих торцовых стейках, вних же имеются пролетные отверстияразного диаметра конические 5 и цилиндрические 6, образующие пролетныйканал системы, причем в профилированных ускоряющих ячейках вокруг пролетных отверстий имеются пролетныеконические:втулки 7,Система работает следующим образом.Внутренние диаметры ускоряющих профилированных ячеек 1, ускоряющих непрофилированных ячеек 2 и ячеек связи 3, индуктивно связанных между собой через щели связи 4,.имеют такие геометрические размеры (диаметр0,7-0,83, где Ъ - длина волны генератора), что в них на,рабочей частоте возбуждаются колебаний В вида. Возбуждение осуществляется через узел ввода мощности, присоединенной к любой ускоряющей ячейке 1 или 2 так, чтобы направление полей в ячейке совпадало с направлением полей около отверстия связи узла ввода мощности, причем вся система возбуждается на % /2 - виде колебаний. 2Каждая ускоряющая ячейка 1 или 2 возбуждается в противофазе по отношению к соседним ускоряющим ячейкам, Поле в ячейках связи 3 практически равно нулю. Расстояние между двумя соседними резонаторами равно 3 /2, где 1" - относительная скорость уско-, ряемых,частиц в промежутке между этими ячейками.Ускоряемые частицы проходят через пролетный канал системы, образованный пролетными промежутками ячеек и пролетными отверстиями 5 и б в их торцовых стенках, и ускоряются в ячейках 1 и 2. Наличие в профилированных ускоряющих ячейках 1 конических пролетных втулок 7, выступающихк центру ячеек на расстояние 0,080,153 , позволяет за счет концентри,рования электрического поля на осисистемы и увеличения значения коэффициента пролетного времени повыситьэффективность использования ускоряющего поля. Наличие втулок 7 в ячейках 1 приводит иэ-эа сильного искривления силовых линий электрическогополя к появлению в областях, прилегающих к этим втулкам, значительнойпо величине радиальной компоненты электрического поля, причем направление электрического радиальногополя у разных втулок 7 одной ячейки1 в каждый момент времени противоположно. Кроме радиальной компоненты электрического поля на радиальное движение ускоряемых частиц, в данном случае электронов, сильное действие оказывает азимутальная компонента магнитного поля, опережающая во времени продольное ускоряющее электрическое поле на четверть периода колебаний, Как радиальная компонента электрического поля, .так и азимуталь" ная магнитного поля оказывают на ускоряющиеся частицы как фокусирующее, так и дефокусирующее действие,Известно, что чередование фокусирующих и дефокусирующих полей при определенных условиях может привестик общему фокусирующему эффекту. Анализ динамики электрона в ВЧ поляхускоряющих ячеек 1 и 2 показывает,что если ускоряющее электрическое поле изменяется во времени по гармоническому закону, то для р , близкихк 1, областью начальных фаз влетаускоряемых частиц в кскоряющие ячфки, для которых происходит продольное ускорение, является область фаз-У 2%К р, О+2%К. Область фаз,. в которой фокусирующее действие оказывает радиальное электрическое поле, 5 Область- фаэ, в которой фокусирующеедействие оказывает аэимутальное магнитное поле,Фазовые области, для которых осуществляется радиальная фокусировка под действием радиальной компоненты электрического и азимутальной компоненты магнитного поля, не совпадают и сдвинуты относительно друг друга на Т . 20 В зависимости от того, действие какой компоненты ВЧ поля будет более значительным на ускоряющиеся частицы, областью радиальной фокусировки и продольного ускорения является .25-У+2%КС Р, -Ъ/2+2%К Первый диапазон используется в прототипе, являющемся в то же время и базовым объектом, где ускоряющие ячейки - это профилированные ускоряющие ячейки 1, Здесь фазар =. в ,7 Г/2 соответствует наибольшему. набору энергии частицами, а ч = О " фаза, соответствующая наиболее полному ис пользованию фокусирующих свойств ускоряющей ячейки 1, В прототипе фаза влета сгруппированного в группирователе сгустка находится между этими двумя фазами, что приводит к недо бору выходной энергии, а из-за довольно большой фазовой протяженности сгустка (до 60 С) - к .большому энергетическому разбросу. Второй диапазон продольного ускорения и радиаль п ной фокусировки справедлив в случае использования в качестве ускоряющих ячеек непрофилированных цилиндрических резонаторов. Чередование ускоряющих ячеек 1 и ячеек 2 создает для 55 интервалов фаэ г-Ъ 2%К у Р 212%К 1178304 4последовательно чередующиеся фокусирующме и дефокусирующие участки.Имеется некоторое подобие механизмасильной фокусировки в ускорителях,только фокусирующими полями служатсобственные высокочастотные полясистемы, радиальная компонента электрического и азимутальная - магнитного, изменяющиеся во времени, Поэтому условно можно выделить дляуказанных фаэ структурную схему периодов фокусировки (условно, так какона меняется во времени), Для первого интервала фаэ это будет ФОЛО.а для.,второго ДОФО. Роль дрейфовогопромежутка в структуре выполняютячейки связи 3 и пролетные отверстия5 и 6, т.е. те области, где отсутствует ВЧ-поле. Можно на основе данной ускоряющей структуры выполнитьструктуры и с другой структурной схемой фокусировки, например ФОФОДОД.Подбором параметров ускоряющих ячеек всегда реализуется такое положение, нри котором на всех фокусирующихучастках для рассматриваемых диапазонов фаэ ускоряемые частицы будут всреднем более удалены от оси, чемна соседних дефокусирующих, а из-за30 того, что напряженность как электрического радиального, так магнитногоазимутального поля в пролетном канале возрастает при движении от оси,получается суммарный фокусирующийэффект для всего фазового диапазона,для которого осуществляется ускорение. После группировки сгусток "са"жается" в фазу у -7 Г/2, что позволяет получить оптимальную величинувыходной энергии, при этом из-засимметричной посадки сгустка относительно максимума ускоряющего поляудается минимизировать энергетический разброс. Что касается начальнойчасти ускорителя, где электроны набирают скорость, близкую к скоростисвета, то для электронов это 2-3первые ускоряющие ячейки, обладаю.щие по этой причине рядом особенностей. Известно, что в этом случаедополнительный положительный эффектфокусировки достигается эа счет увеличения скорости частицы при пролете через ячейку. Можно регулироватьв некоторых пределах значения радиальной компоненты электрическогополя и азиеутальной магнитного впролетном канале. В отличие от прототипа, пролетное отверстие 5 в ус8304 6 5 1 О 15 20 25 30 35 факт, что применение даже 1-2 циускорителя позволяет увеличить на 25-30 Ж величину ускоряемого тока,менением шунтового сопротивления. Составитель А,НестеровичТехред Н.Глущенко Корректор А. Зимокосов Редактор С.Титова Заказ 740/1 Тираж 801 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Иосква, )К, Раушская наб д. 4/54Производственно-полиграфическое предприятие, г,Ужгород, ул. Проектная, 4 5 117 .коряющей ячейке 1 имеет форму усеченного конуса, что позволяет увеличить значение радиальной компоненты электрического поля, при этом, как показали расчеты, происходит и некоторое увеличение значения шунтового сопротивления структуры, а это тоже важный положительный фактор. Увеличение воздействия азимутального магнитного поля в цилиндрических ячейках 2 до-стигается за счет уменьшения значения радиальной компоненты электрического поля при уменьшении диаметра, пролетного отверстия 6 до 0,063 в отличие от профилированных ускоряющих ячеек 1, где минимальный диаметр пролетного отверстия 5 составляет величину 0,13При этом шунтовое сопротивление цилиндрических ячеек 2 тоже несколько возрастает. Такое уменьшение апер,туры системы возможно в результате эффективного действия предлагаемого механизма фокусировки, подтвержденного соответствующими расчетами. Введение вокруг пролетных отверстий 6 небольших компенсирующих втулок, выступающих к центру ячеек на расстояние до 0,043, позволяет также минимизировать величину радиальной компоненты электрического поля и тем самым усилить действие азимутального . магнитного поля. 11 екоторое радиальное электрическое поле появляется в ячейках 2 из-за наличия пролетных отверстий б, а наличие компенсирующих втулок делает распределение электромагнитных полей в ячейках 2 аналогичным распределению в цилиндрическом резонаторе без отверстий, при этом частота возбужпения резонатора зависит только от его диаметра, но не зависит от протяженности. Существование таких компенсирующих втулок подтверждается теоретически и экспериментально. Наличие всех конструктивных изменений, описанных выше, приводит к тому, что внутренние диаметры всех ячеек 1, 2, 3 становятся примерно одинаковыми и равны 0,75 1,Расчеты полностью подтвердили работоспособность предлагаемой системы. Для расчетов использовалась программа, осуществляющая интегрирование уравнений движения частицы в структуре со стоячей волной, Высокочастотные поля, взаимодействующие с ускоряемыми частицами на всей длине ускорителя, задавались в табличном виде, их значения были получены с помощью программы, позволяющей по геометрическим размерам ускоряющихячеек определить их электродийамические характеристики. Использованиетакой ускоряющей системы позволяетпримерно в 2 раза увеличить захватчастиц в процесс ускорения и тем самым вдвое увеличить значение ускоряемого тока по сравнению с прототипом, являющимся в то же время и базовым объектом, при этом энергетический спектр пучка на выходе установки становится уже (примерно на407) из-за симметричной посадки ускоряемого сгустка относительно максимума ускоряющего электрическогополя. Нужно особенно отметить тот линдрических ячеек в начальной части 40 хотя и за счет некоторого снижения темпа ускорения, обусловленного из