Способ ускорения заряженных частиц

)Заявлено с присоединен (23) ПриоритеОпублико асударстевкиье кает СССР кв двлак кзвбрвтвккй к аткрыткй(54) СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЪХ ЧАСТИЦ ионов, основанный на и взаимодеиствии с про.м стоячей электроаемой в резонаторе Однако при тако коэффициент захватаИзвестен также с ном ускорителе на бе новоде с пролетными ои волнои, выделяю евышаю асто м отношениной волнырименение о ны, приче полнительЕго п бегущей волне. лее близкк изобретению являетс Наиб способ уженных частиц, например орения за Изобретение относится к ускорительной тех. нике, в частности к линейным ускорителям ионов.Известен способ ускорения заряженных частиц, основанный на их взаимодействии с продольным электрическим полем стоячей электромагнитной волны, возбуждаемой в резонаторе с трубками дрейфа, причем режим ускорения выбран так, что ускоряемые частицы периодически находятся под воздействием то фазирующих, то фокусирующих сил т . м способе сравнительно мал ускоренных частиц, пособ ускорения в линей- гущей волне, когда в волтрубками, наряду с основт дополнительную волну шей частоту основной воле амплитуд основной и добольше единицы 21 граничено в ускорителях на дольным аксиальным полемагнитной волны, возбуждс трубками дрейфа 3).Однако моноэнергетичность пучка ионов, ускоренного таким способом, хуже чем в некото рых других типах ускорителей, например электростатических генераторах, Улучшение этого параметра пучка ионов является актуальной задачей. Известно, что в лучших линейных ускорителях относительный разброс частиц по энергии на выходе составляет+0,3%. Такая величи. на является недостаточной для целого ряда исследований по ядерной физике и некоторых прикладных задач. Поэтому для получения более моноэнергетичного пучка на выходе ускори. теля устанавлив ают специальные монохроматоры, представляющие собой сложную систему громоздких магнитов. При этом улучшение мо. ноэнергетичности пучка на один порядок влечет за собои потери интенсивности на один.два порядка. Цель изобретения - повышение эффективности ускорения за счет улучшения моноэнерге5888 3тичности пучка ускоряемых частиц и фокусировки их ускоряющим полем,Это достигается тем, что одновременно сосновной волной в резонаторе путем подключения к нему дополнительного генератора возбуж 5дают дополнительную волну типа Ещ гдеп = 2, 3 ., частоту которой настройкой резона- .тора подбирают кратной частоте основной волны, а отношение амплитуд основной и дополни.тельной волны больше единицы.10На фиг. 1 показана зависимость электрического поля Е на оси резонатора от величинысот, где кривая 1 - для поля основной волныЕо 1 о, кривая 2 - для поля дополнительнойволны Е (в данном случае гг 3), кривая 3 - 15результирующее поле; на фиг. 2 - графикираспределения электрического и магнитного полей в цилиндрическом резонаторе в плоскбстипоперечного сечения, где по оси абсцисс отложе-но расстояние От оси резонатора в относительных единицах г/В, где В - радиус резонатора,г - расстояние от оси, а по оси ординат - отно.сительное изменение полей Е и , где- еО) нськиЕ(г) и Н(г) - значения полей в точке, находящейся на расстоянии г от оси и Е(0), Н(0) - 25значения полей на оси резонатора (кривая 4соответствует изменению электрического поляосновной волны Ео,о, кривая 5 - магнитномуполю основной волны Ео, о, кривые 6 и 7 -электрическому и магнитному полю дополнитель 30ной волны Ео з о на фиг. 3 - расчетное значение функции распределения ионов, ускоренныхна линейном ускорителе на 100 МэВ, по энергиям, по оси абсцисс отложены значения энергии ускоренных ионов, а по оси ординат - величина, характеризующая распределение ионовпо энергиям, где Ьг - число частиц в диапазоне энергетического спектра Ь со , Йо - полноечисло ускоренных частиц (кривая 8 - для случая ускорения только на одной основной волне 40Ео,о, кривые 9 и 10 - для случаев,когда ускорение осуществляется совмещенными полямиосновной волны и Дополнительной волны Еозопри этом отношения амплитудных значений .электрических полей на оси ускорителя основной и дополнительной волн К соответственноравны 2 и 2,75.Одновременное возбуждение в ускоряющейструктуре линейного ускорителя двух резонансных волн, частоты которых отличаются в 3 ра-50за, можетбыть осуществлено при условии, ког.да ускоряющее поле с более низкой частотой -основная волна образуется за счет возбуждениярезонансной волны типа Ео,о, обычно используемой в структуре типа Альваренца, а поле 55более высокой частоты - дополнительная волна,образуется при возбуждении резонансной волнытипа ЕоЗо распределение поля которой показано на фиг. 2. В пустом резонаторе частота волны,88 4 Еозо в 3,6 Раза выше частоты волны Ео 1 о Необходимое отношение этих частот, равное 3,может быть получено за счет разностного эффекта возмущений при нагрузке резонаторатрубками дрейфа, а также расположения настроечных элементов в областях резонатора, в которых возмущение полей, соответствующих каж.дому из указанных типов волн, различное, Этопозволяет изменять частоту одной из волн в большей степени, чем другой, до тех пор, покаих отношение не достигнет требуемой величины,равной 3.Две указанные волны в резонаторе с трубками дрейфа могут быть возбуждены до номиназ 1 ь. ных амплитудных значений ускоряющих полейот отдельных генераторов ВЧмощности, При этом количество ВЧ-мощности, расходуемое насоздание поля дополнительной волны, будет в К раз меньше мощности, расходуемой на создание номинального уровня поля основной волТребуемые фазовые соотношения между полями основной и дополнительной волн, обеспечивающие необходимый характер изменений результирующего поля во времени, достигаютсяс помощью известных фазовращателей, установленных в тракте передачи ВЧ-мощности от гене.раторов в резонатор,Энергетический спектр при ускорении в указанном результирующем поле улучшается вслед-ствие малого изменения амплитуды результирующего поля в пределах угла захвата,Для приведенного на фиг. 1 соотношенияамплитуд полей основной и дополнительной волн,К= 5, изменение амплитуды результирующегополя 3 в пределах утла захвата (Ьр+Ьр" )составляет 8% от максимального, в то времякак для прототипа, когда ускорение происходитна одной основной волне, упомянутое изменениесоставляет около 50%. В линейном ускорителе ионов для заданных значений коэффициентов зазора (отношения длины промежутка между смежными трубками дрейфа к длине ячейки ускоряющей структуры) учет фактора времени пролета частицами указан. ного промежутка требует внесения соответствующей поправки в соотношение амплитуд основной и дополнительной волн. Конкретное значение этой поправки зависит от реальной величины коэффициента зазора, При нахождении оптимального соотношения амплитуд в конкретной структуре линейного ускорителя на 100 МэВ, в котором коэффициент зазора равен 0,25, расчеты показали, что максимальный эффект моноэнергетизации пучка без заметного уменьшения его интенсивности получен при возбуж. денни в резонаторе основной и одной дополнительной волн, при К 2,0-2,75, Из фиг.3 вид.Формула изобретения 5 58888 но, что разброс по энергиям уменьшился в 20- 50 раэ. Однако и при других значениях К моно- энергетичность пучка лучше, чем в случае возбуждения только одной основной волны. Диана. зон значений К, при котором улучшается моно-энергетичность пучка, ограничен снизу значением Кф 1, а сверху при любых величинах К моноэнергетичность пучка будет лучше, чем в случае возбуждения только одной основной волны,Более высокую степень моноэнергетичности 10 пучка можно получить при возбуждении в ускоряющей структуре большего количества дополнительных волн, когда зависимость поля от времени приближается к прямоугольной. Однако практически возбуждение такого спектра допол нительных волн в объемном резонаторе и настройка их частот затруднена, а дополнительный эффект улучшения моноэнергетичности по сравнению со случаем возбуждения одной дополнительной волны, приведенном на фиг. 3, будет 20 небольшим.Одновременное возбуждение двух указанных волн в ускоряющей структуре, кроме моноэнергетизации пучка ускоренных ионов, позволяет получить также эффект одновременной фазовой и радиальной устойчивости. В известном способе .ускорения заряженных частиц в линейном уско. рителе области фазовой и радиальной устойчи. вости несовместимы. Для значения фаз от 0 до 90 имеет место радиальная устойчивость, а ЗО в области 0 - 90 - фазовая устойчивость. По этой причине при рабочем диапазоне отрицательных фаз обычно используют внешние фокусирующие устройства, например в виде квадрупольных линз, Как видно из фиг, 1, при одновременном возбуж денни.двух волн результирующая кривая может 8 6иметь двугорбый характер (кривая 3), В этом случае в процессе ускорения частицы будут совер. шать колебания по фазам в пределах двугорбости, попадая при этом поочередно то в область фа. зовой, то радиальной устойчивости. Таким образом, возбуждение дополнительной волны дает воз. можность получить фокусирующий эффект, это позволяет избежать использования дорогостоящих внешних фокусирующих устройств. Способ ускорения заряженных частиц, например ионов, основанный на их взаимодействии с продольным аксиальным полем стоячей электро. магнитной волны, возбуждаемой в резонаторе с трубками дрейфа, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности ускорения, одновременно с основной волной в резонаторе путем подключения к нему дополнительного генератора возбуждают дополнительную волну типа Е,г,о,где п.=2, Зчастоту которой настройкой резонатора подбирают кратной частоте основной волны, а отношение амплитуд основной и дополнительной. волны больше единицы.Источники информации, принятые во чниманне при экспертизе1. Власов А. Д. Теория линейных ускорите. лей. Атомиздат, М 1965, с. 115.2. Гаврилов Н. М. Исследование радиальной устойчивости в системе с пролетными трубками и магнитнойсвязью на периферии. Ж.Т.Ф. ТХП, в. 5, 1971, с. 1012.3, Каретников Д. В. и др. Линейные ускорите: ли ионов, Атомиздат, 1962, с, 13.24.588888 Е )с) НМг) г сО) н(0) ю,у Ф(имУ Составитель Е. ГромовТехред Н.Ковалева Корректор М. Дем актор Т. Колодцев Заказ 6458 56 иал ПИП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Тираж 944ЦНИИПИ Государственпо делам изобре113035, Москва, Ж - 35 Подписноеого комитета СССений и открытийРаушская наб д.