Линейный резонансный ускоритель

(19) (11) И 4 Н 05 2 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ/ СВИДЕТЕЛЬСТВУ оп. 1, отлием, что интерфере полнены из одноро ированного диэлек азателями преломвыполнены в виде с уменьюающимися нусов в ускоряюще уре в направлении ого инжектора и с 2. Ускоритель ч а ю щ и й с я ционные Фильтры в ных слоев металли рика с разными по ления, причем сло еченных кон лами раство зонансной с ов ктрукектронно.-ионянными угламисуансной струждения. посто в рез раствора конусоктуре устройства воз 2, о то резов видено и аправлекаждомуглазонанс- буждения ОСУДАРСТВЕННЦЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ(72) А.И.Дзергач и В.В.Кузьмин (53) 621.384.6(088,8)ь (54) (57) 1. ЛИНЕЙНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ, содержащий электронно- ионный инжектор, Фокусирующие соленоиды, резонансную структуру, содержащую отражатель, поперечное сечение которого выполнено в форме эллипса, и многослойные линзы, подключенную к двум СВЧ-генераторам с различными рабочими частотами и устройство возбуждения, содержащее кольцевые магнитные индукторы, подключенные к источнику квазистатического напряжения, о т л и ч а ю щ и. й с я тем, что, с целью повьппения КПД ускорителя, в него дополнительно введен электронный инжектор, а внутри полости отражателя размещены ускоряющая резонансная структура и резонансная структура устройства возбуждения, выполненные в виде двухчастотных интерференционных Фильтров, при этом ускоряющая резонансная структура настроена на выделение волн типа Е, а резонансная структура устройства возбуждения настроена на выделение волн типа Е , при выполнении следующих условий:И =Иггде Ы - первая резонансная частотаускоряющей резонанснойструктуры и резонанснойструктуры устройства возбуждения;- вторая резонансная частотаускоряющей резонансной струк"туры и резонансной структуры устройства возбуждения,Ю- частота первого СВЧ-генератораа,Юг - частота второго СВЧ-генера.тора,а кольцевые магнитные индукторы выполнены охватывающими резонансную структуру устройства возбуждения, при этом электронный инжектор, фокусирующий соленоид, и ускоряющая структура устройства возбуждения расположены последовательно и соосно. 3. Ускоритель по пп. 1 ил и ч а ю щ и й с я тем, чтнансные структуры выполненыкаскадов, расположенных соосследующих один за другим в инии от инжекторов, причем вопоследующем каскаде косинусраствора конических слоев реной структуры устройства возувеличен.68077 4индукторы поддерживают постоянствоэнергии и средней скорости электронного пучка, возбуждающего устройствсвозбуждения. Электронно-ионный пучокот инжектора 1 попадает в зону сильного приосевого поля резонанснойструктуры 3 и распадается на электронно-ионные сгустки, которые захватываются в.ч. ямами, движущимися снарастающей по оси 2 скоростью. Сгустки под действием сил инерции смещаются назад относительно центров в.ч.ям, что вызывает их когерентные продольные колебания, аналогичные описанным выше, и приводит к когерентному излучению в резонансной структуре 3, При этом в резонансных структурах 3 и 6 происходит комбинационноерассеяние электромагнитных волн накогерентно колеблющихся сгустках. Этоприводит к резонансной структуре 6к нарастанию в.ч. волны, т.е, волныс повышенной частотой и, за счетэнергии индукторов 7 и отчасти засчет н.ч. волны Я , а в резонанснойструктуре 3 - к нарастанию н.ч. волны Ц за счет в.ч. волны Я, и к передаче энергии ускоряемым электронноионным сгусткам. Связь обеих резонансных структур 3 и 6 по в.ч. полю,обеспечиваемая отражателем 10, даетвозможность поддержания амплитуд в.ч.Я, и н.ч.И волн в резонансныхструктурах 3 и 6 постоянными,1,и Ъ - рабочие длины волн генератора 8 и 9 (%," = 27 С/(д, ). Интерференционные фильтры резонансных структур 3, 6 подавляют паразитные волны. У полученных с помощью фильтров двух- частотных полей узлы биений движутся по осям 2, и 2, причем в резонансной структуре 6 устройства возбуждения эта скорость постоянна, а в ускоряющей резонансной структуре 3 1 О скорость узлов биений нарастает по оси 2(в направлении от инжектора 1)Значение этих скоростей определяется формулой (1). В окрестности узлов биений двухчастотных полей 15 существуют в.ч. ямы, т.е. области устойчивого финитного движения заряженных частиц. Если в одну из многих, в.ч. яму поместить равномерно заряженный электронный шар, то макси мальный заряд шара, удерживаемый в.ч, ямой, будет таков, что напряженность кулоновского поля на поверхности шара может достигать. примерно десяти процентов от амплитуды напрялженности в.ч, поля Е. Таким образом, в приосевой зоне при напряженностях в.ч. ;оля порядка Е ш С /С эфофективность,в.ч. ям велика. После того как напряженности в.ч, полей 30 достигают указанных пределов, включа ются инжекторы 1 и 4. Электронный пучок с энергией порядка 100 кэВ от инжектора 4 движется по продольной оси. резонансной структуры 6, попада- З 5 ет в зону сильного приосевого поля и распадается на сгустки в окрестностях узлов биений .в,ч. поля. Средняя продольная скорость этих сгустков за в,ч. период Тд(ТО = 2 от 40Я,Я: в в в ) постоянна и совпадает2) со скоростью движения узлов биенийдвухчастотного поля резонанснойструктуры 6, т.е. сгустки сидят в 45в.ч. ямах и синхронно с ними движутся. Индукторы 7 создают в резонансной структуре 6 квазистатическое(с частотой порядка 100 кГц) продольное электрическое поле подпора, кото рое смещает среднее положение сгустков вперед относительно центров в.ч.ям, В результате этого смещенияэлектронные сгустки когерентно колеблются в продольном направлении 55относительно центров в.ч. ям, чтоприводит к когерентному излучению врезонансной структуре 6, Магнитные . Средняя скорость электронно-ионных сгустков совпадает со скоростью движения узлов биений в.ч. ноля, ко-. торая рассчитывается по формуле (1). Из формулы видно, что для увеличения скорости узлов необходимо либо уменьшить разность продольных волновых чисел (что здесь и осуществляется), либо увеличивать разность резонансныхчастот (как это было сделано в прототипе). Для этого в прототипе организовывалась периодическая частотная модуляция сигнала, которая обеспечивала повторно-периодический режим ускорения подобно синхрофазотрону. Этот режим приводил к снижению среднего тока ионов в прототипе.В ускоряющей резонансной структуре 3 уменьшение по продольной оси 2 ф угла раствора ( - +0(2 конических 2 слоев, необходимое для ускорения электронно-ионных сгустков ускорен5 1168но движущимися в.ч. ямами (ловушками), приводит к уменьшению напряженности ускоряющего поля по продольнойоси Е, так как напряженность поляпропорциональна соз 9 (2,). Это огра,ничивает максимальную вариацию продольной скорости ускоряемых частиц(их кинетическую энергию) и снижаеттемп ускорения, Конструктивно избавиться от этого недостатка можно огОраничением углов раствора конусоврезонансных структур. Чтобы увеличить скорость и энергию ускоряемыхчастиц, в предлагаемом ускорителепредусмотрена возможность каскадноговключения резонансных структур 3 и 6.При этом разность резонансных частот Я, - Ю в последующем каскаде относительно предыдущего каскада увеличена при одновременном уменьшении 20в резонансной структуре 6 величинывес 9 (Е) (т.е. уменьшение угла раствора конических слоев фильтра) вто же число раз,Расчеты на ЭВМ траекторий электронов в ВЧ ловушках показывают, чтооптимальным диапазоном измененияуглов раствора конических слоев 8(Е),в котором существуют высокочастотныеловушки, является примерно 45 +15 , . Зотак как косинусы углов раствора конических слоев изменяются не более, чемв три раза. Скорость электронныхсгустков совпадает со скоростью движения высокочастотных ловушек и выражается формулой (1). Поэтому скоростьсгустков в одном каскаде резонанснойструктуры целесообразно увеличиватьне более, чем в 2-3 раза. Поэтомуразность частот Ц, -И нарастает 40в 2-3 раза от каскада к каскаду, ауглы раствора конусов меняются поодному закону,Если разность частот в последующем каскаде относительно предыдущего 45увеличена в три раза, то в последующем каскаде из-за этого происходитутроение числа в.ч. ям на единицудлины, так что из каждой тройки в.ч.ям сгустком заряженных частиц запол Оиена только одна. Если начальная скорость заряженных частиц равна двадцатой части скорости света (с/20,077 бт.е. начальная энергия электроноФ- 500 эВ, энергия ионов Ир1.,2 МэВ), а конечная с 3 соростьзаряженных частиц равна с/2 (У - 80 кэВ, Ир = 145 МэВ), то для достижения этой скорости потребуется три каскада.Выбор показателей преломления п и и и толщины слоев Й для интерфе 1ренционного фильтра делается следующим образом. По заданной частоте И 1,= 1,2 (длина волны Я х - 2 ЯС/ьп, где С - скорость света в вакууме) подбираются два диэлектрика с близкими показателями преломления ии п, например (п - и )/ /(п + п) - 10 (для того, чтобы параметрический резонанс был острым) и средним показателем преломления и = (п + п) /2. Толщина каждого слоя покрытия составляет7 С4 п р я 1( + п )Фильтры для частот (,),и и, (см. фиг. 1) выполнены в виде соосных диэлектрических цилиндров (труб с толс - тыми стенками), состоящих из однородных диэлектрических колец четырехугольного сечения. Показатели пре-. ломления колец чередуются вдоль показанных на фиг. 1 образующих конусов с углами раствора 0 и Фотносительно продольной оси симметрии цилиндров.Для проверки принципа действияпредлагаемого ускорителя проводилисьчисленные расчеты на ЭВМ: вычисля- лись траектории релятивистской заряженной частицы при совместном действии на нее цилиндрических в.ч, полей (типа Е), кулоновского Иолясгустка, фокусирующего магнитногополя и поля продольного электрического подпора. Проведенные расчеты показывают, что использование предлагаемого ускорителя позволит в длинных импульсах (микросекунды) или даже в непрерывном режиме ускорять про. - тоны до энергии порядка 100 МэВ.Предпочтительный диапазон рабочих частот СВЧ Ц Ы соответствует сантиметровым волнам,1168077 йУЮ Редактор О.Юркова Техред И.Попович Корректор Е.Сирохма Тирам 765 ПодписиВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам йзобретЕнийй открытий113035, Москва, Ж, Раущская наб., д. 4/ Заказ 526 енно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,роизвод