Ускоряющая структра для линейных ускорителей заряженных частиц

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 05 Н 71 51 НИ гЦИЯ АВТОРСК СВИ 37 Кулеерови гс 1 е ассе 1 п Ргос,аког сопГеге 1979 ею 190-193.(54) УСКОРЯ 10 НЫХ УСКОРИТ (57) Изобрет тельной техн ускорение за но допустимо ускоряющего ра выполнена ть напряжен 1 а оси стру против другоготверстия 3,ны и закреплпайки или свалиндрическиелиндрич еских плоскостях шиугольного вол корииспользо яженных ение относится к у нике и может быть скорения пучков за нейных ускорителя обретения - увеличз ние теми уско- роекции но расп а,обраволноводов находя но другой на один Я. Оси цилиндриче четными номерами плоскости (прямая цилиндрических вол номерами - в друг от носит ся угольноов; наения усковых расстояния олноводсв с неожены в однойфиг. 1), осиов с четными х асполАВ нновой пл 1) пред олновод го одно скости ая ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ И(56) Раг 1 саз Ь.1). Рагоп чхГ 11 ТЕ 0 сачхГУ1979 11 пеаг ассе 1 егаМопгагй, 10-14 Бергуотс, 1979, Р 4, р.р 11 АЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ЛИНЕЙ- ЕЛЕЙ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ение относится к ускориике. Цель изобретениясчет повышения предельй величины напряженности поля. Ускоряющая структув виде прямоугольного тепьнои техвано для участиц в лиЦель изпа ускорения.На фиг. 1 приведены проекряющей структуры; на фиг,2 -поперечного сечения резонатозованного разветвлением прямго и цилиндрических резонатофиг, 3 и 4 - варианты возбуждкоряющей структуры,Ускоряющая структура (фигставляет собой прямоугольный1, на широких стенках 2 кото волновода, в широких стенках которого друг против друга расположено двепоследовательности одинаковых отверстий, оси которых параллельны. Отверстия расположены по обе стороны отоси канала транспортировки пучка наодинаковом расстоянии, выбор которого осуществляется с помощью аналитического выражения, В отверстиях укреплены отрезки круглых запредельныхцилиндрических волноводов, так чтовдоль оси структуры образуется последовательность объемных резонаторов сТЕ-типом колебаний, Поскольку вданной конструкции не существует типколебаний ТЕ;, на рабочей частоте, Ято электрическое поле на стенках мачто позволяет подн сть ускоряющего поляуры, 4 ил,о расположены круглыеВ эти отверстия вставлены (например,с помощьюрки) запредельные циволноводы 4, Торцы 5 циволноводов расположены вроких стенок 2 прямоновода. Оси последоваоженных цилиндрических1598228 СО на фиг. 1), Эти плоскости параллельны одна другой, параллельны осипрямоугольного волновода е 1 р и расдс - -в. положены на одинаковом расстоянии Ь5 Й- -=еЕч. от нее. Диаметры цилиндрических волноводов 2 а и расстояние между широкимистенками прямоугольного волновода .1выбраны иэ условия существования собственного типа колебаний резонаторов, образованных областями связи цилиндрических и прямоугольного волноводов. Каждая пара цилиндрических волноводов с примыкающей к ним частьюпрямоугольного волновода образуют в( , , ) ( , ) (2) этом случае резонатор,Е (г, я, г) = Е (г, х) совЮС(2Ускоряющая структура работает следующим образом.Для создания ускоряющего поляструктуру возбуждают с помощью внешнеОго ВЧ-генератора или модулированногопучка. Для возбуждаемого типа колебаний цилиндрические и прямоугольныйволноводы запредельные и поле в них ,Е Еу чЬЕ ч = Е ч совМ= ---- . быстро спадает с расстояния, Поле сосЬс ХсЬ+Х редоточено в основном в областях связицилиндрических и прямоугольного волноводов. Расстояние между узкими стенками прямоугольного волновода Ь и длина цилиндрических волноводов я выб- ЗОраны из условия, чтобы напряженностьэлектрического поля на узких стенкахпрямоугольного волновода Е, и напряженность электрического поля на тор- ы+х(с) а уравнения для прироста энергии частицы С Для рассматриваемого типа. колебаний электрическое поле имеет только одну азимутальную составляющую Е, которая является функцией времени , г и з, где г - расстояние от оси 1 с-го резонатора, г - расстояние по высоте от оси прямоугольного волновода (фиг. 1): Выбирая оптимальное значение г=О, рассчитывают прирост энергии частицы в Е-м резонаторе. На фиг. 2 показана траектория частицы вдоль оси Х в окрестности Е-го резонатора, Из этого следует, что где за начало отсчета по оси Х принято положение центра резонатора,Пользуясь (1), (3) и фиг; 1, получают для прироста энергии в -м резо- наторее 6 к =ечЬг Е г(с)2сов(дСЙСр. (4) Для полного прироста энергии при оптимальной фазировке полей в резонаторах получают ц х 6 цилиндрических волноводов Е были меньше пробивной напряженностигде 1 е, С - моменты влета и вылета поля Е для того, чтобы при работечастицы иэ ускоряющей ускоряющей структуры не происходил пробой.структуры;г(с) - расстояние от оси к-гоПосле возбуждения ускоряющей струкО резонатора до места растуры через нее пропускают ускоряемый положения частицы в мопучок. Прирост энергии ускоряемой мент времени С;частицы в ускоряющей структуРе пред- х(с) - координата частицы в моставляет собой сумму приростов энер- мент времени С. гии частиц в каждом из резонаторов. 45 Переходя в формуле (4) от интегНаходят прирост энергии частицы в рирования по с к интегрированию по х 1 с-м резонаторе. Исходят из известного (фиг. 1), находятЬ + (1-1)1 Д Як -ечь 1 Е ек ( Х +ее ) сове (5) е р.Йх Ь а . Х+Ьчр Е где В - полное число резонаторов в ускоряющей системе.15982 Еч ой ре 1 схеВ этом(еа 6 К е (йег)1=В, ---К (а) га,(з) сс -1, (Р .)- Ао1 о (Ре а) 3 (- сй):.при г ( а = 2,98 с равна ЬДля тог бой, узкие натора дол расстоянии87 см) эта величи ции Бессе -го рода; го резона 1,5 см т пределяе е.для об а и еч одн пол трическое Е; (Рзи(7), можно т оси цио оси прямо- выбранных в - 6000 МГц; В рассмальном зн и Е ййкс Для получения максимального прироста энергии частиц расстояние Ь от оси пучка до плоскостей, в которыхй Ьл + (Мс) 1 Рассмотрим пример практичесалиэации предлагаемой структурма которой показана на фиг, 3примере ускоряющая структураляет собой последовательностьМ = 8 резонаторов, работающихТЕ и - волне, Запитка резонато аа 1 е 1 сте - +1 где Р, = 1)п/а; )о, - корень уравне Р= Р /1; 1 б (1 г) 1 Ь(аг)Аое1 в(Р а) 1 Ь(о 1/2) где 11 (Р г) 1 (Р )ля 1г - расстояние от оси 1 стора до точки, где ося электрическое полПодставляя выражение Емласти значенийХ с а- ЬЛла области значений Хтиз Формулы (9) в формулуопределить расстояние Ь олиндрических волноводов дугольного волновода. Дляданном примере условий (г 28 6расположены оси цилиндрических волноводов, необходимо выбирать из условия о)х йхСВЧ-полем производится с помощью волноводной линии 7 и направленных ответвителей 8. Для настройки резонатора насобственную частоту Г разветвленияволноводов на ТЕО -типе колебанийих размеры должны удовлетворять соотношению а-,1: е еетРе Уат,ч; Из формулы (8) следует, что,. например, собственная частота К=6000 МГц может быть получена при а = 2,98 см, 1 = 1,87 см. При этом как цилиндрические, так и прямоугольный волноводы будут для этого типа колебаний запредельными иэлектромагнитное поле будет сосредоточено в основном в областях их связи.Электрическое поле в к-м открытом резонаторе такого типа описывается следующими соотношениями в одноволновом приближении, являющимся достаточно точнымРде при г б.: а (е) с 1/2; тобы не развивался про нки прямоугольного рез располагаться на таком а от другой, чтобы эле тренном примере при максчении напряженности поля70 В/см и пробивной напря1598228 т,е. 1. = 7 см. 5Возбуждение предлагаемой ускоряющей структуры не обязательно должно производиться с помощью волноводной линии (Фиг, 3), Другая возможность иллюстрируется примером, показанным10 на фиг. 4. Здесь возбуждение ускоряющей структуры осуществляется двумя модулированными электронными пучками 9 и 10 с относительно высокой интен 15 сивностью и небольшой энергией, пропускаемых в области, где возбуждаемое ими в резонаторах электрическое поле является малым. Частота модуляции пуч-, ков совпадает с собственной частотой20 резонаторов на ТЕоц -волне.Третьей возможностью является возбуждение ускоряющей структуры путем ввода ВЧ-мощности через открытый конец прямоугольного Волновода, В этом 25 случае должны быть соблюдены условия равенства фазовой скорости волны и скорости ускоряемых частиц.Предлагаемый способ позволяет получить значительно больший темп ускорения заряженных частиц. Это связано с тем обстоятельством, что в цилиндрических резонаторах ТЕО-тин колебаний является выраженным, при его возбуждении одновременно возбуждаетсяТМ -тип колебаний, имеющий такую же резонансную частоту. Поскольку электрическое поле на стенках в резонаторе на таком типе колебаний имеет большую величину, то воэможности уве 40 личения напряженности поля в такой структуре ограничиваются на уровне сотен киловольт на сантиметр из-за развития пробоя.Б предлагаемой структуре при выбранных размерах волноводов, обеспечивающих настройку на заданную частоту резонаторов, образованных разветвлением цилиндрических и прямоугольного волноводов, тип колебаний ТИ насоЬ+(В-К)а Ях йхженности поля Е = 3 10 В/см с по 51 Емощью формул (9) получают -+11 М 15 см,где М - собственная частота резонаторов, с ,ч - скорость ускоряемых частиц,м/с; этой частоте не существует. Поэтомуэлектрическое поле на стенках мало иможет быть всегда сделано меньше пробивной напряженности поля.Кроме того, в этой ускоряющейструктуре нет необходимости делатьотверстия для пролета пучка, которыетакже снижают электрическую прочность.По этим причинам ограничения возможности увеличения напряженности поля,а следовательно, и темпа ускорения,обусловленные развитием пробоя в предлагаемой структуре практически отсутствуют, В рассмотренном примере показана возможность получения максимальной напряженности поля 10 В/см, чтоболее чем на порядок превышает макси- .мальную напряженность поля, которуюможно получить в известных ускоряющихструктурах,Формула изобретения Ускоряющая структура для линейных ускорителей заряженных частиц, содержащая последовательность резонаторов с ТЕ -типом колебаний, оси которых расположены параллельно друг другу и перпендикулярно продольной оси структуры на одинаковом расстоянии Ь (м) от нее, при этом оси четных резонаторов лежат в одной плоскости по одну сторону от продольной оси структуры, нечетных по другую сторону, а геометрические размеры структуры выбраны из условий обеспечения электрической прочности и существования собственного типа колебаний, о т л и ч а ю - щ а я с я тем, что, с целью увеличения темпа ускорения, вдоль продольной оси структуры и соосно ей расположен дополнительно введенный прямоугольный волновод, на широких стенках которого соосно расположены друг против друга цилиндрические волноводы одинакового диаметра, соединенные с прямоугольным волноводом отверстием того же диаметра, а расстояние Ь выбрано иэ условия Ь - расстояние от начала прямоугольного волновода до осипервого цилиндрического воановода, м;598228Ь- расстояние от оси последнегоцилиндрического волновода доконца прямоугольного волновода, м;И) ЬфУ,Б - расстояние между осямисоседних цилиндрическихволноводов, м; 1 О Е- аэимутальная составляющаянапряженности собственногоэлектрического поля реэонатора, В/м;В - полное число реэонаторов.1598228 Подписное Тираж 667 ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5