Ускоряющая система ускорителя со стоячей волной

 

УСКОРЯЮЩАЯ СИСТЕМА УСКОРИТЕЛЯ СО СТОЯЧЕЙ ВОЛНОЙ, в начале и ;конце которой установлены ус/ J f J Aj / J коряющие цилиндрические ячейки, :между которыми в чередующемся порядке расположены цилиндрические ячейки связи и цилиндрические ускоряющие ячейки, причем все ячейки имеют щели связи в общих торцевьк 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 тличающаяся тем, что, с° целью увеличения предельного значения ускоряемого тока заряженных частиц , четные ускоряющие цилиндрические ячейки имеют пролетные отверстия цилиндрической формы, а,пролетные отверстия в конических втулках выполнены конусньми с вершиной конуса от центра ячейки, при этом минимальный диаметр которых d и диаметр dg цилиндрических каналов удовлетворяют вьфажению d d, внутренние диаметры dj всех ячеек соответствуют условию dj- 0,75Л , где }. - длина волны генератора. г J f

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

04. А (19) (11) (51) 4 Н 05 Н 9 00. 9 04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3742358/24-21 (22) 15.03.84

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР .

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (46) 23. 01. 87. Вюл. Ф 3 (71) Московский ордена Трудового

Красного Знамени инженерно-физический институт (72) А.Н. Филатов и В.К. Шилов (53) 621. 384 ° 6 (088. 8) .(56) Викулов В.Ф. и др. Разработка, запуск и испытания компактного ЛУЭ со стоячей волной на энергию 5 5 МэВ н ток 100 мА. ВАНТ, сер. Техника физ, эксперимента, в. 2(4), Харьков, 1979, с. 3-5.

Филатов А.Н. и др. Сменные группи" рователи ускорителя РЭЛУС-З, в сб.

Ускорители заряженных частиц; М.:

Энергоатомиздат, 1983, с. 43-46. °

Филатов А.Н. и др. Фокусировка ВЧ полями в ЛУЭ со стоячей волной. ЖТА, т. 54, в. 2, 1974, с. 279-285. (54) (5,7) УСКОРЯЮЩАЯ СИСТЕМА УСКОРИТЕЛЯ СО СТОЯЧЕЙ ВОЛНОЙ, в начале и .конце которой установлены ускоряющие цилиндрические ячейки, между которыми в чередующемся порядке расположены цилиндрические ячейки 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 значе ния ускоряемого тока заряженных частиц, четные ускоряющие цилиндрические ячейки имеют пролетные отверстия цилиндрической формы, а,пролетные отверстия в конических втулках выполнены конусными с вершиной конуса от центра ячейки, при этом минимальный диаметр которых d и диаметр d цилиндрических каналов удовлетворяют выражению dz > d, внутренние диаметры d> всех ячеек соответствуют условию d — О, 75jl, где j1 — длина волны

:генератора.

78304

50

1 11

Изобретение относится к ускорительной технике, а более конкретно—

1к устройствам ускоряющих систем малогабаритных ускорителей заряженных частиц со стоячей волной, и может найти применение в тех областях науки и техники, где требуются мощные источники ионизирующих излучений или потоков ускоренных частиц. Это, прежде всего, радиационная химия и медицина, дефектоскопия, стерилизация отходов и т.д.

Целью изобретения является увеличение предельного значения ускоряемого тока заряженных частиц, что особенно важно для мобильных облучающих установок, которые применяются в.дефектоскопии радиационной терапии и радиационного каротажа скважин.

На чертеже изображена ускоряющая система ускорителя со стоячей волной, позволяющая в режиме работы без применения внешних фокусирующих уст- / ройств увеличить значение ускоряемого тока заряженных частиц.

Она содержит профилированные цилиндрические ускоряющие ячейки 1 и непрофилированные цилиндрические ускоряющие ячейки 2, между которыми находятся ячейки связи 3, причем все ячейки связаны друг с другом щелями связи 4 в общих торцовых стейках, в них же имеются пролетные отверстия разного диаметра конические 5 и цилиндрические 6, образующие пролетный канал системы, причем в профилированных -ускоряющих ячейках вокруг пролетных отверстий имеются пролетные конические: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 (диаметр "0,7-0,82, где 3 — 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.

Каждая 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 P h /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, выступающих к центру ячеек на расстояние 0,080,153, позволяет за счет концентри,рования электрического поля на оси системы и увеличения значения коэффициента пролетного времени повысить эффективность использования ускоряющего поля. Наличие втулок 7 в ячейках 1 приводит иэ-эа сильного искривления силовых линий электрического поля к появлению в областях, прилегающих к этим втулкам, значительной по величине радиальной компоненты электрического поля, причем направление электрического радиального поля у разных втулок 7 одной ячейки

1 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 электриI ческое 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 привести к общему фокусирующему эффекту. Анализ динамики электрона в ВЧ полях ускоряющих ячеек 1 и 2 показывает, что если ускоряющее электрическое поле изменяется во времени по гармоническому закону, то для р, близких к 1, областью начальных фаз влета ускоряемых частиц в кскоряющие ячейки, для которых происходит продольное ускорение, является область фаз

-T ai 2%К< р < 0+27iK.

Область фаз,. в которой фокусирующее действие оказывает радиальное электрическое поле, 5

Область- фаэ, в которой фокусирующее действие оказывает аэимутальное маг- 10 нитное поле, Фазовые области, для которых осущест-15 вляется радиальная фокусировка под действием радиальной компоненты электрического и азимутальной компоненты магнитного поля, не совпадают и сдвинуты относительно друг друга на Г . 20

В зависимости от того, действие какой компоненты ВЧ поля будет более значительным на ускоряющиеся частицы, областью радиальной фокусировки и продольного -ускорения является

-3t/2+2%К< ф< 0+2% К либо — Vi «+2%К С Р <- %/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 фазау =. †.7Г/2 соответствует наибольшему набору энергии частицами, а ф = 0 - фаза, соответствующая наиболее полному ис- 40 пользованию фокусирующих свойств ускоряющей ячейки 1. В прототипе фаза влета сгруппированного в группирова-теле сгустка находится между этими двумя фазами, что приводит к недо- 45 бору выходной энергии, а из-за довольно большой фазовой протяженности сгустка (до 60О) — к .большому энергетическому разбросу. Второй диапазон продольного ускорения и радиаль- 50 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

- 3Г/2y27iK < q, < п /2+2%К. — 3/2Т 2%К < 9 <-Т/2+27K.

-3/2+2%K< + (О+2%К и

-% 2%К< у <У/2123i К

1178304 4 последовательно чередующиеся фокусирующме и дефокусирующие участки.

Имеется некоторое подобие механизма сильной фокусировки в ускорителях, только фокусирующими полями служат собственные высокочастотные поля системы, радиальная компонента электрического и азимутальная — магнитного, изменяющиеся во времени. Поэтому условно можно выделить для указанных фаэ структурную схему периодов фокусировки (условно, так как она меняется во времени). Для первого интервала фаэ это будет ФОЛО. а для.,второго ДОФО. Роль дрейфового промежутка в структуре выполняют ячейки связи 3 и пролетные отверстия

5 и 6, т.е. те области, где отсутствует ВЧ-поле. Можно на основе данной ускоряющей структуры выполнить структуры и с другой структурной схемой фокусировки, например ФОФОДОД.

Подбором параметров ускоряющих ячеек всегда реализуется такое положение, нри котором на всех фокусирующих участках для рассматриваемых диапазонов фаз ускоряемые частицы будут в среднем более удалены от оси, чем на соседних дефокусирующих, а из-за

30 того, что напряженность как электрического радиального, так магнитного азимутального поля в пролетном канале возрастает при движении от оси, получается суммарный фокусирующий эффект для всего фазового диапазона, для которого осуществляется ускорение. После группировки сгусток "сажается" в фазу g -7iГ/2, что позволяет получить оптимальную величину выходной энергии, при этом из-sa симметричной посадки сгустка относительно максимума ускоряющего поля удается минимизировать энергетический разброс. Что касается начальной части ускорителя, где электроны набирают-скорость, близкую к скорости света, то для электронов это 2-3 первые ускоряющие ячейки, обладаю.щие по этой причине рядом особенностей. Известно, что в этом случае дополнительный положительный эффект фокусировки достигается sa счет увеличения скорости частицы при пролете через ячейку. Можно регулировать в некоторых пределах значения радиальной компоненты электрического поля и азиеутальной магнитного в пролетном канале. В отличие от прототипа, пролетное отверстие 5 в ус1178304 факт, что применение даже 1-2 цилиндрических ячеек в начальной части ускорителя позволяет увеличить на

25-30Ж величину ускоряемого тока, 40 хотя и за счет некоторого снижения темпа ускорения, обусловленного изменением шунтового сопротивления.

Составитель А,Нестерович

Техред Н.Глущенко Корректор A- Зимокосов

Редактор С.Титова

Заказ 7740/1 Тираж 801 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий t13О35, Иосква, )К-35, Раушская наб,, д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г,Ужгород, ул. Проектная, 4

5 .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- 1 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 0,13

При 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. 11екоторое радиальное электрическое поле появляется в ячейках ? 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

6 зависит от протяженности. Существование таких компенсирующих втулок подтверждается теоретически и экспери- . ментально. Наличие всех конструктивных изменений, описанных выше, приводит к тому, что внутренние диаметры всех ячеек 1, 2, 3 становятся примерно одинаковыми и равны 0,75 3.

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 ускоряющих ячеек определить.их электродийамические характеристики. Использование такбй ускоряющей системы позволяет примерно в 2 раза увеличить захват частиц 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 на

40X) из-за симметричной посадки ускоряемого сгустка относительно максимума ускоряющего электрического поля. Нужно особенно отметить тот