Способ ускорения заряженных частиц

Союз Советских

Социалистических

Республик

О П

ИЗО

К АВТОР (6f) gl,ополните (22)Заявлено с присоединены (23) Приоритет

Опубликов

Дата опу

Гвсудэрстеанивв кюмхтет

СССР в делам изобрвтенхй а атхрытхй (72) Авторы изобретения

В. А. Бомко, В. И. Волков, Н. А. Хижняк и В. А. Ямницкнй (71) Заявитель (54) СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Изобретение относится к ускорительной технике, 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! . î

Однако при таком способе сравнительно мал коэффициент захвата ускоренных частиц, Известен также способ ускорения в линейном ускорителе на бегущей волне, когда в вол- 15 новоде с пролетными трубками, наряду с основной волной, выделяют дополнительную волну с частотой, превышающей частоту основной волны, причем отношение амплитуд основной и дополнительной волны больше единицы (2).

Его применение ограничено в ускорителях на бегущей волне.

Наиболее близким к изобретению является способ ускорения заряженных частиц, например ионов, основанный на их взаимодействии с продольным аксиальным полем стоячей электромагнитной волны, возбуждаемой в резонаторе с трубками дрейфа (3) .

Однако моноэнергетичность пучка ионов, ускоренного таким способом, хуже чем в некоторых 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 o. Такая величина является недостаточной для целого ряда исследований по ядерной физике и некоторых прикладных задач. Поэтому для получения более моноэнергетичного пучка на выходе ускорителя устанавлив ают специальные монохроматоры, представляющие собой сложную систему громоздких магнитов. При этом улучшение моноэнергетичности пучка на один порядок влечет за собой потери интенсивности на один-два порядка.

Цель изобретения — повышение эффективности ускорения за счет улучшения моноэнерге5888

3 тичности пучка ускоряемых частиц и фокусировки их ускоряющим полем.

Это достигается тем, что одновременно с основной волной в резонаторе путем подключения к нему дополнительного генератора возбуж5 дают дополнительную волну типа Е„щ„где и =2, 3 ..., частоту которой настройкой резона- . тора подбирают кратной частоте основной волны, а отношение амплитуд основной и дополнительной волны больше единицы.

На фиг. 1 показана зависимость электрического поля Е на оси резонатора от величины сот, где кривая 1 — для поля основной волны

Ео1о, кривая 2 — для поля дополнительной волны Е и, (в данном случае а=3), кривая 3 — 15 результирующее поле; на фиг. 2 — графики распределения электрического и магнитного полей в цилиндрическом резонаторе в плоскбсти поперечного сечения, где по оси абсцисс отложе- но расстояние QI оси резонатора в относитель- 20 ных единицах г/Я, где R — радиус резонатора, r — расстояние от оси, а по оси ординат — относительное изменение полей Е 51 и Н о, Где

- Е() H(H

E(r) и H(r) — значения полей в точке, находящейся на расстоянии r от оси и Е(0), Н(0) — 25 значения полей на оси резонатора (кривая 4 соответствует изменению электрического поля основной волны Eptp, кривая 5 — магнитному полю основной волны ЕО1О, кривые 6 и 7— электрическому и магнитному полю дополнитель.30 ной волны Е(3о на фиг. 3 — расчетное значение функции распределения ионов, ускоренных на линейном ускорителе на 100 МэВ, по энергиям, по оси абсцисс отложены значения энергии ускоренных ионов, а по оси ординат — ве- 35 личина, характеризующая распределение ионов по энергиям, где Ьг — число частиц в диапазоне энергетического спектра Ь со, Np — полное число ускоренных частиц (кривая 8 — для случая ускорения только на одной основной волне 40

Ер р кривые 9 и 10 — для случаев, когда ускорение осуществляется совмещенными полями основной волны и дополнительной волны Еозо, при этом отношения амплитудных значений . электрических полей на оси ускорителя основ- 45 ной и дополнительной волн К соответственно равны 2 и 2,75.

Одновременное возбуждение в ускоряющей структуре линейного ускорителя двух резонансных волн, частоты которых отличаются в 3 раза, может быть осуществлено при условии, когда ускоряющее поле с более низкой частотой— основная волна образуется за счет возбуждения резонансной волны типа Ер1О, обычно используемой в структуре типа Альваренца, а поле более высокой частоты — дополнительная волна, образуется при возбуждении резонансной волны типа Ер3р распределение поля которой показано на фиг. 2. В пустом резонаторе частота волны.

88 4

Еозо в 3,6 раза выше частоты волны ЕО1О.

Необходимое отношение этих частот, равное 3, может быть получено за счет разностного эффекта возмущений при нагрузке резонатора трубками дрейфа, а также расположения настро. ечных элементов в областях резонатора, в которых возмущение полей, соответствующих каждому из указанных типов волн, различное. Это позволяет изменять частоту одной из волн в большей степени, чем другой, до тех пор, пока их отношение не достигнет требуемой величины, равной 3.

Две указанные волны в резонаторе с трубками дрейфа могут быть возбуждены до номинайьных амплитудных значений ускоряющих полей от отдельных генераторов ВЧ-мощности. При этом количество ВЧ-мощности, расходуемое на создание поля дополнительной волны, будет в

К раз меньше мощности, расходуемой на создание номинального уровня поля основной волны.

Требуемые фазовые соотношения между полями основной и дополнительной волн, обеспечивающие необходимый характер изменений результирующего поля во времени, достигаются с помощью известных фазовращателей, установленнь х в тракте передачи ВЧ-мощности от генераторов 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 соотношения амплитуд полей основной и дополнительной волн, К= 5, изменение амплитуды результирующего поля 3 в пределах утла захвата (Бр+Бр" ) составляет 8% от максимального, в то время как для прототипа, когда ускорение происходит на одной основной волне, упомянутое изменение составляет 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 указанного 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 возбуждении в резонаторе основной и одной дополнительной волн, при К 2,0-2,75. Из фиг.З видФормула изобретения

5 58888 но, что разброс по энергиям уменьшился в 2050 раэ. Однако и при других значениях К моно- энергетичность пучка лучше, чем в случае возбуждения только одной основной волны. Диапазон значений К, при котором улучшается моно- ° энергетичность пучка, ограничен снизу значением

К= 1, а сверху при любых величинах К моноэнергетичность пучка будет лучше, чем в случае возбуждения только одной основной волны, Более высокую степень моноэнергетичности 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- 15 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 2о 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 ускорителе области фазовой и радиальной устойчивости 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- Ç5 денни.двух волн результирующая кривая может

8 6 иметь двугорбый характер (кривая 3) . В этом случае в процессе ускорения частицы будут совершать колебания по фазам в пределах двугорбости, попадая при этом поочередно то в область фазовой, то радиальной устойчивости. Таким образом, возбуждение дополнительной волны дает возможность 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 электромагнитной 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 E o,ãäå п.=2, 3, ..., частоту которой настройкой резонатора подбирают кратной частоте основной волны, а отношение амплитуд основной и дополнительной. волны больше единицы.

Источники информации, принятые во чниманне при экспертизе

1. Власов А. Д. Теория линейных ускорителей. Атомиздат, М., 1965, с. 115.

2. Гаврилов Н. M. Исследование радиальной устойчивости в системе с пролетными трубками и магнитной связью 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

$ (r) Н(г/

Е (0) p((0) 01 0а 0Ю ьо а

-07

Фиг Г

0,4

)01, 5 и) ()цр(1) f01

Составитель Е. Громов

Редактор Т. Колодцева Техред Н.Ковалева Корректор М. Демяик

Заказ 6458/56

Тираж 944 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ПИП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4