RU2105440C1

RU2105440C1 - Accelerating structure

Info

Publication number: RU2105440C1
Application number: RU96123668A
Authority: RU
Inventors: Л.В. Кравчук; В.В. Парамонов
Original assignee: Государственный научный центр РФ "Институт ядерных исследований РАН"
Priority date: 1996-12-17
Filing date: 1996-12-17
Publication date: 1998-02-20

Abstract

FIELD: equipment of charged particle accelerators. SUBSTANCE: accelerating structure has accelerating cells and internal cells of communication positioned on the axis. To increase communication coefficient and to raise shunt resistance, length 2l_c of communication cells is selected within the range of 0,004λ<2l_c<0,02λ. and thickness t of cell partition, within 0,008λ< t <0,013λ. Width Δ of communication slit is 5t<Δ<10t, where λ is wave length of working oscillation in structure. Radial slots are made in partitions between cells to increase vacuum conductance. Slots form through channels via the entire sequence of cells. EFFECT: higher efficiency of construction. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области техники ускорителей заряженных частиц и может быть использовано в качестве ускоряющей структуры для промежуточных и высоких энергий ускоряемых частиц. The invention relates to the field of technology of charged particle accelerators and can be used as an accelerating structure for intermediate and high energies of accelerated particles.

Известная ускоряющая структура с шайбами и диафрагмами [1]. Недостатками такой ускоряющей структуры являются необходимость дополнительных мер для смещения по частоты паразитных колебаний и большие поперечные размеры. Known accelerating structure with washers and diaphragms [1]. The disadvantages of such an accelerating structure are the need for additional measures to offset the frequency of spurious oscillations and large transverse dimensions.

Также известна ускоряющая структура с боковыми ячейками связи [2]. Недостатками такой ускоряющей структуры являются сложная конструкция и технология изготовления, а также низкий коэффициент связи k_c.An accelerating structure with lateral communication cells is also known [2]. The disadvantages of such an accelerating structure are the complex design and manufacturing technology, as well as the low coupling coefficient k _c .

Наиболее близкой к изобретению является ускоряющая структура с внутренними ячейками связи [3], содержащая расположенные на одной оси чередующиеся ускоряющие ячейки и ячейки связи, связь между которыми осуществляется посредством азимутальных щелей, прорезанных в перегородках между соседними ячейками. Closest to the invention is an accelerating structure with internal communication cells [3], containing alternating accelerating cells and communication cells located on the same axis, the communication between which is carried out by means of azimuthal slots cut in the partitions between adjacent cells.

Указанная ускоряющая структура исследована и применяется в ускорителях, работающих на длине волны λ = 10 см (ускорители электронов), с рекомендуемыми [3] ограничениями на размеры:
а) 2l_c - длина ячеек связи - 0,03λ < 2lc < 0,05λ;
б) t - толщина перегородки - 0,02λ < t < 0,04λ;
в) Δ - ширина щели связи - t < Δ < 2t;
г) r_s - радиус расположения щелей связи - r_s>0,5 R_a,
где R_a - радиус ускоряющей ячейки.The specified accelerating structure is investigated and used in accelerators operating at a wavelength of λ = 10 cm (electron accelerators), with the recommended size restrictions [3]:
a) 2l _c - length of communication cells - 0.03λ <2lc <0.05λ;
b) t - wall thickness - 0.02λ <t <0.04λ;
c) Δ — communication gap width — t <Δ <2t;
g) r _s - the radius of the communication slots - r _s > 0,5 R _a ,
where R _a is the radius of the accelerating cell.

Для ускорителей электронов характерными являются рабочая частота f ≈ 3000 МГц, (λ ≈ 10 см) и темп ускорения ≈ 10 МэВ/м, при β = 1,0 ( β - относительная скорость ускоряемых частиц). For electron accelerators, the operating frequency f ≈ 3000 MHz, (λ ≈ 10 cm) and the acceleration rate ≈ 10 MeV / m, with β = 1.0 (β is the relative velocity of the accelerated particles) are characteristic.

Недостатками такой ускоряющей структуры являются низкий коэффициент связи k_c ≈ (3-5)%, низкая вакуумная проводимость и меньшая, по сравнению с аналогичными [1, 2] ускоряющими структурами, величина эффективного шунтового сопротивления Z_e. Эти недостатки обусловлены необходимостью обеспечить механическую прочность ускоряющей структуры и отвод тепла от ее приосевых элементов.The disadvantages of such an accelerating structure are a low coupling coefficient k _c ≈ (3-5)%, low vacuum conductivity and a smaller value of the effective shunt resistance Z _e compared to similar accelerating structures [1, 2]. These disadvantages are due to the need to provide mechanical strength of the accelerating structure and heat removal from its axial elements.

Задачей данного изобретения является повышение эффективности и снижение затрат на изготовление ускоряющей структуры с внутренними ячейками связи за счет уменьшения потерь СВЧ мощности и увеличения коэффициента связи путем выбора оптимального соотношения размеров элементов структуры, а также повышения вакуумной проводимости структуры. The objective of the invention is to increase the efficiency and reduce the cost of manufacturing an accelerating structure with internal communication cells by reducing microwave power losses and increasing the coupling coefficient by choosing the optimal ratio of the size of the structure elements, as well as increasing the vacuum conductivity of the structure.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявленной ускоряющей структуре, содержащей расположенные на одной оси ускоряющие ячейки и ячейки связи, связь между которым осуществляется посредством азимутальных щелей, прорезанных в перегородках между соседними ячейками длины 2l_c ячеек, связи выбирают в пределах - 0,004 λ <2l_c <0,02 λ , толщину t перегородки между ячейками - 0,008 λ <t < 0,013 λ , ширину Δ щели связи - 5t <Δ <10t, где λ - длина волны рабочего колебания в структуре. Кроме того, в перегородках между ячейками выполнены в радиальном направлении 2m разрезов от радиуса R₁ до радиуса R₂, причем r_t < R₁ <r_s - Δ/2, r_s + Δ/2 <R₂ <R_c с угловой протяженность Ф не более 15^o, ось первого разреза совпадает с серединой одной из щелей связи, а каждый последующий разрез смещен по азимуту на угол π/m. Здесь 2m - число щелей связи в перегородке, R_c - радиус ячейки связи, r_t - радиус трубки дрейфа.The specified technical result is achieved by the fact that in the claimed accelerating structure containing accelerating cells and communication cells located on the same axis, communication between which is carried out by azimuthal slots cut in the partitions between adjacent cells of 2l _c cell lengths, the communication is selected in the range - 0.004 λ < 2l _c <0.02 λ, the thickness t of the partition between cells is 0.008 λ <t <0.013 λ, the width Δ of the communication gap is 5t <Δ <10t, where λ is the wavelength of the working vibration in the structure. In addition, in the partitions between the cells, 2m cuts were made in the radial direction from radius R ₁ to radius R ₂ , with r _t <R ₁ <r _s - Δ / 2, r _s + Δ / 2 <R ₂ <R _c with angular the length of Ф is not more than 15 ^o , the axis of the first section coincides with the middle of one of the communication slots, and each subsequent section is azimuthally shifted by π / m. Here 2m is the number of communication slots in the partition, R _c is the radius of the communication cell, r _t is the radius of the drift tube.

На фиг. 1-3 представлены продольный и поперечные разрезы заявленной ускоряющей структуры, где на фиг. 1: 1 - ускоряющая ячейка, 2 - ячейка связи; на фиг. 2: 3 - щели связи; на фиг. 3: 4 - радиальные разрезы. In FIG. 1-3 are longitudinal and transverse sections of the claimed accelerating structure, where in FIG. 1: 1 - accelerating cell, 2 - communication cell; in FIG. 2: 3 - communication gaps; in FIG. 3: 4 - radial sections.

Ускоряющая структура работает следующим образом. The accelerating structure works as follows.

При введении ВЧ мощности в структуру на рабочей частоте в ускоряющих ячейках возбуждается электромагнитное поле с сильным электрическим полем на оси, необходимым для ускорения частиц. Выбор периода структура d = βλ/2,0 обеспечивает синхронизм частиц и ускоряющего поля. В ячейках связи возбуждается колебание с существенно меньшей амплитудой поля, не влияющее на процесс ускорения и необходимое для обеспечения потока ВЧ мощности вдоль структуры. When RF power is introduced into the structure at the operating frequency in the accelerating cells, an electromagnetic field is excited with a strong electric field on the axis necessary to accelerate the particles. The choice of the period structure d = βλ / 2.0 ensures the synchronism of particles and the accelerating field. An oscillation with a substantially lower field amplitude is excited in the communication cells, which does not affect the acceleration process and is necessary to ensure the flow of RF power along the structure.

При применении данной ускоряющей структуры при λ ≈ 30-40 см, (в линейных ускорителях протонов, характерными режимами которых являются рабочая частота f ≈ 1000 МГц, λ ≈ 30 см, 0,05 < β < 1 и темп ускорения 1-5 МэВ/м), механическая прочность структуры и достаточный теплоотвод от приосевых элементов обеспечивается при относительной толщине перегородки 0,008 λ < t < 0,013 λ, что соответствует толщине перегородки 3-6 мм. When applying this accelerating structure at λ ≈ 30-40 cm, (in linear proton accelerators, the characteristic modes of which are the operating frequency f ≈ 1000 MHz, λ ≈ 30 cm, 0.05 <β <1 and the acceleration rate of 1-5 MeV / m), the mechanical strength of the structure and sufficient heat removal from the axial elements is ensured at a relative wall thickness of 0.008 λ <t <0.013 λ, which corresponds to a wall thickness of 3-6 mm.

Относительная длина ячеек связи 0,03 λ < 2l_c < 0,05 λ также является избыточной.The relative length of the communication cells of 0.03 λ <2l _c <0.05 λ is also excessive.

При выборе длины 2l_c ячейки связи и толщины t перегородки следует учитывать два фактора, ограничивающие снизу указанные размеры.When choosing the length 2l _{c of the} communication cell and the thickness t of the septum, two factors should be taken into account, which restrict the indicated dimensions from below.

Введение азимутальной щели связи приводит к понижению частот как ускоряющей ячейки, так и ячейки связи. Учитывая распределение поля колебания ТМ₀₁₀, являющегося рабочим для ускоряющей структуры, понижение частоты ячейки связи δf ≈ f/l_c. Понижение частоты ячейки связи компенсируется уменьшением радиуса R_c ячейки связи и уменьшать длину 2l_c ячейки можно только до тех пор, пока R_c > r_s + Δ/2.The introduction of an azimuthal coupling gap leads to a decrease in the frequencies of both the accelerating cell and the communication cell. Given the distribution of the oscillation field TM ₀₁₀ , which is a working one for the accelerating structure, a decrease in the frequency of the communication cell is δf ≈ f / l _c . The decrease in the frequency of the communication cell is compensated by a decrease in the radius R _{c of the} communication cell and it is possible to reduce the length 2l _{c of the} cell only until R _c > r _s + Δ / 2.

Вторым ограничивающим фактором является электрическая прочность структуры в переходном режиме. Известно, что в стационарном режиме ячейки связи возбуждаются с малой амплитудой поля. В переходном режиме, при заполнении структуры ВЧ энергией, амплитуда поля в ячейках связи может достигать значительной величины. Максимальная напряженность электрического поля в ячейках связи развивается в течение времени 0 < τ < L/ν_g, когда вдоль структуры распространяется нескомпенсированный поток P_k мощности от ВЧ генератора. Здесь L - расстояние от точки ввода ВЧ мощности до торца структуры, ν_g = βπck_c/4 - групповая скорость.A second limiting factor is the transient dielectric strength. It is known that in the stationary mode, communication cells are excited with a small field amplitude. In the transition mode, when the RF structure is filled with energy, the field amplitude in the communication cells can reach a significant value. The maximum electric field strength in the communication cells develops over a period of time 0 <τ <L / ν _g , when an uncompensated power flux P _k from the RF generator propagates along the structure. Here L is the distance from the input point of the RF power to the end of the structure, ν _g = βπck _c / 4 is the group velocity.

Максимальная величина W_cm запасенной в ячейке связи ВЧ энергии в переходном режиме может быть оценена сверху как:
W_ст < P_kd/2ν_g, d = βλ/2. (1)
Здесь d = βλ/2 - период структуры.The maximum value W _{cm of the} RF energy stored in the coupling cell in the transition mode can be estimated from above as:
W _st <P _k d / 2ν _g , d = βλ / 2. (1)
Here d = βλ / 2 is the period of the structure.

Запасенной энергии W_cm соответствует максимальная величина E_cm напряженности электрического поля на поверхности ячейки связи. Отношение E_cm/W_cm зависит от размеров ячейки. Наибольшие значения электрического поля в ячейке связи развиваются на ближайшем к оси краю щели связи (на азимуте середины щели) и на пересечении ячейки связи апертурным каналом. Результаты трехмерного численного моделирования показали, что при выборе толщины t перегородки и длины 2l_c ячейки связи в пределах 0,004 λ < 2l_c < 0,02 λ , 0,008 λ <t < 0,013 λ и выполнении скруглений радиусом t/2 в местах развития наибольших значений электрического поля, величина E_cm при мощности P_k ВЧ генератора до P_k = 15 МВт, k_c≈15% и не превышает предела Килпатрика E_k, являющегося общеизвестным критерием электрической прочности ускоряющей структуры и определяемого из соотношения:
f[МГц]=1,643 E $\binom{2}{k}$ exp(-8,5/E_k),E_k[MV/m].The stored energy W _cm corresponds to the maximum value E _cm of the electric field strength on the surface of the coupling cell. The ratio of E _cm / W _cm depends on the size of the cell. The highest values of the electric field in the communication cell develop at the edge of the communication gap closest to the axis (at the azimuth of the middle of the gap) and at the intersection of the communication cell with the aperture channel. The results of three-dimensional numerical modeling showed that when choosing the thickness t of the septum and the length 2l _{c of the} communication cell within 0.004 λ <2l _c <0.02 λ, 0.008 λ <t <0.013 λ and performing roundings with a radius of t / 2 in the places of development of the highest values electric field, the value of E _cm at a power P _{k of the} RF generator up to P _k = 15 MW, k _c ≈15% and does not exceed the Kilpatrick limit E _k , which is a well-known criterion for the electric strength of the accelerating structure and is determined from the relation:
f [MHz] = 1,643 E $\binom{2}{k}$ exp (-8.5 / E _k ), E _k [MV / m].

Выбор толщины t перегородки и длины 2l_c ячейки связи в указанных выше пределах приводит к уменьшению их длины (по оси структуры) 2t + 2l_c с 0,07 λ < 2l_c + 2t < 0,13 λ (в [3]) до 0,02 λ < 2l_c + 2t < 0,046 λ , что позволяет повысить Z_e структуры на (5-12)%.The choice of the thickness t of the partition and the length 2l _{c of the} communication cell within the above limits leads to a decrease in their length (along the axis of the structure) 2t + 2l _c from 0.07 λ <2l _c + 2t <0.13 λ (in [3]) 0.02 λ <2l _c + 2t <0.046 λ, which makes it possible to increase the Z _e structure by (5-12)%.

При увеличении ширины Δ щели с t < Δ < 2t до 5t < Δ < 10t (и одновременном выборе 0,008 λ < t < 0,013 λ и 0,04 λ < 2l_c < 0,02λ) увеличение k_c до (13-18)% достигается при меньшей азимутальной протяженности щели и сопровождается уменьшенным падением шунтового сопротивления. Радиус r_s расположения щели выбирается из условия: (H_a(r_s)H_c(r_s)/

, где H_a(r_s) и H_c(r_s) - напряженности магнитного поля колебаний в ускоряющей ячейке и ячейке связи, соответствующие запасенным энергиями W_a и W_c. Это условие соответствует r_s≈0,55 R_a.With an increase in the width Δ of the slit from t <Δ <2t to 5t <Δ <10t (and the simultaneous choice of 0.008 λ <t <0.013 λ and 0.04 λ <2l _c <0.02λ), the increase k _c to (13-18) % is achieved with a smaller azimuthal length of the gap and is accompanied by a reduced drop in shunt resistance. The radius r _{s of the} location of the slit is selected from the condition: (H _a (r _s ) H _c (r _s ) /

, where H _a (r _s ) and H _c (r _s ) are the magnetic field intensities of the vibrations in the accelerating cell and the coupling cell, corresponding to the stored energies W _a and W _c . This condition corresponds to r _s ≈0.55 R _a .

Для уменьшения взаимного влияния, щели в соседних перегородках ячейки связи смещены по азимуту на угол π/m. To reduce the mutual influence, the gaps in the adjacent partitions of the communication cell are azimuthally shifted by π / m.

Результаты трехмерного моделирования структуры на частоте f = 810,24 МГц при

= 8,33t, t=0,0081 λ, 2l_c = 0,019λ, β = 0,5, r_s = 0,58 R_a показывают, что коэффициент связи k_c = 15% достигается при уменьшении Z_e на 7% по сравнению со структурой без щелей.The results of three-dimensional modeling of the structure at a frequency f = 810.24 MHz at

= 8.33t, t = 0.0081 λ, 2l _c = 0.019λ, β = 0.5, r _s = 0.58 R _a show that the coupling coefficient k _c = 15% is achieved with a decrease in Z _{e of} 7% compared to a structure without gaps.

Для повышения вакуумной проводимости вводятся 2m выполненных в радиальном направлении разрезом в перегородках от радиуса R₁ до радиуса R₂cr_t < R₁ <r_s - Δ/2, r_s+ Δ/2 < R₂ < R_c (фиг. 3). Азимутальная протяженность каждого разреза Ф не более 15^o.To increase the vacuum conductivity, 2m are introduced made in the radial direction by a cut in the partitions from the radius R ₁ to the radius R ₂ cr _t <R ₁ <r _s - Δ / 2, r _s + Δ / 2 <R ₂ <R _c (Fig. 3 ) The azimuthal length of each section f is not more than 15 ^o .

Ось первого разреза в перегородке совпадает с серединой щели связи - разрез пересекает щель. Второй разрез смещен по азимуту на угол π/m и расположен между щелями связи. Третий разрез смещен на угол π/m относительно второго и пересекает следующую щель связи. Оси разрезов в прилегающей перегородке совпадает с осями разрезов в предыдущей. Таким образом, в последовательности ячеек разрезы образуют 2m сквозных каналов, проходящих через всю последовательность и облегающих проникновение молекул остаточного газа из ячейки в ячейку, повышая вакуумную проводимость структуры. The axis of the first cut in the septum coincides with the middle of the communication gap - the cut crosses the gap. The second section is azimuthally offset by π / m and located between the communication slots. The third section is offset by an angle π / m relative to the second and crosses the next communication gap. The axis of the sections in the adjacent partition coincides with the axis of the sections in the previous one. Thus, in the sequence of cells, the sections form 2m through channels passing through the entire sequence and facilitating the penetration of residual gas molecules from the cell into the cell, increasing the vacuum conductivity of the structure.

Радиальная протяженность разрезов выбирается из условия получения необходимой вакуумной проводимости, что зависит от числа ячеек в секции. The radial length of the cuts is selected from the conditions for obtaining the necessary vacuum conductivity, which depends on the number of cells in the section.

Из-за малой угловой протяженности Ф (до 15^o) и направления краев разреза по радиусу, разрезы не являются (в отличие от щели связи) резонансными элементами и не вносят дополнительных искажений в распределение ВЧ токов в ускоряющей ячейке.Due to the small angular length Ф (up to 15 ^o ) and the direction of the cut edges along the radius, the cuts are not (in contrast to the coupling gap) resonant elements and do not introduce additional distortions in the distribution of rf currents in the accelerating cell.

Более сильное влияние разрезы оказывают на распределение ВЧ токов в ячейке связи. Поскольку в рабочем режиме структуры ячейки связи не возбуждаются, небольшое понижение добротности ячеек связи не влияет на рабочие характеристики структуры. The cuts have a stronger effect on the distribution of rf currents in the coupling cell. Since the communication cell structures are not excited in the operating mode, a slight decrease in the quality factor of the communication cells does not affect the operating characteristics of the structure.

Результаты трехмерного моделирования структуры на частоте f = 810,24 МГц при Δ = 8,33t, t = 0,008 λ, 2l_c = 0,019 λ, β = 0,5, r_s = 0,58 R_a, R₁=r_t= 0,089 λ, R₂ = R_c = 0,25λ и с четырьмя разрезами в каждой перегородке, показывают, что характеристики рабочего колебания в структуре не изменяются, коэффициент связи k_c не уменьшается, а дробность колебаний в ячейках связи понижается не более чем на 10%. Вакуумная проводимость ускоряющей структуры с разрезами при этом в 10 раз выше, чем структуры без разрезов.The results of three-dimensional modeling of the structure at a frequency f = 810.24 MHz for Δ = 8.33t, t = 0.008 λ, 2l _c = 0.019 λ, β = 0.5, r _s = 0.58 R _a , R ₁ = r _t = 0,089 λ, R ₂ = R _c = 0,25λ and with four cuts in each partition, show that the characteristics of the working vibrations in the structure do not change, the coupling coefficient k _c does not decrease, and the fractionality of the vibrations in the communication cells decreases by no more than ten%. In this case, the vacuum conductivity of the accelerating structure with cuts is 10 times higher than the structure without cuts.

Использование настоящего изобретения позволяет обеспечить повышение эффективности и снижение затрат на изготовление ускоряющей структуры с внутренними ячейками связи за счет уменьшения потерь СВЧ мощности и увеличения коэффициента связи, путем выбора оптимального соотношения размеров элементов структуры и введения дополнительных элементов, а также повышения вакуумной проводимости структуры. The use of the present invention allows to increase the efficiency and reduce the cost of manufacturing an accelerating structure with internal communication cells by reducing microwave power losses and increasing the coupling coefficient by choosing the optimal ratio of the size of the structure elements and introducing additional elements, as well as increasing the vacuum conductivity of the structure.

Источники информации
1. В. Г. Андреев, В. М. Пироженко. Параметры ускоряющей структуры для протонного линейного ускорителя на большие энергии. Труды Радиотехнического
Института АН СССР, М., 1972, N 9, c. 36.Sources of information
1. V. G. Andreev, V. M. Pirozhenko. Parameters of the accelerating structure for a proton linear accelerator at high energies. Proceedings of the Radio Engineering
Institute of the Academy of Sciences of the USSR, M., 1972, N 9, p. 36.

2. E.A. Knapp, B.C. Knapp, J.M.Potter, Standing wave high energy linear accelerator structures. - Review of Scientific Instrument, v. 39, n. 7, p. 979, 1968. 2. E.A. Knapp, B.C. Knapp, J. M. Potter, Standing wave high energy linear accelerator structures. - Review of Scientific Instrument, v. 39, n. 7, p. 979, 1968.

3. О. А. Вальднер, Н.П. Собенин, Б.В. Зверев, И.С. Щедрин. Диафрагмированные волноводы. Справочник М.: Энергоатомиздат, 1991 г. 3. O. A. Waldner, N.P. Sobenin, B.V. Zverev, I.S. Shchedrin. Diaphragm waveguides. Handbook M .: Energoatomizdat, 1991

Claims

1. An accelerating structure comprising accelerating cells and internal communication cells located on the same axis, the communication between which is carried out by azimuthal slots cut in the partitions between adjacent cells, characterized in that the length of 2l _c communication cells is selected within the range of -0.004λ <2l _c <0.02λ, the thickness t of the partition between the cells is -0.008λ <t <0.013λ, the width Δ of the communication slit is -5t <Δ <10t, where λ is the wavelength of the working vibration in the structure.

2. The structure according to claim 1, characterized in that in the partitions between the cells 2m cuts are made in the radial direction from radius R ₁ to radius R ₂ , with r _t <R ₁ <r _s -Δ / 2, r _s + Δ / 2 <R ₂ <R _c , <R ₂ <R _c , with an angular length of not more than 15 ^o , the axis of the first section coincides with the middle of one of the communication slots, and each subsequent section is azimuthally offset by π / m, where m is the number communication gaps in the partition, R _{c is the} radius of the communication cell, r _{t is the} radius of the drift tube, r _{s is the} radius of the location of the communication gaps.