RU2794513C1

RU2794513C1 - Accelerating module of a linear resonance accelerator with increased diameter drift tube supports

Info

Publication number: RU2794513C1
Application number: RU2022100050A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Николаевич Селезнев; Алексей Леонидович Ситников; Тимур Вячеславович Кулевой
Filing date: 2022-01-10
Publication date: 2023-04-19

Abstract

FIELD: linear accelerators.

SUBSTANCE: invention relates to the field of creation of linear accelerators of charged particles. The design of the module is a cylindrical body made of materials characterized by strong electrical conductivity. Drift tubes are placed inside the resonator housing using a system of direct drift tube supports without changing the angle of the supports, while the drift tube supports have an increased diameter and cylindrical shape.

EFFECT: simplification of setting up the distribution of the accelerating field of the module of the developed accelerating structure without a significant reduction in energy efficiency.

3 cl, 5 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области создания линейных ускорителей заряженных частиц. Оно может быть использовано при разработке новых и модернизации уже существующих линейных ускорителей заряженных частиц.The invention relates to the field of creation of linear accelerators of charged particles. It can be used in the development of new and modernization of existing linear charged particle accelerators.

Уровень техникиState of the art

В качестве аналогов можно выбрать известные конструкции ускоряющих структур, например, описанные в докладе Kurennoy S.,

Rybarcyk L, Compact Linac for Deuterons (Based on IH Structures with PMQ Focusing), LANL, Los Alamos, Proceedings of Hadron Beam 2008, Nashville, Tennessee, USA NM, High-Intensity Linacs & Rings: New Facilities and Concepts, WGE13, 2008, p. 428-430 [1], В предложенном докладе представлено сравнение параметров конструкций ускоряющих структур для резонансных ускорителей на стоячей волне на основе Н-резонаторов. Общим для всех конструкций является наличие цилиндрического корпуса, выполняющего роль высокочастотного экрана с размещенными внутри него трубками дрейфа, которые поддерживаются опорами. Опоры выполнены в виде цилиндров одного диаметра и с одной стороны крепятся к корпусу резонатора, а с другой поддерживают трубку дрейфа. Одним из близких аналогов является конструкция под названием «IH with vanes», изображенная на рис. 1. Как показано на рис. 1, к корпусу резонатора (1) поддерживающие трубки дрейфа (2) опоры (3) крепятся через проводящую подставку (4), выполненную в виде пилона - прямоугольной плиты, установленной вдоль продольной оси корпуса резонатора, при этом все опоры (3) одинаковы. Такая конструкция обладает наилучшими параметрами по энергоэффективности.As analogs, one can choose known designs of accelerating structures, for example, those described in the report of Kurennoy S.,

Rybarcyk L, Compact Linac for Deuterons (Based on IH Structures with PMQ Focusing), LANL, Los Alamos, Proceedings of Hadron Beam 2008, Nashville, Tennessee, USA NM, High-Intensity Linacs & Rings: New Facilities and Concepts, WGE13, 2008 , p. 428-430 [1], The proposed report presents a comparison of the design parameters of accelerating structures for resonant accelerators on a standing wave based on H-resonators. Common to all designs is the presence of a cylindrical body, which acts as a high-frequency screen with drift tubes placed inside it, which are supported by supports. The supports are made in the form of cylinders of the same diameter and are attached to the resonator body on one side and support the drift tube on the other. One of the close analogs is the design called "IH with vanes", shown in fig. 1. As shown in fig. 1, the supports (3) supporting the drift tubes (2) are attached to the resonator body (1) through a conductive stand (4) made in the form of a pylon - a rectangular plate installed along the longitudinal axis of the resonator body, while all supports (3) are the same. This design has the best energy efficiency parameters.

Недостатком такой конструкции является сложность настройки распределения ускоряющего поля, о которой говорится ниже.The disadvantage of this design is the complexity of tuning the distribution of the accelerating field, which is discussed below.

Известна конструкция ускоряющей структуры, изображенная на рис. 2 раскрытая в авторском свидетельстве SU 728684, опубл. 30.03.1984 [2], в которой часть опор (3) трубок дрейфа (2) крепится к корпусу резонатора (1), а часть к проводящей подставке (4), выполненной в виде пилона, такая конструкция позволяет уменьшить высокочастотные потери мощности, за счет увеличения площади поверхности, по которой протекают высокочастотные токи, и произвести настройку распределения ускоряющего поля, путем крепления дополнительной проводящей штанги (5). Штанга (5) представляет собой проводящий стержень, крепящийся с одной стороны к опоре трубки дрейфа, а с другой к боковой стенке корпуса резонатора.Known design of the accelerating structure, shown in Fig. 2 disclosed in copyright certificate SU 728684, publ. 03/30/1984 [2], in which part of the supports (3) of the drift tubes (2) is attached to the resonator body (1), and part to the conductive stand (4), made in the form of a pylon, this design allows to reduce high-frequency power losses, for by increasing the surface area through which high-frequency currents flow, and to adjust the distribution of the accelerating field by attaching an additional conductive rod (5). Rod (5) is a conductive rod attached on one side to the drift tube support, and on the other side to the side wall of the resonator housing.

Общим недостатком указанных выше аналогов настоящего изобретения является сложность настройки распределения ускоряющего поля, формируемого между трубками дрейфа. Настройка распределения ускоряющего поля осуществляется настройкой собственной частоты ячеек ускоряющей системы, т.к. резонатор с трубками дрейфа представляет собой систему связанных электромагнитным полем резонансных контуров (ячеек). Под ячейкой ускоряющей системы подразумевается область резонатора между плоскостями, перпендикулярными оси резонатора и проходящими через середины опор трубок дрейфа. Наличие единой проводящей подставки, выполненной в виде пилона, усложняет процесс настройки, поскольку настройку каждой ячейки ускоряющей системы необходимо производить индивидуально, а из-за того, что все ячейки охвачены общим единым продольным магнитным полем, создающим сильную магнитную связь между ячейками, достичь удовлетворительную настройку сложно из-за влияния ячеек друг на друга (т.е. из-за эффекта обратной связи). Вследствие этого, даже незначительная перестройка одной ячейки приводит к перестройке других. Хотя некоторое упрощение настройки ячеек и осуществляется установкой дополнительных штанг, но установка таких штанг в одном ряду опор трубок дрейфа не обеспечивает достаточный диапазон настройки ячеек, т.к. противоположный ряд опор трубок дрейфа, крепящихся к проводящей подставке, выполненной в виде пилона, по-прежнему охвачен сильной магнитной связью из-за наличия общего пилона.A common disadvantage of the above analogs of the present invention is the complexity of adjusting the distribution of the accelerating field formed between the drift tubes. The distribution of the accelerating field is tuned by adjusting the natural frequency of the cells of the accelerating system, since a resonator with drift tubes is a system of resonant circuits (cells) connected by an electromagnetic field. Under the cell of the accelerating system is meant the region of the resonator between the planes perpendicular to the axis of the resonator and passing through the midpoints of the supports of the drift tubes. The presence of a single conductive stand, made in the form of a pylon, complicates the tuning process, since the tuning of each cell of the accelerating system must be done individually, and due to the fact that all cells are covered by a common single longitudinal magnetic field that creates a strong magnetic connection between the cells, a satisfactory tuning can be achieved. difficult due to the influence of cells on each other (i.e. due to the feedback effect). As a result, even a slight rearrangement of one cell leads to a rearrangement of others. Although some simplification of the cell adjustment is carried out by installing additional rods, the installation of such rods in one row of drift tube supports does not provide a sufficient range of cell adjustment, because the opposite row of drift tube supports, attached to a conductive support made in the form of a pylon, is still covered by a strong magnetic connection due to the presence of a common pylon.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является известная из авторского свидетельства SU 588887, опубл. 05.11.1979 [3], ускоряющая структура линейного ускорителя заряженных частиц, работающая на типе колебаний Н и выполненная в виде цилиндрического резонатора (1) с системой прямых (3а) и угловых опор (3б), называемых в [3] штырями, на концах которых укреплены трубки дрейфа (2), схема которой приведена на рис. 3.The closest analogue (prototype) of the invention is known from the copyright certificate SU 588887, publ. 11/05/1979 [3], the accelerating structure of a linear charged particle accelerator operating on the type of oscillations H and made in the form of a cylindrical resonator (1) with a system of straight (3a) and angular supports (3b), called in [3] pins, at the ends which the drift tubes (2) are reinforced, the diagram of which is shown in fig. 3.

Преимуществом прототипа перед рассмотренными выше аналогами является существенное упрощение настройки требуемого распределения ускоряющего поля. В такой ускоряющей системе, опоры трубок дрейфа расположены так, что проекции опор каждых двух соседних трубок, кроме первых двух, на плоскость, перпендикулярную оси резонатора, образуют углы, меньше 180°, причем с ростом расстояния между геометрическими центрами трубок дрейфа величина этих углов убывает.The advantage of the prototype over the analogues discussed above is a significant simplification of setting the required distribution of the accelerating field. In such an accelerating system, the drift tube supports are located in such a way that the projections of the supports of each two adjacent tubes, except for the first two, onto a plane perpendicular to the resonator axis, form angles less than 180°, and with increasing distance between the geometric centers of the drift tubes, the value of these angles decreases. .

Прототип, как и предложенное изобретение, имеет цилиндрический корпус резонатора с системой трубок дрейфа, поддерживаемых опорами.The prototype, like the proposed invention, has a cylindrical resonator housing with a system of drift tubes supported by supports.

Недостатком прототипа является то, что он обладает меньшей по сравнению с другими конструкциями [1, 2] энергоэффективностью. Это вероятно обусловлено тем, что в конструкции прототипа использовано крепление опор к корпусу резонатора непосредственно и без использования каких-либо пилонов.The disadvantage of the prototype is that it has less energy efficiency compared to other designs [1, 2]. This is probably due to the fact that the design of the prototype used the fastening of the supports to the resonator body directly and without the use of any pylons.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Техническая проблемаTechnical problem

К ускорителям, используемым в прикладных целях, и в частности, к ускоряющим структурам, предъявляется ряд специфических требований, более близких к производственным. В первую очередь: простота в обслуживании, экономичность, надежность. Особенно эти требования важны в случае, когда ускоряющая структура линейного ускорителя строится по модульной схеме, т.е. ускоряющая структура состоит из последовательности отдельных резонаторов (модулей). В этом случае конструкцию каждого модуля ускоряющей структуры необходимо унифицировать. Причем техническая проблема заключается в отсутствии такого унифицированного модуля ускоряющей структуры, конструкция которого позволит снизить время на настройку распределения ускоряющего поля модуля и существенно не снизить его энергоэффективность.Accelerators used for applied purposes, and in particular, to accelerating structures, are subject to a number of specific requirements that are closer to industrial ones. First of all: ease of maintenance, efficiency, reliability. These requirements are especially important in the case when the accelerating structure of a linear accelerator is built according to a modular scheme, i.e. the accelerating structure consists of a sequence of separate resonators (modules). In this case, the design of each module of the accelerating structure must be unified. Moreover, the technical problem lies in the absence of such a unified module of the accelerating structure, the design of which will reduce the time for setting up the distribution of the accelerating field of the module and not significantly reduce its energy efficiency.

Решение этой проблемы заключается в создании конструкции модуля ускоряющей структуры, позволяющей совместить условия простоты настройки распределения ускоряющего поля в нем без значительного уменьшения его энергоэффективности.The solution to this problem is to create a design of the accelerating structure module, which makes it possible to combine the conditions of ease of tuning the distribution of the accelerating field in it without a significant decrease in its energy efficiency.

В контексте предложенного изобретения под энергоэффективностью понимается общепринятое эффективное расходование энергии (см., например, http://ru.wikipedia.org/wiki/Энергоэффективность [4]), что для резонаторных ускоряющих структур может быть определено по величине шунтового сопротивления. Сравнение энергоэффективности резонаторных ускоряющих структур осуществляется по высокочастотной мощности Р (актуальный порядок величины составляет сотни кВт), которую необходимо ввести в ускоряющую структуру, чтобы получить напряжение U (актуальный порядок величины составляет сотни кВ) между трубками дрейфа, требуемое для ускорения и приобретения заданной энергии частиц. Эта мощность определяется как:In the context of the proposed invention, energy efficiency is understood as the generally accepted effective energy consumption (see, for example, http://ru.wikipedia.org/wiki/Energy Efficiency [4]), which for resonator accelerating structures can be determined by the value of the shunt resistance. Comparison of the energy efficiency of resonator accelerating structures is carried out in terms of high-frequency power P (the actual order of magnitude is hundreds of kW), which must be introduced into the accelerating structure in order to obtain the voltage U (the actual order of magnitude is hundreds of kV) between the drift tubes required to accelerate and acquire a given particle energy . This power is defined as:

где R_ш - шунтовое сопротивление, величина характеризующая эффективность ускоряющих структур (актуальный порядок величины составляет десятки Мом) [5]. Т.к. эта величина зависит от конструкции ускоряющей структуры, то по ней возможно провести сравнение энергоэффективности ускоряющих структур. Более высокое значение шунтового сопротивления при одинаковом для разных конструкций ускоряющих структур напряжении между трубками дрейфа означает более высокую энергоэффективность.where _Rsh is the shunt resistance, a value characterizing the efficiency of accelerating structures (the current order of magnitude is tens of MΩ) [5]. Because Since this value depends on the design of the accelerating structure, it is possible to compare the energy efficiency of accelerating structures using it. A higher value of shunt resistance at the same voltage between the drift tubes for different designs of accelerating structures means higher energy efficiency.

Настройку распределения ускоряющего поля предлагается проводить в каждом ускоряющем зазоре между трубками дрейфа без нарушения предварительно проведенной юстировки трубок дрейфа, что достигается изменением и перераспределением электрических потенциалов на трубках дрейфа уникальной конструкцией настроечного устройства, раскрытого в настоящем изобретении. Простота настройки обеспечивается конструкцией такого устройства. Одновременно, такое устройство не вносит ощутимое влияние на высокочастотные потери в резонаторе и подходит для надежной долговременной работы.It is proposed to adjust the distribution of the accelerating field in each accelerating gap between the drift tubes without violating the preliminary adjustment of the drift tubes, which is achieved by changing and redistributing the electric potentials on the drift tubes by the unique design of the tuning device disclosed in the present invention. Ease of setup is ensured by the design of such a device. At the same time, such a device does not significantly affect the high-frequency losses in the resonator and is suitable for reliable long-term operation.

Как было сказано выше, настройка распределения ускоряющего поля осуществляется настройкой собственной частоты ячеек ускоряющей системы, т.к.

[5], где

- продольная составляющая напряженности ускоряющего поля между трубками дрейфа, ƒ - собственная частота ячейки ускоряющей системы, а относительное изменение собственной частоты ячейки ускоряющей системы

где ΔV - изменение объема ячейки ускоряющей системы [5], то процесс настройки распределения ускоряющего поля вдоль резонатора сводится к процессу изменения объема каждой ячейки.As mentioned above, the distribution of the accelerating field is tuned by adjusting the natural frequency of the cells of the accelerating system, because

[5], where

is the longitudinal component of the accelerating field strength between the drift tubes, ƒ is the natural frequency of the accelerating system cell, and the relative change in the natural frequency of the accelerating system cell

where ΔV is the change in the cell volume of the accelerating system [5], then the process of tuning the distribution of the accelerating field along the resonator is reduced to the process of changing the volume of each cell.

Технический результатTechnical result

Технический результат предложенного изобретения состоит в значительном упрощении настройки распределения ускоряющего поля модуля разработанной ускоряющей структуры без существенного снижения энергоэффективности.The technical result of the proposed invention consists in a significant simplification of the adjustment of the distribution of the accelerating field of the module of the developed accelerating structure without a significant reduction in energy efficiency.

Технический результат достигается за счет предложенной конструкции модуля ускоряющей структуры, в которой применены опоры трубок дрейфа специальной конструкции, включающие в себя функцию специальных настроечных устройств и позволяющие за счет увеличения объема каждой из опор трубок дрейфа вдоль их длины обеспечить настройку распределения ускоряющего поля в каждом зазоре между трубками дрейфа. Увеличение объема цилиндрических опор трубок дрейфа за счет увеличения их боковой площади приводит к снижению поверхностного сопротивления R_s опор, что, в свою очередь, снижает высокочастотные потери dP_n, приходящиеся на элемент боковой поверхности dS, так как:

где, J - амплитуда поверхностного тока. Исходя из того, что

где D - внешний диаметр цилиндрических опор трубок дрейфа [7], т.е. обратно пропорционально диаметру D и, следовательно, чем меньше потерь, тем выше энергоэффективность.The technical result is achieved due to the proposed design of the module of the accelerating structure, in which drift tube supports of a special design are used, which include the function of special tuning devices and allow, by increasing the volume of each of the drift tube supports along their length, to ensure the adjustment of the distribution of the accelerating field in each gap between drift tubes. An increase in the volume of drift tube cylindrical supports due to an increase in their lateral area leads to a decrease in the surface resistance R _s of the supports, which, in turn, reduces the high-frequency losses dP _n per element of the lateral surface dS, since:

where, J is the amplitude of the surface current. Based on the fact that

where D is the outer diameter of the cylindrical supports of the drift tubes [7], i.e. inversely proportional to the diameter D and, therefore, the lower the losses, the higher the energy efficiency.

Схема предложенного в настоящей заявке модуля ускоряющей структуры, представлена на рис. 4.The diagram of the module of the accelerating structure proposed in this application is shown in fig. 4.

Предложенный модуль представляет собой изделие цилиндрической формы (корпус резонатора (1)), выполненное из материалов, характеризующихся сильной электропроводностью, например, меди, алюминия и т.п.The proposed module is a cylindrical product (resonator housing (1)), made of materials characterized by strong electrical conductivity, for example, copper, aluminum, etc.

Схема предложенного в настоящей заявке модуля ускоряющей структуры, представлена на рис. 4 (А - вид спереди, Б - вид сбоку). Предложенный модуль представляет собой изделие цилиндрической формы, выполненное из материалов, характеризующихся сильной электропроводностью, например, меди, алюминия и т.п. Конструкция модуля ускоряющей структуры согласно настоящему изобретению состоит из корпуса резонатора (1) с размещенными в нем трубками дрейфа (2), которые поддерживаются опорами (3), выполненными в форме цилиндра с увеличенным диаметром, как показано на рис 4 (А, Б).The diagram of the module of the accelerating structure proposed in this application is shown in fig. 4 (A - front view, B - side view). The proposed module is a cylindrical product made of materials characterized by strong electrical conductivity, such as copper, aluminum, etc. The design of the accelerating structure module according to the present invention consists of a resonator body (1) with drift tubes (2) placed in it, which are supported by supports (3) made in the form of a cylinder with an increased diameter, as shown in Fig. 4 (A, B).

Внутри корпуса резонатора установлена система только прямых опор трубок дрейфа без использования размещения трубок дрейфа под углом (угловые опоры (3б) трубок дрейфа в прототипе на рис. 3), т.е. все трубки дрейфа в предложенном изобретении установлены только с использованием системы прямых опор. В предложенном изобретении опоры трубок дрейфа в отличие от прототипа имеют увеличенный диаметр, при этом увеличение зависит от конкретного распределения ускоряющего поля и может достигать четырех, пяти и более раз.Inside the resonator case, a system of only direct supports of the drift tubes is installed without using the placement of the drift tubes at an angle (angular supports (3b) of the drift tubes in the prototype in Fig. 3), i.e. all drift tubes in the proposed invention are installed only using a system of straight supports. In the proposed invention, the drift tube supports, in contrast to the prototype, have an increased diameter, while the increase depends on the specific distribution of the accelerating field and can reach four, five or more times.

Высота цилиндрических опор трубок дрейфа подбирается исходя из конструктивных соображений при расчете настроечных устройств, как правило, она не выше H, определяемой по формуле Н=R-r; где R - радиус корпуса резонатора; r - радиус трубки дрейфа. Настройка распределения ускоряющего поля происходит за счет изменения объема ячеек ускоряющей системы путем установки опор трубок дрейфа в форме цилиндра с увеличенным диаметром. Диаметр опор трубок дрейфа в форме цилиндра с увеличенным диаметром и их высота рассчитывается после нахождения величины изменения объема ячейки ускоряющей системы, которая зависит от конкретной частоты резонатора, распределения ускоряющего поля, диаметра, длины трубок и др. Связь изменения объема ячейки ускоряющей системы с изменением частоты резонатора определяется методом малых возмущений [5], численным моделированием с использованием программы CST-studio [8], широко используемой в области расчета резонаторов.The height of the cylindrical supports of the drift tubes is selected on the basis of design considerations when calculating the tuning devices, as a rule, it is not higher than H, determined by the formula H=R-r; where R is the radius of the resonator housing; r is the drift tube radius. The distribution of the accelerating field is adjusted by changing the volume of the cells of the accelerating system by installing drift tube supports in the form of a cylinder with an increased diameter. The diameter of the supports of the drift tubes in the form of a cylinder with an increased diameter and their height are calculated after finding the magnitude of the change in the volume of the cell of the accelerating system, which depends on the specific frequency of the resonator, the distribution of the accelerating field, the diameter, length of the tubes, etc. Relationship between the change in the volume of the cell of the accelerating system and the change in frequency resonator is determined by the method of small perturbations [5], numerical simulation using the CST-studio program [8], which is widely used in the field of resonator calculation.

Ниже приводится расчетное соотношение изменения частоты при малых отклонениях параметров резонатора, происходящих в результате помещения в объем резонатора малого металлического тела. В контексте настоящего изобретения в качестве малого металлического тела, изменяющего внутренний объем резонатора, выступает опора трубки дрейфа в форме цилиндра с увеличенным диаметром. Форма таких опор выбрана цилиндрической, так как, во-первых; это упрощает процесс численного моделирования, и во-вторых; упрощает их изготовление.Below is the calculated ratio of frequency change for small deviations of the resonator parameters resulting from the placement of a small metal body into the resonator volume. In the context of the present invention, a drift tube support in the form of a cylinder with an increased diameter acts as a small metal body that changes the internal volume of the resonator. The shape of such supports is chosen as cylindrical, since, firstly; this simplifies the process of numerical simulation, and secondly; simplifies their production.

Объем V этих опор определяется как V=πD²H/4, где D и Н - соответственно диаметр и высота опор трубок дрейфа в форме цилиндра с увеличенным диаметром.The volume V of these supports is defined as V=πD ² H/4, where D and H are, respectively, the diameter and height of the drift tube supports in the form of a cylinder with an increased diameter.

Изменение частоты определяется как:Frequency change is defined as:

где

- относительное изменение частоты резонатора,Where

- relative change in the frequency of the resonator,

W - запасенная энергия в резонаторе,W is the stored energy in the resonator,

ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума,ε ₀ - vacuum permittivity,

dν - дифференциал аргумента интегрирования,dν - differential of the integration argument,

Е₀ - напряженность электрического поля до настройки резонатора,E ₀ - electric field strength before tuning the resonator,

H₀ - напряженность магнитного поля до настройки резонатора;H ₀ - magnetic field strength before resonator tuning;

μ₀ - магнитная проницаемость вакуумаμ ₀ - vacuum magnetic permeability

V - объем опоры трубки дрейфа в форме цилиндра с увеличенным диаметром, посредством изменения которого происходит изменение объема резонатора.V is the volume of the drift tube support in the form of a cylinder with an increased diameter, by changing which the volume of the resonator changes.

Таким образом, согласно настоящему изобретению предложена ускоряющая система линейного резонансного ускорителя, выполненная в форме цилиндрического резонатора с системой встречных опор трубок дрейфа, на концах которых укреплены трубки дрейфа. При этом внутри корпуса резонатора установлена система прямых опор трубок дрейфа без изменения угла установки опор, а опоры трубок дрейфа выполнены в форме цилиндров с увеличенным диаметром.Thus, according to the present invention, an accelerating system of a linear resonant accelerator is proposed, made in the form of a cylindrical resonator with a system of counter supports of drift tubes, at the ends of which drift tubes are fixed. At the same time, a system of direct supports of the drift tubes is installed inside the resonator body without changing the angle of installation of the supports, and the supports of the drift tubes are made in the form of cylinders with an increased diameter.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Рисунок 1. Ускоряющая структура «IH with vanes», описанная в [1], где:Figure 1. Accelerating structure "IH with vanes", described in [1], where:

1 - корпус резонатора;1 - resonator body;

2 - трубки дрейфа;2 - drift tubes;

3 - опоры трубок дрейфа;3 - drift tube supports;

4 - проводящая подставка.4 - conductive stand.

Рисунок 2. Ускоряющая структура с продольной плитой согласно [2], где:Figure 2. Accelerating structure with a longitudinal plate according to [2], where:

1 - корпус резонатора;1 - resonator housing;

2 - трубки дрейфа;2 - drift tubes;

3 - опоры трубок дрейфа;3 - drift tube supports;

4 - проводящая подставка;4 - conductive stand;

5 - дополнительная проводящая штанга.5 - additional conductive rod.

Рисунок 3. Ускоряющая структура типа встречные штыри согласно [3], где:Figure 3. Accelerating structure of the counter pin type according to [3], where:

1 - корпус резонатора;1 - resonator body;

2 - трубки дрейфа;2 - drift tubes;

3 - опоры трубок дрейфа прямые (а) и угловые (б).3 - straight (a) and angled (b) drift tube supports.

Рисунок 4 (А, Б). Модуль ускоряющей структуры согласно настоящему изобретению, где:Figure 4 (A, B). The module of the accelerating structure according to the present invention, where:

А - вид спереди,A, front view

Б - вид сбоку,B - side view,

1 - корпус резонатора;1 - resonator housing;

2 - трубки дрейфа;2 - drift tubes;

3 - опоры трубок дрейфа, выполненные в виде цилиндра с увеличенным диаметром;3 - drift tube supports made in the form of a cylinder with an increased diameter;

Рисунок 5. Зависимость относительного изменения напряженности электрического поля в ускоряющем зазоре от изменения диаметра опоры трубки дрейфа в пятизазорном резонаторе.Figure 5. Dependence of the relative change in the electric field strength in the accelerating gap on the change in the diameter of the drift tube support in a five-gap resonator.

Осуществление изобретения (примеры выполнения)Implementation of the invention (examples)

Пример 1. Сравнительный, демонстрирующий настройку распределения ускоряющего поля, осуществляемую согласно прототипу.Example 1. Comparative, showing the setting of the distribution of the accelerating field, carried out according to the prototype.

Настройка требуемого распределения ускоряющего поля в прототипе происходит за счет установки опор трубок дрейфа под углами меньше 180° на плоскости (например, как указано, от 0 до 180 градусов), перпендикулярной к оси резонатора. Требуемый угол установки определяется подбором, а уже более точная установка опоры определяется в процессе настройки ускоряющего поля. При этом очень важно не нарушить юстировку трубок дрейфа, если она будет нарушена, то потребуется очень трудоемкая процедура ее восстановления, поскольку точность юстировки трубок дрейфа современных ускорителей требуется не менее +/- 25 мкм. Установка опор под углом, перемещение их по корпусу резонатора и фиксация их в нужном положении все это требует использования сложных приспособлений. Например, специально разработанных устройств, позволяющих одновременно осуществить перемещения по углу с шагом не более 1 градуса, юстировки в трех плоскостях трубок дрейфа с точностью не менее выше указанной, а также надежный электрический контакт с корпусом резонатора. Для изготовления таких приспособлений требуется использование высокоточных станков, а для их функционирования требуется еще и высокая точность изготовления корпуса резонатора, относительно геометрической оси, по которой должна производится настройка положения трубок дрейфа. С увеличением размеров корпуса резонатора степень точности линейных размеров падает. Так, согласно ГОСТ 25346-89 требуемый диаметр корпуса резонатора метрового диапазона длин волн составляет 300-500 мм. Параметры ускоряющего резонатора согласно прототипу: диаметр корпуса резонатора 420 мм; длина резонатора 434 мм; диаметр трубок дрейфа 100 мм; зазор между трубками дрейфа 46 мм; длина трубок дрейфа 46 мм; диаметр опор трубок дрейфа 20 мм; диаметр апертурного отверстия трубок дрейфа 50 мм; резонансная частота 162 МГц. В таком ускоряющем пятизазорном резонаторе с трубками дрейфа, установка двух опор диаметром 20 мм трубок дрейфа под углом 2,5 градуса каждая к нормали приводит к изменению напряженности электрического поля на 5% в ускоряющем зазоре, между данной трубкой дрейфа и предыдущей трубкой дрейфа, а допустимая погрешность настройки ускоряющего поля в современных ускорителях составляет не более 2%. Это накладывает повышенные требования к точности установки опор по углу с одновременным обеспечением точности пространственной юстировки, которую приходиться достигать, чтобы обеспечить работу ускорителя.Setting the required distribution of the accelerating field in the prototype is due to the installation of drift tube supports at angles less than 180° on a plane (for example, as indicated, from 0 to 180 degrees) perpendicular to the axis of the resonator. The required angle of installation is determined by the selection, and a more accurate installation of the support is determined in the process of setting the accelerating field. In this case, it is very important not to disturb the alignment of the drift tubes, if it is violated, then a very laborious procedure for its restoration will be required, since the accuracy of the alignment of the drift tubes of modern accelerators is required at least +/- 25 μm. Installing supports at an angle, moving them around the resonator housing and fixing them in the desired position all require the use of complex fixtures. For example, specially designed devices that allow simultaneous movement along the angle with a step of no more than 1 degree, adjustment in three planes of drift tubes with an accuracy not less than the specified one, as well as reliable electrical contact with the resonator housing. For the manufacture of such devices, the use of high-precision machines is required, and their operation also requires high precision in the manufacture of the resonator housing, relative to the geometric axis along which the position of the drift tubes should be adjusted. With an increase in the dimensions of the resonator housing, the degree of accuracy of linear dimensions decreases. So, according to GOST 25346-89, the required diameter of the resonator case for the meter wavelength range is 300-500 mm. The parameters of the accelerating resonator according to the prototype: the diameter of the resonator housing 420 mm; resonator length 434 mm; drift tube diameter 100 mm; clearance between drift tubes 46 mm; drift tube length 46 mm; drift tube support diameter 20 mm; drift tube aperture diameter 50 mm; resonant frequency 162 MHz. In such an accelerating five-gap resonator with drift tubes, the installation of two supports with a diameter of 20 mm drift tubes at an angle of 2.5 degrees each to the normal leads to a change in the electric field strength by 5% in the accelerating gap between this drift tube and the previous drift tube, and the allowable Accelerating field tuning error in modern accelerators is no more than 2%. This imposes increased requirements on the accuracy of the installation of the supports in terms of the angle, while simultaneously ensuring the accuracy of the spatial adjustment, which has to be achieved in order to ensure the operation of the accelerator.

Пример 2. Использование конструкции ускоряющего модуля согласно предложенному изобретению, демонстрирующий упрощение настройки распределения ускоряющего поля и повышение показателей энергоэффективности по сравнению с прототипом.Example 2. The use of the design of the accelerating module according to the proposed invention, demonstrating the simplification of setting the distribution of the accelerating field and the increase in energy efficiency compared to the prototype.

Согласно предложенному изобретению, можно упростить процесс точной настройки распределения ускоряющего поля, если воспользоваться конструкцией модуля ускоряющей структуры, в котором используются специальные цилиндрические опоры трубок дрейфа, которые не требуется перемещать под углом по корпусу резонатора, достаточно только их установки на штатное место и в случае неудовлетворительного результата, надо будет заменить на опору с другим диаметром. Как было установлено, например, в ускоряющем пятизазорном резонаторе с трубками дрейфа. Параметры ускоряющего резонатора согласно изобретению: диаметр корпуса резонатора 450 мм; длина резонатора 420 мм; диаметр трубок дрейфа 100 мм; зазор между трубками дрейфа 46 мм; длина трубок дрейфа 50 мм; диаметр опор трубок дрейфа увеличенного диаметра 96 мм; диаметр апертурного отверстия трубок дрейфа 50 мм; резонансная частота 162 МГц. Изменение диаметра опоры трубки с 80 мм до 96 мм (на 16 мм) приводит к изменению напряженности электрического поля на 2% в ускоряющем зазоре, между данной трубкой дрейфа и предыдущей трубкой дрейфа, что видно из представленной на рис. 5 зависимости относительного изменения напряженности электрического поля в ускоряющем зазоре от изменения диаметра опоры трубки. Энергоэффективность (шунтовое сопротивление R_ш) модуля ускоряющей структуры со специальными цилиндрическими опорами трубок дрейфа, согласно полученным результатам (см. Таблицу 1), выше на 20% в сравнении с прототипом, и ниже не более чем на 4% в сравнении, если использовать подставки-пилоны как в «IH with vanes» [1]. Расчет шунтовых сопротивлений производился программой CST-studio [8], широко используемой в области расчета параметров резонаторов.According to the proposed invention, it is possible to simplify the process of fine tuning the distribution of the accelerating field, if we use the design of the module of the accelerating structure, which uses special cylindrical supports for the drift tubes, which do not need to be moved at an angle along the resonator housing, it is enough just to install them in their regular place and in case of unsatisfactory result, it will be necessary to replace it with a support with a different diameter. As was found, for example, in an accelerating five-gap resonator with drift tubes. Parameters of the accelerating resonator according to the invention: resonator case diameter 450 mm; resonator length 420 mm; drift tube diameter 100 mm; clearance between drift tubes 46 mm; drift tube length 50 mm; diameter of supports for drift tubes of increased diameter 96 mm; drift tube aperture diameter 50 mm; resonant frequency 162 MHz. Changing the diameter of the tube support from 80 mm to 96 mm (by 16 mm) leads to a change in the electric field strength by 2% in the accelerating gap between this drift tube and the previous drift tube, which can be seen from Fig. 5 dependences of the relative change in the electric field strength in the accelerating gap on the change in the diameter of the tube support. The energy efficiency (shunt resistance _Rsh ) of the accelerating structure module with special cylindrical supports for the drift tubes, according to the results obtained (see Table 1), is 20% higher compared to the prototype, and no more than 4% lower in comparison if using stands -pylons as in "IH with vanes" [1]. Shunt resistances were calculated using the CST-studio program [8], which is widely used in the field of calculating resonator parameters.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет отказаться от сложного процесса установки опор трубок дрейфа на требуемый угол, как в прототипе [3], а использовать более простой и менее трудоемкий процесс подбора диаметров опор трубок дрейфа, сохраняя при этом требуемую энергоэффективность, превосходя показатели энергоэффективности прототипа и лишь незначительно уступая «IH with vanes» согласно [1], который характеризуется еще более сложной настройкой распределения ускоряющего поля, формируемого между трубками дрейфа, чем в [3]. Кроме того, исходя из полученных результатов исследований, представленных на рис. 5, требования к точности подбора диаметров опор трубок дрейфа не высоки, например, если нужно изменить, напряженность поля в ускоряющем зазоре на 2% достаточно изготовить диаметр опоры с точностью ±1 мм.Thus, the proposed invention makes it possible to abandon the complex process of setting the drift tube supports to the required angle, as in the prototype [3], and use a simpler and less laborious process of selecting the diameters of the drift tube supports, while maintaining the required energy efficiency, surpassing the energy efficiency of the prototype and only slightly inferior to "IH with vanes" according to [1], which is characterized by an even more complex adjustment of the distribution of the accelerating field formed between the drift tubes than in [3]. In addition, based on the results of the studies presented in Fig. 5, the requirements for the accuracy of selecting the diameters of the drift tube supports are not high, for example, if you need to change the field strength in the accelerating gap by 2%, it is enough to make the support diameter with an accuracy of ±1 mm.

ЛитератураLiterature

[1] доклад Kurennoy S.,

Rybarcyk L, Compact Linac for Deuterons (Based on IH Structures with PMQ Focusing), LANL, Los Alamos, Proceedings of Hadron Beam 2008, Nashville, Tennessee, USA NM, High-Intensity Linacs & Rings: New Facilities and Concepts, WGE13, 2008, p. 428-430.[1] report by Kurenney S.,

Rybarcyk L, Compact Linac for Deuterons (Based on IH Structures with PMQ Focusing), LANL, Los Alamos, Proceedings of Hadron Beam 2008, Nashville, Tennessee, USA NM, High-Intensity Linacs & Rings: New Facilities and Concepts, WGE13, 2008 , p. 428-430.

[2] авторское свидетельство SU 728684, опубл. 30.03.1984.[2] copyright certificate SU 728684, publ. 03/30/1984.

[3] авторское свидетельство SU 588887, опубл. 05.11.1979.[3] copyright certificate SU 588887, publ. 11/05/1979.

[4] Статья Википедии «Энергоэффективность», размещенная по адресу https://ru.wikipedia.org/wiki/Энepгoэффективность в редакции на 11.12.2021.[4] Wikipedia article "Energy Efficiency", posted at https://ru.wikipedia.org/wiki/Energy Efficiency, as amended on 12/11/2021.

[5] Собенин Н.П., Милованов О.С., «Техника сверхвысоких частот» Энергоатомиздат, Москва 2007 г.[5] Sobenin N.P., Milovanov O.S., "Technique of microwave frequencies" Energoatomizdat, Moscow 2007

[6] «Радиоволноводы и объемные резонаторы» Ширман Я.Д., Связьиздат, Москва 1959 г.[6] "Radio waveguides and cavity resonators" Shirman Ya.D., Svyazizdat, Moscow 1959

[7] «Основы радиотехники» Амалицкий М.В., Связьиздат, Москва 1949 г.[7] "Fundamentals of radio engineering" Amalitsky M.V., Svyazizdat, Moscow 1949

[8] CST Studio Suite (https://www.3ds.com/ru/)[8] CST Studio Suite (https://www.3ds.com/ru/)

Claims

1. The accelerating system of a linear resonant accelerator, made in the form of a cylindrical resonator with a system of counter supports of the drift tubes, at the ends of which the drift tubes are fixed, characterized in that a system of direct supports of the drift tubes is installed inside the resonator body without changing the angle of installation of the supports, while the supports of the tubes drifts are made in the form of cylinders, where the diameter of the specified support is selected in accordance with the formula:

Where

- relative change in the frequency of the resonator,

W is the stored energy in the resonator,

ε ₀ - vacuum permittivity,

dν - differential of the integration argument,

E ₀ - electric field strength before tuning the resonator,

H ₀ - magnetic field strength before tuning the resonator,

μ ₀ - vacuum magnetic permeability,

V=πD ² H/4, where V is the volume of the drift tube support in the form of a cylinder, by changing which the volume of the resonator changes, D and H are, respectively, the diameter and height of the drift tube supports in the form of a cylinder.

2. The accelerating system according to claim 1, where the drift tube support is a cylinder with a height not exceeding H, where H is determined by the formula:

H=R-r,

where R is the radius of the cavity body, r is the radius of the drift tube.

3. Accelerating system according to any one of paragraphs. 1, 2, where the drift tube support has a diameter of 96 mm.