SU1598228A1

SU1598228A1 - Ускор юща структра дл линейных ускорителей зар женных частиц

Info

Publication number: SU1598228A1
Application number: SU884623255A
Authority: SU
Inventors: Валерий Викторович Закутин; Игорь Евгеньевич Кулешов; Владимир Абрамович Кушнир; Александр Маркович Шендерович
Original assignee: Предприятие П/Я В-8851
Priority date: 1988-12-20
Filing date: 1988-12-20
Publication date: 1990-10-07

Abstract

Изобретение относитс к ускорительной технике. Цель изобретени - ускорение за счет повышени предельно допустимой величины напр женности ускор ющего пол . Ускор юща структура выполнена в виде пр моугольного волновода, в широких стенках которого друг против друга расположено две последовательности одинаковых отверстий, оси которых параллельны. Отверсти расположены по обе стороны от оси канала транспортировки пучка на одинаковом рассто нии, выбор которого осуществл етс с помощью аналитического выражени . В отверсти х укреплены отрезки круглых запредельных цилиндрических волноводов, так что вдоль оси структуры образуетс последовательность объемных резонаторов с TE_OMN-типом колебаний. Поскольку в данной конструкции не существует тип колебаний TE_IMN на рабочей частоте, то электрическое поле на стенках мало, что позвол ет подн ть напр женность ускор ющего пол на оси структуры. 4 ил.

Description

Изобретение относитс к ускорительной технике и может быть использовано дл ускорени пучков зар женных частиц в линейных ускорител х.

Цель изобретени - увеличение темпа ускорени .

На фиг, 1 приведены проекции ускор ющей структуры; на фиг.2 - проекции поперечного сечени резонатора,образованного разветвлением пр моугольного и цилиндрических резонаторов; на фиг о 3 и 4 - варианты возбуждени ускор ющей структуры.

Ускор к ца структура (фиг. 1) представл ет собой пр моугольный волновод 1, на щироких стенках 2 которого одно

против другого расположены круглые отверсти Зо В эти отверсти вставлены и закреплены (например,с помощью лайки или сварки) запредельные цилиндрические волноводы 4. Торцы 5 цилиндрических волноводов расположены в плоскост х щироких стенок 2 пр моугольного волновода. Оси последовательно расположенных цилиндрических волноводов наход тс одна относительно другой на одинаковых рассто ни х S. Оси цилиндрических волновоцсв с нечетными номерами расположены в одной плоскости (пр ма АВ на фиг. 1), оси цилиндрических волноводов с четными номерами - в другой плоскости (пр ма

00

CD на фиг„ DC Эти плоскости параллельны одна другой, параллельны оси пр моугольного волновода ff и расположены на одинаковом рассто нии h от нее. Диаметры цилиндрических волноводов 2а и рассто ние между широкими стенками пр моугольного волновода 1 выбраны из услови существовани собственного типа колебаний резонато- ров, образованных област ми св зи цилиндрических и пр моугольного волноводов о Кажда пара цилиндрических волноводов с примыкающей к ним частью пр моугольного волновода образуют в этом случае резонатор.

Ускор юща структура работает следующим образом.

Дл создани ускор ющего пол структуру возбуждают с помощью внешнего ВЧ-генератора или модулированного пучка. Дл возбуждаемого типа колебаний цилиндрические и пр моугольный волноводы запредельные и поле в них быстро спадает с рассто ни , Поле сосредоточено в основном в област х св зи цилиндрических и пр моугольного волноводов Рассто ние между узкими стенками пр моугольного волновода L и длина цилиндрических волноводов g выб- раны из услови , чтобы напр женность электрического пол на узких стенках пр моугютьного волновода Е, и напр женность электрического пол на торцах 6 цилиндрических волноводов Eij бьши меньше пробивной напр женности пол Епр дл того, чтобы при работе ускор ющей структуры не происходил пробой.

После возбуждени ускор ющей структуры через нее пропускают ускор емый пучоко Прирост энергии ускор емой частицы в ускор ющей структуре представл ет собой сумму приростов энергии частиц в каждом из резонаторов. Наход т прирост энео1 ии частицы в k-M резонаторео Исход т из известного

-evh

b. + (N-k)d

Чк

(

-Ь;, -kd

еЕ V.

(1)

уравнени дл прироста энергии частицы б

ае.

dt

Дл рассматриваемого типа, колебаний электрическое поле имеет только одну азимутальную составл ющую Еф котора вл етс функцией времени t, г и Z, где г - рассто ние от оси k-ro резонатора, z - рассто ние по высоте от оси пр моугольного волновода (фиг о 1):

Е (г, Z, t) Eip(r, z) cosG3tt(2)

Выбира оптимальное значение , рассчитывают прирост энергии частицы в k-M резонаторе. На фиг. 2 показана траектори частицы вдоль оси X в окрестности k-ro резонатора. Из этого следует, что

Eip vh

Е V Е, V coso

.X

(3)

где за начало отсчета по оси X прин то положение центра резонатора.

Пользу сь (1), (3) и фиг о- 1, получают дл прироста энергии в k-м резонаторе .

f cosuJtdt,

{, n| (t) (4)

где t( , t - йоме нты влета и вылета частицы из ускор ющей структуры; r(t) - рассто ние от оси k-ro

резонатора до места расположени частицы в момент времени t;

x(t) - координата частицы в момент времени t. в формуле (4) от интег- t к интегрированию по х

Переход рИровани по (фиг,. 1) , наход т

() cos

tOx -dx

(5)

где N - полное число резонаторов в ускор ющей системе.

Ь .в,ьГ f (4гад) cos Й . -Ж, .(6)

К:: O-K.-t

b ,-kd

fxW

Дл полного прироста энергии при , оптимальной фазировке полей в резонаторах получают

-Ж,

fxW

Дл получени максимального прироста энергии частиц рассто ние h от оси пучка до плоскостей, в которых

Г N Ь,+ (N-k)d

Э.

ЭЬ1, J

hC Е -Ь,-kd

Рассмотрим пример практической реализации предлагаемой структуры, схе- на которой показана на фиг. 3, В этом примере ускор юща структура представл ет собой последовательность из N Я резонаторов, работающих на см волне, Запитка резонаторов

f- tb«o -1 . , |.|&л1 , , ,,,, jj, ,,,j, ,,у, ,

Р.

9./

а;

(„-корень уравнени I, (ц, а)0;

(;

«(

-Jp ./2ll). - Ч PC V .

1о(у а), 1(ура) -

((е )

lh({ltoz) lh(Ql72T

. R I)№fir) + BO 7-7--Y cosPnz I(Jfea)

К 4 ( «er)

N t . щег;1

) ° Р-г P« a,(z) |;

pi Д I. (РцО ((-(/г) : - i;(P,a) РИ « « (2) ,

1 2

где I,(P,r), IO(P,r) - функции Бессел 1-го рода;

г - рассто ние от оси k-ro резонатора до точки, где определ етс электрическое поле Подставл вьфажение EJ дл области значений Х1 fa z- Ы и Е$ дл области значений 1x1 h - из формулы (9) в формулу (7), можно определить рассто ние h от оси цилиндрических волноводов до оси пр моугольного волновода. Дл выбранных в данном примере условий (f 6000 МГц;

расположены оси цилиндрических волноводов , необходимо выбирать из услови

dx

-

0. (7)

СВЧ-полем производитс с помощью вол- новодной линии 7 и направленньк ответ- вителей 8. Дл настройки резонатора на собственную частоту f разветвлени волноводов на ТЕд,, -типе колебаний их размеры должны удовлетвор ть соотношению

5

0

Из формулы (8) следует, что,.например , собственна частота МГц может быть получена при а 2,98 см, 1 1,87 смо При этом как цилиндричес-. кие, так и пр моугольный волноводы будут дл этого типа колебаний запредельными и электромагнитное поле будет сосредоточено в основном в област х их св зи.

Электрическое поле в k-м открытом резонаторе такого типа описьшаетс следующими соотношени ми в одноволно- вом приближении, вл кнцимс достаточно точным:

при r a, (z)

1 2

а - 2,98 см; 1 1,87 см) эта величина равна h ; 1,5 см

Дл того, чтобы не развивалс про- °й, узкие стенки пр моугольного резонатора должны располагатьс на таком рассто нии одна от другой, чтобы электрическое поле

55

Е (Р

h ч- |)Е„р.

(10)

В рассмотренном примере при максимальном значении напр женности пол ..«- , t 10 В/см и пробивной напр 1598228

женности пол Е 3-10 В/см с поIL

.мощью формул (9) получают r+h см,

т,е„ L 7 смо

Возбужде1ад:е предлагаемой ускор ющ структуры не об зательно должно производитьс с помощью волноводной линии (фиг о 3). Друга возможность иллюстрируетс примером, показанным на фиг о 4 о Здесь возбуждение ускор ющей структуры осуществл етс двум модулированными электронными пучками 9 и 10 с относительно высокой интенсивностью и небольшой энергией, пропускаемых в области, где возбуждаемое ими в резонаторах электрическое поле вл етс малым. Частота модул ции пуч ков совпадает с собственной частотой резонаторов на ТЕо« -волне.

Третьей возможностью вл етс возбуждение ускор ющей структуры путем ввода ВЧ-мощности через открытьй конец пр моугольного волновода. В этом .случае должны быть соблюдены услови равенства фазовой скорости волны и скорости ускор емых частиц.

Предлагаемый способ позвол ет получить значительно больший темп ускорени зар женных частиц. Это св зано с тем обсто тельством, что в цилиндрических резонаторах колебаний вл етс выраженным, при его возбуждении одновременно возбуждаетс . колебаний, имеющий такую же резонансную частоту. Поскольку электрическое поле на стенках в резонаторе на таком типе колебаний имеет большую величину, то возможности увеличени напр женности пол в такой структуре ограничиваютс на уровне сотен киловольт на сантиметр из-за развити пробо о

В предлагаемой структуре при выбранных размерах волноводов, обеспечивающих настройку на заданную частоту резонаторов, образованных разветвлением цилиндрических и пр моугольного волноводов.

тип колебаний

h

N

Г

К:

(N-k)d

Е

-Ьд-kd

00 - собственна частота резона- (

торов, с V - скорость ускор емых частиц, м/с;

8

10

5

0

5

.

5

0

5

гп

этой частоте не существует Поэтому электрическое поле на стенках мало и может быть всегда сделано меньше пробивной напр женности пол .

Кроме того, в этой ускор к цей структуре нет необходимости делать отверсти дл пролета пучка, которые таюке снижают электрическую прочность. По этим причинам ограничени возможности увеличени напр женности пол , а следовательно, и темпа ускорени , обусловленные развитием пробо в предлагаемой структуре практически отсутствуют „ В рассмотренном примере показана возможность получени максимальной напр женности пол В/см, что более чем на пор док превьш1ает макси- . мальную напр женность пол , которую можно в известных ускор ющих структурах.

Claims

Формула изобретени

Ускор юща структура дл линейных ускорителей зар женных частиц, содер- жа1ца последовательность резонаторов с TEij -типом колебаний, оси которьк расположены параллельно друг другу и перпендикул рно продольной оси структуры на одинаковом рассто нии h (м) от нее, при этом оси четных резонаторов лежат в одной плоскости по одну сторону от продольной оси структуры, нечетных по другую сторону, а геометрические размеры структуры выбраны из условий обеспечени электрической прочности и существовани собственного типа колебаний, отличающа с тем, что, с целью увеличени темпа ускорени , вдоль продольной оси структуры и соосно ей расположен дополнительно введенный пр моугольный волновод, на широких стенках которого соосно расположены друг против друга цилиндрические волноводы одинакового диаметра, соединенные с пр моугольным волноводом отверстием того же диаметра, а рассто ние h выбрано из услови

Ь(- рассто ние от начала пр моугольного волновода до оси первого цилиндрического волновода , м;

paccTOHmie от оси последнего циливдрического волновода до конца пр моугольного волновода , м; s -Ah,

S - рассто ние между ос ми соседних цилиндрических волноводов, м;

а6

159

5 -г О

Ец.- азимутальна составл юща напр женности собственного электрического пол резонатора , В/м; N - полное число резонаторов.

н-Х

OoVoVoVo

Редактор А.Козориз

Составитель Е Громов

Техред Л.Олийнык Корректор Н. Король

Заказ 3074

Тираж 667

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретени м и открыти м при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушска наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

1}

Фиг.З

10

ФигЛ

Подписное