ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ОБЪЕМНЫЙ РЕЗОНАТОР И УСКОРИТЕЛЬ
HF CAVITY RESONATOR AND ACCELERATOR

Изобретение относится к высокочастотному объемному резонатору, с помощью которого можно ускорять заряженные частицы в виде пучка частиц, когда они направляются через высокочастотный объемный резонатор и когда в высокочастотном объемном резонаторе на пучок частиц воздействует высокочастотное поле, и к ускорителю, содержащему такой высокочастотный объемный резонатор.
Высокочастотные объемные резонаторы известны из уровня техники. Создаваемое с помощью высокочастотного объемного резонатора ускорение зависит от силы создаваемого в высокочастотном объемном резонаторе электромагнитного высокочастотного поля, которое воздействует на пучок частиц вдоль траектории полета частиц. Поскольку при увеличивающейся силе высокочастотного поля увеличивается вероятность искрового пробоя между электродами, то максимально достижимая с помощью высокочастотного объемного резонатора энергия частиц ограничена.
Проблема электрического пробоя ускорителей частиц исследована в статье W.D. Kilpatrik “Criterion for Vacuum Sparking Disigned to Include Both rf and dc”, Rev. Sci. Instrum. 28, 824-826 (1957). В первом приближении максимально достижимая сила Е электромагнитного высокочастотного поля связана с частотой высокочастотного поля следующим образом: Е~√f. Это означает, что можно достигать более высоких сил электрического поля, когда применяется более высокая частота, прежде чем произойдет электрический пробой (на английском языке “breakdown” или “RF-breakdown”).
Задачей изобретения является создание высокочастотного объемного резонатора с высокой электрической пробивной прочностью.
Задача решена с помощью независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные модификации содержатся в признаках зависимых пунктов формулы изобретения.
В соответствии с этим предлагается высокочастотный объемный резонатор для ускорения заряженных частиц, при этом предусмотрена возможность введения в высокочастотный объемный резонатор электромагнитного высокочастотного поля, которое при работе воздействует на пучок частиц, который проходит в высокочастотном объемном резонаторе, при этом для повышения электрической пробивной стойкости в высокочастотном объемном резонаторе вдоль пути прохождения пучка частиц расположен по меньшей мере один промежуточный электрод.
Было установлено, что применение критерия Килпатрика вызвало тенденцию сдвига к высоким частотам в ускорителях. Однако как раз для ускорения медленных частиц, т.е. частиц с нерелятивистскими скоростями, это создает проблемы по ионно-оптическим причинам. В больших ускорителях это приводит к тому, что в первых ступенях ускорителя работа происходит с небольшой частотой и, соответственно, небольшой силой Е поля и что обычно последующие ступени ускорителя работают с более благоприятной высокой частотой. На основании синхронности частоты находятся в рациональном соотношении. Однако это приводит, с одной стороны, к большим, занимающим много места ускорителям и, с другой стороны, к меньшей гибкости в выборе конструкции ускорителя.
В основе изобретения лежит понимание того, что частота не обязательно (как утверждает Килпатрик) является существенным фактором, который влияет на максимально достижимую силу Е поля в вакууме, им является также расстояние d между электродами, в первом приближении в соответствии с зависимостью Е~√d (для электрической пробивной прочности в первом приближении справедливо U~√d). В монографии «Учебник по технике высоких напряжений», G. Lesch, E. Bauman, Springer-Verlag, Berlin/Goettingen/Heidelberg, 1959, на странице 155 показан график зависимости между силой поля пробоя в высоком вакууме и расстоянием между пластинами. Эта зависимость справедлива, очевидно, универсально для очень большого диапазона напряжения как для постоянного напряжения, так и переменного напряжения, и для геометрически масштабированных форм электродов. Выбор материала электродов влияет, очевидно, лишь на постоянную пропорциональности.
Экспериментальный критерий Килпатрика Е~√f не содержит параметра, который в явном виде учитывает расстояние между электродами. Однако это мнимое противоречие с приведенным выше соотношением, в котором учитывается расстояние между электродами, устраняется, когда принимается, что форма резонатора при масштабировании для согласования с частотой остается геометрически подобной, так что расстояние между электродами масштабируется с помощью других размеров резонатора. Это означает выбор расстояния d между электродами в соответствии с d~1/f, и тем самым критерий Килпатрика Е~√f соответствует указанному выше соотношению Е~√d.
Из этого следует, что высокие частоты лишь мнимо являются решением проблемы. Зависимость от частоты, согласно критерию Килпатрика, можно передать по меньшей мере частично посредством геометрического масштабирования для настройки резонатора.
Однако можно выбирать частоту в широких пределах независимо от желаемой максимальной силы Е высокочастотного поля, так что, в принципе, становится возможным создание компактных ускорителей также при низких частотах, например, для тяжелых ионов. Это достигается с помощью высокочастотного объемного резонатора, согласно изобретению, поскольку в нем проблема пробивной прочности решена с помощью промежуточных электродов. В конечном итоге, за счет этого достигается высокая электрическая пробивная прочность и тем самым высокие силы Е поля за счет соблюдения критерия Е~√d. Рабочую частоту высокочастотного объемного резонатора можно выбирать значительно более гибко и в идеальном случае независимо от желаемой силы Е электрического поля, при этом достигаемая электрическая пробивная прочность обеспечивается с помощью промежуточных электродов, а не за счет выбора рабочей частоты.
При этом изобретение исходит из применения меньших расстояний между электродами с целью достижения более высоких сил Е электрического поля. Однако, поскольку расстояние между электродами задается сначала формой резонатора, то меньшее расстояние между электродами достигается за счет установки промежуточного электрода (электродов). Следовательно, расстояние между электродами разделяется на меньшие отрезки с помощью промежуточного электрода (электродов). Таким образом, требования к расстоянию, соответственно, к электрической пробивной прочности удовлетворяются максимально независимо от величины и формы резонатора.
Промежуточные электроды имеют целью повышение электрической пробивной прочности. Для того чтобы оказывать возможно меньшее влияние на ускорительные свойства высокочастотного объемного резонатора, промежуточный электрод может быть так изолирован от стенок высокочастотного объемного резонатора, что промежуточный электрод во время работы высокочастотного объемного резонатора не создает высокочастотного поля, действующего ускорительно на пучок частиц. За счет изоляции со стенок на промежуточные электроды не передается высокочастотная мощность, которая иначе генерировала действующее от промежуточных электродов на пучок частиц высокочастотное поле. Во время работы со стенок резонатора на промежуточные электроды не передается высокочастотное поле, соответственно, передается лишь в такой малой мере, что излучаемое промежуточным электродом, если оно вообще имеется, высокочастотное поле является пренебрежительно малым и в лучшем случае вообще не влияет на ускорение пучка частиц. В частности, от стенок резонатора на промежуточные электроды не проходят высокочастотные токи.
Изоляция относительно стенок резонатора не должна быть обязательно полной, достаточно выполнять связь промежуточных электродов со стенками резонатора так, что промежуточные электроды максимально изолированы в диапазоне рабочих частот высокочастотного объемного резонатора. Так, промежуточные электроды могут быть связаны через проводящее соединение со стенкой высокочастотного объемного резонатора так, что проводящее соединение имеет высокое полное сопротивление при рабочей частоте высокочастотного объемного резонатора, за счет чего достигается желаемая изоляция промежуточных электродов. Следовательно, промежуточные электроды максимально развязаны по высокочастотной энергии от высокочастотного объемного резонатора. Тем самым высокочастотный объемный резонатор испытывает демпфирование за счет промежуточных электродов лишь в небольшой степени. Тем не менее проводящее соединение может одновременно выполнять функцию отвода заряда за счет рассеяния частиц. Высокое полное сопротивление проводящего соединения может быть реализовано с помощью спирально проходящего участка проводника.
Промежуточные электроды расположены, в частности, перпендикулярно воздействующему на пучок частиц электромагнитному высокочастотному полю. За счет этого достигается возможно меньшее влияние промежуточных электродов на функции высокочастотного объемного резонатора.
Промежуточный электрод может иметь, например, форму кольцевого диска с центральным отверстием, через которое направляется пучок частиц. Форма промежуточных электродов может быть согласована с возникающими без промежуточных электродов потенциальными поверхностями электрического поля так, что не возникает существенного искажения идеального прохождения электрического поля без промежуточных электродов. С помощью придания такой формы минимизируется увеличение емкости за счет промежуточных структур, максимально предотвращаются расстройка резонатора и местные повышения электрического поля.
Промежуточный электрод предпочтительно установлен подвижно, например, с помощью пружинной опоры, соответственно, подвески. Пружинная опора может быть выполнена в форме шпильки. За счет этого оптимируется, соответственно, максимируется путь скользящего разряда вдоль поверхности, минимизируется вероятность возникновения скользящих разрядов. Пружинная опора может содержать имеющий форму спирали проводящий участок, за счет чего может достигаться повышение полного сопротивления пружинной опоры при рабочей частоте высокочастотного объемного резонатора.
В качестве материала промежуточного электрода можно применять хром, ванадий, титан, молибден, тантал, вольфрам или содержащие эти материалы сплавы. Эти материалы имеют высокую электрическую прочность. Небольшая поверхностная проводимость этих материалов допустима, поскольку в подлежащих защите диапазонах силы электрического поля обычно возникают лишь небольшие тангенциальные Н-поля (и тем самым плотности стенных токов).
Предпочтительно, в высокочастотном объемном резонаторе в направлении пучка расположено последовательно друг за другом несколько промежуточных электродов. Несколько промежуточных электродов могут быть установлены подвижно относительно друг друга, например, с помощью пружинной подвески. За счет этого может осуществляться самостоятельное равномерное распределение расстояний между отдельными электродами.
Пружинные опоры, с помощью которых несколько промежуточных электродов соединены друг с другом, могут быть выполнены проводящими и предпочтительно содержать имеющие форму спирали проводящие участки и/или выполнены в форме шпилек. Тем самым обеспечивается также между промежуточными электродами возможность отвода заряда за счет рассеяния частиц.
Ускоритель, согласно изобретению, содержит по меньшей мере один указанный высокочастотный объемный резонатор с промежуточным электродом.
Ниже приводится более подробное пояснение вариантов выполнения изобретения с предпочтительными модификациями, согласно признакам зависимых пунктов формулы изобретения, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - конструкция высокочастотного объемного резонатора с введенными промежуточными электродами; и
фиг.2 - продольный разрез такого высокочастотного объемного резонатора.
На фиг.1 показан высокочастотный объемный резонатор 11. Сам высокочастотный объемный резонатор 11 изображен штриховыми линиями для более наглядного изображения промежуточных электродов 13, которые находятся внутри высокочастотного объемного резонатора 11.
Высокочастотный объемный резонатор 11 содержит обычно проводящие стенки и питается высокочастотной энергией от не изображенного здесь высокочастотного передатчика. Ускорительное, действующее на пучок 15 частиц высокочастотное поле в высокочастотном объемном резонаторе 11 создается обычно расположенным снаружи высокочастотного объемного резонатора 11 высокочастотным передатчиком и вводится с резонансом в высокочастотный объемный резонатор 11. В высокочастотном объемном резонаторе 11 обычно создается высокий вакуум.
Промежуточные электроды 13 расположены вдоль прохождения пучка частиц в высокочастотном объемном резонаторе 11. Промежуточные электроды 13 выполнены кольцеобразными с центральным отверстием, через которое проходит пучок частиц. Между промежуточными электродами 13 находится вакуум.
Промежуточные электроды 13 установлены с помощью пружинной подвески 17 относительно высокочастотного объемного резонатора 11 и относительно друг друга.
За счет пружинной подвески 17 промежуточные электроды 13 самостоятельно распределяются по длине высокочастотного объемного резонатора 11. Могут быть также предусмотрены дополнительные подвески (здесь не изображены), которые служат для стабилизации промежуточных электродов 13.
На фиг.2 показан продольный разрез показанного на фиг.1 высокочастотного объемного резонатора 11, при этом здесь показаны различные виды подвески промежуточных электродов 13 относительно друг друга и относительно стенок резонатора.
В верхней половине 19 на фиг.2 показана пружинная подвеска промежуточных электродов 13 с помощью имеющих форму шпилек проводящих соединений 23. За счет формы шпильки снижается вероятность скользящего разряда вдоль подвески.
В нижней половине 21 показанного на фиг.2 высокочастотного объемного резонатора 11 промежуточные электроды 13 соединены с помощью проходящих в форме спирали проводящих пружинных соединений 25 относительно друг друга и относительно стенок резонатора. Это выполнение имеет то преимущество, что прохождение по спирали проводящих соединений 25 обеспечивает полное сопротивление, которое при соответствующем выполнении создает желаемую изоляцию промежуточных электродов относительно высокочастотного объемного резонатора 11 при рабочей частоте. За счет этого предотвращается слишком сильное демпфирование высокочастотного объемного резонатора 11 за счет введения промежуточных электродов в высокочастотный объемный резонатор 11.
ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ
11 - Высокочастотный объемный резонатор
13 - Промежуточный электрод
15 - Пучок частиц
17 - Подвеска
19 - Верхняя часть
21 - Нижняя часть
23 - Имеющее форму шпильки соединение
25 - Имеющее форму спирали соединение