СПОСОБ КОНСТРУИРОВАНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РЕЗОНАТОРА, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ЦИКЛОТРОНЕ, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ РЕЗОНАТОР, ВЫПОЛНЕННЫЙ ТАКИМ СПОСОБОМ, И ЦИКЛОТРОН, В КОТОРОМ ПРИМЕНЯЕТСЯ ТАКОЙ РЕЗОНАТОР
DESIGN METHOD OF HIGH-FREQUENCY RESONATOR, NAMELY FOR BEING USED IN CYCLOTRON, HIGH-FREQUENCY RESONATOR MADE BY USING SUCH METHOD, AND CYCLOTRON IN WHICH SUCH RESONATOR IS USED

Изобретение относится к способу конструирования высокочастотного резонатора, в частности, для использования в циклотроне, к высокочастотному резонатору, выполненному таким способом, и к циклотрону, в котором применяется такой резонатор.
Более точно, настоящее изобретение относится к способу конструирования высокочастотного резонатора, который содержит емкостный электрод, присоединенный к по меньшей мере двум по существу индуктивным линиям или «штокам», способу, позволяющему использовать два или более штоков для создания возможности определения индуктивности высокочастотного резонатора в широком диапазоне. Изобретение относится также к высокочастотному резонатору, в котором между штоками протекают незначительные токи, в частности, сконструированному при помощи вышеуказанного способа и выполненному в соответствии с техническими особенностями, полученными таким способом. Изобретение дополнительно относится к циклотрону, в котором используется один или более резонаторов в соответствии с изобретением.
В дальнейшем для простоты объяснения всегда будет сделана ссылка на высокочастотные резонаторы циклотронов, однако подразумевается, что настоящее изобретение применимо к любому высокочастотному резонатору, то есть к резонаторам, обладающим емкостью и индуктивностью. Более того, когда речь идет о циклотронах, имеется в виду любой тип циклотронов, даже если в любое время будет сделана поясняющая ссылка на отдельные типы.
Известно, что в циклотронах воздействуют как магнитное, так и электрическое поля. Магнитные поля отвечают за вращение, с фиксированной резонансной частотой, частиц, которые желательно ускорить, в то время как электрическое поле ускоряет эти частицы.
Электроды, которые создают ускоряющее электрическое поле, являются неотъемлемой частью высокочастотной схемы, содержащей несколько высокочастотных резонаторов, через которые частицы должны пройти для ускорения. Такие высокочастотные резонаторы имеют такие размеры, чтобы они резонировали при частоте, равной гармоникам вышеуказанной фиксированной резонансной частоты.
r
Так как резонансная частота f высокочастотного резонатора зависит от значений индуктивности L и емкости С, в соответствии с отношением , очевидно, что если желательны большие значения резонансной частоты, то значения L и С должны быть маленькими.
Вообще, высокочастотный резонатор сконструирован для минимизации емкости ускоряющих электродов, которые, имея удлинение, в действительности представляют собой «емкостные электроды». Между прочим, для получения резонанса должна присутствовать определенная индуктивность, и поэтому следует добавить индуктивных линий к емкостным электродам.
Однако попытки добавления индуктивности, настолько малой, насколько желательно, емкостным электродам не имели успеха.
В действительности высокочастотные резонаторы, как правило, обеспечивались частью, вышеуказанным «штоком», т.е. проводником, соединяющим электроды с внешней камерой резонатора, или «гильзой». Для снижения индуктивности штока необходимо увеличить его размеры, ортогональные линиям магнитной индукции.
Это, в свою очередь, повышает емкость резонатора, благодаря присутствию гильзы, которая представляет собой камеру, как правило из меди, которая ограничивает участок пространства, являющийся местом электромагнитного поля, создаваемого резонатором.
Шток может рассматриваться, вместе с гильзой, как линия передачи, обладающая значениями индуктивности и емкости, которые увеличивают эти показатели электрода, таким образом, способствуя общей индуктивности и емкости высокочастотного резонатора.
С течением времени от резонансных контуров, осуществляемых при помощи сконцентрированных на параметрах моделей емкости и индуктивности для низких частот, перешли к резонаторам, всегда более сложным и с всегда большими резонансными частотами.
Это стало возможным благодаря развитию вычислительных и моделирующих инструментов. Однако для резонаторов циклотрона продолжают использовать по существу емкостные электроды, присоединенные к одному или двум штокам.
Ссылаясь на фигуры 1 и 2, компактные циклотроны (изохронные) нового поколения и, в частности, сверхпроводящие циклотроны отличаются тем, что они обладают магнитным полюсом, состоящим из чередования пиков 1 и впадин 2, т.е. участков, где расстояние между магнитными полюсами очень мало, и участками, где расстояние большое. В таких случаях естественно вводить ускоряющие емкостные электроды 2' внутрь впадин 2 точно для снижения емкости, связанной с ними. Впадина 2 и пик 1 вместе составляют так называемый сектор.
Ускоряемые частицы вводятся в центр 101 циклотрона и проходят в циклотроне по спиральной траектории, подвергаясь воздействию электрического и магнитного полей.
g
Вообще, если θ - угловая протяженность емкостного электрода, V - напряжение, поданное к емкостному электроду, и h - гармоника ускорения, a E - приращение энергии за виток, получается следующее отношение:
g
E=2·V·sin(h·θ/2).
g
g
Другими словами, наибольшее приращение энергии E за виток достигается, когда h·θ=180°, и в этом случае E=2·V. При таких условиях частицы получают наибольшее возможное приращение энергии как на входе, так и на выходе из электрода.
Если, напротив, значение h·θ≠180°, ускорение достигается, но с меньшей и меньшей эффективностью по мере отклонения от оптимального значения в 180°.
Поэтому, в зависимости от угловой протяженности электрода высокочастотного резонатора, используемые частоты представляют собой первую, вторую и третью гармоники, и в случае некоторых циклотронов с четырьмя секторами и малыми размерами, также четвертую. В случае циклотрона с 4 секторами и с электродами, угловая протяженность которых ≤45°, оптимальной гармоникой ускорения является четвертая.
0
В циклотронах с радиусом верхнего магнитного полюса большим 80 см, емкость ускоряющих электродов относительно высокая. Поэтому, выполнение резонатора для частот, превышающих 70 МГц, требует особо малых значений индуктивности, с последующим снижением характеристического сопротивления Z, а следовательно, с увеличением тока в индуктивных областях. Все это создает увеличение термических утечек с последующим снижением добротности Q резонатора, определяемой как:
RF
i
d
Q=2·π·f·E/E,
i
d
RF
где E - энергия, запасенная в резонаторе, E - энергия, рассеянная в нем, a f - характеристическая частота высокочастотного резонатора.
Более того, на снижение индуктивности сильно влияет размер штока, так как чем больше диаметр последнего, тем меньше значение индуктивности резонатора. Так как размер штока геометрически ограничен шириной электрода, к которому он присоединен, значение индуктивности остается ограниченным снизу. Таким образом, следовательно, резонансная частота оказывается ограниченной сверху.
Решение этой проблемы заключается во вводе большего количества штоков параллельно для снижения общей индуктивности схемы.
Существуют циклотроны, в которых оборудовано по два штока на электрод.
Однако во многих случаях для высоких резонансных частот, относительно высоких значений емкости электрода, невозможно достичь решения проблемы лишь двумя штоками.
Использование трех штоков, до сих пор не предложенное изобретателями, априори позволяет достигать желаемой резонансной частоты без вышеупомянутых проблем.
Однако при более чем двух штоках оптимизация резонатора и профиля напряжения вдоль ускоряющего электрода не может быть осуществлена при помощи существующих способов.
Заявитель провел исследование, касающееся оптимизации вышеуказанного резонатора и профиля напряжения вдоль емкостного электрода, оборудованного по меньшей мере тремя штоками.
Из результатов исследования оказалось, что традиционные способы оптимизации не приводят к каким-либо удовлетворительным результатам. Конечно, при попытке найти размеры и позиции штоков с последующими аппроксимациями, исследователи сталкиваются с практической невозможностью сопоставления, например, различных положений с получившимися профилями напряжений. Конфигурации, которые можно получить при помощи традиционных способов, являются нестабильными.
Поэтому невозможно добиться традиционной оптимизации для широкого диапазона резонансных частот и, в частности, при емкости электрода, превышающей 80-100 pF (коэффициент мощности), и резонансных частотах высокочастотного резонатора, превышающих 70-90 МГц.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение способа конструирования высокочастотного резонатора, в частности, для использования в циклотроне, который устраняет вышеупомянутые недостатки и проблемы.
Также задачей настоящего изобретения является обеспечение установок и инструментов для осуществления способа, являющегося предметом изобретения.
Еще одной задачей изобретения является обеспечение высокочастотного резонатора, который обладает значениями индуктивности, которых невозможно достичь в традиционных высокочастотных резонаторах, в частности, высокочастотного резонатора, получаемого при помощи способа, являющегося предметом настоящего изобретения.
Вновь, особой задачей изобретения является обеспечение циклотрона, в котором используется один или более высокочастотных резонаторов, являющихся предметом настоящего изобретения,
Предметом настоящего изобретения является способ конструирования высокочастотного резонатора, в частности, для использования в циклотроне, высокочастотного резонатора, содержащего проводящую камеру или «гильзу», присоединенную по меньшей мере двумя по существу индуктивными элементами, или «штоками», к емкостному электроду, способ, отличающийся тем, что он содержит следующие последовательные этапы:
A) подразделение объема вышеуказанного высокочастотного резонатора на ряд частей резонатора, соответствующих по меньшей мере двум штокам, каждая часть резонатора содержит соответствующий шток;
B) наложение условий магнитной ортонормированности на поверхности раздела между вышеуказанными по меньшей мере двумя частями резонатора;
С) независимо для каждой из вышеуказанных по меньшей мере двух частей резонатора, вычисление размера и/или положения соответствующего штока относительно физических условий на границах упомянутых частей.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, штоков по меньшей мере три.
RF
i
d
i
d
Rt
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, этап С приводится в исполнение путем максимизации добротности Q=2·π·f·E/E, где E - энергия, запасенная в высокочастотном резонаторе, E - энергия, рассеянная в нем, a f - характеристическая частота высокочастотного резонатора.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, Q больше 7000.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, этап С осуществляется так, чтобы получить заданное распределение напряжения в каждой из вышеуказанных по меньшей мере двух частей резонатора.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, вышеуказанная гильза имеет нижнее основание и верхнее основание, вышеуказанные по меньшей мере две части резонатора получены путем подразделения вышеуказанного объема высокочастотного резонатора при помощи поверхностей, которые простираются от вышеуказанного нижнего основания к вышеуказанному верхнему основанию.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, вышеуказанные поверхности перпендикулярны кривой или поверхности распространения емкостного электрода.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, способ дополнительно содержит следующий этап после этапа С:
D) независимо для каждой из вышеуказанных частей резонатора, изменение размера частей резонатора и повторение этапов Е и С до тех пор, пока не будет достигнуто заданное распределение напряжений в частях резонатора.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, в ходе этапа А емкостный электрод подразделяется таким образом, что емкость по меньшей мере одной из вышеуказанных по меньшей мере двух частей резонатора отличается от емкости других.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, объем высокочастотного резонатора (2) подразделяют на по меньшей мере три части и в ходе этапа А емкостной электрод (2') подразделяется таким образом, что емкость по меньшей мере одной из вышеуказанных по меньшей мере трех частей (10, 20, 30) резонатора отличается от емкости других, причем вышеуказанная по меньшей мере одна из вышеуказанных по меньшей мере трех частей (10, 20, 30) резонатора представляет собой центральную часть (20) резонатора емкостного электрода (2').
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, в ходе этапа А емкостный электрод подразделяется на участки равной поверхности.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, способ дополнительно содержит следующий этап после этапа С:
E) увеличение числа вышеуказанных по меньшей мере двух штоков и повторение этапов А, В, С до тех пор, пока значение коэффициента Q для каждой из по меньшей мере двух частей резонатора не превысит заданный порог.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, на этапе Е также повторяется этап D.
Еще одним отдельным предметом изобретения является высокочастотный резонатор, в частности, для использования в циклотроне, высокочастотный резонатор, содержащий проводящую камеру или «гильзу», присоединенную по меньшей мере двумя индуктивными элементами или «штоками» к емкостному электроду, причем высокочастотный резонатор отличается тем, что он сконструирован при помощи способа в соответствии с изобретением.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, когда резонатор работает, отношение между значением общего тока, проходящего от одного из по меньшей мере двух штоков к другому, и значением тока, протекающего внутри одного из вышеуказанных по меньшей мере двух штоков, ниже, чем 0,6.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, это отношение ниже 0,3.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, это отношение ниже 0,15.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, высокочастотный резонатор содержит по меньшей мере три штока.
2
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, поверхность емкостного электрода больше 2 м.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, емкостный электрод обладает емкостью, превышающей 80 pF.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, емкостный электрод обладает емкостью, превышающей 100 pF.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, емкостный электрод плоский.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, высокочастотный резонатор имеет изогнутую форму, исходящую из точки и раскрывающуюся на заданную угловую протяженность θ.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, вышеуказанная угловая протяженность является меньшей или равна 45°.
Еще одним отдельным предметом изобретения является циклотрон, содержащий один или несколько высокочастотных резонаторов, отличающийся тем, что один или несколько высокочастотных резонаторов являются высокочастотными резонаторами в соответствии с изобретением.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, циклотрон имеет резонансную частоту, большую или равную 70 МГц.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, циклотрон имеет резонансную частоту, меньшую или равную 140 МГц.
Предпочтительно, в соответствии с изобретением, циклотрон содержит по меньшей мере два высокочастотных резонатора.
Теперь изобретение будет описано, в виде примера, а не в виде ограничения, с отдельной ссылкой на рисунки на прилагаемых чертежах, на которых:
- фигура 1 изображает вид сверху резонаторов циклотрона в соответствии с предшествующим уровнем техники;
- фигура 2 изображает вид в перспективе внутренней части циклотрона в соответствии с предшествующим уровнем техники, при этом верхний полюс отдален от нижнего полюса;
- фигура 3 изображает вид в перспективе высокочастотного резонатора в соответствии с изобретением;
- фигура 4 изображает пример кривой напряжения вдоль емкостного электрода как функции радиального расстояния в циклотроне;
- фигура 5 изображает схематичный вид сверху высокочастотного резонатора в соответствии с изобретением;
- фигура 6 изображает вид сверху распределения тока в высокочастотном резонаторе с фигуры 5, соответствующего распределению напряжения в емкостном электроде, показанному на фигуре 4;
- фигура 7 изображает вид в перспективе распределения тока в высокочастотном резонаторе с фигур 5 и 6.
В следующем описании одинаковые ссылочные позиции будут использованы для обозначения одинаковых элементов на чертежах.
Со ссылкой на фигуры 1 и 2, циклотрон 100 (сверхпроводящий) в соответствии с предшествующим уровнем техники внутри состоит из магнитного полюса, содержащего пики 1 и впадины 2. Впадины 2 покрыты так называемыми «гильзами» 3. Гильза 3 представляет собой поверхность, как правило, из меди, которая составляет внешнюю поверхность высокочастотного резонатора. Во впадинах 2, внутри гильзы 3, размещены емкостные электроды 2'. Каждый из таких емкостных электродов 2' содержит вертикальный шток 4 (как правило, в форме правильного цилиндра), который присоединяет электроды к гильзе.
Объем высокочастотного резонатора ограничен гильзой 3, содержащей емкостный электрод 2'.
Согласно способу настоящего изобретения, можно обеспечить емкостные электроды 2' тремя или большим количеством штоков 4 для достижения желаемого значения общей индуктивности высокочастотного резонатора 2, в то же время определяя размер и положение вышеуказанных штоков 4.
Штоки также имеют свои собственные значения емкости, однако они незначительны по сравнению со значениями емкости емкостных электродов 2'.
Далее, всегда будет сделана ссылка на три штока 4 для каждого высокочастотного резонатора, то есть для каждого емкостного электрода 2', однако, следует понимать, что способ в соответствии с изобретением может быть применен для любого количества штоков 4, включая лишь два штока в соответствии с предшествующим уровнем техники.
Ссылаясь на фигуру 3, в соответствии со способом изобретения, сначала необходимо подразделить высокочастотный резонатор 2 на три участка или части резонатора 10, 20, 30, соответствующие трем штокам (не показано).
В общем, подразделение может быть осуществлено любым способом. Рассматривая высокочастотный резонатор циклотрона, они могут развиваться в направлении емкостного электрода 2', который в своем радиальном распространении следует по линии распространения 7.
Предпочтительно, части 10, 20, 30 резонатора получаются путем разрезания объема резонатора перпендикулярно поверхности 7', соответствующей вышеуказанной линии распространения 7.
В результате получаться три разные части 10, 20, 30 резонатора, имеющие соответствующую долю емкости электрода и индуктивность соответствующего штока.
Такие три части 10, 20, 30 резонатора разделены двумя поверхностями раздела 8 и 9.
Как сказано выше, первоначальное подразделение является произвольным. В некоторых применениях предпочтительно поделить электрод на три части 10, 20, 30 резонатора, емкость которых равна или сопоставима. В других применениях подразделение может осуществляться так, что по меньшей мере одна из частей 10, 20, 30 резонатора обладает емкостью, отличной от других частей, и предпочтительно это центральная часть 20 резонатора.
Перед оптимизацией каждой части 10, 20, 30 резонатора, независимо от других частей, на поверхности стыка между частями 10, 20, 30 резонатора накладывается условие магнитной ортонормированности. При этом наложение условий магнитной ортонормированности относится к граничным условиям на поверхности раздела двух частей рассматриваемого объема. Поскольку части анализируемого объема рассматриваются независимо, на разделяющей указанные части поверхности должны быть заданы соответствующие граничные условия, в частности условие магнитной ортонормированности означает, что нормальный компонент вектора плотности магнитного потока является непрерывным при пересечении указанной границы.
Поэтому, для каждой части 10, 20, 30 резонатора положения и/или размеры штока 4, оптимизирующие (т.е. максимально увеличивающие) Q каждой из частей 10, 20, 30 резонатора, определяются, принимая во внимание физические условия на границах (включая максимальное и минимальное напряжения, расстояние от емкостных электродов 2' до гильзы 3).
Модальность подразделения высокочастотного резонатора 2, а следовательно, емкостного электрода 2', напрямую влияет на конечное распределение на емкостном электроде 2'.
1
2
2
1
1
2
Действительно, в первом приближении, если, например, принять общую емкость части 10 резонатора за C и общую емкость части 20 резонатора за С, среднее напряжение на участке емкостного электрода 2', соответствующем части 20 резонатора, составляет V=V·(С/С).
Следовательно, путем априорного фиксирования конечного распределения напряжения, высокочастотный резонатор может быть разделен на независимые части резонатора с тем, чтобы их емкость была обратно пропорциональна требуемому напряжению.
После независимой оптимизации отдельных частей 10, 20, 30 резонатора высокочастотный резонатор 2 конструируется в соответствии с полученными параметрами.
Конечным результатом является сумма трех или более частей 10, 20, 30 резонатора, чьи напряжения и токи плавно соединены друг с другом.
На фигуре 4 показано распределение напряжения на емкостном электроде 2' высокочастотного резонатора 2, которое используется для реализации циклотронов для медицинских целей, и на фигуре 5 показан вид сверху геометрической формы высокочастотного резонатора 2 с тремя штоками 4, оптимизированного при помощи способа согласно изобретению для получения распределения напряжения с фигуры 4 на емкостном электроде 2'.
На фигуре 6 показано распределение напряжения вдоль емкостного электрода 2'. Как можно наблюдать, области между штоками более темные, в таких областях протекающий ток очень мал или практически нулевой. Это означает, что токи не могут протекать от одного штока к другому, но остаются заключенными внутри каждой части резонатора, содержащей шток 4.
На фигуре 7 показано направление тока в объеме высокочастотного резонатора 2, выполненного при помощи способа настоящего изобретения.
Следует отметить, что в «перестроенных» частях 10, 20, 30 резонатора некоторые токи на ограниченных участках охватывают поверхности соединения, однако эти токи являются незначительными и не влияют на желательную эффективность высокочастотного резонатора 2. Общая Q высокочастотного резонатора незначительно отличается от отдельных Q отдельных частей 10, 20, 30 резонатора.
Также возможно повторно выполнить этот способ, начиная с трех штоков 4 и увеличивая их число до тех пор, пока не будет достигнуто удовлетворительное распределение напряжения.
Способ в соответствии с изобретением, таким образом, позволяет получить желаемое направление напряжения и гарантирует оптимальное значение Q для граничных условий, установленных заблаговременно.
Способность достигать желаемого профиля напряжения очень важна, так как каждый емкостный электрод высокочастотного резонатора (например, в разных применениях циклотрона) требует разных профилей напряжения.
Важнейшее преимущество способа согласно изобретению состоит в способности оптимизировать независимо каждую часть резонатора высокочастотного резонатора. При помощи исполнения этого способа можно получить желаемые направления напряжений на емкостных электродах и снизить термическую утечку на них.
Преимущество способа изобретения, вытекающее из предыдущего, заключается в том, что при помощи настоящего способа можно даже решить проблемы, связанные с ограничением напряжения на центральном участке циклотронов, где из-за уменьшенных пространств, электрические поля могут быть чрезмерно высокими.
Способ согласно изобретению распространяется на любое количество штоков и поэтому может быть полезен для конструирования резонаторов, имеющих большие размеры и емкости, относительно резонансных частот, при которых желательно работать.
Способ в соответствии с изобретением позволяет сконструировать резонаторы циклотрона с характеристиками, которых невозможно было достичь раньше. Например, его можно применить для конструирования двухзазорного резонатора для кольцевого циклотрона для протонов от 1 ГэВ (гигаэлектровольт) и мощности пучка, превышающей 1 МВт.
2
В частности, способ в соответствии с изобретением позволяет сконструировать и выполнить резонаторы для компактных циклотронов с большой энергией с частотой от 70 до 140 МГц и с высокими значениями Q, превышающими 7000, даже при большой поверхности электродов (более 2 м) и емкости электродов более 80-100 pF.
Выше были описаны предпочтительные воплощения и были предложены некоторые модификации настоящего изобретения, но следует понимать, что специалисты в данной области техники могут создавать варианты и изменения, не выходя за связанные пределы действия патента, определенные в нижеизложенной формуле изобретения.