УСКОРЯЮЩАЯ СТРУКТУРА С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СВЯЗЬЮ
ACCELERATING STRUCTURE WITH PARALLEL CONNECTION

Изобретение относится к физике пучков заряженных частиц и ускорительной технике, предназначено для ускорения заряженных частиц СВЧ полем при одновременном удержании пучка вблизи заданной оси магнитным полем соленоидального типа.
Известен ускоритель электронов, содержащий ускоряющую структуру для ускорения электронов, и установленный поверх структуры фокусирующий соленоид, ось которого совпадает с осью ускоряющих резонаторов структуры, создающий однородное магнитное поле для целей фокусировки пучка [1].
Однако, поскольку магнитное поле создается не только в области движения частиц - вблизи оси ускоряющих резонаторов, но и во всем объеме системы, значителен вес фокусирующего соленоида и устройств его питания и охлаждения, требуется большой расход электроэнергии.
Известна фокусирующая реверсивная магнитная система, содержащая соосно установленные кольцевые магниты со знакопеременной радиальной намагниченностью, создающая знакопеременное вдоль оси системы магнитное поле соленоидального типа для фокусировки электронов в приборах генерации СВЧ мощности, например, в клистронах [2], ЛБВ [3]. Знакопеременное магнитное поле создается постоянными магнитами, причем за счет радиальной намагниченности магнитов практически только в области движения частиц - вблизи оси пучка, поэтому вес магнитной системы оказывается относительно небольшим. Однако в ускорительной технике знакопеременное магнитное поле для фокусировки пучка не применяется, поскольку из-за большого диаметра входящих в структуру ускоряющих резонаторов, определяемого рабочей длиной волны, и, соответственно, большого диаметра ускоряющей структуры, практически невозможно постоянными магнитами, установленными поверх структуры, создать достаточное магнитное поле на оси ускоряющих резонаторов структуры.
Известна ускоряющая структура нового типа, содержащая соосно установленные ускоряющие резонаторы и общий для них всех возбуждающий резонатор, для ускорения электронов [4], в которой подвод СВЧ мощности в ускоряющие резонаторы осуществляется через их боковые стенки.
Задачей изобретения является разработка нового устройства для одновременного ускорения электронов СВЧ полем и фокусировки пучка полем постоянных магнитов.
Поставленная задача решается заявленным устройством, содержащим ускоряющую структуру с параллельной связью и постоянные магниты, которое позволяет за счет выбора конструкции системы одновременно осуществить как ускорение частиц высокочастотным электрическим полем в резонаторах ускоряющей структуры, так и фокусировку пучка знакопеременным магнитным полем соленоидального типа.
Для достижения поставленной цели применена ускоряющая структура с параллельной связью, в которой подвод СВЧ мощности к ускоряющим резонаторам производится через их боковые стенки [4]. На Фиг. 1 приведены схема предложенного устройства (внизу справа), разрез устройства (слева) и расчетная зависимость, в относительных единицах, величины ускоряющего электрического поля Еасс и фокусирующего магнитного Bfoc поля с привязкой к продольной координате. Геометрия ускоряющей структуры с параллельной связью допускает установку ускоряющих резонаторов с промежутками между ними и размещение в указанные промежутки постоянных магнитов.
Ускоряющие резонаторы 1 ускоряющей структуры (Фиг. 1) имеют отверстия связи 2 для ввода СВЧ мощности из общего для них проходного возбуждающего резонатора 3. Ввод СВЧ мощности (RF) в возбуждающий резонатор из подводящего волновода осуществляется через входную диафрагму связи 4. Выступы 5 служат для настройки возбуждающего резонатора на рабочую длину волны.
Ускоряющие резонаторы разделены промежутками (по одному из промежутков выполнен разрез А-А), в которые встроены постоянные магниты 6 (на разрезе А-А стрелками обозначено направление магнитного поля).
Соответствующие выбранной геометрии расчетные значения ускоряющих электрических Еасс и фокусирующих магнитных Bfoc полей с привязкой к продольной координате приведены на графике над схемой ускоряющей структуры.
Для обоснования сущности изобретения рассмотрим характер движения ускоряемых частиц в ускоряющей структуре, схема которой приведена на Фиг. 2. Ускорение частиц происходит в показанных стрелками электрических полях Еасс резонаторов 1, фокусировка осуществляется магнитным полем магнитов 2. Продольное значение магнитного поля, в относительных единицах, показано кривой Bfoc (направление магнитного поля в магнитах показано стрелкой). Магниты размещены в промежутки между резонаторами. Внутренний диаметр колец магнитов меньше диаметра резонаторов. Ввод СВЧ мощности в ускоряющие резонаторы осуществляется через отверстия связи от общего возбуждающего резонатора, как показано на Фиг. 1.
Пусть частицы двигаются слева направо вблизи оси симметрии ускоряющих резонаторов О. В области А нулевого значения магнитного поля ускоряющее поле также равно нулю, на частицы не действуют электромагнитные силы, и они двигаются по инерции. Далее, при входе в магнитное поле, за счет поперечной компоненты магнитного поля и продольной скорости, частицы получают импульс в плоскости, перпендикулярной оси симметрии магнитного поля. За счет этого импульса и продольной компоненты магнитного поля возникает фокусирующая сила, пропорциональная квадрату магнитного поля [5]. Эта сила направлена к оси симметрии удерживающего магнитного поля, поэтому при входе в магнитное поле происходит центрирование пучка в целом относительно оси симметрии указанного поля. Далее при входе в резонатор 1 частицы попадают в область ненулевого ускоряющего электрического поля и ускоряются. При выходе из резонатора частицы попадают в область уменьшающегося магнитного поля и, соответственно, уменьшают свой импульс в плоскости, перпендикулярной оси симметрии магнитного поля, в области Б до нуля. В области Б - нулевого значения магнитного поля, процесс повторяется, с той разницей, что продольное и поперечное направления указанного поля меняются на противоположные. Соответственно, меняется на противоположное направление вектора поперечной скорости частиц. Однако, поскольку фокусирующая сила пропорциональна векторному произведению поперечной компоненты скорости частиц и продольной компоненты магнитного поля, а оба эти вектора сменили направление, вектор фокусирующей силы не меняет знак и направлен к оси симметрии магнитного поля системы [5]. Далее при входе в следующий ускоряющий резонатор частицы снова попадают в область ненулевого ускоряющего поля и ускоряются. Фазовые соотношения ускоряющих полей в соседних резонаторах ускоряющей структуры с параллельной связью определяются возбуждающим резонатором [4].
2
Таким образом, в заявленном устройстве происходит как последовательное ускорение заряженных частиц вдоль оси ускоряющих резонаторов, так и фокусировка относительно этой оси, как отдельных частиц, так и пучка в целом. Поскольку в ускоряющей структуре с параллельной связью соседние ускоряющие резонаторы непосредственно друг с другом не связаны и имеют только общий канал для пролета пучка, а ввод СВЧ мощности осуществляется через отверстия связи, возможно устройство между ними конструктивных промежутков. При установке в промежутки постоянных магнитов внутренний диаметр кольцевых магнитов определяется не диаметром резонатора, а диаметром пролетного канала, что существенно меньше диаметра резонатора, и при радиальной намагниченности магнитов знакопеременное продольное магнитное поле создается практически только вблизи оси пучка. За счет такого реверсного ввода магнитного поля на ось пучка примерно в N раз уменьшается вес магнитной системы, где N - количество реверсов магнитного поля на длине ускоряющей системы по сравнению с однородным магнитным полем [5].
Была проведена экспериментальная проверка предложенного устройства. Методом численного моделирования найдены размеры, места расположения ускоряющих резонаторов и величины полей в них, величины фокусирующих магнитных полей системы. Расчетные значения ускоряющих электрических Еасс и фокусирующих магнитных Bfoc полей с привязкой к продольной координате приведены на Фиг. 1. В соответствии с расчетом был изготовлен макет ускоряющей структуры с параллельной связью, содержащий пять ускоряющих резонаторов и постоянные магниты для реверсивной фокусировки пучка электронов, и проведены измерения с пучком электронов. При напряжении инжекции 50 кВ получен пучок ускоренных электронов с энергией около 3 МэВ, высоким коэффициентом захвата в режим ускорения и малым диаметром пучка на выходе системы. На фото (Фиг. 3) на термографической пленке приведен след пучка на выходе ускорителя. Диаметр пучка не превышает 3 мм. Без магнитного поля пучок на выходе не фокусируется и его диаметр превышает диаметр выходного отверстия ускорителя.
Техническим результатом изобретения является возможность ускорения пучка электронов высокочастотным полем при одновременном удержании его вблизи заданной оси магнитным полем постоянных магнитов при относительно малом весе магнитов, за счет выбора конструкции системы в целом, размещения фокусирующих постоянных магнитов между ускоряющими резонаторами ускоряющей структуры с параллельной связью и использования реверсивной фокусировки. Магниты могут быть разборными, что позволяет осуществлять прогрев ускоряющей структуры.
Литература
1. М. Reiser. Theory and Design of Charged Particle Beams. Iohn Wiley&Sons. 1994. P. 98.
2. I.A. Frejdovich, et al. MULTY-BEAM KLYSTRONS WITH REVERSE PERMANENT MAGNET FOCUSING SYSTEM AS THE UNIVERSAL RF POWER SOURCES FOR THE COMPACT ELECTRON ACCELERATORS. Proc. of RuPAC 2006. P. 100.
3. Mendel J.T. Electron beam focusing. Pat. US 2855537 A, 1953.
4. Черноусов Ю.Д., Иванников В.И., Шеболаев И.В., Левичев А.Е., Павлов В.М. Ускоряющая структура с параллельной связью. Пат. RU 2472244 C1. Опубл. 10.01.2013. Бюл. №1.
5. С.И. Молоковский, А.Д. Сушков. Интенсивные электронные и ионные пучки. М.: Энергоатомиздат. 1991. С. 196-217.