ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЗОНАТОРНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ИНТЕНСИВНЫХ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Полезная модель относится к ускорительной технике и может быть использована для ускорения высокочастотными полями интенсивных пучков заряженных частиц.
Известен индукционный ускоритель [Вахрушин Ю.П., Анацкий А.И. Линейные индукционные ускорители. М., Атомиздат, 1978, с.143-198], содержащий индукционную систему, импульсный источник питания, ускорительную трубку. Индукционная система состоит из ряда соосно расположенных ферромагнитных сердечников, каждый из которых расположен между параллельными металлическими шинами, образующими виток первичной обмотки. Выходные концы витков первичной обмотки параллельно подключены к импульсному источнику питания. Соосно внутри сердечников размещена ускоряющая трубка, в которой проводится ускоряемый пучок частиц. Ускоряющий промежуток служит вторичной обмоткой. Трубка может быть выполнена секционированной с размещенными в ней металлическими диафрагмами или может быть резистивной. При подаче высоковольтного импульса на обмотки сердечников в трубке возникает вихревое продольное электрическое поле, ускоряющее пучок частиц.
n
n
n
n
n
Индукционный ускоритель позволяет ускорять пучки электронов до энергии W≃30 МэВ с током I несколько килоампер в частотном режиме. Импульсная мощность пучка P=I·W≃30 ГВт является предельной. В принципе, ограничений на энергию частиц нет, но с увеличением энергии пропорционально возрастает длина ускоряющего участка. Объясняется это тем, что электрическая прочность ускоряющей трубки ограничена, и предельный темп ускорения составляет 1 МэВ/м. Ограничение темпа является недостатком ускорителя. Кроме этого, для транспортировки пучка в трубке на всей длине ≃100 м требуется создать такое же фокусирующее поле, как и в обычном ускорителе, что приводит к соответствующему увеличению веса ускорителя и энергетическим затратам.
01p
1
в
2/λ
Известен, выбранный в качестве прототипа, ускоритель электронных сгустков [А.С. СССР №766461, МПК3 Н05Н 9/04, опубл. 1983.06.23], содержащий инжектор, генератор накачки СВЧ энергии и волноводный резонатор с типом колебаний H, являющийся накопителем СВЧ энергии. Волноводный резонатор изогнут в виде меандра в плоскости Е. Длины ячеек резонатора от одной пары пролетных отверстий до другой равны: L=nλ , где n=2, 3… - количество ускоряемых сгустков;
в
λ - длина волны в волноводе резонатора;
λ - длина волны в свободном пространстве.
Область между отверстиями в одном сечении одномодового волновода можно считать отдельным ускоряющим промежутком. Возбуждение резонатора генераторов СВЧ производится через отверстие связи, расположенное на одном из концов резонатора.
n
1
гр
гр
01
Для данной конструкции длительность ускоряемого пучка электронов t=L/v, где v - групповая скорость рабочей H волны.
Резонатор возбуждается СВЧ генератором накачки за время ~3τ, где τ - постоянная времени резонатора, и в нем устанавливается режим стоячих волн. После достижения требуемой напряженности поля, инжектируют электронный пучок, который может быть сгруппирован, а его длительность связана с геометрическими размерами резонатора указанным выше соотношением. Уменьшения высокочастотной напряженности электрического поля к конечной части импульса тока не происходит, так как последующие сгустки ускоряются за счет энергии поля, поступающей к промежуткам с периферийных участков резонатора. Стоячая волна в резонаторе представляется в виде двух бегущих волн, распространяющихся навстречу друг другу. Пучком отбирается энергия у этих двух волн, идущих в направлении к ускоряющему промежутку.
0
0
n
2
К недостаткам устройства относится низкий уровень мощности ускоренного пучка, ограниченный малым темпом ускорения и уменьшением ускоряющей напряженности в промежутках с увеличением их числа. Темп непосредственно определяется амплитудой напряженности ускоряющего поля Е и расстоянием между промежутками. Величина E зависит от мощности СВЧ генератора, электрической прочности резонатора и его добротности. Максимальная мощность СВЧ генератора ограничена величиной 20÷30 МВт, и эта мощность расходуется на возбуждение всего резонатора. С увеличением числа прямолинейных участков, запасенная на них энергия будет пропорционально уменьшаться, так же, как и мощность, поступающая к промежуткам. В структуре, содержащей 10÷20 зазоров, напряженность на выходном зазоре будет в 2÷3 раза меньше напряженности на входном зазоре вследствие омических потерь энергии поля на всей длине резонатора. Пусть частота возбуждающего СВЧ генератора f=1 ГГц, поперечное сечение одномодового волновода 8,2×16,2 см, а расстояние между центрами промежутков v·Т≃30 см. С учетом вышеуказанных эффектов на начальном участке протяженностью 10 м реально может быть достигнут средний темп ускорения ~1 МэВ/м, а конечная энергия ≃10 МэВ. Дальнейшее увеличение длины структуры и количеств ускоряющих промежутков не даст желаемого результата, и требуемая энергия 100 МэВ не будет достигнута.
Задачей полезной модели является увеличение мощности пучка заряженных частиц.
10p
Импульсный резонаторный ускоритель интенсивных пучков заряженных частиц также, как в прототипе, содержит инжектор, размещенный соосно с N парами пролетных отверстий в одномодовых волноводах резонансной структуры с типом колебаний H, к которой через отверстие связи подключен генератор накачки СВЧ энергии, при этом между ускоряющими промежутками расположены фокусирующие катушки.
Согласно полезной модели каждый прямоугольный участок волноводной структуры закорочен с обоих концов и через отверстие связи в одной из закорачивающих стенок подключен к своему генератору накачки СВЧ энергии, причем каждый прямолинейный участок волноводной структуры на расстоянии от пролетных отверстий, превышающем λ, где λ - длина волны, выполнен с поперечным сечением, позволяющим резонировать высшим типом волн, с плавным переходом к поперечному сечению одномодового волновода, а соседние закороченные прямолинейные участки расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях.
На фиг.1 представлен разрез импульсного резонаторного ускорителя заряженных частиц, на фиг.2 - его проекция.
Импульсный резонаторный ускоритель интенсивных пучков заряженных частиц содержит: 1 - инжектор; 2 - генератор накачки СВЧ энергии; 3 - фокусирующая катушка; 4 - часть прямолинейного отрезка волновода с увеличенным поперечным сечением; 5 - плавный переход; 6 - одномодовая часть прямолинейного отрезка; 7 - пролетное отверстие; 8 - отверстие связи.
В центре широких стенок одномодовой части 6 каждого отрезка волновода выполнены соосные отверстия 7. Часть отрезков 4 с увеличенным поперечным сечением закорочены. Часть отрезков 4 соединена с центральной областью 6, являющейся одномодовым волноводом, посредством согласованного плавного перехода 5. Пролетные отверстия 7 всех закороченных отрезков 4 расположены соосно, широкие стенки частей 4 и 6 параллельны, и в целом ряд отрезков 4 образует ускоряющую структуру. Продольные оси соседних волноводных отрезков, образованные частями 4 и 6 взаимно перпендикулярны. Инжектор 1 размещен соосно с отверстиями 7. Каждый закороченный волноводный отрезок через отверстие связи 8 подключен к отдельному СВЧ генератору накачки.
Ускоритель работает следующим образом. От внешнего запускающего синхроимпульса формируются СВЧ импульсы генераторов накачки и подаются от каждого генератора на соответствующие отверстия возбуждения 8. Общая длина отрежу подобрана так, что рабочая частота генератора является резонансной. Отрезки 4 (или ускоряющие резонаторы) одновременно возбуждаются за время ~3τ, где τ - постоянная времени. Колебания СВЧ генераторов накачки сфазированы, очевидно, так, что разность фаз между колебаниями в соседних резонансных волноводных отрезках составляет:
n
2πl/(Т·v),
где l - расстояние между центрами соседних ускоряющих промежутков;
Т - период СВЧ поля;
n
v - скорость сгустков заряженных частиц.
После достижения максимальной напряженности поля в волноводных отрезках 4 в ускоряющую систему инжектируют пучок заряженных частиц длительностью:
гр
L/v,
где L - длина отрезка 4;
гр
10
v - групповая скорость рабочей Н волны.
гр
n
Инжектируемый пучок может быть сгруппирован или может быть непрерывным. В последнем случае группировка осуществляется обычным образом при прохождении пучком первых ускоряющих промежутков. Все сгустки и в начальной и конечной части импульса проходят ускоряющие промежутки при неизменной напряженности электрического поля. Объясняется это тем, что ускорение за счет энергии высокочастотного поля, запасенной в резонаторе. Если длительность импульса тока не превышает L/v, следующие через промежуток сгустки ускоряются при подтоке энергии с периферийных участков соответствующего резонатора. Для получения на выходе килоамперного пучка с энергией 100 МэВ и длительностью t≃15 нс требуется СВЧ-мощность ~100 ГВт, вкладываемая в пучок в течение этого времени. Основанием для реализации ускорителя с такими параметрами является то, что возбужденный резонатор усиливает поле внешнего генератора. В 30-см диапазоне усиление по мощности достигает ~500, и рассчитанная на конечную энергию 100 МэВ ускоряющая структура представляет собой 20 прямолинейных волноводных отрезков, подключенных к такому же количеству 20 MB генераторов с длительностью импульсов ~5 мкс. Длительность импульса генератора накачки должна быть достаточной для возбуждения резонатора до максимального уровня поля.
Устройство-прототип работает в таком же режиме, но заявляемое устройство обладает большим темпом ускорения. Одной из причин увеличения темпа является питание каждого закороченного отрезка волновода отдельным генератором, что позволяет поддержать неизменный темп ускорения на всей длине ускоряющей структуры. Расстояние между соседними парами пролетных отверстий могут быть установлены приблизительно λ/4. С учетом высоты узкой стенки волновода 30-см диапазона расстояние между центрами промежутков будет l=16 см. В соответствии с величиной следует установить разность фаз между колебаниями СВЧ-генераторов, возбуждающих соседние резонансные отрезки волноводов. В прототипе l=λ=30 см, и поэтому, полагая неизменной напряженность электрического поля, средний темп ускорения в заявляемом устройстве в 2 раза выше.
2
2
2
2
10
Однако, сравнение характеристик ускоряющих структур проводят при постоянной величине мощности СВЧ-питания. В данном случае должны быть равны СВЧ-мощность, подводимая к прямолинейному участку прототипа и мощность питания отдельного резонансного отрезка волновода, заявляемого устройства. Омические потери на одном прямолинейном участке резонатора прототипа больше, чем потери в отдельном резонансном отрезке волновода заявляемого устройства. Это является следствием выполнения определенных участков резонансных отрезков сверхразмерными. Центральная часть 6 имеет стандартное сечение 16,2×8,2 см. На расстоянии 30÷40 см от отверстий 7 резонансный отрезок может быть выполнен с сечением 60×25 см. Участок 5 длиной ≃30 см является плавным переходом. Плавные переходы обеспечивают хорошее согласование прямоугольных волноводов, характеризуемое значением КСВ≤1,1. Такая величина не вызовет перераспределения энергии по длине во время возбуждения резонансного отрезка волновода, а во время ускорения отражений мощности от участка 6. Если длина сверхразмерного участка 4 больше суммарной длины участков 5 и 6 приблизительно в 4 раза, то отношение потерь электромагнитной энергии в резонансном отрезке волновода к потерям соответствующего участка прототипа будет ~0,27. Оценка основывается на известной зависимости затухания Н волны в прямоугольном волноводе от его размеров [Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. T.1. M., Высш. школа, 1970. С.110-113]. Так как сравнимые ускоряющие структуры являются по сути резонаторами, они характеризуются коэффициентом усиления по мощности М [Диденко A.H. Сверхпроводящие волноводы и резонаторы. М., Сов. радио. 1973. С.114-115]. Отношение коэффициентов усиления обратно отношению потерь, и в заявляемом устройстве М будет в 3,6 раз выше. Соответственно усиление по напряженности поля будет больше в 1,9 раза. Тогда с уменьшением расстояния между ускоряющими промежутками до ~λ/4 при одном и том же уровне мощности СВЧ-питания предлагаемое устройство имеет величину темпа в 4 раза большую, чем в прототипе.
Для реализации параметра такой величины соседние резонансные отрезки волноводов располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях. В противном случае, располагая их в одной плоскости, невозможно установить малое расстояние ~λ/4 между промежутками, так как высота стенки сверхразмерной части порядка ~λ.
2
2
2
-5
2
-4
-3
-3
10
1
2
cp
2
Более подробно сравнение с прототипом проведем на примере конкретного выполнения предлагаемого устройства. Инжектируемый пучок имеет ток ~1 кА, энергию ≃500 кэВ и длительность 15 нс. Общая длина отдельного отрезка волновода равна 4 м. Участок 6 со стандартным сечением 16,2×8,2 см имеет длину 20 см. В центре его широких стенок выполнены соосные отверстия диаметром 1 см. Два участка 4 длиной 160 см выполнены сверхразмерными с сечением 60×25 см. С одной стороны, они закорочены, а с другой плавными переходами 5 соединены с соответствующими концами центрального участка 6. Длина плавного перехода ~30 см. В одной торцевой стенке части отрезка 4 выполнено отверстие связи, и к нему подключен волноводный тракт, передающий импульс СВЧ-накачки от мощного клистронного генератора ≃20 МВт. В медном прямоугольном волноводе сечением 60×25 см коэффициент затухания H волны α=9,5·10 I/м. При сечении 8,2×16 см коэффициент затухания α=5,7·10 I/м. Полное затухание волны при двойном пробеге 2αL=1,24·10. Предполагается, что плавный переход 5 не вносит отражений, так как его КСВ≤1,1. Для сравнения полное затухание на таком же участке в прототипе составит 2αL=4,56·10.
н
Б
10
Б
0
Б
гр
n
n
3
2
Добротность суммарного отрезка будет Q=15·10, а коэффициент усиления по мощности M≃400. При мощности отдельного генератора ≃20 МВт мощность каждой из двух встречных волн в резонаторе составит Р=8000 МВт. Тогда, на основании известной конфигурации поля Н волны можно определить напряженность поля бегущей волны Р=330 кВ/см. Амплитудное значение напряженности стоячей волны в ускоряющем промежутке 6 будет Е=660 кВ/см, амплитудное значение напряжения на зазоре - 5 MB. Расстояние между центрами промежутков 16 см, и с учетом нагрузки резонаторов пучком средний темп ускорения составит 20 МэВ/м. Поступающая к каждому промежутку мощность Р≃2Р=16 ГВт. Если длительность импульса не превышает L/v, это будет величина мощности, вкладываемой в пучок. Получение конечных параметров W≃100 МэВ, I=1 кА достигается последовательным расположением 20 прямолинейных отрезков волноводов, образующих ускоряющую структуру. Общая длина будет ~5 м, а общая мощность СВЧ-питания - 20×20 МВт.
В прототипе при той же СВЧ-мощности питания ускорителя 400 МВт на одну прямолинейную ячейку будет приходиться 20 МВт внешнего питания. Можно рассмотреть возбуждение одной ячейки 20 МВт генератором или возбуждение всей изогнутой структуры неким предполагаемым 400 МВт генератором. Результат будет одинаков - мощность бегущей волны в резонаторе не превысит 2,2 ГВт. Мощность, вкладываемая в пучок одним зазором равна 4,4 ГВт. Соответствующее максимальное ускоряющее напряжение на зазоре ~2,6 Мв. Расстояние между соседними промежутками равно λ=30 см. Тогда, очевидно, прототип обладает средним темпом ускорения в ~4 раза меньшим, по сравнению с предлагаемым устройством.
Увеличение темпа ускорения позволяет упростить задачу транспортировки пучка в ускоряющей структуре, значительно уменьшить габариты устройства и уменьшить его вес. Кроме этого, заявляемое устройство за счет использования в нем высокодобротных резонаторов с малыми пролетными зазорами в принципе позволяет решить задачу получения наносекундных пучков заряженных частиц мощностью ≃100 ГВт.