способ ускорения заряженных частиц

Классы МПК:H05H9/02 на бегущей волне 
Патентообладатель(и):Кирпичников Геннадий Александрович
Приоритеты:
подача заявки:
1991-07-02
публикация патента:

Использование: ускорительная техника. Сущность изобретения: при резонансном ускорении частиц в продольном магнитном поле двумя электромагнитными волнами - основной и дополнительной - обеспечивают одинаковую круговую частоту волн, а отношения их амплитуд и фазовых скоростей выбирают согласно выражениям, приведенным в описании. 1 ил.
Рисунок 1

Формула изобретения

СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ в продольном магнитном поле путем воздействия на них электрическим полем электромагнитной волны, фазовая скорость которой равна средней скорости частиц, отличающийся тем, что на частицы одновременно с полем основной волны воздействуют электрическим полем дополнительной электромагнитной волны, круговая частота которой равна частоте основной волны, а отношения амплитуд и фазовых скоростей обеих волн удовлетворяют выражениям

способ ускорения заряженных частиц, патент № 20138941 / способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 1 , vо / vф = способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 (B / способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 ) + 1,

где способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 , vо - амплитуда и фазовая скорость основной волны, м/с;

способ ускорения заряженных частиц, патент № 20138941 , vф - амплитуда и фазовая скорость дополнительной волы, м/с;

способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 - удельный разряд частицы;

B - индукция магнитного поля, Тл;

способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 - круговая частота волны, Гс.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в научных исследованиях и при разработке новых типов ускорителей.

Известен способ ускорения заряженных частиц, основанный на взаимодействии пучка с продольным аксиальным полем стоячей электромагнитной волны, возбуждаемой в резонаторе с трубками дрейфа от двух генераторов с кратными частотами [1] .

Однако этот способ при достаточно хорошей моноэргетичности пучка и высоком коэффициенте захвата частиц пучка в режим ускорения практически сложен в реализации в связи с необходимостью применения дополнительных устройств и их согласования.

Известен способ ускорения заряженных частиц обратной пространственной гармоникой бегущей электромагнитной волны при фокусировке пучка однородным магнитным полем [2] .

Недостатком этого способа является сравнительно широкий энергетический спектр пучка, определяемый амплитудой электрического поля на выходе из ускорителя, где величина поля максимальна. Если теоретический коэффициент захвата частиц в режим ускорения при этом способе может быть доведен до величины 90% и более, то энергетический спектр ускоренного пучка составляет, например, порядка 10% относительно выходной энергии пучка электронов 10 МэВ [3] .

Целью изобретения является уменьшение величины энергетического спектра ускоряемого пучка.

Для достижения цели в способе ускорения заряженных частиц в однородном магнитном поле путем воздействия на них электрическим полем бегущей электромагнитной волны, фазовая скорость которой равна средней скорости пучка, на частицы одновременно с полем основной волны воздействуют электрическим полем дополнительной электромагнитной волны, круговая частота которой равна частоте основной волны, а отношения амплитуд и фазовых скоростей обеих волн удовлетворяют выражениям:

способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 1, способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 = способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 + 1, где способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 , Vo - соответственно амплитуда и фазовая скорость основной волны;

способ ускорения заряженных частиц, патент № 20138941, Vф - амплитуда и фазовая скорость дополнительной волны;

способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 - удельный заряд частицы;

В - индукция магнитного поля;

способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 - круговая частота волн.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что на пучок заряженных частиц одновременно воздействуют двумя волнами с одинаковой круговой частотой, но различными фазовыми скоростями. Это отличие определяет новизну способа. Данный отличительный признак не выявлен в других технических решениях в области ускорения заряженных частиц и, следовательно, обеспечивает заявляемому способу соответствие критерию "существенные отличия".

Отношение фазовых скоростей основной и дополнительной электромагнитных волн получено на основании следующего.

Пусть в канале ускорителя вдоль оси Z ускоряется пучок, взаимодействующий с электрическим полем электромагнитной волны амплитудой e, изменяющейся в частотой способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 фазовая скорость которой равна средней скорости пучка Vo. Пучок фокусируется однородным магнитным полем В. Одновременно с основной волной в этом канале возбуждают дополнительную волну с той же частотой и амплитудой e1, фазовая скорость которой равна Vф. Электрическое поле суммы двух волн в канале ускорителя имеет вид: E = e способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894Io(Krспособ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894r)способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894cosспособ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894+e1Io(способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894rr)cosспособ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894, (1) где способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 = способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894Z - способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894t, способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 = способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894Z - способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894t (2)

способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894, способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 - фазы основной и дополнительной волн;

Io(. . . ) - функция Бесселя нулевого порядка,

Kr= способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894- способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894, способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894r = способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894- способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894,

р - период структуры; способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 - вид колебаний;

r - расстояние частицы до оси канала.

В дальнейшем считаем, что Kr< способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894r и Io(Krr) способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 1.

Частицы пучка в магнитном поле двигаются по винтовой линии, вращаясь в поперечной плоскости с циклотронной частотой способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894r= способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894B, где способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 - удельный заряд частицы. Тогда расстояние произвольной частицы пучка до оси канала можно представить как функцию продольной координаты:

r = (R2+ способ ускорения заряженных частиц, патент № 20138942 - 2R способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 cos способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 )1/2, (3) где R - среднее расстояние частицы до оси канала;

способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 - циклотронный радиус частицы, способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 = способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894Z .

Разложим Io(. . . ) в ряд с учетом (3) по пространственным гармоникам оптической траектории частицы:

Io(способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894rспособ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894r) = способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 (-1)mспособ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894Io(способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894rспособ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894R)способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894Io(способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894rспособ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894)способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894cosmспособ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894, (4) где m = 0, способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 1, способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 2, . . . . Подставляем (4) в (1) и считаем, что для частиц пучка выполняются условия циклотронного резонанса при m = 1. Тогда можно пренебречь действием остальных членов ряда (4), кроме резонансного. Систему уравнений для скорости произвольной частицы пучка и фаз в этом случае можно записать в виде:

способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 = способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894cosспособ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 + способ ускорения заряженных частиц, патент № 20138941cosспособ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894

способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 = v+1, способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 = gv-1-способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894, (5) где

способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 = способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 , способ ускорения заряженных частиц, патент № 20138941= способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 I1(способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894rR)способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894I1(способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894rспособ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894),

g = способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 , способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 = способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 , v = способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894,

способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 = способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 - KrR, способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 = способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 - способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894Z - способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894rR. При резонансе с обеими волнами

способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 0, способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 0. (6) Решая совместно (6), имеет соотношение, выражающее в явном виде зависимость между фазовыми скоростями волн:

способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 = способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 + 1. (7)

Для обеспечения коэффициента захвата в режим ускорения, сравнимого с прототипом, отношение амплитуд дополнительной и основной волн должно быть способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 0.

П р и м е р 1. Проверка предлагаемого способа ускорения заряженных частиц проводилась методом численного моделирования. При способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894, способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 = 108 Кл/кг, B = 9 Тл, способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 = 108 c-1, непрерывном по фазе пучке в случае, когда амплитуда дополнительной волны была близка к нулю, энергетический спектр пучка имел вид, приведенный под номером 1 на чертеже. Здесь способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 N-количество частиц в интервале относительных энергий W = способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894. Ширина спектра на полувысоте равнялась в этом случае 0,03.

В случае воздействия на пучок дополнительной волны с амплитудой способ ускорения заряженных частиц, патент № 20138941 = 1 и равной основной при способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 = 10 ширина спектра пучка на выходе из ускорителя составляла 0,006 (кривая 2).

При способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 = 50 и всех остальных параметрах ускорителя тех же, что и в предыдущих случаях, ширина спектра еще уменьшалась и составляла 0,0016, т. е. почти в 20 раз меньше, чем для варианта, когда ускорение пучка производится одной волной. Коэффициент захвата частиц в режим ускорения с 78% , когда ускорение происходило основной волной, в последнем варианте увеличивался до 89% .

П р и м е р 2. Для получения спектра 3 (см. чертеж) электронного пучка с способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 = 1,76.1011 Кл/кг частицы ускоряют в структуре встречно-штыревого типа, в которой внешним генератором возбуждают бегущие волны с круговой частотой способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 = 7.109 с-1. Соотношение фазовых скоростей этих волн (основной и дополнительной) способ ускорения заряженных частиц, патент № 2013894 = 50. Частицы ускоряют в магнитном поле Б= 2 Тл. Одинаковость амплитуд обеих волн обеспечивают при размерах штырей вдоль оси пучка, сравнимых с длиной ускоряющих зазоров.

Таким образом при резонансном ускорении частиц двумя волнами имеется возможность существенного уменьшения энергетического спектра пучка. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 588888, кл. Н 05 Н 7/00, 1979.

2. Богомолов А. С. т. 208, N 6, 1973, с. 1328-1329. .

3. Богомолов А. С. , Бакиров Т. С. , Иванников В. И. и др. Письма в ЖТФ, т. 2, в. 1, 1976, с. 42-45.

Класс H05H9/02 на бегущей волне 

способ ускорения двух пучков электронов в одном линейном резонансном ускорителе -  патент 2313925 (27.12.2007)
способ получения бегущей магнитной волны и устройство для реализации способа -  патент 2261539 (27.09.2005)
способ получения бегущей магнитной волны и устройство для реализации способа -  патент 2219685 (20.12.2003)
Наверх