Ускоряющая структура с трубками Дрейфа на базе Н-Резонатора ускорителя ионов

А. С. ПЛАСТУН

Научный руководитель – С. М. ПОЛОЗОВ, к. ф.-м. н., доцент

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

УСКОРЯЮЩАЯ СТРУКТУРА С ТРУБКАМИ ДРЕЙФА

НА БАЗЕ Н-РЕЗОНАТОРА УСКОРИТЕЛЯ ИОНОВ

Рассмотрена ускоряющая структура линейного ускорителя ионов с трубками дрейфа на базе резонатора Н-типа, предназначенная для достижения максимального темпа ускорения. Приведены рекомендации по оптимальному выбору параметров ускоряющих зазоров.

В области энергий ионов до 30 МэВ/н большое распространение получили ускоряющие структуры на базе резонаторов с продольной компонентой магнитного поля (резонаторы H-типа) [1]. Он имеют меньшие размеры и тепловые потери мощности, чем, например, резонатор Альвареца, традиционно использующийся в диапазоне энергий от 1 до 50 МэВ/н.

Большое число работ посвящено оптимизации ускоряющих зазоров ускорителя Альвареца. Однако, результаты этих работ не применимы к ускоряющим структурам на базе Н-резонаторов. Это связано с тем, что в таких структурах напряжение U между трубками дрейфа остается постоянным вдоль ускорителя, тогда как в ускорителе Альвареца постоянной остается величина среднего электрического поля E0 на продольной оси на периоде структуры.

Главным предназначением ускоряющей структуры является создание электрического поля в области движения пучка заряженных частиц. Напряженность электрического поля определяет темп ускорения, т. е. увеличение энергии частицы на единицу длины ускоряющей структуры. Чем выше значение ускоряющего электрического поля, тем меньше длина ускоряющей структуры и, следовательно, её стоимость.

Максимальной величины электрическое поле достигает на поверхности трубок дрейфа, которое связано с амплитудой ускоряющего поля Eacc следующим образом:

, (1)

где k - коэффициент перенапряженности, а Esmax - максимальная напряженность электрического полч на поверхности трубок дрейфа. Максимально допустимая величина Esmax ограничивается прочностью ускоряющих зазоров согласно критерию Килпатрика:

, (2)

где f, МГц - частота высокочастотных колебаний, Ek, МВ/м - критическая величина электрического поля. Отношение Esmax / Ek обычно принимают не превышает 1,8 - 2,0. Таким образом, оптимальным будет является равномерное распределение амплитуды ускоряющего поля Eacc вдоль ускорителя (поскольку k слабо зависит от длины периода структуры), с максимально допустимым значением Eacc.

Поскольку и напряжение на ускоряющем зазоре, и величина ускоряющего поля сохраняются постоянными вдоль ускорителя, то длина зазора также остается постоянной. С ростом скорости частиц вдоль ускорителя увеличивается длина периода структуры и возрастает фактор пролетного времени. Поэтому первый период структуры полностью определяет её параметры.

Выбор оптимальных параметров первого периода структуры направлен на достижение как можно меньшего коэффициента перенапряженности. В отличие от ускорителя Альвареца, трубки дрейфа структуры на базе Н-резонатора могут не содержать квадрупольных линз. Это дает большую свободу в выборе оптимальной геометрии трубок дрейфа. Кроме того, следует учитывать влияние межкамерных перегородок Н-резонатора на распределение электрического поля, поскольку зазоры между ними и трубками дрейфа соизмеримы с длиной ускоряющего зазора.

Ещё один важным обстоятельством является то, что межэлектродная емкость кроме рабочей частоты резонатора определяет величины добротности и шунтового сопротивления. Поэтому необходимо стремиться к уменьшению эквивалентных межэлектродных емкостей. Абсолютная величина тепловых потерь в резонаторе пропорциональна U2, что играет важную роль при проектировании, например, ускорителей непрерывного режима.

Список литературы

1. Clemente G., Ratzinger U. et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 14, 110101.

2. Линейные ускорители ионов, Т. 2., Под ред. . М: Атомиздат, 1978, 320с.

3. , Милованов сверхвысоких частот. М: Энергоатомиздат, 2007, с.543.