21.2.2. Многорезонаторные системы

Если имеющаяся в нашем распоряжении высокочастотная мощность распределена между N резонаторами с надлежащим подбором фаз, то энергия частиц в электронном ускорителе увеличивается в раз по сравнению со случаем одного отдельного резонатора. Это справедливо до таких значений при которых затухание становится существенным. Для обеспечения непрерывного ускорения релятивистских электронов резонаторы должны быть возбуждены со сдвигом фаз на 180°. Резонаторы могут питаться от главного волновода с помощью последовательности Т-образных соединений через независимые фазосдвигающие устройства, например диэлектрические стержни. Стабильность частоты генератора может быть достигнута за счет поглощения [119] одной трети или половины мощности эквивалентной нагрузкой, или благодаря применению раздельных усилителей мощности, возбуждаемых задающим генератором. Для обеспечения оптимальных условий пролета обычно используются проходные резонаторы.

Рассмотрим использованную автором конструкцию многорезонаторного ускорителя со шлейфовой волноводной системой, которая показана на рис. 21.4. Ускоряющее поле предположительна равно так что при длине зазора 2 см получается увеличение энергии на В точке А входная скорость электронов из электронной пушки с напряжением равна 0,32 с, так что скорость после первого резонатора в точке В составляет 0,75 с (энергия При частоте 3 Ггц время пролета будет 0,38 периода. Поэтому, чтобы электроны попали в зазор в правильной фазе, пролетное время от В до С выбрано равным 0,12 периода. Поскольку скорость электронов на пути составляет 0,75 с, то длина отрезка равна 0,92 см. Аналогично скорость в точке равна 0,81 с (энергия а расстояние см. Далее, скорость в точке равна 0,87 с (энергия а отрезок см. Наконец, скорость в точке Я составляет 0,94 с (энергия а время пролета зазора 0,22 периода. Чтобы удовлетворить фазовым требованиям, электрическая длина волновода между зазором равняется 360°, для чего с помощью шлейфов осуществляется сдвиг на 180°. При шунтовом сопротивлении для каждой из восьми полуволновых секций волновода потребляемая мощность равна Вся система заключена в вакуум-плотную оболочку.

В электронных ускорителях было использовано большое количество различных расположений резонаторов. В соответствии со своей конструкцией эти ускорители различаются по таким параметрам, как дисперсия, время установления, к. п. д. виды

колебаний, регулировка связи и стоимость. Вероятно, будет правильно сказать, что при ускорении частиц до высоких энергий многорезонаторные системы были вытеснены другими устройствами. Электрические параметры типичных электронных ускорителей приведены в табл. 21.2.

Рис. 21.4. (см. скан) Электронный ускоритель со сложенным волноводом.

Частота входная мощность напряжение на пушке размеры волновода см, длина зазора 20,6 см, энергия частиц на выходе .

Таблица 21.2 (см. скан) Многорезонаторные электронные ускорители

Многорезонаторные системы нашли применение для ускорения таких частиц, как протоны. Из-за своей малой скорости протоны в дрейфовом пространстве должны быть заэкранированы от высокочастотного поля, пока оно находится в неподходящей фазе. Типичная структура, приведенная на рис. 21.5, а, имеет в длину много метров и может рассматриваться как последовательность двойных проходных симметричных резонаторов, показанных на рис. 21.5, б, непрерывно возбуждаемых в такой фазе, что токи, протекающие по противоположным сторонам соседних поверхностей взаимно компенсируются.

Рис. 21.5. Протонный ускоритель с одним резонатором. В резонаторе происходит увеличение энергии протонов от 4 до а — секция резонатора и трубка дрейфа; б - элемент волноводной системы; в — расчетные данные; два типа сеток. (См. [125].)

Вся система резонирует на колебаниях вида , и данные для расчета, согласно Оппенгеймеру, Джонстону и Ричману [125], приведены на рис. 21.5, в, где даны отношения размеров, позволяющие легко производить перерасчет на желаемую длину волны. Эти данные подчиняются следующему эмпирическому соотношению:

Как показано в разд. 10.1, такие системы обладают большим количеством возможных резонансов, частота которых для колебания с номером равна

где частота колебания при

При длине системы частота ближайшего колебания для отстоит от только на 0,17%. Чтобы обеспечить точную работу, правильные значения допусков на пространственные размеры были рассчитаны [127] с помощью теории

возмущений. Радиальная фокусировка и фазовая устойчивость достигнуты с помощью системы сеток, два вида которых приведена на рис. 21.5, г, размещенных у входного конца трубки дрейфа таким образом, что силовые линии высокочастотного электрического поля замыкаются в пределах пучка [230, 240].

Таблица 21.3 Многорезонаторные протонные ускорители

Было сконструировано несколько многорезонаторных протонных ускорителей, преимуществами которых являются относительно большой ток на выходе и легкость вывода пучка. В соответствии с размерами устройства протоны получают начальную энергию от в генераторе Кокрофта — Уолтона до в генераторе Ван де Граафа. Типичный диаметр пучка равен 1 см при угловой расходимости рад; источник высокочастотного напряжения состоит [175] из 26 элементов, каждый из которых заключает в себе 4 параллельных триода, дающих мощность В табл. 21.3 приведены электрические параметры построенных ускорителей, причем во всех случаях частота равна