21.3. ЛИНЕЙНЫЕ УСКОРИТЕЛИ С БЕГУЩЕЙ ВОЛНОЙ

21.3.1. Применение замедляющих систем

В линейном ускорителе с бегущей волной высокочастотная мощность, поступающая на вход замедляющей системы, поглощается стенками по мере распространения вдоль линии, в результате чего ускоряющее поле экспоненциально затухает. В качестве замедляющей системы можно использовать нагруженные штырями прямоугольные волноводы и коаксиальные линии [156], но в большинстве линейных ускорителей применяется приведенный на рис. 21.6, а круглый волновод с диафрагмами, в котором колебания вида создают аксиальное электрическое поле. Хорошо известно, что такая система имеет низкочастотную границу пропускания, как всякий волновод, а также, высокочастотную границу пропускания при -колебаниях, т. е. когда колебания в соседних резонаторах

происходят в противофазе. Фазовую скорость в пределах полосы пропускания можно регулировать изменением радиуса диафрагмы или волновода [152, 153]. Было получено [170] и проверено экспериментально [118] точное выражение для фазовой скорости в системах с где число диафрагм на расстоянии, равном длине волны в вакууме. Эти и другие результаты [48, 159] при некоторых предположениях указывают на верхний предел для энергии, которую может набрать релятивистская частица в такой системе, если лежит между 3 и 4.

Рис. 21.6. Данные линейного ускорителя, работающего с колебаниями вида а — поля в волноводе, нагруженном диафрагмами: б - коэффициент затухания для меди и групповая скорость; в — фазовая фокусировка частиц; устойчивое равновесие, неустойчивое равновесие. (См. [44].)

Характеристики линейных электронных ускорителей обсуждались Харви [57] и Фраем и др. [42, 43, 44, 45], которые отметили, что удобным показателем качества замедляющей системы с точки зрения энергии частиц на выходе является шунтовое сопротивление [22], которое на единицу длины определяется формулой

Например, если становится равным и при мощности подводимой к ускорителю длиной энергия частиц на выходе составит Когда размер диафрагм фиксирован, а он обычно выбирается таким, чтобы мог пройти только пучок, то существует верхний предел длины системы, при котором еще не происходит потерь энергии на затухание. Это такая длина, при которой 90% мощности поглощается в стенках волновода и 10% поступает на оконечную согласованную нагрузку. Некоторые данные по затуханию приведены на рис. Когда внешний диаметр гофрированный поверхности подобран так, чтобы фазовая скорость совпадала со скоростью света, а частота

равнялась при радиусах диафрагм 2,4 и 6 см связанная с затуханием предельная длина составляет при пяти резонаторах на длину волны соответственно 3,5; с шунтовым сопротивлением 180, 1400 и 3000 Мом.

Рис. 21.7. Типичный электронный ускоритель с бегущей волной: а — первая и последняя секции ускорителя; б - сочленение прямоугольного и гофрированного волноводов; в — первый группнрователь; г - секция экрана от излучения. (См. [26].)

Для систем, представляющих практический интерес, аксиальное ускоряющее электрическое поле выражается 11701 через мощность Р, распространяющуюся вдоль линии при фазовой скорости, равной с, при помощи удобного теоретического соотношения

где радиус диафрагмы.

Поскольку в линейном ускорителе частицы должны следовать в компактном сгустке, то необходимо обеспечить аксиальную и радиальную устойчивость. Из рис. 21.6, в видно, что частицы, инжектированные с правильной фазой, будут непрерывно получать энергию от высокочастотного поля при условии, конечно, что фазовая скорость и скорость частиц равны между собой. Таким образом, у линейного ускорителя имеется тенденция к образованию и поддержанию электронных сгустков. Электроны стремятся также диффундировать в радиальном направлении, чему препятствует постоянное продольное магнитное поле. Радиальная фокусировка значительно упрощается при очень высоких энергиях. Если перейти

в систему отсчета, связанную с электроном, имеющим постоянную массу, то длина ускорителя уменьшается примерно в 1000 раз, в то время как поперечные размеры релятивистски, конечно, остаются неизменными. Некоторого улучшения можно достигнуть при помощи предварительного группирования [128, 129, 130, 131] электронного пучка до инжекдии.

При высоких энергиях экономичнее разделить ускоритель на секции, каждая из которых питается от своего собственного генератора. Обычно высокочастотным источником является усилительный клистрон, вырабатывающий импульс мощностью с длительностью 2 мксек и частотой повторения 60 гц. Типичное расположение элементов ускорителя приведено на рис. 21.7, при обычно употребляемой фазовой скорости требуется около 1 мксек для поступления высокочастотной энергии в каждую секцию. Положение диафрагм в волноводных секциях устанавливается с большой точностью. Для волновода диаметром 8,283 см подходящими являются диафрагмы толщиной 0,607 см с круглым центральным отверстием диаметром 2,275 см, разнесенные друг от друга на 2,624 см. Линейный ускоритель на очень большие энергии должен иметь большую длину. При ускоряющем поле 150 в/см для достижения энергии в длина должна составлять и здесь возникают серьезные трудности [233] в изготовлении волновода с требуемой точностью и в поддержании требуемых фазовых соотношений между генераторами. Было сконструировано большое количество линейных ускорителей с бегущей волной [7, 68 , 97, 166, 167, 198, 206, 218, 243, 246], в табл. 21.4 приведены их основные данные, причем во всех случаях рабочая частота лежит в диапазоне

Таблица 21.4 Линейные ускорители с бегущей волной