21.3.2. Некоторые методы конструирования ускорителей

В ряде работ [40, 57, 58] было предложено использовать для изготовления замедляющих систем вкладыши из твердых диэлектриков. Волноводы с такими вкладышами обладают значительными потерями. Значительно большего успеха добились Харви и др. [59] с помощью анизотропного диэлектрика; для удовлетворительной работы диэлектрическая проницаемость материала в радиальном

направлении должна быть больше, чем в продольном. Существующие в природе вещества не обладают достаточной анизотропией и для ее достижения применяется ряд равноотстоящих тонких керамических дисков из двуокиси титана с около 95. Такие диэлектрические нагрузки позволяют строить ускорители меньших размеров, в то время как требуемая высокочастотная мощность составляет половину необходимой в случае полностью металлического гофрированного волновода.

Рис. 21.8. Характеристики линейного ускорителя с волноводом, нагруженным анизотропным диэлектриком: а — потери в металле; б - потери в диэлектрике; б — последовательная проводимость; г - групповая скорость. (См. [59].)

Основными параметрами, которые определяют величину шунтового сопротивления, являются диэлектрическая проницаемость, добротность степень слоистости и радиус центрального отверстия На рис. 21.8 показана зависимость потерь в меди (кривая а) и диэлектрике (кривая б) от при см и см, если внешний радиус остается порядка 3 см. Кривые в и на рис. 21.8 характеризуют изменение последовательной проводимости и групповой скорости.

Показатель качества линейного ускорителя можно улучшить, закрыв концы замедляющей системы, так что она становится резонансной и вся входная мощность рассеивается на стенках. При обычных значениях добротности время, необходимое для того, чтобы амплитуда колебания достигла 90% от своего конечного значения, составляет около 1 мксек. Такой ускоритель со стоячей волной обладает дискретными видами колебаний, и, чтобы обеспечить достаточное отделение от соседних видов колебаний, у Лаутона и Хана [95] ускоритель работал в середине полосы пропускания. Другие резонансные ускорители были сконструированы Сарацином [140] и Демосом, Кипом и Слэтером [36], которые при длине 6,4 м получили энергию электронов в ускоритель питался

от 21 перестраиваемого магнетрона, причем резонансная система обладала тем преимуществом, что могла стабилизировать частоту генераторов.

Высокую энергию при малой длине ускорителя можно получить при помощи частотного резонанса, применяя обратную связь [214]. Схематическое устройство такого ускорителя, описанного Саксоном [141], приведено на рис. 21.9, а, из которого видно, что остаточная высокочастотная мощность поступает с соответствующим образом подобранной фазой обратно на вход через волноводный мост, где она смешивается со входной мощностью и еще раз проходит через ускоритель.

Рис. 21.9. Обратная связь в ускорителе с бегущей волной: а — основная волноводная схема; б - коэффициент нарастания мощностей; сплошная кривая для пунктирная — для оптимального значения (См. [141].)

Мост сконструирован таким образом, что если в два плеча поступают мощности соответственно то при правильном подборе фаз в одно из двух других плеч проходит мощность а в оставшееся плечо мощность не поступает. Множитель равен единице для двойного волноводного тройника, гибридного кольца и ответвителя на 3 дб, но может принимать другие значения для кругового гибридного соединения.

На рис. приведена зависимость отношения мощностей Для случая от затухания в замкнутом контуре, где мощность источника, а мощности, поступающие в ускоритель и активную нагрузку. Хорошо видно, что, когда затухание равно 3 дб, отношение мощностей равно 2 и в активную нагрузку никакой мощности не поступает. Для всякого другого значения затухания при выборе моста с правильным значением максимальное отношение мощностей дается пунктирной кривой. Также видно, что применение соединения с единичным коэффициентом трансформации в широком диапазоне изменения затухания не приводит к значительной потери мощности. Такую цепь с обратной связью применил Миллер [109, 110, 111] в ускорителе длиной и получил энергию частиц, равную при токе пучка

и при входной мощности Энергия частиц в других ускорителях при токе пучка составляет при импульсной высокочастотной мощности в Линейные ускорители могут иметь свои собственные источники энергии [203], а также обладать вспомогательными резонаторами для отклонения пучка [196].

Линейные ускорители могут применяться для получения легких ионов с высокой энергией [11, 12], но при конструировании таких устройств возникают новые проблемы и трудности, связанные со значительно меньшей фазовой скоростью. Волноводы с диафрагмами при энергии частиц на выходе, превышающей привели бы к таким потерям высокочастотной мощности на затухание, что разработка такого ускорителя теряет смысл. Протоны с энергией, соответствующей современным требованиям, были получены Септьером [148, 149, 187], а также Чиком и Петри [23, 25] при использовании в качестве замедляющей структуры спирали. Проволочная спираль была намотана на стеклянную трубку, из которой для свободного прохождения протонов вдоль ее оси был откачен воздух, тогда как с внешней стороны трубки давление составляло чтобы предотвратить высокочастотный пробой между витками.

Радиус спирали равнялся 1 см, а шаг изменялся от на входе до на выходе при ускорении частиц от 2,5 до Это ускорение осуществлялось на расстоянии 1,2 м при импульсной мощности на частоте ток пучка в течение 6 мксек импульса составлял Спираль является широкополосной структурой, и Гэллоп [46] предложил использовать ее для получения протонов с узким спектром, но со средней энергией, изменяемой в широком диапазоне, например при помощи регулировки частоты возбуждения.

Другие протонные ускорители также имеют спиральную замедляющую систему [200, 201, 226, 229, 233].