SE449677B - Anordning vid partikelaccelerator - Google Patents

Description

449 677 En annan lösning enligt tidigare känd teknik är att kaskadkoppla två vandringsvågsektioner hos acceleratorkaviteter. De två sektionerna exciteras oberoende av varandra från en gemensam källa med Valbar dämpning i amplitud och variation i fasläge applicerade på den andra sektionen. Dylika acceleratorer beskrivs i de amerikanska patent- skrifterna 2 920 228 och 3 070 726. Dessa vandringsvâganordningar är i sig mindre effektiva än sidokopplade stående Vågacceleratorer, eme- dan energi, som icke överförs till strålen, måste avledas i en belast- ning efter en enda passage av vågenergin med radiofrekvens genom den accelererande anordningen och även shuntimpedansen är lägre än i sido- kopplade stående vågaccceleratorer. Ännu en accelerator enligt tidigare känd teknik beskrivs i den ameri- kanska patentskriften 4 118 653 i kombination med en vandringvågsektion hos en accelerator, som alstrar en optimerad energi och energispridning, med en efterföljande stående vâgacceleratorsektion. Både sektionerna för vandringsvågor och stående vågor exciteras från en gemensam radio- frekvenskälla med dämpning anbragt för exciteringen av stående vågsek- tionen. I acceleratorns del med stående vågor är effekten på den acce- lererade och hopknippade strålen liten vars hastighet är mycket nära ljusets hastighet och därför väsentligen oberoende av energin. Denna princip kräver emellertid att två mycket olika typer av accelerator- sektioner måste konstrueras och byggas och även komplicerade, yttre mikrovågskretsar erfordras. P En annan, linjär stående vâgaccelerator med möjlighet till variabel strålenergi, åstadkoms med en accelerator, vilken innefattar ett fler- tal elektromagnetiskt avkopplade delkonstruktioner. Varje delkonstruk- tion är utformad såsom en sidokavitetskopplad accelerator, De olika delkonstruktionerna är koaxiella men sammanflätade på sådant sätt att angränsande accelererande kaviteter är komponenter hos olika delkon- struktioner och elektromagnetiskt avkopplade. Angränsande kaviteter har sålunda förmåga att bära stående vågor med olika faslägen. Ener- giökningen för en laddad partikelstråle, som passerar en dylik acce- lerator, är uppenbarligen en funktion av fasfördelningen. För en acce- lerator, som kännetecknas av dylika, mellan varandra lagda delkonstruk- tioner, uppnås maximal strålenergi, när angränsande accelererande kavi- teter skiljer sig i fasläge med ¶/2, varvid nedströmskaviteten slä- par efter den angränsande uppströmskaviteten och avståndet mellan an- gränsande accelererande kaviteter är l/4 av den sträcka, som.genomlöps 449 677 av en elektron under en radiofrekvensperiod. Justering av fasförhàl- landet mellan delkonstruktioner medför variation i strâlenergi. En dylik accelerator beskrivs i den amerikanska patentskriften 4 024 426. Även om den åstadkommer god verkningsgrad och energistyrning, är konstruktionen mer komplicerad än föreliggande uppfinning.

Sammandrag av uppfinningen Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att âstadkomna en linjär, stående våg- accelerator, san alstrar accelererade partiklar med variabel energi under bibe- hållande av utmärkt likformighet i energispridning hos strålen över det dynamiska områet för accelerationen.

Detta uppnås med en accelerator av inledningsvis'angivet slag med i patentkravet 1 angivna kännetecken. I en sidokopplad stående vågacoele1:atoranordninq upnâs ovannämnda ändamål enligt en vidareutveckling av uppfinningen genun att åstad- hunna en justerbar variation av Tïradianer i fasförskjutningen i en utvald sido- kavitet hos acceleratorn.

Enligt en egenskap hos uppfinningen varieras energi, som vinns av den accelererade strålen, genom val av den sidokavitet eller de kaviteter, i vilka fasförskjutningen åstadkoms.

Enligt en annan egenskap hos uppfinningen åstadkoms den önskade fas- förskjutningen genom ändring av exciteringen av den valda sidokavi- teten från TM -moden till TN011 eller TEM-moden. 010 Pâ bifogade ritningar är fig. 1 en schematisk tvärsektion av en sido- kavitetskopplad stående vâqaccelerator enligt tidigare känt teknik, fig. 2 en bild av det elektriska fältets orientering i acceleratorn enligt fig. 1, fig. 3 en bild av det elektriska fältets orientering i en accelerator enligt uppfinningen, fig. 4 en schematisk tvärsektion av en justerbar sidokavitet, som är användbar i en accelerator enligt uppfinningen, och fig. 5 ett diagram över den strålenergifördelning som alstras av en utföringsform av uppfinningen.

Detaljerad beskrünung av uppfinningen Den tidigare kända acceleratorn l innehåller en accelererande sekti0n 2 med ett flertal hålrumsresonatorer 3, som är successivt anordnade längs en strålbana 4 för elektromagnetisk växelverkan med laddade partiklar i strålen för att accelerera de laddade partiklarna till närmelsevis 449 677 ljushastigheten vid nedströmsänden av acceleratorsektionen 2. En källa för strålP§rtiklar, såsom en kanon 5 för laddade partiklar, är anbragt vid uppströmsänden av accelatorsektionen 2 för att bilda och utskjuta en stråle av laddade partiklar, såsom elektroner, in i accelerator- sektionen 2. Ett utgångsfönster 6 för strålen, vilket är permeabelt ° för strålpartiklarna med hög energi och ogenomsträngligt för gas, är avtätat över nedströmsänden av acceleratorsektionen 2. , Acceleratorsektionen 2 och kanonen 5 är evakuerade till ett lämpligt 6 lågt tryck, såsom 10- torr, medelst en högvakuumpump 7, som är an- sluten till acceleratorsektionen 2 genom en utloppsledning 8.

Acceleratorsektionen 2 exciteras med mikrovågsenergi från en konven- tionell mikrovågskälla, såsom en magnetron, vilken är kopplad in i acceleratorsektionen 2, exempelvis genom en vågledare (ej visad), och avger energi in i en av resonatorerna 3 via en inloppsbländare, såsom anges i ll. Acceleratorsektionen 2 är en stående vågaccelerator , dvs. en resonanssektion av kopplade kaviteter, och mikrovågskällan avger approximativt 1,6 MW till acceleratorsektionen 2. I en vanlig utfö- ringsform är mikrovågskällan vald för S-bandsdrift och kaviteterna är i resonans vid S-bandet. De till resonans avstämda mikrovâgsfälten i acceleratorsektionen 2 växelverkar elektromagnetiskt med de laddade partiklarna i strålen 4 för att accelerera partiklarna till väsentligen ljushastigheten vid acceleratorns nedströmsände. Närmare bestämt al- strar de nämnda 1,6 MW av mikrovågsineffekt utgångselektroner i strå- len 4, som har energier av storleksordningen 4 MeV. Dessa elektroner med hög energi kan utnyttjas för att bombardera ett mål i ändamål att alstra röntgenstrålar med hög energi, eller alternativt kan elektro- nerna med hög energi användas för direkt bestrålning av föremål efter önskan. .

Ett flertal kopplingskaviteter l5 är anbragta förskjutna från accele- Q ratorsektionens 2 centrumaxel för elektromagnetisk koppling av angrän- sande accelererande kaviteter 3. Var och en av kopplingskaviteterna 15 <7/ innefattar en cylindrisk sidovägg 16 och ett par centralt anordnade inåtskjutande kapacitiva belastningsorgan 17, som sträcker sig in i den cylindriska kaviteten från dess motställda sidoväggar för att kapacitivt belasta kaviteten. Varje cylindrisk kopplingskavitet 15 är anbragt så att den approximativt tangerar de växelverkande kaviteterna 3, med hörnen av varje kopplingskavitet l5 Skärande de invändiga väggarna av acceleringskaviteterna 3 för att bestämma de magnetiska 449 677 fältkopplingsbländare 18 som åstadkommer elektromagnetisk vågenergi- koppling mellan de accelererande kaviteterna 3 och den tillhörande kopplingskaviteten 15. De växelverkande kaviteterna 3 och kopplings- kaviteterna 15 är alla avstämda till väsentligen samma frekvens.

I fig. 2 visar den övre skissen schematiskt acceleratorn i fig. l enligt tidigare känd teknik. Den övre skissen i fig. 2 illustrerar riktningarna för det radiofrekventa, elektriska fältet vid en tid- punkt för maximalt elektriskt fält, såsom visas med pilarna i gapen för de växelverkande kaviteterna 3. Den undre skissen är ett diagram av den elektriska fältstyrkan längs strålens axel 4 (fig. 1) vid den tidpunkt, som visas i den övre skissen. I drift är gapen åtskilda så att elektroner (med en hastighet, som närmar sig ljushastigheten) passerar från ett gap till det nästföljande inom en halv radiofrek- vensperiod, så att efter exponering för ett accelererande fält i ett gap de ankommer till det nästföljande, när fältriktningen där har reverserats, för att förvärva ytterligare acceleration. Fältet i varje sidokavitet 15 är framflyttat i fasläge med l/2 W radianer från den föregående växelverkande kaviteten 3, så att hela den pe- riodiska resonansanordningen arbetar i en mod med w/2 fasförskjut- ning per kavitet. Emedan strålen icke växelverkar med sidokaviteter l5, erfar den ekvivalenten till en anordning med W fasförskjutning mellan angränsande, växelverkande kaviteter. När ändkaviteterna är accelererande kaviteter, såsom visas, har mönstret med väsentligen stående vågor mycket små fält (representerade av nollor) i sidokavi- teterna l5, så att radiofrekvensförlusterna minimeras i dessa icke arbetande kaviteter. I fig. 1 och 2 visas ändkaviteterna 3' såsom halvkaviteter. Detta förbättrar strålens ingångstillstånd och åstad- kommer en perfekt symmetrisk resonansanordning med likformiga fält i alla accelererande kaviteter. ret är lämpligt att tilldela varje accelererande kavitet ett medel- energitillskott El och för en acceleratoranordning med N fullständiga ' acceleratorkaviteter kommer den optimala avstämningen att ge en slut- energi E=NEl.

Justeringen av fasförskjutningen mellan ett enda par av angränsande, accelererande kaviteter utnyttjas i föreliggande uppfinning för att uppnå en Valbar energi för slutstrålen upp till den maximalt uppnåe- liga energin. I fig. 3 visas en konstruktion, som för övrigt är lik- artad med den i fig. 2 visade men skiljer sig genom möjligheten att 4-49 677 ändra fasförskjutningen mellan närbelägna, accelererande kaviteter 3 genom ändring av den stående vågens fasläge i en utvald sidokavitet 20. I en föredragen utföringsform ändras den fasförskjutning, som in- förs mellan angränsande, växelverkande kaviteter, från 1r till 0 ra- dianer och detta åstadkoms genom omkoppling av driften av den valda sidokaviteten från en fläolo-mod, i vilken det magnetiska fältet är i samma fas vid båda kopplingsbländarna 18 i fig. 1 och 2, till en TM0ll- eller TEM-mod, i vilka moder finns en fasreversering mellan bländarna 18' i fig. 3 och 4.

Som följd kan noteras att det elektriska fält, som strâlen möter, icke längre kommer att vara i fas för maximal acceleration i de återstående, passerade kaviteterna utan i själva verket kommer att vara i en retar- derande fas. Den resulterande accelererande nettoenergin kommer då att vara E=(N-2Nl)El, där Nl är antalet kaviteter bortom fasreverseringen.

Fasomkopplingen åstadkoms genom ändring av resonansegenskaperna hos den utvalda sidokaviteten 20. En schematisk illustration av en om- kopplingssidokavitet visas i fig. 4. Omkopplingssidokaviteten är i form av en koaxiell kavitet 20 med inåtgående, kapacitiva belastningsbultar 17' och 22 vilka utskjuter från ändväggarna. Kaviteten 20 är kopplad till de närbelägna, växelverkande kaviteterna 3 genom bländare l8', I TM0l0-moden är det starkaste elektriska fältet längs axeln. En me- tallstav 24 är glidbart monterad inuti den ihåliga belastningsbulten 22. Staven 24 är styrd av ett lager 26 och är förbunden med en böjlig metallbälg 28 för att tillåta axialrörelse i vakuumet. En radiofrekvens- förbindelse av staven 24 med belastningsbulten 22 åstadkoms genom en dubbel kvartsvâgssnole 30, 32, som eliminerar starka strömmar över lag- ret 26. När staven 24 är inställd, såsom visas med heldragna linjer i fig. 4, är kaviteten 20 avstämd till samma resonansfrekvens hos dess Tmoko-mod som rcsonansfrekvenscn hos de växelverkande accelerationska- viteterna 3. För att ändra modmönstret förskjuts staven 24 mekaniskt inåt (såsom visas med streckade linjer) från dess läge (visat med hel- dragna linjer) inuti den ihåliga belastningsbulten 22 för att därigenom öka den kapacitiva belastningen och sänka resonansfrekvenserna hos den ursprungliga TMOIO-moden. Enligt uppfinningen förskjuts staven 24 inåt till ett sådant läge att kaviteten 20 icke längre är i resonans i TM0lO-moden vid resonansfrekvensen hos de växelverkande kaviteterna 3 och i stället arbetar i TM0ll- eller TEM-moden, där dylika moder har resonans vid samma frekvens som resonansfrekvensen hos de växelverkande kaviteterna. 449 677 I en utföringsform är dimensioneringen av kaviteten 20 vald så att vid ett visst läge 34 av stavens 24 vänstra ände TM0ll resonansen ligger vid arbetsfrekvensen hos de växelverkande kaviteterna 3. Då föreligger åter en fasförskjutning med H/2 radianer frân den före- gående växelverkande kaviteten 3 till kopplingskaviteten 20 och ytterligare ¶/2 mellan kopplingskaviteten 20 och den efterföljande, accelererande kaviteten 3. Den magnetiska fältreverseringen inuti kaviteten 20 (till följd av driften i TM0ll-moden) åstadkommer ytter- ligare ¶ radianers förskjutning, så att.den resulterande kopplingen mellan angränsande växelverkande kaviteter 3 är vid 2¶ eller 0 radia- ners fasförskjutning i stället för de W radianer, såsom åstadkoms av de andra kopplingskaviteterna 15.

I en annan utföringsform är omkopplingskaviteten 20 dimensionerad så att, när staven 24 skjuts fritt över kaviteten 20 till kontakt med belastningsbulten l7', resonans inträffar i TEM-moden (halva våglängds- resonansen hos en koaxialledning med kortslutna ändar) vid arbetsfre- kvensen hos de växelverkande kaviteterna 3. I denna mod förekommer även en reversering av magnetiskt fält mellan kopplingkavitetens ändar, så att fasläget hos kopplingen mellan angränsande, växelverkande kaviteter 3 ändras från n radianer till 2¶ eller 0 radianers förskjutning, så- som beskrivits ovan. Såsom inses av en fackman på området, är den op- timerade utformningen av sidokaviteten 20 för omkoppling från TM0l0- moden till TEM-moden avvikande från den optimerade utformningen av sidokaviteten för omkoppling från TMOIO-moden till Tmoll-moden.

Fig. 5 visar kurvor av de beräknade energispektra för en enda accele- rationssektion med”l hel accelererande kavitet, 2 halvkaviteter (be- gynnelse och slut) samt 2 sidokopplingskaviteter. Dessa spektra erhålls genom integrering av accelerationerna av elektroner, som växelverkar med de sinusformigt oscillerande, elektriska fälten hos stående vågor i kaviteterna. Dylika beräknade spektra har visat sig noggrant återge uppmätta spektra. Spektralfunktionen 38 visar ett dylikt spektrum för normal drift (TMOl0). Kurvan 40 representerar det spektrum, som erhålls vid modomkoppling hos den sidokavitet, som kopplar den hela accelere- rande kaviteten och den halva accelererande slutkaviteten.

Det antal kopplingskaviteter i vilka fasen reverseras bestäms av den önskade minskningen i partikelenergin. Givetvis kan ett flertal energi- steg erhållas genom utnyttjandet av ett flertal fasreverserande kopp- 449 677 8 lingskaviteter. Om man exempelvis hade en reverserande omkopplings- kavitet 20 mellan den sista hela växelverkande kaviteten i fig. 3 och den slutliga halvkaviteten, kombinerad med en annan, mellan de sista två hela växelverkande kaviteterna, skulle fyra värden av utenergi kunna åstadkommas genom kombinationer av_de två omkopplar- nä..

Det ovan angivna avses vara en beskrivning av en såsom exempel an- given utföringsform av uppfinningen och bör därför icke tolkas i begränsande syfte. Följaktligen definieras uppfinningens område av efterföljande patentkrav och deras juridiska ekvivalenter. .em m!

Claims (12)

449 677 Patentkrav

1. Partikelaccelerator, innefattande en till resonans avstämd acceleratorkrets, som innefattar åtminstone tre kaviteter med väsentligen samma resonansfrekvenser och elektromagnetiskt kopplade i följd, varvid en första och en tredje av nämnda kaviteter (3) innefattar hål genom väggarna för passage av en partikelstråle (4) och för koppling av elektromagnetisk energi till strålen, och en andra kavitet (15, 20) är kopplad till var och en av de första och tredje kaviteterna men frånkopplad från nämnda stråle, k ä n n e t e c k n a d av organ (24) för att ändra resonansmodmönstret i den andra kaviteten i ändamål att åstadkomma en ändring i fas hos den vågenergi, som är kopplad från den första kaviteten till den tredje kaviteten.

2. Accelerator enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att organen (24) för att ändra resonansmodmönstret ändrar fasförskjutningen mellan de första och tredje kaviteterna (3) med Z7radianer.

3. Accelerator enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den andra kaviteten (20) är anbragt på avstånd från strålen (4).

4. Accelerator enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att de första och tredje kaviteterna (3) har en gemensam vägg.

5. Accelerator enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att kopplingen mellan den andra kaviteten (20) och de första och tredje kaviteterna (3) sker genom bländare (l8'), som är belägna i områden med starkt, radiofrekvent magnetfält.

6. Accelerator enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den andra kaviteten (20) är en koaxiell kavitet samt att organen (24) för att ändra modmönstret innefattar en anordning för att variera längden av en central ledare.

7. Accelerator enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att den centrala ledarens (24) längd är ändrad till bildande av en kontinuerlig ledare över den koaxiella kaviteten (20).

8. Accelerator enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda organ (24) för att ändra resonansmodmönstret innefattar medel för att ändra en första resonansmod i den andra kaviteten (20) till en annan mod, som reverserar det magnetiska fältet i den andra kaviteten och som är i resonans vid väsentligen samma frekvens som den första moden.

9. Accelerator enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda organ (24) för att ändra resonansmodmönstret i den andra kaviteten (20) ändrar moden 449 677 10 från en TM010-mod till en TM011-mod.

10. Accelerator enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda organ (24) för att ändra resonansmönstret i den andra kaviteten (20) ändrar moden från en TMD10-mod till en TEM-mod.

11. Accelerator enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att kopplingen mellan nämnda åtminstone tre kaviteter sker genom en första bländare (l8') mellan de första (3) och andra (20) kaviteterna och en andra bländare (18') mellan de andra (20) och tredje (3) kaviteterna, varvid nämnda organ (24) för att ändra resonansmodmönstret i den andra kaviteten (20) innefattar medel för att ändra resonansmodmönstret från en första mod i den andra kaviteten till en andra mod, som är i resonans vid väsentligen samma frekvens som den första moden, varjämte en av nämnda moder har ett elektromagnetiskt fältmönster som är i samma fas intill både den första och den andra kopplingsbländaren och den andra moden har ett elektromagnetiskt fältmönster som har en fas intill en av nämnda kopplingsbländare och en reverserad fas intill den andra bländaren.

12. Partikelaccelerator, k ä n n e t e c k n a d av åtminstone tre växelverkande kaviteter (3) med hål genom väggarna för passage av en partikel- stråle (4) samt för koppling av eleketromagnetisk energi till strålen, åtminstone två kopplingskaviteter (20), som var och en är kopplade till två av de växelverkande kaviteterna, samt organ (24) för att selektivt ändra resonansmodmönstret i två av kopplingskaviteterna i ändamål att åstadkomma en fasändring hos vågenergin i de kopplade, växelverkande kaviteterna.