Вч об’ємний резонатор і прискорювач

Реферат: Винахід стосується високочастотного (ВЧ) об'ємного резонатора для прискорення заряджених частинок (15), причому у ВЧ об'ємний резонатор (11) може вводитися електромагнітне ВЧ поле, яке в процесі роботи діє на пучок (15) частинок, який пересікає ВЧ об'ємний резонатор, який відрізняється тим, що щонайменше один проміжний електрод (13) для підвищення електричної міцності на пробій розміщений у ВЧ об'ємному резонаторі (11) вздовж ходу пучка (15) частинок, причому проміжний електрод (13) має таким чином обмежену провідність, що проміжний електрод при введенні електромагнітного ВЧ поля на робочій частоті ВЧ об'ємного резонатора щонайменше частково пронизується введеним електромагнітним ВЧ полем. UA 108874 C2 (12) UA 108874 C2 UA 108874 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується високочастотного (ВЧ) об'ємного резонатора, за допомогою якого можуть прискорюватися заряджені частинки у формі пучка частинок, коли вони направляються через ВЧ об'ємний резонатор і коли у ВЧ об'ємному резонаторі ВЧ поле діє на пучок частинок, і до прискорювача з подібним ВЧ об'ємним резонатором. ВЧ об'ємні резонатори відомі в рівні техніки. Прискорення, що створюється за допомогою ВЧ об'ємного резонатора, залежить від напруженості електромагнітного ВЧ поля, яке утворюється у ВЧ об'ємному резонаторі, яке діє вздовж траєкторії частинок на пучок частинок. Оскільки при напруженостях ВЧ поля, що збільшуються, підвищується вірогідність того, що між електродами виникають іскрові розряди, максимально досяжна енергія частинок обмежується ВЧ об'ємним резонатором. Проблема електричного пробою в прискорювачах частинок була досліджена У.Д.Килпатріком (W.D.Kilpatrik) в роботі "Criterion for Vacuum Sparking Designed to Include Both if and dc", Rev. Sci. Instrum. 28, 824-826 (1957). У першому наближенні максимально досяжна напруженість поля Е електричного ВЧ поля пов'язана з частотою f ВЧ поля таким чином: Е ~ f. Це означає, що можуть бути досягнуті вищі електричні напруженості поля, якщо застосовується вища частота, перш ніж виникне електричний пробій (також званий ВЧ пробоєм). Задачею винаходу є створення ВЧ об'ємного резонатора з високою міцністю на пробій. Ця задача вирішується згідно з незалежними пунктами формули винаходу. Переважні варіанти здійснення характеризуються ознаками залежних пунктів формули винаходу. Згідно з цим запропонований ВЧ об'ємний резонатор для прискорення заряджених частинок, в який може вводитися електромагнітне ВЧ поле, яке при роботі діє на пучок частинок, що пересікає ВЧ об'ємний резонатор, причому, щонайменше, один проміжний електрод для підвищення електричної міцності на пробій розміщений у ВЧ об'ємному резонаторі вздовж ходу пучка частинок. Проміжний електрод при цьому виконаний таким чином або має, таким чином, обмежену провідність, що проміжний електрод при введенні електромагнітного ВЧ поля при робочій частоті ВЧ об'ємного резонатора, щонайменше, частково пронизується введеним електромагнітним ВЧ полем. Відомо, що застосовування критерію Кілпатріка викликало у прискорювачах тренд у напрямі високих частот. Це, проте, є проблематичним по іонно-оптичних причинах, якраз для прискорення повільних частинок, тобто частинок з нерелятивістськими швидкостями. При великих прискорювачах це обумовлює те, що в перших рівнях прискорювача працюють з меншою частотою і відповідно нижчою напруженістю поля Е і що зазвичай лише подальші рівні прискорювача експлуатуються із сприятливішою підвищеною частотою. Зважаючи на синхронізацію, частоти знаходяться в раціональному відношенні одна з одною. Проте це приводить, з одного боку, до більш громіздких прискорювачів, а з іншого боку до меншої гнучкості у виборі конструкції прискорювача. Проте в основі винаходу лежить знання того, що не обов'язково частота (згідно з критерієм Кілпатріка) як суттєвий чинник здійснює вплив на максимально досяжну напруженість поля Е у вакуумі, але і також відстань d між електродами в першому наближенні задається за допомогою співвідношення Е ~ 1/d (для електричної міцності U у першому наближенні справедливо U~ d). В книзі "Lehrbuch der Hochspannungstechnik", G. Lesch, E. Baumann, Springer-Verlag, Berlin/Gottingen/Heidelberg, 1959, на стор. 155 приведена діаграма для представлення взаємозв'язку між електричною міцністю на пробій у високому вакуумі і відстанню між пластинами. Цей взаємозв'язок справедливий, вочевидь, універсальним чином у дуже великому діапазоні напруги, в рівній мірі для постійної і змінної напруги і для геометрично масштабованих форм електродів. Вибір матеріалу електродів здійснює вплив очевидно лише на коефіцієнти пропорційності. Експериментальний критерій Кілпатріка E~f не містить жодного параметра, який явно враховує відстань між електродами. Це протиріччя, що здається, по відношенню до приведеного вище взаємозв'язку, який містить відстань між електродами, проте, вирішується, якщо приймається, що форма резонатора при масштабуванні для узгодження з частотою залишається геометрично подібною, так що відстань між електродами масштабується з іншими розмірами резонатора. Це означає вибір відстані d між електродами згідно з d~1/f, і тим самим відповідність між критерієм Кілпатріка E~f і встановленим вище критерієм E~1/d. Як наслідок цих висновків виходить, що лише здається, що високі частоти є корисними. Частотна залежність згідно з критерієм Кілпатріка може, щонайменше, частково підганятися за допомогою геометричного масштабування для резонансного налаштування. Проте є можливим вибирати частоту у збільшених межах незалежно від бажаної максимальної напруженості Е високочастотного поля, так що стають можливими компактні 1 UA 108874 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 прискорювачі і при низьких частотах, наприклад, для важких іонів. Це досягається за допомогою відповідного винаходу ВЧ об'ємного резонатора, оскільки тут на електричну міцність на пробій здійснюють дію проміжні електроди. Кінець кінцем, за допомогою цього досягається висока електрична міцність на пробій і пов'язані з цим високі напруженості поля Е за рахунок підтримки критерію E~1/d. Робоча частота ВЧ резонатора може вибиратися помітно гнучкіше і в ідеальному випадку незалежно від бажаної напруженості поля Е досяжна електрична міцність на пробій стає можливою за рахунок проміжних електродів, а не за рахунок вибору робочої частоти. При цьому винахід ґрунтується на тому міркуванні, що слід застосовувати менші відстані між електродами, щоб досягти вищих напруженостей поля Е. Так як в загальному випадку відстані між електродами спочатку задаються через форму резонатора, менша відстань між електродами досягається тут за рахунок введення проміжного(их) електрода(ів). Відстань між електродами, отже, за рахунок проміжного(их) електрода(ів) підрозділяється на менші ділянки. Вимога по відстані або електрична міцність на пробій можуть виконуватися, таким чином, значною мірою незалежно від величини і форми резонатора. До того ж винахід ґрунтується на тому, що можуть бути отримані переваги, якщо подібні проміжні електроди мають обмежену провідність, так що вони при робочій частоті ВЧ об'ємного резонатора, щонайменше, частково пронизуються наявними у ВЧ об'ємному резонаторі електромагнітними полями. Проміжні електроди не мають тоді жодного вільного від поля внутрішнього простору. Втрати, які виникають при, таким чином, передбачених проміжних електродах із-за вихрових струмів, що індукуються в проміжному електроді, помітно скорочуються по відношенню до проміжних електродів, в яких внутрішній простір вільний від поля. У формі виконання проміжний електрод може мати тонкий шар з обмеженою провідністю, так що введене електромагнітне ВЧ поле при робочій частоті ВЧ об'ємного резонатора пронизує проміжний електрод. Проміжний електрод може складатися, наприклад, з тонкого металевого диска, який має цю властивість. У формі виконання проміжний електрод може мати несучий ізолятор з нанесеним металевим поверхневим шаром. Також за рахунок такої конструкції може досягатися те, що проміжний електрод пронизується, щонайменше, частково електромагнітним полем, яке діє в об'ємному резонаторі на пучок частинок. Проміжні електроди виконують, таким чином, завдання підвищити електричну міцність на пробій. Для того, щоб на ВЧ об'ємний резонатор здійснювати по можливості менший вплив, що стосується його властивостей прискорення, проміжний електрод може бути ізольований від стінок ВЧ об'ємного резонатора таким чином, що проміжний електрод під час роботи ВЧ об'ємного резонатора не створює ВЧ поля, яке діє прискорювальним чином на пучок частинок. Через ізоляцію від стінок на проміжні електроди не передається жодна ВЧ потужність, яка інакше генерувала б ВЧ поле, яке діє від проміжних електродів на пучок частинок. Під час роботи тоді жодне ВЧ поле не передається від стінок резонатора на проміжний електрод, або передається в такій малій мірі, що випромінюване від проміжного електрода ВЧ поле, якщо воно взагалі є, не сприяє помітним чином, а в кращому разі взагалі не робить внеску до прискорення або не здійснює вплив на прискорення. Зокрема, від стінок резонатора на проміжні електроди не протікають жодні ВЧ струми. Ізоляція від стінок резонатора не обов'язково має бути повною, є достатнім виконати зв'язок проміжного електрода із стінками резонатора таким чином, що проміжний електрод в частотному діапазоні робочої частоти ВЧ резонатора в значній мірі ізольований. Так проміжний електрод через провідне з'єднання може бути таким чином пов'язаний із стінкою ВЧ об'ємного резонатора, що провідне з'єднання має високий імпеданс на робочій частоті ВЧ об'ємного резонатора, за рахунок чого може бути реалізована бажана ізоляція по відношенню до проміжного електрода. Проміжний електрод, отже, в значній мірі розв'язаний по ВЧ енергії від ВЧ об'ємного резонатора. Тим самим ВЧ об'ємний резонатор лише в незначній мірі демпфується за допомогою проміжних електродів. Проте провідне з'єднання може одночасно виконувати функцію відведення заряду за допомогою розсіяних частинок. Високий імпеданс провідного з'єднання може бути реалізований за допомогою виконаної спіральною ділянки провідника. Подібна опора може також бути виконана такою, що пружинить. Проміжні електроди розміщені, зокрема, перпендикулярно до електричного ВЧ поля, яке діє на пучок частинок. Тим самим досягається по можливості незначний вплив на функціональність ВЧ резонатора з боку проміжних електродів. Проміжний електрод може, наприклад, мати форму кільцевого диска з центральним отвором, через який направляється пучок частинок. Форма проміжних електродів може бути 2 UA 108874 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 узгоджена з потенційними поверхнями, що встановлюються і без проміжних електродів, таким чином, що не виникає жодного суттєвого спотворення ідеальної характеристики Е-поля при відсутності проміжних електродів. При подібному формоутворенні зростання ємкості із-за додаткових структур мінімізується, розузгодження резонатора і локальні перевищення поля Е в значній мірі виключаються. Проміжний електрод переважним чином встановлений в опорі рухомим чином, наприклад, за допомогою пружинячої опори або підвіски. Пружиняча опора може виконуватися у формі шпильки. Тим самим шлях ковзаючого розряду вздовж поверхні оптимізується або максимізується, і вірогідність виникнення ковзаючих розрядів мінімізується. Пружиняча опора може включати провідну спіральну ділянку, за рахунок чого може досягатися підвищення імпедансу пружинячої опори на робочій частоті ВЧ об'ємного резонатора. Як матеріал проміжного електрода може застосовуватися хром, ванадій, титан, молібден, тантал, вольфрам або сплави, що містять ці матеріали. Ці матеріали мають високу міцність по полю Е. Понижена поверхнева провідність цих матеріалів є переважною, оскільки в такий спосіб може легко досягатися те, що вони в процесі роботи, щонайменше, частково пронизуються електромагнітними ВЧ полями, введеними у ВЧ об'ємний резонатор. Переважним чином у ВЧ об'ємному резонаторі розміщено декілька проміжних електродів у напрямі пучка один за одним. Декілька проміжних електродів можуть бути встановлені в опорі рухомим чином, наприклад, по відношенню один до одного через пружинячу підвіску. Тим самим окремі відстані між електродами можуть самостійно рівномірно розподілятися. Пружинячі підвіски, за допомогою яких зв'язано між собою декілька проміжних електродів, можуть виконуватися провідними і переважно включати спіральні ділянки і виконуватися у формі шпильки. Тим самим і між проміжними електродами забезпечується можливість відведення заряду за допомогою розсіяних частинок. Відповідний винаходу прискорювач включає, щонайменше, один вищеописаний ВЧ об'ємний резонатор з проміжним електродом. Форми виконання винаходу з переважними подальшим розвитком згідно з ознаками залежних пунктів формули винаходу детальніше пояснюються із посиланнями на креслення, проте не обмежуються ними. На кресленнях показано: Фіг. 1 - схемне представлення конструкції ВЧ об'ємного резонатора зі вставленими проміжними електродами і Фіг. 2 - поздовжній переріз подібного ВЧ об'ємного резонатора. Фіг. 3 - представлення фрагмента виконаного тонким проміжного електрода із густиною струму, що індукується у проміжний електрод. Фіг. 4 - представлення ділянки проміжного електрода, яке показує несучий ізолятор з нанесеним на ньому металевим шаром. На фіг. 1 показаний ВЧ об'ємний резонатор 11. ВЧ об'ємний резонатор 11 сам представлений пунктиром, щоб мати можливість чіткішого представлення проміжних електродів 13, які знаходяться всередині ВЧ об'ємного резонатора. ВЧ об'ємний резонатор 11 включає зазвичай провідні стінки і збуджується ВЧ енергією не показаного ВЧ передавача. Прискорювальне ВЧ поле, що діє на пучок 15 частинок у ВЧ об'ємному резонаторі, зазвичай формується розміщеним зовні ВЧ об'ємного резонатора 11 ВЧ передавачем і резонансним чином уводиться у ВЧ об'ємний резонатор 11. У ВЧ об'ємному резонаторі зазвичай є високий вакуум. Проміжні електроди 13 розташовані вздовж ходу пучка у ВЧ об'ємному резонаторі 11. Проміжні електроди 13 виконані в кільцевій формі з центральним отвором, через який проходить пучок частинок. Між проміжними електродами існує вакуум. Проміжні електроди 13 за допомогою пружинячої підвіски 17 закріплені по відношенню до ВЧ об'ємного резонатора 11 і по відношенню один до одного. За допомогою пружинячої підвіски 17 проміжні електроди 13 розподіляються самостійно по довжині ВЧ об'ємного резонатора 11. Додаткові підвіски, які служать стабілізації проміжних електродів (тут не показані), також можуть бути передбачені. На фіг. 2 показаний поздовжній переріз ВЧ об'ємного резонатора 11, показаного на фіг. 1, причому тут показані різні типи підвіски проміжних електродів 13 по відношенню один до одного і по відношенню до стінок резонатора. У верхній половині 19 фіг. 2 показана пружиняча підвіска проміжних електродів 13 з провідними з'єднаннями 23 у формі шпильки. За рахунок цієї шпилькоподібної форми знижується вірогідність ковзаючого розряду вздовж підвіски. У нижній половині показаного на фіг. 2 ВЧ об'ємного резонатора 21 проміжні електроди 13 за допомогою спіралеподібно направлених провідних пружинячих з'єднань 25 з'єднані відносно 3 UA 108874 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 один одного і відносно стінок резонатора. Це виконання має ту перевагу, що спіралеподібний напрям провідного з'єднання 25 представляє імпеданс, який при відповідному виконанні формує бажану ізоляцію проміжних електродів відносно стінок резонатора на робочій частоті ВЧ об'ємного резонатора 11. За рахунок цього запобігається сильне демпфування ВЧ об'ємного резонатора 11 шляхом вставлення проміжних електродів 13 у ВЧ об'ємний резонатор 11. Фіг. 3 показує дві поверхні 26, 27 для фрагмента проміжного електрода 13. Напрямок ходу пучка проходить перпендикулярно обом поверхням (стрілка). Також представлені фрагменти стінки 28 ВЧ об'ємного резонатора 11. Відстані і масштаби на фіг. 3, яка приведена для пояснення принципу, змальовані не точно. Густина струму, яка створюється в проміжному електроді 13 за допомогою електромагнітних полів 29, які вводяться в процесі роботи у ВЧ об'ємний резонатор, складається з двох компонентів І0 і I1. За рахунок того, що проміжний електрод 13 має обмежену електричну провідність, густина струму l1, яка формується електромагнітними полями 29 на верхній поверхні 26 проміжного електрода 13, не повністю затухає по товщині проміжного електрода 13. Те ж саме справедливо для густини струму І0, яка формується електромагнітними полями 29 на нижній поверхні 27 проміжного електрода 13. За рахунок того, що обидві густини струму І 0 і I1 по товщині не повністю затухають і є протилежно направленими, обидві густини струму І 0 і I1 = значною мірою компенсуються (leff l0+l1). В цілому, всередині проміжного електрода 13 вихрові струми формуються у меншій мірі у порівнянні з проміжними електродами, провідність яких така, що при роботі ВЧ об'ємного резонатора в проміжному електроді існує вільний від поля простір. Фіг. 4 показує конструкцію проміжного електрода 13' з несучим ізолятором 31, на який нанесені металеві шари 33. Також за допомогою даної конструкції може досягатися ціль, яка полягає в тому, що проміжний електрод 13' щонайменше частково пронизується введеними ВЧ полями. Перелік посилальних позицій 11 ВЧ об'ємний резонатор 13, 13' проміжний електрод 15 пучок частинок 17 підвіска 19 верхня частина 21 нижня частина 23 шпилькоподібне з'єднання 25 спіральне з'єднання 26 верхня поверхня 27 нижня поверхня 28 стінка 29 ВЧ поле 31 несучий ізолятор 33 металевий шар. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 1. Високочастотний (ВЧ) об'ємний резонатор для прискорення заряджених частинок (15), виконаний з можливістю введення в нього електромагнітного ВЧ поля і пропускання крізь нього прискорюваного електромагнітним ВЧ полем пучка (15) частинок, який відрізняється тим, що у ВЧ об'ємному резонаторі (11) вздовж ходу пучка (15) частинок встановлено щонайменше один проміжний електрод (13) для підвищення електричної міцності на пробій, причому проміжний електрод (13) має таким чином обмежену провідність, що проміжний електрод (13) при введенні електромагнітного ВЧ поля на робочій частоті ВЧ об'ємного резонатора щонайменше частково проникний введеним електромагнітним ВЧ полем з поширенням електромагнітного ВЧ поля у всьому внутрішньому просторі проміжного електрода (13). 2. ВЧ об'ємний резонатор за п. 1, який відрізняється тим, що проміжний електрод (13) має тонкий шар з обмеженою провідністю, із забезпеченням проникності проміжного електрода (13) введеним електромагнітним ВЧ полем на робочій частоті ВЧ об′ємного резонатора. 3. ВЧ об'ємний резонатор за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що проміжний електрод (13) має несучий ізолятор (31) з нанесеним металевим поверхневим шаром (33). 4. ВЧ об'ємний резонатор за будь-яким з пп. 1-3, який відрізняється тим, що проміжний електрод (13) ізольований від стінки ВЧ об'ємного резонатора (11) із усуненням 4 UA 108874 C2 5 10 15 20 прискорювальної дії на пучок (15) частинок ВЧ поля, утвореного в проміжному електроді (13) під час роботи ВЧ об'ємного резонатора (11). 5. ВЧ об'ємний резонатор за п. 4, який відрізняється тим, що проміжний електрод (13) через провідне з'єднання (17, 23, 25) таким чином зв'язаний зі стінкою ВЧ об'ємного резонатора (11), що провідне з'єднання (17, 23, 25) має високий імпеданс на робочій частоті ВЧ об'ємного резонатора (11), із забезпеченням ізоляції проміжного електрода (13) від стінки об′ємного ВЧ резонатора (11) і усуненням прискорювальної дії на пучок (15) частинок ВЧ поля, утвореного в проміжному електроді (13) під час роботи ВЧ об'ємного резонатора. 6. ВЧ об'ємний резонатор за п. 5, який відрізняється тим, що провідне з'єднання включає ділянку (25) провідника, виконану спіральною. 7. ВЧ об'ємний резонатор за будь-яким з пп. 1-6, який відрізняється тим, що проміжний електрод (13) встановлений в опорі рухомим чином, зокрема, за допомогою пружної опори. 8. ВЧ об'ємний резонатор за будь-яким з пп. 1-7, який відрізняється тим, що матеріал проміжного електрода (13) включає хром, ванадій, титан, молібден, тантал і вольфрам. 9. ВЧ об'ємний резонатор за будь-яким з пп. 1-8, який відрізняється тим, що проміжний електрод (13) має форму кільцевого диска з центральним отвором. 10. ВЧ об'ємний резонатор за будь-яким з пп. 1-9, який відрізняється тим, що декілька проміжних електродів (13) розміщено у напрямі пучка один за одним. 11. Прискорювач для прискорення заряджених частинок з ВЧ об'ємним резонатором (11) за будь-яким з пп. 1-10. 5 UA 108874 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6