Ускоритель электронов с бегущей волной

Пусть электромагнитная волна имеет компонент Еz электрического поля вдоль направления распространения – z. Такая волна не может существовать в свободном пространстве, но может распространяться в волноводе или в некоторых средах.

Рассмотрим воздействие такой волны на покоящийся электрон. Электрон окажется в переменном электрическом поле и будет совершать колебательное движение вдоль оси z со скоростью

                                                           .                                                    (7.2)

Среднее по времени значение скорости равно нулю. Пусть теперь электрон движется вдоль оси z со скоростью, малой по сравнению с фазовой скоростью волны. Тогда опять на длине взаимодействия L >> l скорость электрона под действием поля не изменится.

Пусть теперь электрон движется из точки z1 в точку z2 (z2 – z1 = L) со скоростью, равной фазовой скорости волны. На рис. 7.6. показано распределение продольного компонента поля Ez вдоль оси z в моменты времени t1, t2 и t3. Если электрон в момент времени t1 попал в ускоряющую фазу (см. рис. 7.6), то он будет ускоряться и в моменты времени t2 и t3 до тех пор, пока за счет разности скоростей электрона и волны он не попадет в другую фазу волны. Путь, на котором происходит ускорение, может значительно превышать длину волны (L >> l).

Рис. 7.6. Электрон в ускоряющей фазе волны

На этом принципе может работать ускоритель частиц (рис. 7.7). Процесс ускорения заканчивается, когда электрон попадает в тормозящую фазу волны из-за того, что его скорость стала больше фазовой скорости волны. Можно сделать так, чтобы фазовая скорость волны возрастала вдоль направления движения электрона (например, за счет изменения поперечных размеров волновода), тогда процесс ускорения электрона может быть длительным.

Пусть теперь на вход волновода поступает пучок электронов со скоростью, равной фазовой скорости волны. Тогда электроны пучка, попавшие на входе волновода в ускоряющую фазу, будут ускоряться, а электроны в замедляющей фазе – замедляться. В результате на некоторой длине взаимодействия все электроны соберутся в сгустки, которые будут двигаться в фазе волны, где электрическое поле равно нулю. В результате энергия от пучка к волне передаваться не будет, работа поля над электронами равна нулю. Если же скорость электронов превышает фазовую скорость волны, то на некоторой длине сгустки электронов будут формироваться в фазе замедляющего поля. Некоторое время после образования сгустка все электроны пучка будут двигаться в тормозящей фазе и передавать свою энергию волне. Затем начнется обратный процесс передачи энергии от волны к пучку. Таким образом, если скорость пучка превышает фазовую скорость волны и длина взаимодействия специально подобрана, то возможна передача энергии от пучка к волне.

Рис. 7.7. Схематическое изображение ускорителя с бегущей волной 1 – электронная пушка, 2 – электромагнитная волна от генератора, 3 – волновод, 4 – сгустки электронов, 5 – отвод неиспользуемой мощности в нагрузку.

Электроны вводятся в диафрагмированный волновод 3 с помощью высоковольтной электронной пушки 1. Режим инжекции – импульсный; энергия инжекции составляет обычно 30–100 кэВ. Двигаясь вдоль волновода, электроны непрерывно наращивают энергию. В конце волновода электроны сталкиваются с мишенью или выводятся наружу через специальные окна. В конце ускорителя неиспользованная мощность СВЧ-колебаний бегущей волны отводится в поглощающую нагрузку. Ускоритель работает при непрерывной откачке. Для сохранения радиальных размеров электронного пучка в требуемых пределах обычно применяют длинные магнитные линзы.

В настоящее время на смену гигантским линейным ускорителям пришли циклические, позволяющие достичь еще большей энергиичастиц.

Циклические ускорители