Ускоряющие резонаторы являются ключевым элементом современных линейных и кольцевых ускорителей частиц. Их основная задача — создание высокочастотного электромагнитного поля, которое синхронно ускоряет частицы, поддерживая нужную фазу движения. Резонаторы представляют собой замкнутые или частично замкнутые металлические полости, в которых устанавливается резонансная стоячая волна электромагнитного поля.
Ключевой параметр резонатора — резонансная частота, определяемая геометрией полости и распределением полей внутри неё. Для эффективного ускорения частиц необходимо, чтобы частота ускоряющего поля совпадала с требуемой гармоникой движения частиц, что обеспечивает стабильную передачу энергии.
Накопительные (cavity-type) резонаторы Эти структуры обеспечивают постепенное накопление энергии в форме электромагнитной волны. Основной формой является цилиндрическая полость, где происходит формирование TM- или TE-режимов поля. Для ускорения заряженных частиц чаще всего используют TM010-режим, где электрическое поле направлено вдоль оси полости.
Многоячейковые резонаторы Многоячейковые структуры состоят из серии последовательно соединённых полостей, между которыми имеются щели для передачи энергии. Такая конструкция позволяет создавать двигающуюся волну ускоряющего поля, что особенно эффективно для релятивистских частиц. Ключевым параметром является коэффициент ускорения, который характеризует эффективность передачи энергии от поля к частице.
Резонаторы с бегущей волной В отличие от стоячих волн, бегущая волна распространяется вдоль оси структуры и ускоряет частицы, находящиеся в синхронной фазе с волной. Такие резонаторы применяются преимущественно для сверхрелятивистских электронов, где требуется высокая градиентная напряжённость поля.
Форма и размеры резонатора напрямую влияют на его резонансную частоту и распределение поля. Основные элементы конструкции:
Особое внимание уделяется коэффициенту качества Q, который показывает, насколько эффективно резонатор сохраняет энергию поля. Высокий Q важен для уменьшения потерь и повышения градиента ускоряющего поля.
Для изготовления резонаторов используют материалы с высокой проводимостью:
Технологические решения включают точное механическое фрезерование, вакуумное напыление, полировку поверхностей для уменьшения токов смещения и минимизации разрядов.
Энергия, передаваемая частице, определяется интегралом ускоряющего электрического поля вдоль траектории:
ΔW = q∫Ez(z) dz
где q — заряд частицы, Ez(z) — продольная компонента электрического поля вдоль оси резонатора.
Для максимального ускорения важно соблюдать фазовую синхронизацию: частица должна входить в резонатор в момент максимума электрического поля. Нарушение фазовой синхронизации приводит к снижению эффективности ускорения или даже к торможению частицы.
Энергия электромагнитного поля частично рассеивается на стенках резонатора из-за конечной проводимости материала. Основные меры оптимизации:
Эти параметры тесно связаны между собой, и проектирование резонаторов требует комплексного подхода, учитывающего как электромагнитные свойства, так и динамику ускоряемых частиц.