МНОГОСЕКЦИОННЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ СВЧ Российский патент 1994 года по МПК H05H9/00 

Изобретение относится к устройствам для ускорения потоков заряженных частиц, в частности электронов, при помощи сверхвысокочастотных (СВЧ) полей, и может быть использовано для радиационной обработки различных изделий, а также для научных исследований.

Известны ускорители, в частности линейные ускорители электронов и ионов, обеспечивающие увеличение энергии потока электронов за счет СВЧ-энергии, получаемой ими от таких ее источников как клистроны и магнетроны. Для сообщения потоку большой энергии ускорители делают многосекционными. Каждая секция (ускоряющая электродинамическая структура) такого ускорителя питается от своего отдельного источника СВЧ-энергии, например клистрона. Все клистроны через фазовращатели соединены между собой линией связи [1]. При этом возникает задача синхронизации работы всех клистронов и секций. Для обеспечения режима ускорения высокочастотное поле во всех ускоряющих секциях должно быть взаимосвязано с высокой степенью точности. При большом числе секций, большой длине волноводных трактов и линий связи, соединяющих их и клистроны между собой, решение этой задачи сильно осложнено и ведет, в частности, к необходимости термостабилизации всех элементов СВЧ-системы с целью сохранения неизменной их электрической длины. По этой же причине возникает требование к стабильности источников питания клистронов, а величину тока ускоряемых электронов не удается изменять в широких пределах.

Известна система питания линейного ускорителя от магнетрона [2], в которой каждая секция своим входом соединена через фазовращатель с выходом магнетрона. Здесь в качестве основного элемента, обеспечивающего фазировку секций, используется сам ускоряемый электронный поток. При этом сигнал, наводимый модулированным ускоряемым потоком в секции, осуществляет захватывание частоты магнетрона и его автосинхронизацию в такой фазе, что выходной сигнал магнетрона обеспечивает ускорение синхронизирующего электронного потока.

Недостатками этой системы являются использование в ней самовозбуждающегося генератора - магнетрона, требующего для обеспечения режима захватывания точной настройки собственной частоты магнетрона на частоту модуляции потока; критичность системы к величине ускоряемого тока, определяющего полосу захвата, а также зависимость фазовой настройки ускорителя (взаимное фазовое расположение поля ускоряющей волны в секции потока) от тепловых и прочих уходов частоты магнетрона.

Цель изобретения - повышение стабильности работы ускорителя при автосинхронизации секций ускоряемым электронным потоком.

Сущность технического решения заключается в том, что в многосекционный ускоритель, каждая секция которого своим входом соединена с выходом СВЧ-усилителя, введен дополнительный задающий резонатор, расположенный перед каждой ускоряющей секцией и связанный с электронным потоком, при этом вывод энергии резонатора через элементы волноводного тракта соединен с входом СВЧ-усилителя.

Технический результат. Ввиду того, что все элементы ускорителя - ускорительная секция, клистрон, задающий генератор - могут быть осуществлены достаточно широкополосными, нестабильность их частотных свойств или нестабильность частоты модуляции потока не приводит к срыву рабочего режима системы. Широкополосность названных элементов хорошо изучена, поддается расчету и осуществима на практике.

Дополнительный технический результат.

Возможность регулировки в широких пределах величины выходного рабочего тока и энергии ускорителя. Расширение диапазона регулировки тока достигается применением ограничителей во входной цепи клистрона, благодаря чему осуществляется оптимальный режим работы клистрона при изменении тока. При уменьшении тока ускорителя и постоянной мощности на выходе клистрона можно получить увеличение энергии электронов.

Упрощается настройка и эксплуатация многосекционного ускорителя из-за отсутствия необходимости вести какую-либо взаимную фазовую или частотную настройку секций и питающих их СВЧ-устройств. Все элементы секции совместно с элементами ее питания (клистрон) могут быть настроены отдельно и независимо. Если такая секция (ускорительно-усилительный модуль) настроена в полосе частот, включающей в себя частоту модуляции ускоряемого потока, никаких настроек не требуется.

На фиг.1 изображен предлагаемый ускоритель; на фиг.2 - одна секция ускорителя со схемой ее питания на основе использования клистронного СВЧ-усилителя с большим коэффициентом усиления (50 дБ).

Ускоритель содержит секцию 1 с каналом 2 для прохода электронного потока. Каждая секция подсоединена к соответствующему СВЧ-усилителю 3, который соединен через фазовращатель 4 с дополнительно введенным задающим резонатором 5, расположенный перед каждой секцией 1, причем вывод энергии резонатора 5 соединен через фазовращатель 4 с входом 6 СВЧ-усилителя, выход которого 7 подключен к входу секции 1.

Вывод энергии резонатора 5 подсоединен к входу 6 клистрона через последовательно соединенные между собой СВЧ-ограничитель 8, аттенюатор 9 и фазовращатель 4. Выход 7 усилителя через фазовращатель 10 подсоединен к входу ускорительной секции.

Рабочий режим устройства осуществляется следующим образом.

На вход ускорительной секции 1 поступает модулированный электронный поток. Модуляция потока осуществляется при предварительном его ускорении традиционными методами. Модулированный и предварительно ускоренный электронный поток, проходя через задающий резонатор 5, настроенный на частоту модуляции, частично тормозится в нем. Мощность из резонатора 5 поступает на вход 6 усилительного клистрона 3. Клистрон 3, питаемый источником анодного напряжения, осуществляет усиление этого сигнала. Выходная мощность с выхода 7 клистрона поступает в ускорительную секцию 1 и используется для сообщения потоку дополнительной энергии. Ограничитель 8, аттенюатор 9, фазовращатели 4 и 10 обеспечивают выбор оптимальной фазы нагрузки для клистрона. Фазовращатель 4 обеспечивает необходимые для работы ускорителя фазовые соотношения между волной, движущейся вдоль ускорительной секции, и электронным потоком. Правильный выбор этого фазового соотношения обеспечивает как режим ускорения, так и режим автофазировки. Аттенюатор 9 и ограничитель 8 позволяют оптимизировать режим работы клистрона по входному сигналу и стабилизировать выбранный режим при изменении тока электронного потока.

Изобретение относится к устройствам для ускорения заряженных частиц при помощи СВЧ-полей и может быть использовано для радиационной обработки изделий и материалов. Сущность изобретения заключается в том, что в многосекционный ускоритель, каждая из W(n > 1) секций которого своим входом соединена с выходом своего СВЧ-усилителя, введены n дополнительных тормозящих резонаторов, расположенных перед каждой ускоряющей секцией и связанных с электронным потоком. Выводы энергии резонаторов через элементы волноводного тракта соединены с входом соответствующего СВЧ-усилителя. 2 ил.

МНОГОСЕКЦИОННЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ СВЧ, состоящий из n(n > 1) соосно расположенных ускоряющих секций, вход которых соединен с выходом своего СВЧ-усилителя, отличающийся тем, что в него введены n дополнительных тормозящих резонаторов, каждый из которых расположен перед соответствующей ускоряющей секцией соосно с ней, причем выход каждого из резонаторов соединен с входом соответствующего СВЧ-усилителя.