ИЗЛУЧАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 2006 года по МПК H05H9/00 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к импульсным высокочастотным (ВЧ) излучателям электронов, выполненным на основе линейных высокочастотных ускорителей электронов, и может быть использовано в аппаратах для радиационной технологии.

Известен высокочастотный ускоритель электронов, содержащий вакуумированный четвертьволновый коаксиальный резонатор, электронную пушку (инжектор электронов) и размещенные в анодном баке вне вакуумной полости резонатора источник высокочастотной мощности в виде генераторной лампы и элемент связи лампы с резонатором [1]. Ускоритель предназначен для использования в качестве рентгеновского излучателя, поэтому он снабжен мишенью, установленной на свободном торце внутреннего проводника резонатора напротив катода электронной пушки. Внутренний проводник резонатора вакуумноплотно соединен с его внешним проводником с помощью высоковольтного изолятора. Анод лампы непосредственно соединен с внутренним проводником резонатора, что обеспечивает эффективный теплоотвод от этого узла с помощью системы жидкостного охлаждения. В конструкции ускорителя применена емкостная связь анода лампы с резонатором, что предотвращает возможность паразитного самовозбуждения генераторной лампы на частоте контура связи, образованного распределенными параметрами анода лампы и анодным баком. Таким образом, значительно повышается устойчивость работы генераторной лампы на рабочей частоте, определяемой высокодобротным коаксиальным резонатором, и повышается надежность работы ускорителя. Для обеспечения самовозбуждения генераторной лампы на рабочей частоте в конструкции предусмотрен элемент емкостной обратной связи катодного контура с анодом лампы.

Известен высокочастотный ускоритель электронов, отличающийся от предыдущего аналога тем, что элемент связи генераторной лампы с четвертьволновым резонатором размещен в вакуумной полости резонатора и закреплен на удаленном от пушки конце внутреннего проводника резонатора [2]. Конструкция имеет более высокую электрическую прочность, уменьшенные поперечные габариты и вес элемента связи, а также повышенную устойчивость и надежность работы ускорителя на частоте резонатора. Ускоритель, как и предыдущий аналог, может быть выполнен в виде отпаянного малогабаритного переносного устройства и использован в качестве портативного рентгеновского аппарата.

Прототипом изобретения является излучатель электронов, выполненный на основе высокочастотного импульсного линейного ускорителя электронов [3]. Излучатель электронов содержит полуволновый коаксиальный резонатор, высокочастотную генераторную лампу на основе триода, элемент связи лампы с резонатором, инжектор электронов и устройство для вывода электронов из вакуума в атмосферу. Резонатор состоит из двух половин, частично входящих друг в друга и размещенных внутри вакуумированного резонаторного бака. Генераторная лампа размещена в вакуумированном анодном баке, установленном с внешней стороны резонаторного бака, причем ось лампы смещена относительно оси резонатора. Полости резонаторного и анодного баков образуют единый вакуумный объем. Элемент связи анодного контура лампы и резонатора выполнен в виде петли, размещенной в резонаторе. Резонатор содержит первый и второй полые внутренние проводники, расположенные соосно и отделенные друг от друга ускоряющим высокочастотным зазором. В полости первого внутреннего проводника со стороны его свободного торца размещен инжектор электронов, катод которого обращен в сторону торца второго внутреннего проводника. Основание второго внутреннего проводника соединено с удаленной от лампы торцевой стенкой резонатора и обращено в сторону устройства для вывода электронов, с помощью которого ускоренный поток электронов разворачивается магнитным полем и выпускается через фольговое окно в атмосферу. Рабочая частота генераторной лампы около 100 МГц. Максимальная энергия ускоренных электронов 2 МэВ. Средняя мощность электронного потока до 20 кВт. КПД ˜20%.

Конструкция прототипа имеет значительные габариты и массу, низкий КПД, невысокую надежность и долговечность, а также нестабильность режима ускорения, что обусловлено следующими причинами.

Выполнение резонатора составным из двух отделенных зазорами половин приводит к увеличению высокочастотных потерь, снижению добротности резонатора и снижению КПД. Размещение лампы с внешней стороны резонатора, а также смещение лампы от оси резонатора уменьшает величину связи лампы с резонатором и снижает КПД.

Излучатель электронов имеет значительные поперечные размеры, определяемые в основном задаваемой рабочей частотой резонатора, и увеличенные продольные размеры, обусловленные размещением генераторной лампы за пределами резонатора. По этим же причинам, а также из-за того, что резонатор помещен в громоздкий резонаторный бак, излучатель электронов имеет значительную массу. Кроме того, для эффективной работы излучателя электронов при невысоком КПД требуются громоздкие и электроемкие источники питания, что также увеличивает габариты и массу устройства в целом.

Излучатель электронов данной конструкции имеет двухконтурную систему связи, что может привести к возможности паразитного самовозбуждения генераторной лампы на частоте контура связи и к неустойчивой работе лампы на рабочей частоте резонатора, что снижает надежность и стабильность работы излучателя электронов.

Конструкция содержит ряд элементов с пониженной прочностью (например, поддерживающие резонатор опоры), что снижает вибропрочность и ударопрочность всей конструкции.

Резонатор разделен на две половины, что снижает его добротность. Наличие малых зазоров между половинами резонатора и между резонатором и резонаторным баком ограничивает электрическую прочность из-за возможности пробоев, что также приводит к снижению надежности и долговечности излучателя электронов.

Задачей изобретения является создание компактной высокоэнергетичной с высоким КПД и повышенной устойчивостью к пробоям конструкции излучателя электронов, обладающей увеличенной надежностью и долговечностью, пригодной для промышленного производства и эксплуатации.

Предлагаемый излучатель электронов обеспечивает формирование высокоэнергетичного потока электронов с КПД не менее 30% на рабочей частоте ˜300 МГц, имеет уменьшенные (˜ в три раза) по сравнению с прототипом поперечные размеры, уменьшенную длину, повышенную электрическую прочность. Излучатель обладает повышенной надежностью и долговечностью, позволяет создать технологичную отпаянную конструкцию, пригодную для изготовления на ее основе как стационарных, так и мобильных (переносных или перевозимых на транспорте) устройств для радиационной технологии.

Предлагается излучатель электронов, содержащий вакуумированный полуволновый коаксиальный резонатор, генератор высокочастотной мощности, элемент связи генератора с резонатором и размещенное соосно с резонатором устройство для вывода электронов, резонатор содержит первый и второй полые внутренние проводники, распложенные соосно и отделенные друг от друга высокочастотным зазором, в полости первого внутреннего проводника со стороны его свободного торца размещен инжектор электронов, катод которого обращен в сторону торца второго внутреннего проводника, основание второго внутреннего проводника обращено в сторону устройства для вывода электронов и соединено с торцевой стенкой резонатора, при этом генератор высокочастотной мощности выполнен в виде высокочастотного тетрода, содержащего тетродную пушку и коаксиально окружающий ее радиальный анод, размещенные в полости резонатора между первым внутренним проводником и торцевой стенкой резонатора соосно резонатору, первый внутренний проводник соединен с радиальным анодом и жестко скреплен с внешним проводником резонатора с помощью размещенного между ними опорного диэлектрического изолятора, элемент связи выполнен в виде закрепленной на радиальном аноде полой проводящей торообразной насадки, коаксиально окружающей анод.

В предлагаемом излучателе электронов опорный изолятор выполнен в виде расположенного соосно с резонатором полого усеченного конуса, большее основание которого обращено в сторону тетродной пушки.

В предлагаемом излучателе электронов с внешней стороны радиального анода размещены рубашки охлаждения.

В предлагаемом излучателе электронов второй внутренний проводник выполнен в виде полого усеченного конуса, большее основание которого обращено в сторону устройства для вывода электронов.

В предлагаемом излучателе электронов между полуволновым коаксиальным резонатором и устройством для вывода электронов соосно размещен, по крайней мере, один дополнительный полуволновый коаксиальный резонатор, который содержит соосно расположенные первый и второй полые внутренние проводники, отделенные друг от друга высокочастотным зазором, в общей торцевой стенке каждой пары смежных резонаторов выполнен элемент связи резонаторов, при этом излучатель электронов снабжен системой магнитной реверсивной фокусировки, размещенной с внешней стороны резонаторов.

В предлагаемом излучателе электронов элемент связи резонаторов выполнен в виде двойной петли.

В предлагаемом излучателе электронов устройство для вывода электронов содержит фольговое окно, встроенное в торцевую стенку резонатора и вакуумноплотно соединенное с ней.

В предлагаемом излучателе электронов устройство для вывода электронов содержит фольговое окно, вакуумноплотно соединенное с большим торцом проводящего раструба, установленного снаружи резонатора и соединенного с ним через отверстие в торцевой стенке.

В отличие от прототипа, имеющего рабочую частоту 100 МГц, предлагаемый излучатель электронов работает на частоте 300 МГц, что позволяет значительно (примерно в три раза) сократить его поперечные размеры.

Использование в предлагаемом излучателе электронов полуволнового коаксиального резонатора позволяет (как и в прототипе) вдвое увеличить энергию электронов по сравнению с конструкцией на основе четвертьволновых резонаторов.

В предлагаемой конструкции отсутствуют отдельные баки или корпуса для размещения в них резонатора и генератора. Тетродная пушка и радиальный анод генератора высокочастотной мощности установлены непосредственно в вакуумированной полости резонатора, единый внешний проводник которого образует боковую стенку корпуса излучателя, что ведет к сокращению продольных и поперечных габаритов излучателя и уменьшению его массы. Резонатор имеет более высокую (до 5·10³) добротность и повышенную устойчивость к электрическим пробоям.

Элемент связи (торообразная насадка) электрически соединен с анодом генератора и первым внутренним проводником резонатора. Необходимая величина емкости связи набирается в основном в емкостном зазоре между элементом связи и близлежащими стенками резонатора, образующими в совокупности протяженный конденсатор. Выполнение элемента связи в виде полой торообразной насадки, окружающей радиальный анод, позволяет получить достаточную длину суммарного емкостного зазора между соединенной с анодом насадкой и стенками резонатора, образованными внешним проводником и торцом резонатора, что обеспечивает необходимую величину емкости связи генератора с резонатором и, следовательно, высокий КПД. Такая конструкция позволяет получить заданную ширину ВЧ зазоров между внутренними и внешними проводящими элементами резонатора для обеспечения необходимой электрической прочности.

Использованный в качестве генератора ВЧ тетрод имеет в отличие от триода дополнительную (экранную) сетку, которая защищает катод от пробоев, что увеличивает его долговечность. Радиальная конструкция ВЧ тетрода позволяет иметь увеличенную площадь катода, следовательно, с него можно снимать увеличенный ток и обеспечить более высокую мощность генератора и излучателя в целом. Соосное размещение тетродной пушки, радиального анода и резонатора также увеличивает емкостную связь генератора с резонатором, что повышает эффективность передачи высокочастотной энергии от генератора к резонатору и КПД излучателя электронов.

Размещенный в полости резонатора опорный диэлектрический изолятор выполняет одновременно несколько функций:

- обеспечивает подачу на анод потенциала, отличного от потенциала внешнего проводника резонатора,

- является элементом крепления первого внутреннего проводника резонатора с размещенным в его полости инжектором электронов и анода с насадкой к внешнему проводнику резонатора,

- является элементом емкостной связи генератора с резонатором,

- является окном связи между основной полостью резонатора, включающей первый и второй внутренние проводники резонатора, и дополнительной полостью резонатора, включающей генератор с элементом связи.

Основная и дополнительная полости резонатора образуют единый вакуумный объем и соединены друг с другом через сквозные отверстия в элементах, соединяющих диэлектрический изолятор с проводниками резонатора. Требуемая величина вакуума в едином вакуумном объеме резонатора может поддерживаться, например, с помощью миниатюрного встроенного насоса, подсоединенного к той или иной полости резонатора. При этом генератор возбуждает весь объем резонатора.

Конусная форма диэлектрического изолятора увеличивает его механическую жесткость и позволяет, во-первых, удалить внутренние проводники резонатора от внешнего проводника на достаточное расстояние, обеспечивающее требуемую электрическую прочность, во-вторых, предотвратить возможность возникновения скользящего электрического разряда по поверхности изолятора, что характерно для изоляторов, выполненных, например, в виде шайбы или цилиндра.

Радиальный анод ВЧ тетрода соединен с первым внутренним проводником резонатора, что позволяет получить высокую теплопроводность этого узла, на котором происходит основное выделение тепла в излучателе, и обеспечить эффективное охлаждение его с помощью жидкости, подаваемой в рубашки охлаждения, которые размещены с внешней стороны радиального анода. Это дает возможность использовать в излучателе более мощный ВЧ тетрод.

Выполнение второго внутреннего проводника в виде полого усеченного конуса предотвращает оседание на его поверхности электронного потока, расходящегося под действием пространственного заряда, в результате чего не требуется применение дополнительной магнитной фокусировки электронного потока.

Введение в конструкцию излучателя электронов дополнительных полуволновых коаксиальных резонаторов позволяет последовательно наращивать энергию ускоренных электронов и получать на выходе излучателя высокоэнергетичные электронные потоки. Элемент связи, выполненный в виде двойной петли, обеспечивает конструктивно простую индуктивную связь между смежными резонаторами. Фокусировка электронного потока обеспечивается системой магнитной реверсивной фокусировки.

Использование в устройстве для вывода электронов окна из тонкой металлической фольги обеспечивает эффективный вывод электронного потока из вакуумного объема в атмосферу. Для получения на выходе излучателя более широкого электронного потока устройство для вывода электронов снабжают раструбом для развертывания электронов с помощью внешнего магнитного поля.

Генератор высокочастотной мощности (ВЧ тетрод) охвачен цепью обратной связи и представляет собой автогенератор. При этом полуволновый коаксиальный резонатор является одновременно анодным резонатором ВЧ тетрода и ускоряющим резонатором излучателя электронов.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена конструкция однорезонаторного излучателя электронов.

На фиг.2 изображена конструкция трехрезонаторного излучателя электронов.

Излучатель электронов, показанный на фиг.1, содержит следующие элементы:

1 - полуволновый коаксиальный резонатор,

2 - ускоряющий высокочастотный зазор,

3 - внешний проводник коаксиального резонатора,

4 - первый внутренний проводник коаксиального резонатора,

5 - второй внутренний проводник коаксиального резонатора,

6, 7 - торцевые стенки коаксиального резонатора,

8 - фольговое окно устройства для вывода электронов,

9 - опорная решетка фольгового окна устройства для вывода электронов,

10 - катод инжектора электронов,

11 - сетка инжектора электронов,

12 - изолятор катода инжектора электронов,

13 - изолятор сетки инжектора электронов,

14 - катодная ножка ВЧ тетрода,

15 - подогреватель катода ВЧ тетрода,

16 - катод ВЧ тетрода,

17 - управляющая сетка ВЧ тетрода,

18 - экранная сетка ВЧ тетрода,

19 - радиальный анод ВЧ тетрода,

20 - изолятор вывода анода ВЧ тетрода,

21 - торообразная насадка,

22 - отверстия в торообразной насадке,

23 - рубашки охлаждения,

24 - трубки для ввода/вывода охлаждающей жидкости,

25 - опорный диэлектрический изолятор,

26 - отверстия для соединения вакуумных полостей резонатора.

Катодная ножка 14 ВЧ тетрода встроена в торцевую стенку 7 резонатора 1. На размещенной в вакуумной полости резонатора части катодной ножки закреплены электрически изолированные друг от друга с помощью диэлектрических изоляторов концентрично установленные подогреватель 15, катод 16, управляющая 17 и экранная 18 сетки ВЧ тетрода. При этом экранная сетка 18 электрически соединена с торцевой стенкой 7. В качестве катода инжектора может быть использован автокатод. Выступающая за пределы резонатора в атмосферу часть катодной ножки снабжена концентрично расположенными выводами подогревателя, катода и сеток ВЧ тетрода, что удобно для подсоединения к ним коаксиальных разъемов внешних устройств, в том числе разъемов источников питания и цепи обратной связи.

Система охлаждения анода тетрода включает рубашки охлаждения 23 и трубки для ввода/вывода охлаждающей жидкости 24, которые используют одновременно и как вывод анода. При этом торообразная насадка 21 охватывает рубашки охлаждения. Для выравнивания давления внутри и снаружи насадки в ней выполнены сквозные отверстия 22.

Катодная ножка 14 ВЧ тетрода и опорная решетка 9 с фольговым окном 8 устройства для вывода электронов вакуумноплотно закреплены (например, путем сварки или пайки) в торцевых стенках 7 и 6 соответственно. Первый внутренний проводник 4 резонатора 1, размещенный в полости проводника 4 инжектор электронов и радиальный анод 19 с торообразной насадкой 21 жестко скреплены друг с другом и образуют единый узел, который с помощью опорного диэлектрического изолятора 25 жестко закреплен во внешнем проводнике 3 резонатора 1. Второй внутренний проводник 5 жестко скреплен с торцевой стенкой 6. Такая конструкция обеспечивает высокую механическую прочность и виброустойчивость излучателя электронов.

Излучатель электронов, показанный на фиг.2, дополнительно содержит следующие элементы:

27, 28 - первый и второй дополнительные полуволновые коаксиальные резонаторы,

29, 30 - первый и второй внутренние проводники первого дополнительного коаксиального резонатора,

31, 32 - первый и второй внутренние проводники второго дополнительного коаксиального резонатора,

33 - двойная петля индуктивной связи,

34 - проводящий раструб устройства для вывода электронов,

35 - магниты системы магнитной реверсивной фокусировки,

36 - магнитная система для развертывания электронного потока.

Излучатель электронов, изображенный на фиг.1, работает следующим образом.

На подогреватель катода 15 ВЧ тетрода подают ток накала катода, на управляющую сетку 17 и анод 19 подают соответствующие сеточное и анодное напряжения. Катод 16 ВЧ тетрода эмитирует электроны, которые проходят через управляющую 17 и экранную 18 сетки и попадают на радиальный анод 19. При этом возбуждается автогенератор и на ускоряющем ВЧ зазоре 2, образованном торцами внутренних проводников 4, 5 резонатора, возникает напряжение высокочастотных колебаний. Включают инжектор электронов. С катода 10 инжектора электронов выходит электронный поток, проходит через сетку 11 и ускоряется в ВЧ зазоре 2 резонатора 1. Далее ускоренный электронный поток проходит через полость второго внутреннего проводника 5 резонатора 1 и выводится в атмосферу через фольговое окно 8.

Излучатель электронов, изображенный на фиг.2, работает следующим образом.

Также как в излучателе электронов, показанном на фиг.1, полуволновый коаксиальный резонатор 1 возбуждают встроенным ВЧ тетродом. Электронный поток, эмитируемый инжектором электронов, ускоряется в ВЧ зазоре 2. Затем он проходит через соединенные вместе второй внутренний проводник 5 резонатора 1 и первый внутренний проводник 29 первого дополнительного резонатора 27, проходит через ВЧ зазор резонатора 27 и дополнительно ускоряется в нем. Ускоренный электронный поток проходит через соединенные вместе второй внутренний проводник 30 резонатора 27 и первый внутренний проводник 31 второго дополнительного резонатора 28, проходит через ВЧ зазор резонатора 28 и ускоряется в нем. Далее электронный поток проходит через полость второго внутреннего проводника 32 резонатора 28, входит в проводящий раструб 34 устройства для вывода электронов, где он разворачивается посредством магнитного поля внешнего магнита 36, и выводится в атмосферу через фольговое окно 8.

Предлагаемая конструкция излучателя электронов позволяет сократить его габариты и массу, значительно повысить КПД, обеспечить стабильность режима ускорения и устойчивость к пробоям, а также повысить надежность и долговечность. Конструкция технологична в изготовлении и эксплуатации.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №776529, МКИ: Н 05 Н 9/00, опубл. 07.01.1982 г.

2. Авторское свидетельство СССР №1186063, МКИ: Н 05 Н 9/00, опубл. 30.03.1984 г.

3. Абрамян Е.А. «Промышленные ускорители электронов», М.: Энергоиздат, 1986, с.112-113.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к импульсным высокочастотным (ВЧ) излучателям электронов, выполненным на основе линейных высокочастотных ускорителей электронов, и может быть использовано в аппаратах для радиационной технологии. Излучатель электронов содержит размещенные соосно вакуумированный полуволновой коаксиальный резонатор, тетродную пушку с радиальным анодом, элемент связи генератора с резонатором в виде закрепленной на радиальном аноде полой проводящей торообразной насадки и устройство для вывода электронов. Первый и второй полые внутренние проводники резонатора расположены соосно и отделены друг от друга ВЧ зазором. В полости первого внутреннего проводника со стороны его свободного торца размещен инжектор электронов, катод которого обращен в сторону торца второго внутреннего проводника. Основание второго внутреннего проводника обращено в сторону устройства для вывода электронов и соединено с торцевой стенкой резонатора. Тетродная пушка и радиальный анод размещены между первым внутренним проводником и торцевой стенкой резонатора. Первый внутренний проводник соединен с радиальным анодом и жестко скреплен с внешним проводником резонатора с помощью размещенного между ними опорного диэлектрического изолятора. Технический результат заключается в формировании высокоэнергетичного потока электронов с КПД не менее 30% на рабочей частоте ˜300 МГц, имеет уменьшенные продольные размеры, повышенную электрическую прочность, надежность и долговечность. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Излучатель электронов, содержащий вакуумированный полуволновой коаксиальный резонатор, генератор высокочастотной мощности, элемент связи генератора с резонатором и размещенное соосно с резонатором устройство для вывода электронов, резонатор содержит первый и второй полые внутренние проводники, расположенные соосно и отделенные друг от друга высокочастотным зазором, в полости первого внутреннего проводника со стороны его свободного торца размещен инжектор электронов, катод которого обращен в сторону торца второго внутреннего проводника, основание второго внутреннего проводника обращено в сторону устройства для вывода электронов и соединено с торцевой стенкой резонатора, отличающийся тем, что генератор высокочастотной мощности выполнен в виде высокочастотного тетрода, содержащего тетродную пушку и коаксиально окружающий ее радиальный анод, размещенные в полости резонатора между первым внутренним проводником и торцевой стенкой резонатора соосно с резонатором, первый внутренний проводник соединен с радиальным анодом и жестко скреплен с внешним проводником резонатора с помощью размещенного между ними опорного диэлектрического изолятора, элемент связи выполнен в виде закрепленной на радиальном аноде полой проводящей торообразной насадки, коаксиально окружающей анод.2. Излучатель электронов по п.1, отличающийся тем, что опорный изолятор выполнен в виде расположенного соосно с резонатором полого усеченного конуса, большее основание которого обращено в сторону тетродной пушки.3. Излучатель электронов по п.1, отличающийся тем, что с внешней стороны радиального анода размещены рубашки охлаждения.4. Излучатель электронов по п.1, отличающийся тем, что второй внутренний проводник выполнен в виде полого усеченного конуса, большее основание которого обращено в сторону устройства для вывода электронов.5. Излучатель электронов по п.1, отличающийся тем, что между полуволновым коаксиальным резонатором и устройством для вывода электронов соосно размещен, по крайней мере, один дополнительный полуволновый коаксиальный резонатор, который содержит соосно расположенные первый и второй полые внутренние проводники, отделенные друг от друга высокочастотным зазором, в общей торцевой стенке каждой пары смежных резонаторов выполнен элемент связи резонаторов, при этом излучатель электронов снабжен системой магнитной реверсивной фокусировки, размещенной с внешней стороны резонаторов.6. Излучатель электронов по п.5, отличающийся тем, что элемент связи резонаторов выполнен в виде двойной петли.7. Излучатель электронов по п.1 или 5, отличающийся тем, что устройство для вывода электронов содержит фольговое окно, встроенное в торцевую стенку резонатора и вакуумно-плотно соединенное с ней.8. Излучатель электронов по п.1 или 5, отличающийся тем, что устройство для вывода электронов содержит фольговое окно, вакуумно-плотно соединенное с большим торцом проводящего раструба, установленного снаружи резонатора и соединенного с ним через отверстие в торцевой стенке.