СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОИМПУЛЬСНЫМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ЭНЕРГИИ И ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК H05H9/00 G01N23/04 

Изобретение относится к области физики пучков заряженных частиц и ускорительной техники, в частности к технологии ускорения электронов в импульсном линейном ускорителе с регулируемой энергией пучка, более конкретно к способу генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии и к конструкции линейного ускорителя электронов, предназначенного для досмотровых комплексов.

Импульсные линейные ускорители электронов широко применяются в таможенных досмотровых комплексах, предназначенных для контроля содержимого большегрузных контейнеров. Ускоренный пучок электронов фокусируется на тормозной мишени, установленной на выходе ускоряющей структуры, генерируемое тормозное излучение коллимируется, часть излучения, прошедшая досматриваемый объект, регистрируется линейкой детекторов. На основании сигналов детекторов реконструируется изображение содержимого объекта.

В последнее десятилетие интенсивно развиваются досмотровые комплексы, основанные на ускорителях электронов с поимпульсным переключением энергии и тока ускоренного пучка. Потребность в источниках тормозного излучения с энергией, переключаемой от импульса к импульсу между двумя или более значениями, обусловлена возможностью оценки с их помощью элементного состава досматриваемого объекта, а следовательно, детектирования определенных, например делящихся, материалов [Ogorodnikov, S.; Petrunin, V. (2002). "Processing of interlaced images in 4-10 MeV dual energy customs system for material recognition". Physical Review Special Topics - Accelerators and Beams 5 (104701)].

Практически все действующие ускорители для досмотровых комплексов, в частности наиболее широко используемые ускорители фирмы Varian Medical Systems Inc., (США, Whittum, D.H., Trail, M.E., Meddaugh, G.E., State of the art in medical and industrial linear-accelerator systems, Vacuum Electronics Conference, 2008. IVEC 2008. IEEE International, Publication Date: 22-24 April 2008, p.8-11) и ускорители фирмы Nuctech (КНР, Ch.Tang, H.Chen, Y.Liu, X.Wang, Low-Energy Linacs and their Applications in Tsinghua University, Proceedings of LINAC 2006, Knoxville, Tennessee USA, p.256-258), построены с использованием магнетрона в качестве источника СВЧ-мощности, что позволяет удовлетворить ряд важных требований к таким ускорителям - компактность, мобильность, относительно невысокая стоимость.

Важными требованиями к ускорителю для досмотрового комплекса, в том числе к ускорителю с поимпульсным переключением энергии, наряду с компактностью и малым весом являются низкий радиационный фон вне рабочей зоны, малый размер пучка на тормозной мишени, высокая стабильность энергии пучка и мощности дозы, возможность регулирования мощности дозы независимо для каждой энергии.

При реализации линейного ускорителя электронов с поимпульсным переключением энергии возникает ряд специфических проблем, обусловленных необходимостью изменения прироста энергии частиц по всей длине ускоряющей структуры или в ее части. В частности, возникают следующие проблемы.

1. При поимпульсном изменении энергии ускоренного пучка за счет изменения уровня ускоряющего поля в линейном ускорителе, в котором в качестве источника высокочастотной энергии используется магнетрон, необходимо изменять уровень генерируемой им высокочастотной мощности, что достигается поимпульсным изменением амплитуды импульса высокого напряжения, подаваемого на катод магнетрона. При изменении амплитуды импульса высокого напряжения изменяется частота колебаний, генерируемых магнетроном, что требует принятия специальных мер для компенсации рассогласования частоты высокочастотного сигнала и резонансной частоты ускоряющей структуры. Помимо этого, если вместе с переключением амплитуды импульса высокого напряжения не осуществляется поимпульсное переключение уровня магнитного поля магнетрона, последний работает в неоптимальном режиме со значительно суженным диапазоном переключения высокочастотной мощности, а следовательно, и энергии ускоренного пучка, что отрицательно сказывается на чувствительности метода детектирования веществ.

2. При поимпульсном изменении энергии ускоренного пучка за счет изменения уровня ускоряющего поля в линейном ускорителе, в котором в качестве источника высокочастотной энергии используется клистрон, изменение уровня усиливаемой им высокочастотной мощности достигается поимпульсным изменением амплитуды маломощного входного высокочастотного сигнала, имеющего постоянную частоту, при постоянной амплитуде импульса высокого напряжения, подаваемого на катод клистрона. По сравнению с магнетроном это обеспечивает более широкий диапазон переключения энергии, большую стабильность энергии ускоренного пучка и мощности дозы тормозного излучения. Однако используемые в настоящее время однолучевые клистроны имеют большие габариты и массу из-за фокусирующего соленоида, работают при высоком напряжении, требующем масляной изоляции, что значительно увеличивает размеры и стоимость ускорителей электронов, созданных на их основе.

Известен линейный ускоритель электронов, который может работать в режиме поимпульсного переключения энергии (RU 2282955 С2), содержащий источник электронов, сверхвысокочастотный генератор, устройства питания и управления, ускоряющую систему, которая содержит группирующую секцию со стоячей волной и ускоряющую секцию с бегущей волной, каждая из которых содержит связанные ячейки с трубками на оси для дрейфа пучка ускоряемых электронов и окнами на периферии для электромагнитной связи, при этом ускоритель содержит устройство ввода высокочастотной мощности, присоединенное к первой по ходу пучка ячейке ускоряющей секции, граничащей с последней ячейкой группирующей секции, и устройство вывода сверхвысокочастотной мощности, присоединенное к последней ячейке ускоряющей секции.

Поимпульсное регулирование энергии осуществляют посредством изменения тока ускоренных частиц, которое, предположительно, не должно влиять на амплитуду ускоряющего поля в группирующей части ускоряющей системы и за счет нагрузки током пучка уменьшать прирост энергии в ускоряющей части.

Главным недостатком предлагаемого варианта поимпульсного регулирования энергии пучка является взаимосвязь мощности дозы и энергии пучка, не позволяющая осуществлять независимое регулирование мощности дозы для каждого уровня энергии в отдельности.

Известна также схема линейного ускорителя электронов с поимпульсным переключением энергии (US 7,208,889 В2), содержащего:

- источник мощности, генерирующий электромагнитные волны;

- инжектор, производящий импульсы заряженных частиц;

- первую ускоряющую секцию, приспособленную для получения указанных импульсов заряженных частиц, для получения указанных электромагнитных волн и для передачи их энергии указанным импульсам частиц;

- вторую ускоряющую секцию, приспособленную для получения указанных импульсов заряженных частиц от указанной первой секции и для передачи энергии указанным импульсам заряженных частиц;

- фазовращатель, установленный между указанным источником мощности и указанной второй ускоряющей секцией, приспособленный для попеременного изменения фазы указанных электромагнитных волн и для доставки указанных электромагнитных волн в указанную вторую ускоряющую секцию в требуемой фазе.

Известно, что разбиение ускоряющей структуры на две секции с отдельными высокочастотными трактами существенно усложняет систему СВЧ-питания и вакуумную систему, требует сложной системы контроля и подстройки частоты каждой из секций.

Известен ускоритель электронов для генерации высокоэнергетического тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии тормозного излучения между двумя значениями и с независимым регулированием мощности дозы для каждого значения энергии, включающий источник тормозного излучения, систему высокочастотного питания, модулятор управляющего электрода электронной пушки, обеспечивающий поимпульсное переключение тока пучка электронной пушки; систему высоковольтного питания, систему охлаждения, контроллер ускорителя, консоль управления и тормозную мишень (US 7,130,371 В2). В этом устройстве источник тормозного излучения содержит инжектор, приспособленный для генерирования электронного пучка от первого импульса напряжения или второго импульса напряжения и передачи его к ускоряющей секции, приспособленной для формирования и ускорения импульсов электронного пучка с помощью импульсов электромагнитного сигнала.

Система высокочастотного питания включает, по крайней мере, два задающих генератора, приспособленных для производства импульсов первого электромагнитного сигнала первой частоты и импульсов второго электромагнитного сигнала второй частоты; коммутатор, приспособленный для передачи указанных импульсов электромагнитного сигнала первой частоты или указанных импульсов электромагнитного сигнала второй частоты, возбудитель и усилитель - клистрон для усиления амплитуды указанных импульсов электромагнитного сигнала.

Система высоковольтного питания содержит модулятор указанного усилителя, модулятор инжектора, приспособленный для генерации указанного первого импульса напряжения первой амплитуды и указанного второго импульса напряжения второй амплитуды и устройство синхронизации работы указанных модулятора инжектора и модулятора усилителя. Спектр излучения известного ускорителя пригоден для идентификации различных материалов.

Патент US 7,130,371 В2 защищает также способ, лежащий в основе указанного устройства.

Указанные устройство и способ позволяют от импульса к импульсу переключать уровень энергии ускоренного пучка и величину тока ускоренного пучка. В основе способа переключения энергии в указанном устройстве лежит зависимость фазовой скорости электромагнитной волны в ускоряющей структуре с бегущей волной от частоты электромагнитного сигнала. При увеличении частоты электромагнитного сигнала фазовая скорость электромагнитной волны и, следовательно, энергия ускоренного пучка уменьшаются.

В основе способа переключения тока ускоренного пучка лежит зависимость тока инжектора (трехэлектродной электронной пушки) от напряжения на управляющем электроде. При увеличении напряжения на управляющем электроде увеличивается ток пучка инжектируемого и ускоренного пучка.

Таким образом, переключая от импульса к импульсу одновременно частоту задающего генератора и величину напряжения на управляющем электроде, возможно обеспечить поимпульсное переключение верхней границы энергии излучения, генерируемого ускоренным электронным пучком на тормозной мишени, и обеспечить требуемую для данной энергии мощность дозы указанного излучения. Принципиальным для данного способа является использование ускоряющей структуры на бегущей волне и клистрона в качестве усилителя высокочастотного сигнала.

Недостатки устройства и способа, описанных в US 7,130,371 В2, заключаются в следующем. Использование ускоряющей структуры на бегущей волне исключает возможность создания компактного ускорителя, поскольку известно, что для достижения одинаковой энергии ускоренного пучка при одинаковой мощности СВЧ-источника (клистрона, магнетрона) длина ускоряющей структуры на бегущей волне должна быть примерно вдвое больше длины ускоряющей структуры со стоячей волной. Кроме того, ускоряющая структура на бегущей волне требует установки поверх ее начальной части громоздкого и потребляющего большую мощность соленоида для удержания и фокусировки пучка. Поскольку величина поля соленоида не может переключаться от импульса к импульсу, данные устройство и метод не позволяют получать одинаково хорошо сфокусированный пучок при высокой и низкой энергиях.

Ближайшим прототипом предлагаемого способа является способ генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии (US 2010/003856311), заключающийся в:

- последовательном снабжении первой входной высокочастотной мощностью и второй входной высокочастотной мощностью клистрона, при этом вторая входная высокочастотная мощность отличается от первой;

- последовательном усилении клистроном первых высокочастотных импульсов, имеющих первую мощность, и вторых высокочастотных импульсов, имеющих вторую мощность, отличную от первой мощности;

- последовательной передаче первых и вторых импульсов высокочастотной мощности резонаторам одного и того же ускорителя частиц;

- питании клистрона первой электрической мощностью;

- последовательном питании электронной пушки второй и третьей электрической мощностью, отличной от первой электрической мощности;

- создании и инжекции первого и второго пучков электронов в резонаторы ускорителя, при этом первый и второй пучки основаны, по крайней мере частично, на электрических мощностях, отличных от первой электрической мощности;

- последовательном ускорении инжектированных электронов до первой энергии и второй энергии, отличной от первой энергии, базирующихся, по крайней мере частично, на первом и втором импульсах высокочастотной мощности;

- последовательном столкновении первых и вторых токов ускоренных частиц с тормозной мишенью для генерации излучения, имеющего первую и вторую различные энергии и первую и вторую различные соответствующие мощности дозы.

Ближайшим прототипом предлагаемого устройства является источник радиации (US 2010/003856311), включающий:

- ускоряющую структуру для ускорения электронов;

- электронную пушку с возможностью переключения величины тока пучка от импульса к импульсу между двумя предустановленными значениями;

- тормозную мишень, расположенную на выходе ускорителя, попадание ускоренных электронов на которую вызывает генерацию излучения;

- систему высоковольтного питания;

- систему высокочастотного питания, содержащую клистрон для выборочного снабжения ускорителя, по крайней мере, первыми и вторыми импульсами высокочастотной энергии, имеющими первую и вторую различные частоты и возбудитель, поставляющий высокочастотную мощность клистрону;

- контроллер ускорителя, включающий контроллер частоты;

- систему охлаждения.

В основном варианте известных способа и устройства использован магнетрон, частота генерируемых колебаний которого может изменяться от импульса к импульсу вследствие изменения напряжения питающей электрической мощности, для обеспечения точности установки частоты используют контролирующие и корректирующие устройства. Этот принцип работы устройства автоматически перенесен на вариант схемы с клистроном в качестве источника мощности, что делает его без дополнительных уточнений неработоспособным. Конструкция клистрона не описана.

Недостатки известных способа генерации и источника радиации заключаются в необходимости переключения частоты источника ВЧ-мощности или использовании двух источников с различающимися частотами, что усложняет систему и снижает ее надежность, а использование обычного клистрона сопровождается применением соленоида и высоковольтного источника питания с напряжением свыше 100 кВ с соответствующим увеличением массы и габаритов устройства.

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в упрощении системы, уменьшении ее габаритов и повышении надежности работы источника радиации для досмотровых комплексов с поимпульсным переключением уровня энергии тормозного излучения между двумя значениями и с независимым регулированием мощности дозы для каждого значения энергии.

Указанный технический результат обеспечен благодаря тому, что в способе генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии, заключающемся в последовательном снабжении первой входной высокочастотной мощностью и второй входной высокочастотной мощностью клистрона, при этом вторая входная высокочастотная мощность отличается от первой, последовательном усилении клистроном первых высокочастотных импульсов, имеющих первую мощность, и вторых высокочастотных импульсов, имеющих вторую мощность, отличную от первой мощности, последовательной передаче первых и вторых импульсов высокочастотной мощности резонаторам одного и того же ускорителя частиц, питании клистрона первой электрической мощностью, последовательном питании управляющего электрода электронной пушки второй и третьей электрической мощностью, отличной от первой электрической мощности, создании и инжекции первого и второго пучков электронов в резонаторы ускорителя, при этом первый и второй пучки основаны, по крайней мере частично, на второй и третьей электрических мощностях, отличных от первой электрической мощности, последовательном ускорении инжектированных электронов до первой энергии и второй энергии, отличной от первой энергии, базирующихся, по крайней мере частично, на первом и втором импульсах высокочастотной мощности и последовательном столкновении первых и вторых пучков ускоренных частиц с тормозной мишенью для генерации излучения, имеющего первую и вторую различные энергии и первую и вторую различные соответствующие мощности дозы, передача первых и вторых импульсов высокочастотной мощности резонаторам одного и того же ускорителя осуществляется в виде близко расположенных во времени пар, регулирование энергии от импульса к импульсу осуществляют регулированием уровня ускоряющего поля за счет изменения уровня выходной мощности ВЧ-источника одновременно с регулированием уровней первого и второго токов электронного пучка, при этом как на низком, так и на высоком уровнях энергии ускоритель работает на одной и той же частоте, первый импульс высокочастотной мощности импульсного многолучевого клистрона совмещен по времени с первым импульсом тока электронного пучка, а второй импульс мощности совмещен со вторым импульсом тока, первая электрическая мощность, поставляемая клистрону и катоду электронной пушки от источника энергии, одинакова для первой входной высокочастотной мощности и для второй входной высокочастотной мощности, последовательное питание управляющего электрода электронной пушки осуществляют второй электрической мощностью и третьей электрической мощностью, отличными от первой электрической мощности, поставляемой клистрону и катоду электронной пушки, модуляцию скорости непрерывного электронного потока от электронной пушки осуществляют в первой ячейке ускоряющей структуры, во второй ячейке частично сгруппированный в сгустки поток подвергают ускорению, фокусировке и дальнейшей группировке, высокочастотное напряжение U_g (уровень ускоряющего поля) на зазоре первой ячейки выбрано из условия обеспечения максимальной амплитуды первой гармоники тока пучка в центре зазора второй ячейки

где: U₀ - напряжение источника электронов,

n=1, 2, 3…;

при этом уровень ускоряющего поля третьей ячейки равен уровню поля последующих ячеек, а контроллер частоты управляет частотой СВЧ-сигнала формируемого синтезатором, входящим в состав возбудителя, на основании данных о режиме работы ускорителя и температуре охлаждающей жидкости.

Кроме того, осуществляют инжекцию первых электронов в резонаторы ускорителя при первом токе пучка, в то время как импульсы первой ВЧ-мощности передаются ускорителю, а инжекцию вторых электронов в резонаторы ускорителя, при втором токе пучка, отличном от первого тока пучка, в то время как импульсы второй ВЧ-мощности передаются ускорителю.

При этом снабжение первой электрической мощностью, второй электрической мощностью и третьей электрической мощностью производят от одного источника электрической мощности.

Другим аспектом предлагаемого изобретения является источник радиации, включающий ускоряющую структуру для ускорения электронов, электронную пушку с возможностью переключения величины тока пучка от импульса к импульсу между двумя предустановленными значениями, тормозную мишень, расположенную на выходе ускорителя, систему высоковольтного питания, систему высокочастотного питания, содержащую клистрон для выборочного снабжения ускорителя, по крайней мере, первыми и вторыми импульсами высокочастотной энергии и возбудитель, поставляющий высокочастотную мощность клистрону, контроллер ускорителя, включающий контроллер частоты, и систему охлаждения, электронная пушка выполнена трехэлектродной и содержит катод, анод и управляющий электрод, источником высокочастотной энергии является импульсный многолучевой усилительный клистрон, возбудитель снабжен возможностью переключения мощности входного высокочастотного сигнала, поступающего на вход клистрона, между двумя предустановленными значениями от импульса к импульсу работы ускорителя при одинаковой частоте генерируемых колебаний для обоих значений энергии, указанная система высоковольтного питания содержит источник электрического напряжения управляющего электрода электронной пушки, обеспечивающий поимпульсное переключение тока пучка электронной пушки, и источник электрической мощности (модулятор) источника ВЧ-мощности, ускоряющая структура выполнена в виде структуры со стоячей волной.

Кроме того, ускоряющая структура содержит первую (группирующую) ячейку с низким уровнем ускоряющего поля, вторую ячейку (ускоряющую и фокусирующую) с высоким уровнем поля, третью и последующие (ускоряющие и фокусирующие) с самым высоким уровнем ускоряющего поля, а расстояние между центрами зазоров первой и второй ячеек обеспечивает попадание центра ускоряемого сгустка в максимум ускоряющего поля второй ячейки при сдвиге фазы поля между ячейками 180°.

При этом расстояние L_g между центрами зазоров первой и второй ячеек определяется соотношением

где: β₀=ν₀/с,

ν₀ - величина скорости электронного потока на входе в группирующую ячейку,

λ - длина волны СВЧ-поля источника высокочастотной мощности в свободном пространстве,

с - скорость света,

n=1, 2, 3…

Кроме того, фокусирующая система клистрона выполнена на постоянных магнитах, указанный возбудитель состоит из синтезатора, твердотельного СВЧ-усилителя и электронного аттенюатора на p-i-n диодах, а указанная ускоряющая структура и указанная электронная пушка помещены в магнитный экран.

Кроме того, тормозная мишень установлена на электронопроводе малого диаметра, после указанной тормозной мишени установлена ионизационная камера, указанные электронная пушка, ускоряющая структура с магнитным экраном, тормозной мишенью и ионизационной камерой установлены внутри локальной радиационной защиты, в которой расположена прорезь.

Кроме того, в стенке ускоряющей структуры установлена петля связи, указанные электронная пушка, ускоряющая структура и электронопровод с тормозной мишенью образуют единый вакуумный объем, изолированный от атмосферы с помощью высокочастотного вакуумного окна, установленного в волноводе, через который поступает высокочастотная мощность в указанную ускоряющую структуру, на указанном волноводе установлен геттерный насос, не требующий источника питания и подключенный к указанному объему через прорези в узкой стенке волновода, а также электроразрядный насос, величина тока которого определяется уровнем вакуума в указанном объеме, соединенный с указанным вакуумным объемом через прорези в узкой стенке указанного волновода.

Кроме того, модулятор выполнен с возможностью питания клистрона и электронной пушки первой электрической мощностью для генерации клистроном обоих импульсов высокочастотной мощности и снабжения пушкой ускоряющей структуры электронными пучками с обоими токами, при этом модулятором является твердотельный модулятор. Кроме того, устройство может содержать источник электрической мощности, отдельный от модулятора, присоединенный к управляющему электроду электронной пушки с возможностью выборочно подавать, по крайней мере, второе и третье различные напряжения на управляющий электрод.

Устройство и работа ускорителя иллюстрируются на фиг.1-4.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого ускорителя.

На фиг.2 представлена временная диаграмма работы ускорителя.

На фиг.3 представлена фотография общего вида ускорителя.

На фиг.4 представлен энергетический спектр ускоренного пучка в режиме поимпульсного переключения энергии.

На фиг.5 представлены поимпульсные изображения пучка в режиме переключения энергии и масштабная сетка с шагом 1 мм.

Изобретение представляет собой компактный ускоритель электронов для досмотровых комплексов с поимпульсным переключением уровня энергии тормозного излучения между двумя регулируемыми значениями с независимым регулированием мощности дозы для каждой энергии.

Ускоритель содержит источник радиации 1, систему высокочастотного питания 2, систему высоковольтного питания 3, систему охлаждения 4, контроллер ускорителя 5, консоль управления 6.

Указанный источник радиации включает электронную пушку 7 с катодом 8 и управляющим электродом 9, присоединенную через керамический изолятор к ускоряющей структуре 10 со стоячей волной, предназначенной для ускорения пучка электронов 11 от указанной электронной пушки 2 до различной конечной энергии и его фокусировки на тормозной мишени 12, установленной на электронопроводе 13 и предназначенной для генерации тормозного излучения 14.

Указанная электронная пушка 7 и указанная ускоряющая структура 10 окружены магнитным экраном 15. Поверх структуры 10 при необходимости могут быть размещены корректирующие катушки 16. Указанные электронная пушка 7, ускоряющая структура 10, корректирующие катушки 16 и магнитный экран 15 окружены радиационной защитой 17, в которой имеется прорезь 18 для формирования пространственного распределения указанного тормозного излучения. Ионизационная камера 19 установлена после указанной тормозной мишени 12. В одной из ускоряющих ячеек структуры 10 установлена петля связи 20 (высокочастотная антенна).

Ускоряющая структура 10 содержит первую (группирующую) ячейку с низким уровнем ускоряющего поля, вторую ячейку (ускоряющую и фокусирующую) с высоким уровнем поля, третью и последующие (ускоряющую и фокусирующую) с самым высоким уровнем ускоряющего поля, при этом расстояние между центрами зазоров первой и второй ячеек обеспечивает попадание центра ускоряемого сгустка в максимум ускоряющего поля второй ячейки при сдвиге фазы поля между ячейками 180°.

В одном из частных случаев расстояние L_g между центрами зазоров первой и второй ячеек определяется соотношением

где: β₀=ν₀/c,

ν₀ - величина скорости электронного потока на входе в группирующую ячейку,

λ - длина электромагнитной волны источника высокочастотной мощности в свободном пространстве,

с - скорость света,

n=1, 2, 3…

Указанная система высокочастотного питания содержит волновод 21 с системой откачки 22 и разделительным вакуумным окном 23, размешенный между ускоряющей структурой 10 и волноводным трактом 24, подсоединенным к клистрону 25 через ферритовое развязывающее устройство 26, возбудитель 27, систему подачи изолирующего газа 28 и датчик разряда 29.

Импульсный усилительный клистрон 25, работающий при низком напряжении питания за счет использования многолучевой конструкции, выполнен компактным благодаря использованию фокусирующей системы на постоянных магнитах и обеспечивает возбуждение СВЧ-поля ускоряющей структуры 10. Однако возможность использования низковольтного, следовательно малогабаритного, модулятора для клистрона позволяет существенно сократить габариты конструкции даже при создании магнитного поля соленоидом.

Клистрон 25 обладает большим коэффициентом усиления, что позволяет использовать возбудитель 27 с низкой выходной мощностью, обеспечивающей возможность поддержания высокой стабильности частоты; при этом величина его выходной мощности может переключаться от импульса к импульсу с требуемой частотой повторения. В качестве источника высокочастотной мощности для ускоряющей структуры может быть использован малогабаритный многолучевой клистрон, аналогичный, например, клистрону КИУ-147А, описанному в [Multy-beam klystrons with reverse permanent magnet focusing system as the universal rf power sources for the compact electron accelerators, I.A.Frejdovich, P.V.Nevsky, V.P.Sakharov et al., in Proceedings of RuPAC 2006, Novosibirsk, Russia, p.100]. Клистрон работает при низком напряжении, что позволяет использовать малогабаритный модулятор, электронные пучки создают с помощью многолучевой электронной пушки и пропускают их через резонаторы клистрона и трубки дрейфа в магнитном поле, созданном постоянными магнитами. Такая конструкция клистрона позволяет, а вместе с устройствами контроля частоты возбудителя обеспечивает точность совпадения генерируемой частоты с резонансной частотой ускоряющей структуры при резком сокращении массы и габаритов источника радиации.

Указанная система высоковольтного питания содержит высоковольтный модулятор 30 клистрона и катода пушки 7 и источник электрической мощности 31 управляющего электрода 9 пушки 7.

Указанная система охлаждения содержит устройство охлаждения 32 и систему датчиков 33 для измерения температуры и расхода жидкости.

Поимпульсное переключение величины тока пучка обеспечено переключением величины напряжения на управляющем электроде 9 электронной пушки 7 с помощью источника электрической мощности 31. Изменение конечной энергии пучка достигается за счет изменения уровня высокочастотной мощности, поступающей на вход ускоряющей структуры, отношение максимально возможной и минимально возможной энергий ускоренного пучка не менее двух, а диаметр пучка на тормозной мишени во всем диапазоне изменения энергии не более 2 мм.

Возбудитель 27 состоит из синтезатора, твердотельного СВЧ-усилителя и электронного аттенюатора на p-i-n диодах. Аттенюатор используется для переключения уровня выходного сигнала возбудителя от импульса к импульсу. Все эти устройства имеют стандартное исполнение.

Петля связи 20 в одной из ускоряющих ячеек указанной ускоряющей структуры 10 установлена для контроля уровня высокочастотных потерь в стенках ускоряющей структуры и, следовательно, для контроля уровня ускоряющего поля и энергии ускоренного пучка.

Для генерации тормозного излучения используется тормозная мишень 12, расположенная в конце электронопровода 13, установленного на выходе ускоряющей структуры 10 и имеющего малый диаметр, что снижает размеры и вес радиационной защиты. Попадание ускоренного пучка в центр тормозной мишени 12 обеспечено магнитным экраном 15, расположенным вокруг электронной пушки 2 и ускоряющей структуры 10; для контроля мощности дозы тормозного излучения после тормозной мишени 12 установлена ионизационная камера 19. Для снижения мощности дозы паразитного тормозного излучения электронная пушка 2, ускоряющая структура 10 с магнитным экраном 15, тормозной мишенью 12 и ионизационной камерой 19 установлены внутри локальной радиационной защиты 17, обеспечивающей также формирование требуемого распределения тормозного излучения на досматриваемом объекте. Электронная пушка 2, ускоряющая структура 10 и электронопровод 13 с тормозной мишенью 12 образуют единый вакуумный объем, изолированный от атмосферы с помощью высокочастотного вакуумного окна 23, установленного между волноводами 21 и 24, через которые поступает высокочастотная мощность в ускоряющую структуру 10. Для поддержания высокого уровня вакуума в вакуумном объеме на волноводе 21 установлен геттерный насос 22, не требующий источника питания и откачивающий указанный объем через прорези в узкой стенке волновода 21. Для контроля уровня вакуума и выработки сигналов блокировки при ухудшении вакуума на волноводе 21 установлен также электроразрядный насос (не показан), соединенный с вакуумным объемом через прорези в узкой стенке.

Контроллер 5 осуществляет синхронизацию работы систем ускорителя и коммутацию сигналов блокировки между системами аналогично прототипу, но контроллер частоты, получая информацию от датчиков, подстраивает при необходимости возбудитель, формирующий сигнал лишь на одной частоте, в отличие от прототипа. Консоль управления 6 обеспечивает установку режимов работы и контроль за работой систем ускорителя аналогично прототипу.

Временная диаграмма работы источника радиации показана на фиг.2, где τ - длительность импульса, Т₁ - расстояние между импульсами в паре импульсов, T₂ - расстояние между парами импульсов. Функционирование источника синхронизируется сигналами запуска и энергии, поступающими от контроллера ускорителя 5 (фиг.1). Источник радиации работает следующим образом. Импульс высокого напряжения, вырабатываемый модулятором 30 по приходу сигнала синхронизации, поступает на клистрон 25 для последовательного питания клистрона первой электрической мощностью и на катод электронной пушки 8 для питания пушки первой электрической мощностью, а от источника электрической мощности 31 импульс высокого напряжения поступает на управляющий электрод электронной пушки 9 для последовательного питания управляющего электрода второй электрической мощностью и третьей электрической мощностью, отличными от первой электрической мощности, поставляемой клистрону и катоду электронной пушки, обеспечивая условия для формирования пучка электронной пушкой 7 и инжекции первого и второго пучков электронов в резонаторы ускорителя, при этом первый и второй пучки основаны, по крайней мере частично, на второй и третьей электрических мощностях, отличных от первой электрической мощности, при этом первая электрическая мощность, поставляемая клистрону и катоду электронной пушки от источника электрической энергии, одинакова для первой входной высокочастотной мощности и для второй входной высокочастотной мощности.

В процессе формирования первого и второго пучков электронов подводимая к клистрону 25 электрическая мощность остается неизменной.

Вследствие этого на выходе электронной пушки 7 формируется электронный пучок с энергией, равной напряжению высоковольтного модулятора клистрона 30, и с током, определяемым напряжением источника электрической мощности 31, соединенного с управляющим электродом 9, поступающим на вход ускоряющей структуры 10.

Клистрон 25 последовательно снабжают первой входной высокочастотной мощностью и второй входной высокочастотной мощностью от возбудителя 27, при этом вторая входная высокочастотная мощность отличается от первой, далее клистрон последовательно усиливает первые высокочастотные импульсы, имеющие первую мощность, и вторые высокочастотные импульсы, имеющие вторую мощность, отличную от первой мощности, при этом передача первых и вторых импульсов высокочастотной мощности резонаторам одного и того же ускорителя осуществляется в виде близко расположенных во времени пар, например, задержка во времени между импульсами (Т₁ на фиг.2) может составлять 500 мкс.

В процессе усиления клистроном 25 различающихся первой и второй высокочастотных мощностей подводимая к нему электрическая мощность не меняется.

Регулирование энергии от импульса к импульсу осуществляют регулированием уровня ускоряющего поля за счет изменения уровня выходной мощности ВЧ-источника одновременно с регулированием уровней первого и второго токов электронного пучка, при этом как на низком, так и на высоком уровнях энергии ускоритель работает на одной и той же частоте, первый импульс высокочастотной мощности импульсного многолучевого клистрона совмещен по времени с первым импульсом тока электронного пучка, а второй импульс мощности совмещен со вторым импульсом тока.

Затем через ферритовое развязывающее устройство 26 вакуумное окно 23 и отрезки волноводного тракта 24, 21 последовательно передают первые и вторые импульсы высокочастотной мощности на вход резонаторов ускоряющей структуры 10 одного и того же ускорителя частиц, возбуждая в ней ускоряющее поле.

Инжектированные электроны последовательно ускоряются до первой энергии и второй энергии, отличной от первой энергии, базирующихся, по крайней мере частично, на первом и втором импульсах высокочастотной мощности. Модуляцию скорости непрерывного электронного потока от электронной пушки осуществляют в первой ячейке ускоряющей структуры, во второй ячейке частично сгруппированный в сгустки поток подвергают ускорению, фокусировке и дальнейшей группировке, при этом высокочастотное напряжение U_g (уровень ускоряющего поля) на зазоре первой ячейки выбрано из условия обеспечения максимальной амплитуды первой гармоники тока пучка в центре зазора второй ячейки

где: U₀ - напряжение источника электронов,

n=1, 2, 3…

Уровень ускоряющего поля третьей ячейки равен уровню поля последующих ячеек.

Контроллер частоты управляет частотой СВЧ-сигнала, формируемого синтезатором, входящим в состав возбудителя, на основании данных о режиме работы ускорителя и температуры охлаждающей жидкости.

Указанный электронный пучок электронной пушки 7, проходя через ускоряющую структуру, взаимодействует с указанным ускоряющим полем, формируется в сгустки, фокусируется и ускоряется до энергии, величина которой определяется уровнем указанного ускоряющего поля. Затем первые и вторые пучки ускоренных электронов последовательно сталкиваются с тормозной мишенью 12, установленной на электронопроводе 13, в результате чего происходит генерация тормозного излучения 14, имеющего первую и вторую различные энергии и первую и вторую соответствующие мощности дозы. Подбором величин второй и третьей электрических мощностей на управляющем электроде 9 добиваются близких значений мощности дозы при первой и второй энергиях пучка.

В одном из частных вариантов изобретения осуществляют инжекцию первых электронов в резонаторы ускорителя при первом токе пучка, в то время как импульсы первой ВЧ-мощности передаются ускорителю, и инжекцию вторых электронов в резонаторы ускорителя при втором токе пучка, отличном от первого тока пучка, в то время как импульсы второй ВЧ-мощности передаются ускорителю.

В другом частном варианте способа снабжают потребителей первой электрической мощностью, второй электрической мощностью и третьей электрической мощностью от одного источника электрической мощности.

Поимпульсное переключение энергии и мощности дозы тормозного излучения происходит следующим образом. Сигнал энергии (фиг.2) контроллера 5 для каждого импульса работы ускорителя определяет величину мощности высокочастотного сигнала, генерируемого возбудителем, и таким образом определяет амплитуду ускоряющего поля в ускоряющей структуре 10, энергию ускоренного пучка 11 и верхнюю границу спектра тормозного излучения 14. Кроме того, для каждого импульса работы ускорителя сигнал энергии контроллера 5 определяет величину напряжения на управляющем электроде 9 и, таким образом, величину тока электронной пушки 7, величину тока ускоренного пучка 11 и мощность дозы тормозного излучения 14. Контроль уровня ускоряющего поля осуществляется с помощью антенны 20, установленной в одной из ускоряющих ячеек ускоряющей структуры 10. Контроль мощности дозы тормозного излучения 14 производится с помощью ионизационной камеры 19, установленной после тормозной мишени 12.

Для обеспечения попадания ускоренного пучка электронов 11 в центр тормозной мишени 12 паразитные магнитные поля в электронной пушке 7 и ускоряющей структуре 10 снижаются до уровня, не превышающего уровень магнитного поля Земли, с помощью магнитного экрана 15. Подстройка положения пучка 11 на тормозной мишени 12 может осуществляться с помощью корректирующих катушек 16.

Уровень тормозного излучения во всей области вокруг тормозной мишени 12 за исключением рабочей зоны снижается до установленного значения с помощью радиационной защиты 17. Для снижения размера и массы радиационной защиты 17 тормозная мишень 12 устанавливается на конце электронопровода 13, имеющего диаметр, существенно меньший диаметра ускоряющей структуры. Формирование пространственного распределения тормозного излучения 14 в рабочей зоне осуществляется с помощью прорези 18 в радиационной защите 17.

Рабочий вакуум в вакуумном объеме, образованном электронной пушкой 7, ускоряющей структурой 10, отрезком волновода 21 с вакуумным окном 23 и электронопроводом 13 с тормозной мишенью 12, поддерживается вакуумной системой 22, состоящей из геттерного и электроразрядного насосов, причем откачка указанного вакуумного объема в готовом устройстве осуществляется, главным образом, указанным геттерным насосом, а указанный электроразрядный насос используется для контроля уровня вакуума. Это позволяет быстро ввести источник в рабочий режим после длительного хранения, гарантирует стабильность параметров и надежность работы.

Охлаждение ускоряющей структуры 10, тормозной мишени 12, высоковольтного модулятора 30 и клистрона 25 осуществляется жидкостью с постоянной температурой, поступающей из устройства охлаждения 32. Температура и расход жидкости на входе и на выходе ускоряющей структуры 10 контролируется с помощью датчиков температуры и расхода 33.

Для предотвращения высокочастотных пробоев указанный тракт 24 и ферритовое развязывающее устройство 26 заполняются изолирующим газом с помощью системы подачи газа 28. В случае возникновения разряда на вакуумном окне 23, в волноводном тракте 24 или ферритовом развязывающем устройстве 26 датчик разряда 29 вырабатывает сигнал блокировки, отключающий выработку высокочастотного сигнала возбудителем 27.

Общий вид источника радиации показан на фиг.3. На фиг.4 показаны результаты измерения энергетического спектра ускоренного пучка с помощью магнитного спектрометра в режиме поимпульсного переключения энергии. На фиг.5 показаны поимпульсные изображения пучка в режиме переключения энергии, полученные с помощью CCD-камеры, работа которой была синхронизировна с работой ускорителя, показана также масштабная сетка, шаг которой составляет 1 мм.

Промышленная применимость заявленного изобретения гарантирована применимостью входящих в ее состав элементов и узлов в известных конструкциях с обеспечением используемых в настоящем изобретении их свойств и характеристик и основана на результатах испытаний опытного образца, построенного в соответствии с приведенным описанием.

Описание предлагаемой конструкции нигде не опубликовано.

Изобретение представляет собой способ генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии и источник радиации для досмотрового комплекса с системой поимпульсного переключения энергии между двумя регулируемыми значениями с независимым регулированием мощности дозы для каждой энергии. Источник имеет локальную радиационную защиту, обеспечивает для каждой энергии малый диаметр пучка на тормозной мишени, высокий процент частиц, захваченных в режим ускорения, малую ширину энергетического спектра. В основе источника лежит ускоряющая структура со стоячей волной, питаемая компактным многолучевым клистроном с низким напряжением луча и фокусировкой постоянными магнитами. Поимпульсное переключение величины энергии ускоренного пучка электронов между двумя значениями на одной и той же частоте достигается за счет переключения величины входной мощности клистрона от импульса к импульсу и, следовательно, выходной мощности клистрона и амплитуды поля в ускоряющей структуре. Обеспечение требуемой мощности дозы осуществляется посредством переключения от импульса к импульсу напряжения управляющего электрода электронной пушки и, следовательно, величины тока пучка, инжектированного в ускоряющую структуру. Технический результат - упрощение системы, уменьшение ее габаритов и повышение надежности работы источника радиации. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии, заключающийся в:
последовательном снабжении первой входной высокочастотной мощностью и второй входной высокочастотной мощностью клистрона, при этом вторая входная высокочастотная мощность отличается от первой;
последовательном усилении клистроном первых высокочастотных импульсов, имеющих первую мощность и вторых высокочастотных импульсов, имеющих вторую мощность, отличную от первой мощности;
последовательной передаче первых и вторых импульсов высокочастотной мощности резонаторам одного и того же ускорителя частиц;
питании клистрона первой электрической мощностью;
последовательном питании управляющего электрода электронной пушки второй и третьей электрической мощностью, отличной от первой электрической мощности;
инжекции первого и второго пучков электронов в резонаторы ускорителя, при этом первый и второй пучки основаны, по крайней мере, частично на второй и третьей электрических мощностях, отличных от первой электрической мощности;
последовательном ускорении инжектированных электронов до первой энергии и второй энергии, отличной от первой энергии, базирующихся, по крайней мере, частично на первом и втором импульсах высокочастотной мощности; и
последовательном столкновении первых и вторых токов ускоренных частиц с тормозной мишенью для генерации излучения, имеющего первую и вторую различные энергии и первую и вторую различные соответствующие мощности дозы, отличающийся тем, что
передача первых и вторых импульсов высокочастотной мощности резонаторам одного и того же ускорителя осуществляется в виде близко расположенных во времени пар;
регулирование энергии от импульса к импульсу осуществляется регулированием уровня ускоряющего поля за счет изменения уровня выходной мощности ВЧ источника одновременно с регулированием уровней первого и второго токов электронного пучка;
при этом как на низком, так и на высоком уровнях энергии ускоритель работает на одной и той же частоте;
первый импульс высокочастотной мощности импульсного многолучевого клистрона совмещен по времени с первым импульсом тока электронного пучка, а второй импульс мощности совмещен со вторым импульсом тока;
первая электрическая мощность, поставляемая клистрону и катоду электронной пушки от источника энергии, одинакова для первой входной высокочастотной мощности и для второй входной высокочастотной мощности;
последовательное питание управляющего электрода электронной пушки осуществляют второй электрической мощностью и третьей электрической мощностью, отличными от первой электрической мощности, поставляемой клистрону и катоду электронной пушки;
модуляцию скорости непрерывного электронного потока от электронной пушки осуществляют в первой ячейке ускоряющей структуры, во второй ячейке частично сгруппированный в сгустки поток подвергают ускорению, фокусировке и дальнейшей группировке, при этом высокочастотное напряжение U_g (уровень ускоряющего поля) на зазоре первой ячейки выбрано из условия обеспечения максимальной амплитуды первой гармоники тока пучка в центре зазора второй ячейки

где U₀ - напряжение источника электронов;
n=1, 2, 3,…;
уровень ускоряющего поля третьей ячейки равен уровню поля последующих ячеек;
контроллер частоты управляет частотой СВЧ сигнала, формируемого синтезатором, входящим в состав возбудителя, на основании данных о режиме работы ускорителя и температуре охлаждающей жидкости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют инжекцию первых электронов в резонаторы ускорителя при первом токе пучка, в то время как импульсы первой ВЧ мощности передаются ускорителю, и инжекцию вторых электронов в резонаторы ускорителя при втором токе пучка, отличном от первого тока пучка, в то время как импульсы второй ВЧ мощности передаются ускорителю.

3. Способ по п.1, заключающийся в снабжении первой электрической мощностью, второй электрической мощностью и третьей электрической мощностью от одного источника электрической мощности.

4. Источник радиации для осуществления способа генерации излучения, включающий:
ускоряющую структуру для ускорения электронов;
электронную пушку с возможностью переключения величины тока пучка от импульса к импульсу между двумя предустановленными значениями;
тормозную мишень, расположенную на выходе ускорителя, попадание ускоренных электронов на которую вызывает генерацию излучения;
систему высоковольтного питания;
систему высокочастотного питания, содержащую клистрон для выборочного снабжения ускорителя, по крайней мере, первыми и вторыми импульсами высокочастотной энергии и возбудитель, поставляющий высокочастотную мощность клистрону,
контроллер ускорителя, включающий контроллер частоты;
систему охлаждения, отличающийся тем, что
электронная пушка выполнена трехэлектродной и содержит катод, анод и управляющий электрод;
источником высокочастотной энергии является импульсный многолучевой усилительный клистрон;
возбудитель снабжен возможностью переключения мощности входного высокочастотного сигнала, поступающего на вход клистрона, между двумя предустановленными значениями от импульса к импульсу работы ускорителя, при одинаковой частоте генерируемых колебаний для обоих значений энергии;
указанная система высоковольтного питания содержит источник электрического напряжения управляющего электрода электронной пушки, обеспечивающий поимпульсное переключение тока пучка электронной пушки, и источник электрической мощности (модулятор) источника ВЧ мощности - ускоряющая структура выполнена в виде структуры со стоячей волной.

5. Источник по п.4, отличающийся тем, что ускоряющая структура содержит первую (группирующую) ячейку с низким уровнем ускоряющего поля, вторую ячейку (ускоряющую и фокусирующую) с высоким уровнем поля, третью и последующие (ускоряющую и фокусирующую) с самым высоким уровнем ускоряющего поля, при этом расстояние между центрами зазоров первой и второй ячеек обеспечивает попадание центра ускоряемого сгустка в максимум ускоряющего поля второй ячейки при сдвиге фазы поля между ячейками 180°.

6. Источник по п.5, отличающийся тем, что расстояние L_g между центрами зазоров первой и второй ячеек определяется соотношением

где β₀=ν₀/c;
ν₀ - величина скорости электронного потока на входе в группирующую ячейку;
λ - длина электромагнитной волны источника высокочастотной мощности в свободном пространстве;
с - скорость света;
n=1, 2, 3,…

7. Источник по п.4, отличающийся тем, что фокусирующая система клистрона выполнена на постоянных магнитах.

8. Источник по п.4, отличающийся тем, что указанный возбудитель состоит из синтезатора, твердотельного СВЧ усилителя и электронного аттенюатора на p-i-n диодах.

9. Источник по п.4, отличающийся тем, что указанная ускоряющая структура и указанная электронная пушка помещены в магнитный экран.

10. Источник по п.4, отличающийся тем, что тормозная мишень установлена на электронопроводе малого диаметра.

11. Источник по п.4, отличающийся тем, что после указанной тормозной мишени установлена ионизационная камера.

12. Источник по любому из пп.4, 9, 11, отличающийся тем, что указанная электронная пушка, указанная ускоряющая структура с указанным магнитным экраном, указанной тормозной мишенью и указанной ионизационной камерой установлены внутри локальной радиационной защиты.

13. Источник по п.12, отличающийся тем, что в указанной локальной радиационной защите расположена прорезь.

14. Источник по п.4, отличающийся тем, что в стенке ускоряющей структуры установлена петля связи.

15. Источник по п.4, отличающийся тем, что указанные электронная пушка, указанная ускоряющая структура и указанный электронопровод с указанной тормозной мишенью образуют единый вакуумный объем, изолированный от атмосферы с помощью высокочастотного вакуумного окна, установленного в волноводе, через который поступает высокочастотная мощность в указанную ускоряющую структуру.

16. Источник по п.15, отличающийся тем, что для поддержания высокого уровня вакуума в указанном вакуумном объеме в течение срока эксплуатации ускорителя на указанном волноводе установлен геттерный насос, не требующий источника питания и подключенный к указанному объему через прорези в узкой стенке волновода.

17. Источник по любому из пп.15 и 16, отличающийся тем, что на указанном волноводе установлен электроразрядный насос, величина тока которого определяется уровнем вакуума в указанном объеме, соединенный с указанным вакуумным объемом через прорези в узкой стенке указанного волновода.

18. Источник по п.4, отличающийся тем, что модулятор выполнен с возможностью питания клистрона первой электрической мощностью для генерации клистроном обоих импульсов высокочастотной мощности.

19. Источник по п.4, отличающийся тем, что содержит источник электрической мощности, отдельный от модулятора, присоединенный к электронной пушке, с возможностью выборочно подавать, по крайней мере, второе и третье различные напряжения на управляющий электрод электронной пушки.

20. Источник по п.18, отличающийся тем, что модулятором является твердотельный модулятор.