Высокочастотная система ускорителя со стоячей волной Советский патент 1984 года по МПК H05H7/02 H05H9/04 

Изобретение относится к ускорительной технике и может выть исполь зовано при разработке ускорителей эар; женных частиц со стоячей волной предназначенных для использования в дефектоскопии, в радиационной химии и медицине,. Известна высокочастотная система ускорителя со стоячей волной, содер жащая магнетрон и подключенную к не му через ферритовый циркулятор уско ряющего секцию, В известном устройстве ферритовый циркулятор обеспечивает развязк , магнетрона от ускоряющё й секции ij . Недостатком данного Устройства является наличие потерь мощности в феррите, что снижает КПД устройства Наиболее близкой к предлагаемой является высокочастотная система ускорителя со стоячей волной, содер жащая ВЧ-генератор, подключенный к нему фазовращатель и подключенные к последнему через волноводные ответвители группирующие и ускоряющие се ции ускорителя, а также аттенюатор и волноводную нагрузку, В .известном устройстве группиров тель питается от основного ВЧ-тракта через волноводный напрс1вленный от ветви Тел ь, а ускоряюиие секции помощью волноводного моста, на входе которого установлен аттенюатор, позволяющий за счет регулирования величины подводимой к секциям мощно сти варьировать в широких пределах энергию ускоряемых электронов. Применение волноводного. моста вместо ферритового вентиля или циркулятора имеет прежде всего то преимущество, что стабильность частоты питающего генератора (магнетщона) существенно возрастает и уменьшаются потери ВЧ мощности в волноводном тракте 2 , Недостатком известной системы является то, что ВЧ мощность заполняет высокодобротные резонаторные / секции не сразу, а в результате переходного процесса -Wfii PpPoti-e «и ); где Рр - мощность, поступающая в резонаторы;РО - установившееся значение; . О -is.w . . «Иup- нагруженная добротность резонаторной секции; р - коэффициент связи с подводя щим волноводом; o o f резонансная частота реэонаторных секций, Таким образом, отраженная во переходного процесса от реэона орных секций мощность непроизводи ельно теряется,поглощается в волно одной нагрузке, что снижает общий КПД энергетические потери на переходный процесс можно оценить формулой : (.откуда видно, что они особенно велики при больших добротностях (например, в случае сверхпроводящих резонаторов) и составляют существенную долю при малых длительностях ВЧ-импульса. Кроме того, наличие электронов, ускоряющихся на переднем и заднем фронтах огибающей ВЧ-и.мпульса в ;секциях при неоптимальных значениях ускоряющих полей, приводит к тому, что ускоритель обладает относительно плохим энергетическим спектром. Цель изобретения - увеличение тока ускоряющих частиц и сужение их энергетического спектра. Поставленная цель достигается тем, что в высокочастотной системе ускорителя со стоячей волной, содержащей ВЧ-генератор, подключенный к нему фазовращатель, к которому, в свою очередь, подключены через волноводные ответвители группирующие и ускоряющие секции ускорителя, а также аттенюатор и волноводную нагрузку, все волноводные ответвители выполнены в виде четырех плечевых мостов, которые включены последовательно друг с другом, при этом первое плечо первого моста через фазовращатель соединено с генератором, второе и третье плечи соединены с первой и второй группирующими секциями, а четвертое плечо через аттенюатор. - с первым плечом второго моста, второе и третье плечи которого соединены с первой и второй ускоряющими секциями, а четвертое - с вхоДОМ третьего моста, при этом все последующие мосты включены аналогично второму и третьему, а в четвертое плечо последнего моста включена волноводная нагрузка, при этом выпслняются условия а ,Pг-Po P -PгPo 1 °-р pK Z N-Xbl + iTHN-KUN-K-O, где рс коэффициент связи группирующих секций с плечами первого Моста; Ч - номинальная мощность ВЧ-генератора;о номинальная потребляемая мощность группирующих секций;Рк коэффициент связи каждой пары ускоряющих секций с плечами соединенного с ней моста; .N.-, общее число мостов; KH,lf.W-i,- но.мер пары ускоряющих секций. На чертеже изображена предлагаемая высокочастотная система ускорителя со стоячей волной. Система содержит генератор 1 высо кочастотной мощности (магнетрон), фазовращатель 2 для выбора рабочей .точки,группирующие резонаторные секции (группирователи) 3,ускоряющие резонаторные секции 4,волноводные мо сты 5, волноводную поглощающую нагрузку 6 и аттенюатор 7. Нумерация плеч моста осуществлена от плеча| по которому проводится ВЧ-мощность по часовой стрелке. Система работает следующим образом. Мощность от генератора 1 через фазовращатель 2 поступает на вход группирующих секций 3. Обычно группироватёль 3 потребляет незначитель ную долю от общей величины подводимой мощности. Поэтому основная доля мощности отражается от группировате |ля 3, так как он имеет большое знач .ние коэффициента сеязи (режим пересвязи) 2P,-Pj,t2Tjp -P, В соответствии с э,тим резко убыстряется время переходного процесса по сравнению с работой в критическом режиме, так как он идет с постоянно времени л QH 2о, w O+l olWo где Q 1. Для следующих за группирователем одинаковых ускоряющих секций 4 коэффициенты, связи каждой пары, присоеди нённых к одному ВЧ-мосту, соответственно равны рк- 2(.Н-х)-1-(2л1(«-У;)М-У- ) где N - число ВЧ-мостов; К-1,2, . ., (N-1) . Т,е, имеет и для них ускорение переходного процесса как за счет уве личения значения ц , так и за счет того факта, что в начальной стадии переходного процесса величина падающей мощности превышает величину падающей на ускоряющие резонаторные секции 4 мощности в установившемся режиме за счет отраженной от предыду .щих секций. Таким образом, даже в последних двух ускоряющих секциях 4 с R «1 имеем некоторое ускорение переходного процесса. Изготовление ускоряющих секций 4 с коэффициентами связи рп / соответствующими приведен ной вьйие формуле, обеспечивает равное деление мощности между всеми уркоряющими секциями 4, что приводит к уменьшению непроизводительных потерь ВЧ-мощности в волноводной поглощающе нагрузке 6. Аттенюатор 7 позволяет регулировать в широких пределах выходную энергию ускоряемого пучка, что приводит к увеличению усксч явмого тока на выходе ускорителя за счет уменьшения потерь ВЧ-мощности. Кроме того, за счет сокращения времени установления ускоряющих полей в резонаторных секциях 4 резко улучшается энергетический спектр, особенно- путем исключения из процесса ускорения электронов,,ускорявшихся ранее на заднем фронте огибающей ВЧ-импульса в резонаторг1Х (теперь они отсекаются в результате быстрого спада значений ускоряющих полей в группирователе 3). Для нормальной работы ускорителя, чтобы было выполнено условие синхронизма ускоряемых частиц и ускоряющего электрического поля, расстояние между центром последней ускоряющей ячейки одной ускоряющей секции 4 и первой-другой ускоряющих секций 4,присоединенных к одному ВЧ-мосту, равно 7i/4(2n+3), где Д - длина волны генератора для двух соседних секщ1й, присоеди ненных к разным мостам -Л/а (2ц + 1), где п 0,1,2..,, а набег фазы волны в волноводе между этими соседними секциями 4 должен быть равен . iT(2n+l). Приведенные формулы для выбора коэффициентов связи группирующих 3 и ускоряющих 4 секций с волноводом справедливы только для нулевой нагрузки током, в случае же наличия нагрузки током эти значения соответствуют установившемуся режиму с учетом величины ускоряемого тока, в отсутствие же тока секции 3 и 4 нужно настраивать на связь а (.V |i() ) П значение связи, вычисленное по ранее приведенным формулам для нулевой нагрузки током;, .- - шунтовое сопротивление одной. ячейки; t - величина ускоряемого тока; Р - величина мощности, поступающей в секцию; М - количество ячеек в секции. Включение только двух мостов как в прототипе, так и в базовом объекте, по каскадной схеме ускоряет примерно в 17 раз переходный процесс в группирователе, что позволяет отсечь электроны,, ускоряющиеся ранее на заднем фронте огибающей ВЧ-импульса в ускоряющих секциях, снизит на 304

потери мошности в волноаодной нагруэ ке что несколько увеличит величииу ускоряемого тока, ширина же энергетического спектра на выходе ускорнтеля уменьшится в 3-4 раза. Применение трех мостов еще более уменьиит потери мощности и увеличит величину ускоряемого тока. При 4-5 мостах потери мощности становятся совсем незначительными. Это особенно ценно в случае Ш||сокодобротных резонаторов либо при использовании-для работы коротких ВЧ-импульсоч когда потери составляют существенную часть общей ВЧ-мощности,

Таким образом, примеиение для пи-, тания реэонаторных ускоряющих секцийВЧ-мостов, включенных каскадным методом, сводит до минимума потери ЗЧ-мощности, увеличивает величину

ускоряемого тока, и резко улучшает -энергетический спектр ускорителя. Стабилизацию высокочастотного гене- . ратора-магнетрона в системе можно легко осуществить эа счет неравного

деления мощности первым волноводным ответвителем. Расположение аттенюатора в схеме после группирователя позволяет регулировать выходную энергию ускорителя в широких пределах.

ВЫСОКОЧАСТОТШЯ УСЖОРИТЕЛЯ СО СТОЯЧЕЙ ВОЛНОЙ, содержащая ВЧ-генератор, подключемнс к нему фазовращатель, к котсчрому, в свсно очередь, подключены через волноводные ответвители группирукшше и ускоряющие секции ускорителя, а также аттенюатор и волноводную нагрузку, отлич ающаяся тем, что, с целью увеличения тока ускорпл щих частиц и сужения их энергетического спектра, все волноводные ответвители выполнены в виде четырех иле- чевых мостов, которые включены последовательно друг с другом, при Этом первое плечо первого моста через фазовращатель соединено с генератором, втсфое и третье плеча соединены с первой и второй группирую{цими секциями, а четвертое плечо через аттенюатсф - с первьая плечом Второго моста, втсфое и третье плечи которого соединены с первой и второй ускоряющими секцияно, а четвертое с входом третьего моста, при этом все последукяф|е ыоеты включены гшалогично BTOpoikQr И третьему, а в четвертое плечо последнего моста вклюЧе иа вояяоводиая нагрузка, при этом ЩдШОЯНвККГСЯ УСЛОВИЯ .аРг-Ро ЧР -РгРо %2((H-K)(NKH), Еде Ре - коэффициент связи группнруfOBERix секций с плечам первого мсхзта Pfноишяальная мощность ВЧ-гег мератора; РОноми«гльная потребляемая MouwocTb группирующих сек- . цив; ()к коэффициент связи каяшой пары ускоряющих секций с пяечшии соединенного с ией ч моста; О М -.об&сее число мостов; 3 Kal,2,.«.,N-1- номер пары ускоряющих секций.