Ускоряющая система Советский патент 1984 года по МПК H05H9/04 

Изобретение относится к ускорительной технике, а точнее к устройству ускоряющих систем ускорителей со стоячей волной, предназначенных для научных исследований и находящих применение в различных о;бластях народного хозяйства, где требуются экономичные и простые в эксплуатации мощные источники ионизирующих излу чений, например дефектоскопия толстостенных металлических изделий, радиационная терапия злокачественных опухолей, радиационная химия и т.д.

Известны ускорители со стоячей волной на небольшую энергию, в которых производится регулировка выходной энергии ускоряемых частиц, что существенно расширяет диапазон применения таких установок, за счет варьирования величины мощности, поступающей в ускоряющие резонаторные секции l j .

Однако в таких установках, выполненных по одно- или двухсекционной схеме, диапазон регулировки энергии составляет всего (1коло 35% от номинального значения. Это связано с тем, что при сильном изменении величин ускоряющих полей в группирователе одновременно с ускоряющими секциями нарушается динамика пучка электронов и он выпадает из процесса ускорения. Кроме того, в режимах, отличных от номинального, существенно ухудшаются выходные спектральные характеристики ускорителей.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является ускоряющая система, состоящая из набора ускоряющих ячеек и ячеек связи,расположенных через одну друг за другом и имеющих щели связи в общих стенках, причем на концах системы помещены ускоряющие ячейки, и, кроме того, к одной из ускоряющих ячеек подведен волновод 2j .

i«

Недостатками известной системы являются ее громоздкость и сложность ВЧ тракта, вызванная многосекционной структурной схемой ускоряющей системы, что вынуждает принимать дополнительные меры для обеспечения стабильной работы ВЧ генератора (магнетрона) на высокодобротную резонаторную нагрузку. Кроме того, диапазон перестройки выходной энергии электронов оказывается недостаточным для эффективной эксплуатации таких установок, а именно, составляет обычно (0,5-1) от номинального значения выходной энергии. Целью изобретения является рас5 ширение диапазона регулирования энергии ускоряемых частиц на выходе установки и уменьшение ее габаритов.

Указанная цель достигается тем, to что в ускоряющей системе ускорителя со стоячей волной, состоящей из набора ускоряющих ячеек и ячеек свя зи, расположенных через одну друг за другом и имеющих щели связи в общих, 5 стенках, причем на концах системы помещены ускоряющие ячейки, и, кроме того, к одной из ускоряюЕцих ячеек подведен волновод, первая ячейка связи выполнена в виде закорочен0 ного с двух сторон подвижными дроссельными поршнями прямоугольного волновода и имеет с первой ускоряющей ячейкой общую щель связи, расположенную в центре широкой стенки вол5 новода поперек его продольного направления вблизи боковой стенки этой ускоряющей ячейки, а с второй ускоряющей ячейкой - две щели связи в широкой стенке волновода, располо0 женные, симметрично относительно оси симметрии ускоряющей ячейки вдоль направления волновода вблизи его узких стенок.

На фиг. 1 изображена ускоряющая система ускорителя со стоячей волной выполненная на основе биопериодической замедляющей системы (БЗС) с внутренними ячейками связи; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг.1; на 0 фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1.

Система содержит ускоряющией ячейки 1-4, ячейки 5-8 связи.Ячейка связи 5 представляет собой отрезок прямоугольного волновода, закорочен- 5 ный на концах двумя подвижными дроссельными поршнями 9 и 10. Мощность в ускоряющую секцию подводится с помощью волновода 11. Ячейки связаны друг с другом посредством щелей 12 и 13 связи.

Система работает следующим образом.

Высокочастотная мощность проходит от ВЧ генератора через ВЧ тракт и с помощью подводящего волновода 11 попадает в ускоряющую ячейку 4. Вся ускорякнцая система возбуждается на рабочей частоте в виде колебаний, при этом в ускоряющих ячейках 1-4 присутствует электромагнитное поле, а в ячейках 5-8 связи оно практически равно нулю. Отношение величины ускоряющих элект рических полей на осях двух соседних ускоряющих ячеек 1 и 2, связанных с помощью щелей 12 и 13 связи в торцовых стенках с одной ячейкой связи 5,оценивают по формуле . / ЕИ .„ 1 4 Здесь п - номер ячейки, оСп ч - волновое сопротивле -1п/Дп ние щели, р„ М,. - число щелей в стенках между п и (п+1) ячейками;GI,, PJJ- параллельная проводимость и последовательное сопротивление щели на единицу длины, ( rUO Ом; К - волновое число; Лц ширина щели; .t - толщина стенок щели; цЦ - длина щели вдоль средней линии, где Ц) - уго раствора щели, Отсюда следует, что если передви гать дроссельные поршни 9 и Ю в ячейке 5 связи таким образом, чтобы рабочая частота этой ячейки не меня лась и соответствовала виду колебан Н д , то при этом происходит измене ние величины электрического поля на оси ускоряющей ячейки 1 по отношени к другим ускоряющим ячейкам. Это пр исходит потому, что распределение электромагнитного лоля при возбужде нии ячейки 5 связи на рабочем виде колебаний , , а также форма и рас положение щелей 12 и 13 связи, связ вающих ее с ускоряющими ячейками 1 и 2 таковы, что передвижение дроссельных поршней 9 и 10 приводит к изменению величины магнитного поля в ячейке 5 в районе щели 12 связи, практически оставляя без из feнeния величину магнитного поЛя-в районе щелей 13 связи. Это связано с тем, что длина щелей 12 и 13 связи значительно превосходит их ширину и основной вклад в возбуждение соседних ускоряющих ячеек вносят компоненты магнитного поля, направленные вдоль продольного размера щелей 12 и 13 связи, при этом перемещение дроссельных поршней 9 и 10 приводит к изменению значений величин этих компонентов в районе щелей связи по синусоидальному закону, с той разницей, что щели 13 связи расположены в максимуме синусоиды, где градиент поля вдоль направления перемещения минимален, а щель-12 связи расположена на спадающейчасти синусоиды, где градиент поля максимален. При этом дисперсионное уравнение для такой системы, состоящей из ускоряющих ячеек и ячеек связи имеет вид -§ -§ св «. где К -К Fi+rb. 1л «iLlE-ьЗ- M -S Г J H2/dVj К - К Lf) Н1Лгщ Т1. 2 - ГЧ- t ... V .4., МР&ГН,. (п) Н|Лг«)Ч . -Ч t IIH, dV -волновое число; -частота; -скорость света; -собственные волновые числа соответственно ускоряющих и ячеек связи со щелями связи (щели не здкорочены) при условии, что в соседних ячейках поля отс.утствуют ; К - коэффициент связи между соседними ячейками; (р - фазовый сдвиг на ячейку; К., и Kj - собственные волновые числа ускоряющих и ячеек связи при закороченных щелях связи; Н и Н - амплитуды собственньгх магнит ных полей ячеек; г- расстояние щели связи от оси ускоряющей системы; - объемы ускоряющих и ячеек связи.

Собственные волновые числа К, и К. однозначно определяют собственные частоты ячеек со щелями связи, которые равны рабочей частоте. орма и расположение щелей 13 связи позволяет сохранить примерно постоянной величины I Н dV. Перемещение дроссельных поршней 9 и 10 приводит к изменению величины Н| (%) но тем не менее величина К остается постоянной за счет неравномерного перемещения дроссельных поршней 9 и 10 дру друг относительно друга, что вызывает изменение величины Кд, оставляя величину Кя неизменной. Собственная частота ускоряющей ячейки 1, как и ячейки 2, при перемещении поршней не меняется, так как соотношение Н (ГУ )/JY Н dV остается постоян ным.. Таким образом, достигается постоянство величин К и К при изменении значения в результате изменения H|j (гц), что приводит к изменению величины ускоряющего электрического поля на оси ячейки 1, причем значение напряженности поля регулируется в широких пределах. Изменение величины поля в ячейке 1 приводит к тому, что формирующиеся в ней сгустки заряженных частиц в дальнейшем проходят центры следующих ускоряющих ячеек 2-4 в фазах, отличных от фазы электрического поля, соответствующей максимальному набору энергии электронами на выходе установки. В результате величина кинетической энергии частиц на выходе установки зависит от значения ускоряющего поля в ячейке 1 или, в конечном счете, от положения дроссельных поршней 9 и 10 в ячейке 5. Для определения величины выходной энергии электронов при варьировании величины электрического-поля в ячейке 1 и для оптимизации геометрических размеров ячеек 1, 2 и 5 с целью получения наиболее приемлемых выходных характеристик ускорителя во всем диапазоне регулировки использует/Ся программа, осуществляющая численное интегрирование уравнения движения электрона в ВЧ полях БЗС с внутренними ячейками связи

.(U,,ivl 5S

dt |По

где е - заряд электрона; ; Шд- его масса покоя;

t - время;

с - скорость света;

V - скорость электрона;

ilo - абсолютная магнитная прони, , цаемость;

Е и Н - ВЧ поля, статические электрические и магнитные поля фокусирующие или создаваемые другими частицами пучка. ВЧ поля, взаимодействующие с ускоряемыми электронами на всей длине ускоряющей системы, задавались в табличном виде. Их значения получены из расчетов собственных параметров отдельных ячеек БЗС. Данная программа позволяет в каждом конкретном случае определить геометрические размеры ячеек БЗС, которые обеспечат требуемые выходные характеристики ускорителя при сохранении оптимального энергетического спектра. Таким образом имеем простой, компактный и надежный механизм перестройки величины выходной энерги в ускорителях электронов со стоячей волной. При этом внутри ускоряющей системы электромагнитная энергия перераспределяется только между ускоряющими ячейками, а резонаторная секция практически оказывается согласованной с ВЧ генератором во всем диапазоне перестройки выходной энергии электронов, что приводит к устойчивой работе магнетрона без принятия дополнительных мер. Использование предлагаемой системы возможно и для других целей, например применение нескольких ячеек связи такой конструкции позволяет получить ускоряющую структуру с регулируемым распределением ускоряющего поля по длине системы, что существенно расширит возможности ускорителей электронов со стоячей волной, так как позволит оптимизировать их параметры в каждом конкретном случае для определенной величины ускоряемого тока и значения подводимой ВЧ мощности. I .

Оцытное макетирование полностью

подтвердило работоспособность предлагаемой ускоряющей системы. В такой системе возможно варьирование выходной энергии ускоряемых частиц в диапазоне (0,2-1) от номинального значения при сохранении приемлемых характеристик пучка. По сравнению с известным устройством диапазон регулирования вькодной энергии ускоряемых электронов увеличился на 60% при этом значительно упростилась ВЧ система установки, так как не требуется секционировать ускоряющую систему, что приводит к существенному сокращению подводящего ВЧ тракта, кроме того, устраняется громоздкий аттенюатор, В результате улучшаются условия работы ВЧ генератора (магнетрона), так как в этом случае менее жесткие требования предъявляются к ВЧ параметрам ускоря ющей системы. 178 Таким образом, применение предлагаемой ускоряющей системы в линей ных ускорителях со стоячей волной на малую энергию существенно увеличивает диапазон варьирования выходной энергии ускоряемых частиц по сравнению с извеАной. Это улучшает эксплуатационные характеристики ускорителей, при этом происходит упрощение ВЧ системы установки и уменьшаются ее габариты.

УСКОРЯЮЩАЯ- СИСТЕМА ускорителя со стоячей волной, состоящая из набора ускоряющих ячеек связи, расположенных через одну друг за дру CiCpW3H«j 13 «Аш,шТ :ХЧЙЧЙ|:кдЯ «ЯБЛЙПТЕК гом и имеющих щели связи в общих стенках, причем на концах системы помещены ускоряющие ячейки, и, кроме того, к одной из ускоряющих ячеек подведен волновод, отличающ а я с я тем, что, с целью расширения диапазона регулирования энергии ускоряемых частиц на выходе установки и уменьшения ее габаритрв, первая ячейка связи выполнена в виде закороченного с двух сторон подй:ижными дроссельными поршнями прямоугольного волновода и имеет с первой ускоряющей ячейкой общую щель связи, расположенную в широкой центре стен§ ки волновода поперек его продольного направления вблизи боковой стен(Л ки этой ускоряющей ячейки, а с второй ускоряющей Ячейкой - две щели с: связи в широкой стенке волновода, расположейные симметрично относи|Тельно оси симметрии ускоряющей ячейки вдоль направления волновода вблизи его узких стенок.

И-ft

Фиг 2