Высокочастотный ускоритель заряженных частиц Советский патент 1986 года по МПК H05H9/00 

« 1

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано в качестве источника ускоренных частиц для облучения различных объектов в промьшшенности и сельском хозяйстве.

Известен высокочастотный (ВЧ) ускоритель заряженных частиц, содержащий в качестве ускоряющей резонансной структуры расположенный в вакуумном объеме четвертьволновьй коаксиальный резонатор, источник ВЧ мощности, выполненньй на генераторной лампе и установленньй на резонаторе, в полости последнего расположена петля связи лампы с резонатором с разделительной емкостью. На одном из торцов резонатора установлена пушка, рабочая поверхность катода которой обращена к внутренней полости резонатора. Откачка вакуумного объема производится магниторазрядными насосами.

Недостатком известного устройства является сложность регулировки связи лампы с резонатором, нестабильность режима работы при паралельном включении генераторных ламп, неизбежном при наращивании уровня ощности.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является ВЧ ускоритель заряженных частиц, содержащий резонатор, внутренний и внешний электроды которого расположены в вакуумированном корпусе, источник ВЧ мощности, выполненньй на генераторной лампе, конденсатор связи лампы с резонатором с узлом подстройки этой связи, элемент обратной связи и источник заряженных частиц, расположенньй напротив одного из торцов внутреннего электрода резонатора, анод генераторной закреплен на удаленном от источника заряженных частиц торце внутреннего электрода резонатора, которьй вакуумноплотно через диэлектрический элемент соединен с внешним электродом .

Это устройство превосходит известные устройства по стабильности работы в части устойчивости к паразитным колебаниям при (уравнительно малых габаритах и малой средней мощности. При большой (порядка десятков киловатт) средней мощности, когда необходимо или параллельное

182732

включение большого количества генераторных ламп, при применение большой по раз.;ерам генераториой лампы, конструкция устройства усложняется,

5 частота лампового контура, которьй в данном случае является паразитным, приближается к частоте основного, что уменьшает устойчивость работы ускорителя.

Целью изобретения является повышение мощности и устойчивости работы ускорителя и уменьшение его гагбаритов.

Указанная цель достигается тем,

5 что в ВЧ ускорителе заряженных частиц, содержащем ускоряющий резонатор, источник заряженных частиц, источник ВЧ мощности с размещенном в резонаторе соосно с ним анодом,

20 катодом и по крайней мере одной сеткой, элемент связи источника ВЧ мощности с резонатором, выполненньй в виде ВЧ конденсатора связи, согласно изобретению, анод источни 5 ка ВЧ мощности выполнен в виде одной из обкладок конденсатора связи, второй обкладкой которого является ближайшая к аноду сетка источника ВЧ мощности.

30 Кроме того, источник заряженных частиц может быть закреплен на аноде соосно с ним со стороны, противоположной сетке.

На фиг. 1 дана конструктивная 35 схема ВЧ ускорителя заряженных частиц для частного случая вьшолнения устройства со спиральным внутренним электродом и источником высокочастотной мощности с одной сеткой

40 и 4-х элементным катодом (в устройстве генерируется стоячая волна типа ТЕМ); на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 представлена эквивалентная схема ускорителя; на

45 фиг. 4 - вариант выполнения ускорителя с расположением источника заряженных частиц на аноде.

ВЧ ускоритель заряженных частиц содержит внутренний 1 и внешний 2

JQ электроды, расположенные в вакуумированном корпусе 3 ускоряющего резонатора. Резонатор может быть, например, цилиндрический (фиг. 4), т.е. не содержать внутреннего элек,, трода. Ускрритель включает источник ВЧ мощности, содержащий анод 4, катод 5 и по крайней мере одну сетку 6. Анод 4 закреплен на одном из

торцов внутреннего электрода 1 и связан через диэлектрический элемент 7 связи с внешним электродом 2 резонатора. Ускоритель содержит также конденсатор связи источника ВЧ мощности с резонатором с возможностью подстройки этой связи, например, путем отключения или подключения ВЧ конденсаторов 8 в соответствии с режимом настройки ускорителя. Имеется также элемент обратной связи в виде штыря 9 и источник 10 заряженных частиц. В устройстве анод 4 источника ВЧ мощности выполнен в виде одной из обкладок конденсатора связи, второй обкладкой которого является сетка6 источника ВЧ мощности. Катод 5 источника ВЧ мощности может быть выполнен многоэлементным с возможностью параллельного электрического соединения его элементов между собой. При этом каждьй из элементов катода 5 может быть коаксиален соответствующей ему части анода 4 и сетки 6 лампы (см. фиг. 2). Все детали ус корителя расположены в вакуумированном корпусе 3. Этот корпус выполнен разборным, например, с помощью фланца 11. Охлаждение анода осуществляется через ввод 12, анодное питание - через дроссель 13. Ускоритель содержит выпускное окно 14. На фиг. 1 и 3 позицией 15 обозначена эквивалентная емкость резонансного контура ускорителя, а позицией 16 - эквивалентная емкость конденсатора связи.

Ускоритель работает следую11(им образом.

До включения анодного питания источника ВЧ мощности конденсатор связи настраивается на максимальную отдачу мощности источника ВЧ мощности в ускоряемый пучок в соответствии с выбранным режимом работы ускорителя путем соответствующего подключения или отключения конденса торов 8. Разборный корпус 3 ускорителя собирается, уплотняется и отка чивается. Подается вода через ввод 12 для охлаждения анода 4 и внутрён него электрода 1 резонатора. Включается напряжение подогрева элементов катода 5. Включается питание источника 10 заряженньк частиц. Включается анодное питание на анод 4 через дроссель 13, которое одновременно автоматически подавляет

118273 .

высокочастотный резонансный разряд в резонаторе. Обратная связь в источнике ВЧ мощности регулируется с помощью элемента обратной связи,

5 выполненного в устройстве в виде

подвижного штыря 9. При необходимос. ти регулировку ее можно производить и при работающем источнике ВЧ мощности.

10 При включении анодного питания начинается эмиссия электронов с элементов катода 5 и через элемент обратной связи штырь 9 подается управляющее напряжение на :катод 5.

15 В резонаторе, содержащем центральный внутренний электрод 1, возбуждается между электродами 1 и 2 стоя. |чая волна типа ТЕМ. При этом ус танавливается ускоряющий потенциал

20 между источником 10 заряженных частиц и вьтускным окном 14.

Конструкция ускорителя вьтолнена таким образом, что анод 4 источника ВЧ мощности и его сетка 6

25 конструктивно объединены с конденсатором связи, при этом эквивалентная схема ускорителя (см. фиг. 3) содержит колебательный контур, состоящий из индуктивности (электрод 1 ускорителя) и последователь30но соединенных емкостей, эквивалентной емкости 15 резонансного контура ускорителя и суммарной емкости 16 конденсатора связи, а в случае необходимости подстройки - дополни35тельного конденсатора 8, при этом параллельно емкости 16 подключен контур источника ВЧ мощности.

В известном устройстве индуктивность соединительных элементов между колебательным контуром и генераторными лампами, подключенными параллельно конденсатору 8 для повьппения мощности пучка заряженных частиц, оказывается достаточной для образования паразитного контура, уменьшающего устойчивость ВЧ ускорителя к паразитным колебаниям. В предлагаемом же устройстве функциональное объединение обкладок конденсатора связи с электродами источника ВЧ мощности (анодом и сеткой) сводят до минимума паразитные индуктивности контура источника ВЧ мощности. Это особенно важно при мощностях порядка единиц или десятков мегаватт, когда размеры электродов генераторной лампы весьма велики.

5

Расчеты показывают принципиальную возможность создания ВЧ ускорителя заряженных частиц с мощностью порядка единиц мегаватт. При этом характерные размеры ускорителя не превьшает 1,5 м, что соответствует габаритным размерам ускоряющих резонаторов (без учета устройств ВЧ питания) существующих ускорителей на среднюю мощность в несколько десятков киловатт характерные размеры источников ВЧ питания, определяемые размерами генераторных ламп, соизмеримы с размерами самого резонатора, то становится очевидным, что повышеЬсне мощности в предложенной конструкции ускорителя можно достичь с одновременным уменьшением его габаритов .

Следует отметить, что в случае, когда резонатор ускорителя выполнен цилиндрическим, а источник заряженных частиц закреплен на аноде соосно с ним со стороны, противоположной сетке, достигается повышение КПД устройства вследствие бол.ее высокого шунтового сопротивления цилиндричес82736

кого резонатора, приводящего к снижению ВЧ потерь как в резонаторе, так и в источнике ВЧ мощности. Кроме того, в этом случае упрощается 5 конструкция ускорителя, так как не требуется дополнительная система охлаждения источника заряженньпс частиц ввиду его размещения на охлаждаемом аноде источника ВЧ мощности.

О Таким образом, компановка ускоряющей структуры и мощного источника ВЧ мощности в единой вакуумной системе по предложенному принципу исрользования обкладок конденсатора связи непосредственно в качестве электродов источника ВЧ мощности позволяет сконструировать ускоритель большой средней мощности практически без паразитных цепей с одновре0 менным уменьшением его габаритов, чем обеспечивается надежность его работы. Ускоритель может найти весьма широкое применение в промьшшенности и сельском хозяйстве для техноло5 гических целей с помощью облучения ускоренными заряженными частицами различных объектов.

1. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий ускоряющий резонатор, источник заряженных частиц, источник ВЧ мощности с размещенными в резонаторе соосно с ним -анодом, катодом и по крайней мере одной сеткой, элемент связи источника ВЧ мощности с резонатором, вьшолненный в виде ВЧ конденсатора связи, отличающийс я тем, что, с целью повышения мощности и устойчивости работы и уменьшения габаритов, анод источника ВЧ мощности выполнен в виде одной из обкладок конденсатора связи, второй обкладкой которого является ближайшая к аноду сетка источника ВЧ мощности. 2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что источник заряженных частиц закреплен на аноде соосно с ним со стороны, противоположной сетке.

5 9