Линейный резонансный ускоритель электронов Советский патент 1988 года по МПК H05H9/00 

/

/

М

ц-U-и/п

Изобретение может быть использовано для стабилизации параметров ускоренных электронных пучков. Цель изобретения - упрощение стабилизации параметров вьшеденного пучка. Между ускоряющей секцией 2, соединенной посредством волновода 4 для передачи СВЧ-мощности с ВЧ-генератором 3, и устройством 7 для вывода пучка из ускорителя установлена пассивная резонансная система (С) 5. Последняя содержит один или несколько резонаторов 6, причем собственная частота С 5 близка к заданному значению частоты следования сгустков частиц или ее п-й гармонике. В описании приведено условие, определяющее размеры С 5. Стабилизация пучка сводится к стабилизации произведения 16, где 1 - импульсный ток ускорителя; энергия частиц без учета нагрузки пучком; k - 1, 2, 3 соответственно при стабилизации мощности пучка на выходе ускорителя, плотности тока, выведенного пучка, поверхностной плотности вьшеденного пучка. Механизм стабилизации произведения 1 состоит в том, что при изменении тока пучка потери энергии частиц в С 5 изменяются так, что произведение 16 остается неизменным. 2 ил. (Л 00 О) СП 00 СХ)

Р-П-П U

(

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для стабилизации параметров ускоренных электронных пучков. с

Цель изобретения - упрощение стабилизации параметров выведенного пучка.

На фиг. 1 схематично приведен пример конкретного выполнения ускорите- ю ля; на фиг. 2 - экспериментальная зависимость потерь энергии частиц в одном пассивном резонаторе.

Предлагаемое устройство представляет собой односекционный резонансный ir ускоритель электронов на бегущей волне и содержит электронную пушку 1, ускоряющую секцию 2, высокочастотный генератор 3, волновод 4 для передачи СВЧ-мощности от генератора к ускоряю- 2о щей секции и пассивную резонансную систему 5, представляющую собой последовательность слабосвязанных пассивных цилиндрических резонаторов с отверстиями 6 для продета пучка. 25 Резонаторы установлены перед устройством 7 для вывода пучка из ускорителя. . .

Стабилизацию мощности выведенного пучка либо тока пучка или поверхност- зо ной плотности мощности пучка можно свести к стабилизации произведения. IE, где I -импульсный ток ускорителя,

е е, - eRl - еК„ I,

(2)

значит величина

16 ео- e() l, (3)

где о энергия частиц без Учета

нагрузки пучком.

Эта величина будет стабилизирована при условии, что

jf (le ).o.

(4)

Подставляя (3) в (4) и пользуясь (1) и (3), получают условие стабилизации

,eIRui(k+1

4Q.iflSfo)i ().i,

г iotr /1- 1 4 TT

(5)

(k+l)lR

R

wo

A с - энергия частиц без учета нагрузки пучком, эВ , при стабилизации мощности пучка на выходе ускорителя; при стабилизации плотности тока выведенного пучка; при стабилизации поверхности выведенного пучка. При пролете пучка через пассивную резонансную систему, настроенную на частоту f, близкую к п-й гармонике частоты ускорителя f, он возбуждает в системе электромагнитные колебания.

Частицы пучка тормозятся и теряют энергию ;vC , равную й elR; R,

R

1+4Q2

(f-nfo)2

Кроме того, энергия частиц на выходе ускорителя зависит от импульсного тока пучка благодаря эффекту нагрузки ускоряющих секций .пучком. В результате энергия частиц на выходе пассивной структуры равна

где Q и RIJ - добротность и щунтовое сопротивление, Ом/м, .пассивной резонансной системы;

щунтовое сопротивление ускоряющей системы, Ом/м;

заряд электрона, э; при стабилизации мощности пучка на выходе ус- 35 корителя;

при стабилизации плотности тока выведенного пучка;

при стабилизации поверх- 40ностной плотности выведенного пучка; импульсный ток пучка. А; энергия частиц без учета нагрузки пучком, эВ.

45-, Таким образом из изложенного видно, что механизм стабилизации произ- ведения с помощью предлагаемого

устройства состоит в том, что при из- (1) . менении тока пучка потери энергии час- 50 2 пассивной системе изменяются так, что произведение Чб остается - неизменным.

Устройство работает следующим образом.

55 Предварительно, зная величину импульсного тока ускорителя I и энергию частиц при отсутствии электронной нагрузки во , выбирают R пассивной резонансной структуры и с учетом велие

.

I

e

е е, - eRl - еК„ I,

(2)

значит величина

16 ео- e() l, (3)

где о энергия частиц без Учета

нагрузки пучком.

Эта величина будет стабилизирована при условии, что

jf (le ).o.

(4)

Подставляя (3) в (4) и пользуясь (1) и (3), получают условие стабилизации

,eIRui(k+1

4Q.iflSfo)i ().i,

г iotr /1- 1 4 TT

(5)

(k+l)lR

R

wo

е

.

I

e

313

чины шунтового сопротивления R каждого из резонаторов - их количество согласно выражению (5), Пассивную систему выбирают так, что количество резонаторов превьшает оптимальное значение, а условие (5) при заданном К выполняют, осуществляя необходимую расстройку резонаторов, например из- меняя их температуру. При выполнении условия (5) и стабилизации, например, плотности тока пучка (), нестабильность тока пучка ускорителя вызывает согласно (2) изменение энергии частиц Б . В свою очередь изменение энергии приводит в изменению угла 9 , а следовательно, плотности тока в плоскости, перпендикулярной оси ускорителя. Таким образом, устройство в данном случае позволяет поддерживать неизменность плотности тока при изменении величины тока, выведенного пучка. Аналогично устройство позволяет стабилизировать мощность пучка или плотность мощности пучка при соот- ветствующем выборе параметров пассивной структу ры ( или .етственно).

Резонансная частота пассивной резонансной системы близка (ида рав- на) частоте следования электронных сгустков или ее п-й гармонике. Для достижения эффекта стабилизации при минимальной длине пассивной резо нансной структуры необходимо выбрать такой номер гармоники, при котором пгунтовое сопротивление пассивной системы, приходящееся на единицу длины, будет максимальным. Выбор оп- тимальног о значения л можно произ- вести из следующих соображений.

Рассмотрим последовательность сгустков пучка ускорителя прямоугольной формы длиной 1. Тогда, очеТвидно, п-я гармоника тока пучка равна

In 21оsin т

где 7 длина волны на рабочей частоте ускорителя.

Продольное электрическое поле, возбуждаемое пучком в пассивном ре- зонаторе, настроенном на п-ю гармонику частоты следования сгустков, пропорционально 1„, п,и добротности резонатора Q. Следовательно

78

. .(rnri)

S3.n

(А)

const I. n Q

-. (7)

(niTU ()

Поскольку Q в свою очередь обратно пропорционально Q 4,

TJn

где Q - добротность на 1-й гармонике, то

xn iT, sin (---)

const lo Q,

(8)

niri Ti

Анализ выражения (8) показывает, что оно максимально, когда

1,17

п -.

(9)

Поскольку п является целым числом, то наибольшее поле, возб ткдаемое пучком, а следовательно и наибольшее шунтовое сопротивление резонатора на единицу длины будет иметь место при п, равном целому числу, наиболее

МУ-Л

близкому к величине

. При этом

30 -с 40

, g

, 50

55длина пассивной структуры, обеспечивающая стабилизацию величины 1 , будет наименьшей.

В рассмотренном примере для реализации стабилизации используются пассивные цилиндрические резонаторы. Но это не является обязательньш для реализации предлагаемого устройства. Стабилизацию величины 16 можно осуществить, устанавливая на выходе ускорителя и другие пассивные резонансные системы, например последовательность пассивных резонаторов прямоугольного поперечного се чения или пассивный диафрагмированный волновод. В каждом случае размеры пассивной системы надо выбирать таким образом, чтобы выполнялось условие (5) , тогда будет обеспечена стабилизация величины IS для каждой из таких пассивных резонансных систем.

Формула изобретения

Линейный резонансный ускоритель электронов, содержащий источникэлектронов, по крайней мере одну ускоряющую секцию, соединенную с высокочастотным генератором, за которым расположено устройство для выпуска пучг ка, отличающийся тем, что, с целью упрощения стабилизации параметров вьгаеденного пучка, между ускоряющей секцией и устройством для вьшуска пучка установлена пассивная содержащая один или несколько резонаторов резонансная система с собствен- еой частотой f, близкая к заданному значению частоты следования сгустков частиц fg или ее гармонике, а размеры выбраны из условия

.,, - nfe)2 .е 1Кш(К+1) .,

-п 1Г- ё: ёш;7к;т) 1,

«

Редактор Н. Яцола

ff.2 ДЗ

Фиг.г

Составитель С. Громов

Техред М.Ходанич Корректор М, Максимишинед

0

5

0

шо

е k

где Q и Кщ - добротность и шунтовое сопротивление Ом/м, пассивной резонансной системы;

шунтовое сопротивление ускоряющей системы, Ом/м; заряд электрона, э; 1 при -стабилизации мощности пучка на выходе ускорителя;

k 2 при стабилизации плотности тока вьгаеденного пучка;

k 3 при стабилизации поверхностной плотности мощности вьюеденного

пучка; , . I - импульсный ток пучка. А;

ЕО- энергия частиц без учета нагрузки пучком, эВ.

«