УСКОРЯЮЩАЯ СТРУКТУРА ЛИНЕЙНОГО УСКОРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ Советский патент 1994 года по МПК H05H9/00 

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к линейным ускорителям электронов.

Целью изобретения является повышение темпа ускорения за счет ослабления частотной и температурной зависимости прироста энергии ускоренных электронов.

На фиг. 1 показан вариант ускоряющей структуры; на фиг. 2 - фрагмент структуры, содержащий стык участков; на фиг. 3 схематически показана волноводная структура; на фиг. 4 - комбинированная структура; на фиг. 5 и 6 - смещения фазы электронов ϕ по длине структуры Z, порожденные некоторым сдвигом частоты Δf, для волноводной и комбинированной структур [знаки (+) и (-) обозначают тип дисперсии].

Ускоряющая (комбинированная) структура состоит из подводящего волновода 1, входного трансформатора типа волны (ТТВ) 2 с окном связи 3, чередующихся участков с положительной дисперсией 4, 5 и 6, выполненных из ячеек периодического диафрагмированного волновода, и с отрицательной дисперсией 7 и 8, выполненных по типу бипериодической цепочки с соосными ячейками связи. Неиспользованная на ускорение пучка мощность выводится через выходной трансформатор типа волны 9 в согласованную нагрузку 10. Переходная ячейка 11 соединяет участки с различной дисперсией и обеспечивает расстояние, равное половине длины волны в волноводе λ_g/2 между центрами соседних ускоряющих ячеек.

Устройство работает следующим образом. Поток ВЧ-мощности из прямоугольного волновода 1 через окно связи 3 поступает в ячейку входного ТТВ 2. Далее ВЧ-поток разветвляется на два парциальных потока, один из которых направляется в полноводную подструктуру, а другой - в резонаторную подструктуру. Оба потока, поражаясь одним и тем же полем в ТТВ, имеют здесь одинаковую фазу. Коэффициент деления мощности между подструктурами определяется размерами отверстий связи. Если направление движения пучка принять за положительное, то групповая скорость волны во втором потоке , совпадающая со скоростью распространения энергии, является отрицательной. Однако фазовая скорость волны , связанной с этим потоком является величиной знакопеременной. На участках с положительной дисперсией 4 и 5 < 0, т.е. волна здесь с пучком не взаимодействует. На участках же с отрицательной дисперсией 7 и 8 совпадает по величине и направлению со скоростью частиц, и, следовательно, энергия второго потока здесь передается пучку. При отражении от короткозамкнутого входа возникает третий парциальный поток, который, в противоположность второму, создает ускоряющую волну на участках с положительной дисперсией. Таким образом, эквивалентная ускоряющая волна на участках с различными знаками дисперсии создается и разными парциальными потоками.

Изменение частоты поля или температуры структуры порождает набеги фаз в эквивалентной волне, которые на участках со знакопеременной дисперсией стремятся компенсировать друг друга. Условие короткого замыкания обеспечивает синфазность полей обоих потоков в граничной ячейке структуры, так что в ней образуется пучность стоячей волны. Резонаторная подструктура возбуждается на -типе колебаний, поэтому ускоряющие ячейки с пучностями поля чередуются в ней с ячейками связи, свободными от поля, которым соответствуют узлы стоячей волны. Ячейка ТТВ является ускоряющей и, следовательно, в ней фазы всех трех парциальных потоков совпадают. Будучи одинаково направленными, первый и третий потоки складываются в волноводной подструктуре и образуют единую ускоряющую волну, которая, после передачи части своей энергии пучку и стенкам структуры, направляется через выходной ТТВ 9 в согласованную нагрузку 10.

При отклонении частоты электрон, вошедший в комбинированную структуру при ϕ= 0, на первом участке соскальзывает с гребня волны к концу участка смещается по фазе на Δϕ₁. На втором участке с противоположным знаком β_g электрон вначале возвращается к гребню, затем переходит на другой склон волны, где смещается по фазе на Δϕ₂ и т.д. В результате в комбинированной структуре на отклоненной частоте электроны совершают параметрические фазовые колебания в окрестности максимума поля_.
Особенность стоячей волны в комбинированной структуре состоит в том, что она образуется в результате лишь однократного отражения ВЧ-потока от входа структуры. Поэтому резонаторную подструктуру можно рассматривать как резонатор с низкой нагруженной добротностью и, следовательно, с широкой полосой пропускания частот.

Для проверки этого утверждения был поставлен эксперимент. Исследовался макет, состоящий из 17 ячеек диафрагмированного волновода, причем ВЧ-мощность вводилась в 7 ячейку, считая от начала структуры. Было найдено, что величина КСВН не превышает 1,2 в области частот 2797±2 МГц. Отсюда следует, что согласование линии ВЧ-питания с входом комбинированной структуры действительно является достаточно широкополосным, и по этому критерию комбинированная структура приближается к волноводной.

Применение комбинированной структуры в линейных ускорителях электронов позволяет заметно ослабить зависимость прироста энергии ускоренных электронов от частоты ВЧ-поля и температуры ускоряющей структуры, а следовательно упростить конструкцию задающего генератора и системы охлаждения ускоряющей структуры. Причем расширение рабочей области частот и температуры будет особенно полезным в ускорителях с большим тепловыделением в структуре (работающих, например, в квазинепрерывном или непрерывном режимах). Возникающие в таких случаях высокие градиенты температуры в стенках ускоряющих ячеек могут вызвать трудноконтролируемое смещение частоты рабочего типа колебаний. Использование комбинированной структуры дает возможность ослабить неблагоприятные последствия этого эффекта.

Изобретение относится к ускорительной технике. Цель изобретения - повышение темпа ускорения за счет ослабления частотной и температурной зависимости прироста энергии ускоренных частиц. Устройство содержит подводящий волновод 1, трансформатор типа волны 2, цепочку связанных резонаторов и согласованную резистивную нагрузку 10. Трансформатор типа волны 2 установлен на месте одной из ячеек цепочки и разделяет структуру на две части. Первая по ходу пучка часть структуры выполнена с отрицательной дисперсией, а вторая - с положительной. Первая часть структуры может быть выполнена из чередующихся участков резонансных структур с положительной и отрицательной дисперсией. Применение изобретения обеспечивает в 2N-1 раз ослабление допусков на нестабильность ее частоты и температуры, где N - число чередующихся участков структуры. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. УСКОРЯЮЩАЯ СТРУКТУРА ЛИНЕЙНОГО УСКОРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ, содержащая входной трансформатор типа волны и цепочку связанных резонаторов, оканчивающуюся согласованной резистивной нагрузкой, отличающееся тем, что, с целью повышения темпа ускорения за счет ослабления частотной и температурной зависимости прироста энергии ускоренных электронов, входной трансформатор типа волны установлен между ячейками цепочки и разделяет структуру на две части, причем первая по ходу пучка часть структуры выполнена с отрицательной дисперсией, а вторая - с положительной. 2. Структура по п. 1, отличающаяся тем, что первая часть ускоряющей структуры выполнена из чередующихся участков резонансных структур с положительной и отрицательной дисперсией.