Линейный ускоритель электронов с компрессией СВЧ-энергии Советский патент 1992 года по МПК H05H9/00 

d

00

со о о

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для ускорения нерелятивистских электронных лучков до малых и средних энергий.

Цель изобретения - упрощение конст- рукции.

На фиг, 1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг. 2 - зависимости приведенной фазовой скорости прямой (А) и обратной (Б) пространственной гармо- ники от продольной координаты; на фиг. 3 - дисперсионная кривая периодической замедляющей структуры с емкостным типом связи между ячейками структуры; на фиг. 4 - дисперсионная кривая для структуры с индуктивным типом связи.

Устройство ЛУЭ с компрессией СВЧ- энергии(фиг. 1) содержит инжектор 1электронного пучка, соединенный с ускоряющей секцией 2, которая оснащена фокусирую- щей системой 3, содержит замедляющую структуру 4 и связана СВЧ-трактом 5 через переключатель 6 СВЧ-мощности с накопительным резонатором 7. При этом период замедляющей структуры и коэффициенты отражения от торцов ускоряющей секции выбраны в соответствии со следующими условиями

vn0

С

. D А0/2я;

Су 0,1-0.2;

(47,3 N Су - 9,54 )/ П Г2/ 2 1 ,

(1)

где vn - скорость пучка; С - скорость света; в- вид колебания, соответствующий

низшей обратной ускоряющей пространстгвенной гармонике и частоте f -т ;

А-длина волны;

D - период замедляющей структуры;

tn - длина участка замедляющей структуры с постоянной геометрией и периодом D;

N - целое либо полуцелое число из интервала 10

Су - параметр усиления, соответствующий прямой пространственной гармонике;

П, Га - коэффициенты отражения от торцов ускоряющей секции в режиме накопления СВЧ-энергии, q 1 при емкостной связи между ячейками структуры. 0,5 при индуктивной связи.

Линейный ускоритель электронов с компрессией СВЧ-знергии работает следующим образом.

Непрерывный немодулированный высоковольтный электронный пучок, параметры которого выбраны в соответствии с

условиями (1), удерживаемый магнитным полем фокусирующей системы 3 от кулон.ов- ского расталкивания, поступает из инжектора 1 в ускоряющую секцию 2, в которой часть энергии пучка, взаимодействующего с замедляющей структурой 4, преобразуется в энергию ШЧ-колебаний в процессе авто- генерации по типу лампы бегущей волны (ЛБВ).

Для того.: чтобы в устройстве возникла автогенерация на прямой волне необходимо и достаточно выполнение следующих усг ловий:

V- п А/2;(2)

КуКо/ПГг/2 1:

(5)

(3)

(4)

VnSrNr. где Ку -9.54 + 47;3N.Cy 1;

С - скорость света;

, $ - длина той части секции, на которой осуществляется генерация и которая имеет постоянную геометрию (фиг. 1. и 2);

п - целое число;

А - длина волны в свободном пространстве;

Vr - фазовая скорость прямой пространственной гармоники;

Ку - коэффициент усиления ЛБВ;

К0- коэффициент ослабления (при наличии поглощающей вставки);

fi, Га - коэффициенты отражения от торцов секции;

Vn - скорость частиц инжектируемого пучка;.

r4-dlr/{Vr А/С) п/2;(6)

Су- параметр усиления, зависящий от тока пучка, напряжения инжекции. выбора структуры.

Для достижения максимума КПД генерации, большего 25%, целесообразно выбирать значения

N 10-30, Су 0,1 -0,2,

гДеСу У- гРсГ У- СГ х(7)

I - ток пучка, А;

U - напряжение инжекции, В;

с 2 RCB, ,.- сопротивление связи. Ом, и

электродинамический параметр, Ом1/2, для прямой синхронной с инжектируемым пучком пространственной гармоники.

Приведенные соотношения легко удовлетворить выбором длины участка секции г, настройкой ненулевых коэффициентов отражения от торцов при отсутствии поглощающей вставки, т.е. при

.(8)

выбором величины тока пучка и напряжения инжекции. соответствующего синхронизму с прямой ненулевой пространственной гармоникой. Учитывая, что в данном устройстве не стоит цель широкополосной генерации, в нем в качестве замедляющей структуры, входящей в состав ускоряющей секции, целесообразно применять узкополосные структуры с высо- 500-1000 Ом1 2,

кими значениями

7Г

обеспечивающие электронное КПД автогенерации fy более 25% и, соответственно, величина СВЧ-мощности составит Pr .

В период накопления СВЧ-мощность, поступает по СВЧ-тракту 5 в высокодобротный резонатор 7. Состояние переключателя 6 СВЧ-мощности обеспечивает связь, близкую к критической резонатора 7 с трактом с величиной связи . При условии отсутствия частотной расстройки резонатора из условий (3), (7) и при /П/ 1 и минимальном Ку 38 получим значение (3 - 1,4, при введении ненулевой частотной расстройки нетрудно обеспечить совместное выполнение условий (3), (7) и условия .

Длительность периода накопления со- 2-2 Qo

ставляет1н ятоО+Л : где Qo - собственная добротность резонатора;.

fo - частота колебаний, Гц.

По окончании периода накопления следует изменить состояние СВЧ-переключа- теля 6, уменьшив тем самым нагруженную добротность резонатора благодаря новому значению величины коэффициента связи .

Тогда СВЧ-мощность по СВЧ-тракту начнет распространяться в обратном направлении к ускоряющей секции 2, возбуждая в ней только обратные пространственные гармоники. Для того, чтобы получить заметное ускорение нерелятивистского пучка, необходимо выполнение следующих условий:

г

Рг /I4tp

Лр ;Ьан VnЈVy().Vy(

Ф6С,

где Ру- СВЧ-мощность, поступающая в секцию из резонатора в период использования СВЧ-энергии, накопленной в резонаторе, длительность которого tp;

Vy - фазовая скорость обратной пространственной гармоники;

г - коэффициент усиления мощности.

0

5

0

5

0

Как известно, коэффициент усиления мощности может достигать значений 102 - 103 для обычных резонаторов и более 104- 10бдля сверхпроводящих резонаторов с эффективностью преобразования СВЧ- энергии при накоплении и компрессии /к более 80%. Зэ период использования СВЧ- энергии резонатора tp энергия СВЧ-колеба- ний должна успеть заполнить полностью ускоряющую секцию с временем заполнения taan для того, чтобы инжектированный непрерывный пучок смог захватиться в процесс ускорения и сгруппироваться на участке волноводной группировки 1гр (фиг. 2) обратной пространственной гармоникой, амплитуда которой такова, что благодаря условию Ру Рг подавляется процесс автогенерации. Закон изменения параметров структуры на участке Irp хорошо известен, и таков, что в начале этого участка Vy(Z 0) Vn, а в конце Vy(Z 1Ф) - С и длина этого участка Ifp (2 - 5) А .

Группировка на этом участке может происходить как при постоянной фазовой скорости VyS:Vn {пунктирная линия на фиг. 2), так и при переменной фазовой скорости (сплошная линия на фиг. 2).

Величина коэффициента связи в течение периода использования энергии определяется из следующего соотношения:

, 2-2Qg ,t -

IVrW

frp

lvrp

(Г)

и Vrp™ - средние значения групгде Vrpповой скорости на участках 1П и 1гр соответственно.

Эти значения зависят от выбора структуры и вида колебаний. Максимально достижимый прирост энергии частиц без учета ускорения на участке группировки и фазового движения определяется следующим образом:

(A--i-L)frnhfi

Д Wwaicci

Е-1 А

Vp

где

VP

- электродинамический пара

метр для низшей обратной пространственной гармоники.

Для структуры типа круглого диафрагмированного волновода (КДВ) эту величину можно определить из справочных данных.

Длительность импульса тока ускоренного пучка tn составляет лишь часть периода

использования энергии и определяется следующим образом: tn 6- t)K Рг tr/( lu ).

При имеем наносекундный режим запасенной энергии при использовании несверхпроводящих резонаторов при tn tp - taan. При tp tsan - переход- ный и стационарный режим ускорения для сверхпроводящих резонаторов Qo ш 10 - 10 . Максимальная частота следования импульсов тока определяется следующим образом:

(tr + tp)1/tr JTf/Qo и составляет, следовательно, около 10 Гц для несверхпроводящих резонаторов и 10 - 104 Гц для сверхпроводящих резонаторов.

Заметим, что необходимые и достаточные условия совместности условий генерации (4) и ускорения следующие: г 1; Vy С; Vr/V-vn/C.(9)

Из последнего условия определим соотношение для выбора напряжения инжекции в зависимости от вида колебания:

Ј(U)

в

4jrq -W

(Ю)

где Q - вид колебания низшей обратной пространственной гармоники с фазовой скоростью Vyct; С;

q - коэффициент, зависящий от типа связи между ячейками замеряющей структуры: ц 1 - емкостная связь (фиг. 3); q 0,5 - положительная взаимная индуктивность между ячейками (фиг, 4).

Объединяя соотношения (2-9) с учетом (10) нетрудно получить условия выбора параметров конструкции ЛУЭ и режимов его работы (1).

Для структуры с емкостным типом связи в качестве ускоряющей выбрана - 1 гармоника, а генерирующей + 1 пространственная гармоника; для структуры с индуктивным типом связи основная (нулевая) и -1 соответственно, так как более высокие гармоники имеют меньшие значения электродинамического параметра. Вид колебаний определяется из условий минимума ban (в случае использования несверхпроводящего резонатора), минимума напряжения инжекции, максимума

Е-1 А учетом оптимальных tr, tp для

достижения близкого к максимальному значению. .

Так, для структуры с емкостной связью и 0 3л/2 .имеем:

Wi

с

Ut80xB( iO,5). при в

5я

( ).

Для структуры с имеем U

при & 2

индуктивной связью ЗОкВ( Ј 1/3), при

0

А :1И80кВ{

Из условия Vy TC. С, эквивалентного условию для ближайшей обратной гармониники C-2;rD С/А 9, определим величину периода структуры D на участке 1г: D 0А/2/2 п.

Параметры участка группирования 1Гр определяются независимо от условий генерации как и в обычном ЛУЭ.

Таким образом, в простой конструкции ЛУЭ с компрессией СВЧ-энергии излучения непрерывного нерелятивистского пучка возможен выбор таких параметров его ускоряющей структуры, что их сочетание обеспечит в одном и том же устройстве непротиворечивые условия генерации, накопления и ускорения пучка до релятивистских энергий.

В качестве примера рассмотрим возможные параметры конкретного устройства. Выберем структуру с емкостной связью типа круглого диафрагмированного волновода (КДВ) с величиной EiA/Vp, равной 570 . 0 4л/3, частоту СВЧ-колебаний- возьмем равной f 1,818 ГГц ( А 16,5 см), а ток пучка I 4А, Тогда определим О- 0А/2л: 11 см. Длину участка 1П выберем равной 1п- 14Л 14 VrAo /С. так как# 4лг/3,то

ТГ% 4Я-в 0,5In/Ao 7 .. а соответствующее напряжение инжекции U 80 кВ, При этих параметрах параметр усиления:

45 Cv

-.„

Как известно, КПД генерации /г в этих условиях составляет более 2СУ 22%, а мощность генерации Рг составит не менее 0.22xlxU - 70,4 кВт.

Нетрудно оценить величину групповой скорости на участке tp:(Vrp/C)0,02. тогда получаем

55

Зол

w -fc-f

Изобретение относится- к ускорительной технике и может быть использовано для ускорения нерелятивиетских электронных пучков до малых и средних энергий. Цель изобретения - упрощение конструкции - достигается за счет того, что в линейном ускорителе электронов е компрессией СВЧ-энергии, содержащем последовательно расположённые инжектор 1 электронов и ускоряющую секцию 2 с замедляющей структурой 4, накопительный резонатор 7, СВЧ-тракт 5 с переключателем 6 СВЧ-мрщ- ности, накопительньи резонатор 7 соединен с СВЧ-трактом 5 с ускоряющей секцией 2 со стороны выхода, при этом геометрические параметры замедляющей структуры 4 выбраны с учетом формул, приведенных в описании изобретения. На чертеже также обозначена фокусирующая система 3. 4 ил. ел С

vn

U 125кВ; 0.6), при Q4лДля теплого медного сферического резонатора, работающего на ТЕогз типе колебаний, в работе получено значение времени накопления tr 1,9 мкс при Qo 1,46x10 . Отсюда получаем при эффективности преобразования энергии при накоплении и выводе

ик 80% : r r)K Wtp 0.8- ,° 8.3 .

/ Jt т i эан

Отсюда прирост энергии при Е +1 A/ Vp бЗОЮм .

ДМмакс.-Отсюда максимальная частота следования ускоренных импульсов тока длительностью

fficPrtr

3,4 МэВ

tn

8 не составляет:

5

AW/t V л: f/Qo 3,9x103 Гц.

Рассмотрим этот пример при тех же условиях применительно к криогенному резонатору, охлаждаемому жидким азотом, с. добротностью Qo (2 - б)х1,46x104:

г - 17 - 50, Д Л/макс 4,8-8,4 МэВ;

v (2 - 0,65}х105 Гц; tn 11 - 19 не. При использовании сверхпроводящих резонаторов с добротностью длительность tp и соответствующие значения г следует выбирать с учетом возможности пробоев в ускоряющей секции и в самом резонаторе, Считая, что пробои в резонаторе наступят при величине запасенной энергии 10 Дж, а в секции - при г 660, получим:

tr

10 Дж

142 мкс , tp -

1 мкс

70 кВт tp- Wt7 где есть стационарный режим ускорения с приростом энергии Д Л/макс 30 Мэв (без учета нагрузки током), длительностью им- пульеат.,7мкс, частота посылок при этом

составит V

f 7 кГц. tr

Таким образом, из приведенного примера видно, что изменение конструкции. ЛУЭ наряду с ее упрощением не снижает значение максимальной частоты следования ускоренных импульсов тока, а по сравнению с известными ЛУЭ, содержащими импульсный СВЧ-генератор мегаваттного уровня мощности - повышает это значе0

5

0

ние частоты на 2-3 порядка. При этом КПД преобразования средней мощности высоковольтного питания в СВЧ-мощностью ускоряющего поля составляет: /г /к 18%, что приблизительно соответствует обычным ЛУЭ.

Формула изобретения Линейный ускоритель электронов с компрессией СВЧ-энергии, содержащий последовательно расположенные инжектор электронов и ускоряющую секцию с замедляющей структурой, накопительный резонатор, СВЧ-тракт с переключателем СВЧ-мощно.сти, отличающийся тем. что, с целью упрощения конструкции, накопительный резонатор соединен с СВЧ-трак- том с ускоряющей секцией со стороны выхода, при этом геометрические параметры замедляющей структуры выбраны из условий ,

5

0

5

0

5

0 А0/2я: . (47.3 N су - 9,54 )/ П Тг/ 1 Cv 0,1-0,2 ; г

2 в

„у-и., «.. с - 4jrq Q

где vn - скорость частиц пучка, м/с.

С - скорость света в вакууме, м/с:

О- вид колебаний, соответствующий низшей обратной ускоряющей пространственной гармонике и частоте f с/ А ;

А-длина волны СВЧ-колебаний. м;

D - период замедляющей структуры, м;

Рг - длина участка замедляющей структуры с постоянной геометрией и периодом О. М;

N - целое или полуцелое число из интервала 30;

Су - параметр усиления, соответствующий прямой пространственной гармонике;

П, Га - коэффициенты отражения от торцов ускоряющей секции в режиме накопления СВЧ-энергии;

при емкостной связи между ячейками замедляющей структуры;

q Ог5 - при индуктивной связи..

О

«rp

Риг. 2

Фиг. 3

Лг

la.

Фиг.4