СИСТЕМА ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПИТАНИЯ ЛИНЕЙНОГО УСКОРИТЕЛЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Советский патент 1996 года по МПК H05H7/02 

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к сильноточным ускорителям заряженных частиц с малой длительностью импульса тока, предназначенным для использования в радиационной химии, активационном анализе, фундаментальных исследованиях физики высоких энергий и др.

Известен линейный ускоритель заряженных частиц с накоплением энергии ВЧ-поля и высокодобротном резонаторе с переменным коэффициентом связи [1] Система ВЧ-питания ускорителя состоит из накопительного резонатора, имеющего два отверстия связи, к одному из которых подключен генератор высокочастотных колебаний. Вывод запасенной в резонаторе энергии осуществляется через интерференционный ключ, подсоединенный к второму отверстию связи резонатора.

Увеличение импульсной мощности ВЧ-волны в такой системе может достигать значения 20-40 раз по сравнению с импульсной мощностью питающего СВЧ-генератора.

Недостатками этого устройства являются следующие.

1. Поскольку накопление энергии осуществляется как в самом резонаторе, так и в части волноводного тракта интерференционного ключа, то заметно снижается максимально допустимый уровень мощности генератора из-за возникновения пробоев в элементах волноводного тракта.

2. Накопление энергии осуществляется при критической связи резонатора с трактом, его нагруженная добротность достаточно велика (несколько десятков тысяч). При этом существенно возрастают требования к стабильности к стабильности частоты задающего генератора, точности настройки и температурной стабильности самого накопительного резонатора и входящих в резонансную систему элементов волноводного тракта.

3. Длительность выходного импульса ВЧ-мощности для "теплых" резонаторов составляет величину порядка сотни наносекунд, что приемлемо только для ЛУЭ с небольшой длиной ускоряющей секции.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является ВЧ-система [2] выбранная в качестве прототипа. Эта система состоит из задающего генератора, ускорителя мощности, в тракт возбуждения которого включен быстродействующий фазовращатель, и накопительного устройства, состоящего из двух резонаторов, включенных в ВЧ-тракт с помощью трехдецибельного моста. Здесь коэффициент связи резонаторов с трактом постоянный и превышает единицу.

Устройство работает следующим образом. В течение первой (большей) части ВЧ-импульса генератора энергия ВЧ-поля запасается в резонаторах. Далее следует быстрое изменение фазы колебаний волны усилителя мощности на 180^o. При этом волна, излучаемая из резонаторов складывается с волной усилителя в одной фазе, в результате чего амплитуда суммарной волны на выходе системы в течение второй (меньшей) части ВЧ-импульса возрастает на величину , где Е_o амплитуда волны усилителя мощности; β коэффициент связи резонатора с ВЧ-трактом.

Недостатком данной системы является то, что увеличение мощности ВЧ в ней не превышает 9 раз. Кроме того, максимальный расчетный КПД прототипа не может превысить величины приблизительно 81% a в реальном случае составляет около 60-70%
Целью изобретения является увеличение импульсной мощности ВЧ-волны и КПД системы высокочастотного питания.

Поставленная цель достигается тем, что в системе высокочастотного питания линейного ускорителя заряженных частиц, состоящей из последовательно соединенных задающего генератора, быстродействующего фазовращателя, усилителя высокочастотной мощности и системы формирования высокочастотных импульсов, система формирования высокочастотных импульсов состоит из последовательно соединенных четырехплечего циркулятора, выключателя высокочастотной мощности, линии задержки и высокочастотного моста, причем первое плечо циркулятора подключено к выходу усилителя высокочастотной мощности, третье к выключателю высокочастотной мощности, к второму плечу циркулятора подключен накопительный резонатор, а четвертое плечо соединено с вторым плечом высокочастотного моста, первое плечо которого подключено к линии задержки.

Таким образом, поставленная цель достигается накоплением энергии ВЧ-поля, отраженного от резонатора в линии задержки, с последующим сложением ее с энергией ВЧ-генератора и энергией, запасенной в системе накопления (высокодобротном резонаторе).

На чертеже приведена структурная схема системы высокочастотного питания линейного ускорителя заряженных частиц.

Предлагаемая система состоит из задающего генератора 1, быстродействующего фазовращателя 2, усилителя 3 ВЧ-мощности, четырехплечего циркулятора 4, системы 5 накопления ВЧ-энергии, подключенной к второму плечу циркулятора, выключателя 6 ВЧ-мощности и линии 7 задержки, последовательно соединенных с третьим плечом циркулятора 4 и высокочастотным мостом 8, смежные плечи которого соединены с выходом линии 7 задержки и четвертым плечом циркулятора 4.

Система работает следующим образом.

ВЧ-мощность задающего генератора 1 усиливается в усилителе 3 мощности и поступает на устройства связи системы 5 накопления. Отраженная от системы накопления волна имеет мощность
,
где Р_o мощность на выходе усилителя;
;
;
Q_o, t собственная добротность и частота резонансной системы.

Через циркулятор 4 и выключатель 6 ВЧ-мощности (находящийся в открытом состоянии) она поступает в линию 7 задержки. После заполнения ВЧ-мощностью линии 7 задержки изменяется фаза сигнала на входе усилителя 3 мощности с одновременным срабатыванием выключателя 6 мощности. При этом на смежные плечи ВЧ-моста 8 поступают волны с уровнем мощности
,
где t_o длительность задержки сигнала;
x_n затухание в линии задеpжки,
и
,
где t₁ время срабатывания быстродействующего фазовращателя и выключателя ВЧ-мощности.

При условии t_o > t₁ отношение мощностей P₁/PO₂ не зависит от времени и, следовательно, выбором коэффициента связи направленного ответвителя можно добиться сложения мощностей Р₁+P₂ на одном из его выходном плече.

Таким образом, на выходе системы (или на входе в ускоряющую секцию ЛУЭ) будем иметь импульс ВЧ-мощности следующей величины:
.

При условии малости затухания ВЧ-волны в линии задержки х_n<1 и t_o>t₁ будем иметь
P_вых=1+(α_o+1)²P_o..

При сильной пересвязи системы накопления с трактом β ≫ 1
P_вых=10P_o.

Так как для формирования импульса ВЧ-мощности на выходе системы использована энергия, запасенная в системе 5 накопления и отраженная от нее, то КПД заявляемого устройства может быть увеличен до 90-95%
Предлагаемая система имеет существенные преимущества по сравнению с прототипом, поскольку имеет более высокий коэффициент усиления по мощности и КПД.

Использование: при разработке импульсных систем питания ускоряющих структур с большой величиной пиковой мощности. Сущность изобретения: к выходу усилителя 2 высокочастотной (ВЧ) мощности, соединенного с задающим генератором 1 через фазовращатель 2, подключена система формирования ВЧ-импульсов, содержащая накопительный резонатор 5 и последовательно соединенные циркулятор 4, выключатель 6, линию 7 задержки и выходной ВЧ-мост 8. После включения задающего генератора 1 отраженная от накопительного резонатора 5 через открытый выключатель 6 ВЧ-мощность заполняет линию 7 задержки. После этого изменяется фаза сигнала на входе в усилитель 3 и размыкается выключатель 6, в результате чего на второе плечо моста 8 также поступает ВЧ-мощность по линии прямой связи через циркулятор 4. Соответствующим подбором коэффициента связи в мосте 8 осуществляется сложение мощностей на его выходном плече, в результате чего достигается высокое значение пиковой мощности и КПД устройства. 1 ил.

Система высокочастотного питания линейного ускорителя заряженных частиц, состоящая из последовательно соединенных задающего генератора, быстродействующего фазовращателя, усилителя высокочастотной мощности и системы формирования высокочастотных импульсов, подключенной к резонатору ускорителя, отличающаяся тем, что, с целью повышения импульсной мощности высокочастотной волны в ускорителе и КПД устройства, система формирования высокочастотных импульсов выполнена из накопительного резонатора и последовательно соединенных четырехплечего циркулятора, выключателя высокочастотной мощности, линии задержки и высокочастотного моста, причем первое плечо циркулятора подключено к выходу усилителя высокочастотной мощности, третье к выключателю высокочастотной мощности, к второму плечу циркулятора подключен накопительный резонатор, а четвертое плечо соединено с третьим плечом высокочастотного моста, первое плечо которого подключено к линии задержки, а второе плечо моста подключено к резонатору ускорителя.