Линейный ускоритель заряженных частиц Советский патент 1983 года по МПК H05H7/02 H05H9/00 

(5) ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Изобретение относился к ускорительной технике и может использоват ся при разработке линейных ускорите лей -заряженных частиц. Известен линейный ускоритель электронов ЛУЭ-10-1 til, имеющий две секции: группирующую и ускоряющую. Питание ВЧ-мощностью ускорителя осуществляется от одного магнетрона. ВЧ-мощность проходит через группирующую секцию и через выходно трансформатор типа волны (ТТВ), СВЧ-тракт в фазовращателем подается н.а вход ускоряющей секции. Недостатками такой схемы для питания высокочастотной энергией ускоряющей системы являются относител но большие потери ВЧ-мощности в гру пирующей секции и зависимость ВЧ мощности на входе в ускоряющу секцию от нагрузки током ускорителя. . Известен линейный ускоритель -. электронов y-28t2, система питания которого высокочастотной энергией, помимо контрольно-измерительных элементов, включает регулируемый делитель мощности между двумя ускоряющими секциями, фазовращатель для регулировки фазы влета сгустков во вторую ускоряющую секцию, направленный ответвитель для выделения ВЧ-мощности в систему инжекции, фазовращатель и регулируемый аттенюатор в плече тракта, подающего ВЧ-мощность в группирователь системы инжекции. Для соединения такого количества элементов СВЧ-тракта необходимо около полутора десятков уголковых поворотов и 25 фланцевых соединений различных узлов. Недостатками такой схемы питания высокочастотной энергией ускоряющей системы, состоящей из группирующей и двух ускоряющих секций, являются сложный СВЧ-тракт, имеющий значитель3-7ную длину, и, как следствие больши потери мощности и недостаточную эле рическую прочность в ето элементак и волноводах. Наиболее близким к изобретвн1:ю является линейный ускоритель ных частиц с СВЧ-группипователем на обратной золне t-i гиестиполюсным ТТВ 31. Система для питания высоко частотной энергией такого ускорителя включает С8Ч-генератор, соединен ный СВЧ-трактом с шести полюсным ТТЕ который установлен между группирогзг телем, работающим на обратной золив и ускоряющей секцией о Размеры ТТВ выбираются из .условий согласовэгия тракта и ускоряющих систем н o6i;;c-печивает необходимый коэффициент де ления СВЧ-мощности между ускоряющей и группирующей секциями, Недостатком такого технического решения является относительно большой уровень потерь мощности,, ускоряющей секции И; как следстзие ;-,е высокий КПД, Цель изобретения - упрощение кон струкции и повышение КПД ускорителя Цель достигается тем что Е из вестном линейном ускорителе заряжен ных частиц, содержащем последовательно расположенные инжекторS груп пирователь на обратной волне, ускоряющие секции, на входах которы;.; расположены трансфхорматоры типа вол ны, и автогенератор, выход которого подключен ко входу ТТВ первой секци два выхода которого соот5ет1:.тзе;:-: - о подсоединены к выходу группкроваталя и входу .первой ускоряющей секции, ТТВ первой секции выполнен а виде восьмиполюсника5 третий выход которого соединен через фазовращатель с входом ТТВ второй секции. Кроме того, ТТВ5 расположенные на входах каждой п-ной ускоряющей секции, где п 2, 3 . , число ускоряющих секций, выполнен в виде шестиполюсника, второй выход которо го подключен через фазовращатель к входу ТТВ следующей ускоряющей секции. На фиг. 1 схематично изображена конструкция линейного ускорителя заряженных частиц с двумя ускоряющими секциями; на фиг, 2 - линейный ускоритель заряженных частиц с N-ycкоряющими секциями; н фиг. 3 варианты схем питания ВЧ-энергией; на фиг, h зариант : схем гмПания линейного ускорителя; на фиг. 5 зависимости увеличения энергии от общей длинь у чо рмтеля, П1-:нейиый ускоритель (фиг 1) содержит автогенератор 1 СВЧсэнергии, волноводный тракт 2, восьмиполюсный ТТВ 3 5 ин ке1:тор Ц., группирователь на с бра7г:О:л ;;х:мНе 5; первую ускоряющую ;:йкц:-.0 Ьр чилпоБодный тракт 7 с фазовращателем Н, пролетный вакуумньй i-.jMaji 9j TVB ;0 и вторую ускоряющую .unu.-io i ГЬ-нейный ускоритель ; фИ О .:; ПЮеТСЯ 1-13ЛИ ЧИбр, ГС;;- О V ,0)Яloщи; секций мЗ - - , о 1 .Oj , и и c/vsri :;;- н li ь-оокоча ототной энерГ1 1ей f eSoйот с.,/1ующи11 образо R4-мощность О автогенератора ; чо рез зол1-;озодн :1и тракт 2 подается на :-/:ОД БОС bbiljriOJnOOHOrO ТВ 3- КС:(Орэ:й 1-:;- еет vpi,: sibixcna. Первый boixon соединен с выходом гр /пп;фозагепя Ь, рзботаюдего (т;; обратной, золне. Второй 115 , - гдинен с входо;.- первой ускорягощйк секции 6„ Трет:-.и выход че.рез 50 п: :(;-зоднь.1Й тра;-:, / 7 с фаговр8 цате,г|з;--: с -|ередаео j-.-ч.-ющкость сеКцИ -,| 11,; Ho.fiApKi.u-i;;HTi:,i связи вы-ходов aocb v-;nc. -топого ТУЯ ;, быть ПОДОбрЗ ЧЬ: OOpaSOMj чтобы MOU -;ооть .vio:;.: ;::;; можду плеча--;и в заданном соотношении. Коэффициент связи входа и геометрические размеры вось; .мполюс:; 1огс ТТВ г:од6--;раются мз УСЛОВИЙ СО ijacc eBHHt-: - о случае вариантз о .(,:noj: iOico:--.iuuiMX секций больше двух шеотигюл Ос.. IB M.(J, 12, Ibjj показанные ма фиг,. 2, . настраиваются аналогичным образом Это позволяет распределить мощность между секциями; в заданном соотношении. На фиг, 3 S.., б; в, г, д е показаны различные варианты схем :-;тзния высокочастотной энергией использующие принципы, излохченные выше. Схема высокочастотного питания линейного ускорителя, показанная на фиГе 3 а 8 отличается от схемыj показанной на фиг 1J отсутствием группирователя 5 на обратной волне Схема в„ч„ питания, изобреженн.я на фиг. 3 6s отличается от схе,мы на фиг5 3 а, тем, что деление мощности происходит а ТТВ второй секции, а не в первой секции. Схема, приведенная на фиг. 3 в, отличается от прототипа наличием дополнительного ТТВ 10 и дополнительного тракта 7 с фазовращателем 8, Схема на фиг, 3 г отличается от схемы фиг. 2 тем, что отсутствует группирователь 5 на обратной волне. На схеме фиг. 3 Д отсутствует ускоряющая секция 6 по сравнению со схемой на фиг. 2. Схем приведенная на фиг. 3 е имеет напра ление распространения ВЧ-энергии по ВЧ-тракту, противоположное по сравнению со схемой на фиг. 2, и в этом случае используются только шестиполюсные ТТВ во всех секциях. На фиг, Ц 6, в представлены неко торые из возможных вариантов подобных схем питания линейного ускорите ля высокочастот - й энергией. На фиг. Ц а схемати IHO изображена конструкция линейного ускорителя заряженных частиц с N-1 ускоряющими сек циями (6, 11, 13, 15, 17 и 19) и содержит автогенератор СВЧ-энергии 1, волноводный тракт 2, 2Н-полюсный ТТВ 3 инжектор 4, группирователь 5 на обратной волне, волноводные тракты 7 с фазовращателями 8. ВЧ-мо ность поступает в 2Ы-полюсный ТТВ 3 на выходах которого она делится в заданном соотношении через связи с группирователем 5 на обратной волне ускоряющей секцией 6 и волноводными трактами 7 через которые мощность подается на входы (N-3) ускоряющих секций - 11, 17 и 19 При этом коэффициент передачи мощности между входом 2Н-полюсного ТТВ и любым выходом выражается как С М где р) - коэффициент связи входа ТТВ с волноводным трактом 2, (Ь: - коэффициент связи ТТВ с рас сматриваемым волноводом. Условием согласования 2Н-полюсного ТТВ со стороны входа является соотношение между коэффициентами связи в следующем виде N-,K На фиг. k б представлена схема питания линейного ускорителя ВЧ-мощностью, отличающаяся от схемы фиг. 4 а тем, что 2К-полысиый ТТВ 12, делящий мощность в заданном отношении, расположен не в начале ускорителя, а в середине. На фиг. в показана схема с восьмиполюсным ТТВ 12, которая объединяет схемы питания ВЧ-мощностью, приведенные на фиг. ЗГ и на фиг. 3 е. Многосекционная конструкция питания ВЧ-энергией линейного ускорителя позволяет повысить КПД и увеличить энергию на выходе. На фиг, 5 приведены две зависимости увеличения энергии об общей длины ускорителя (N - число идентичных секций длиной 80 см), работающего в 3-ем диапазоне длин волн. 1-кривая показывает предельные значения КПД () и энергии (W) при последовательном наращивании длины одной секции линейного ускорителя. При расчете ток в импульсе равнялся 20 мА, а мощность 250 кВт. При длине секции около 2 м (,5) энергия и КПД достигают максимальных значений 3 МэВ и соответственно. Эта точка соответствует длине ЛУЭ, где ВЧ-мощность на выходе секции при наличии нагрузки током 20 мА достигает нулевого значения. Дальнейшее увеличение длины секции ускорителя приводит к уменьшению энергии пучка. IIкривая рассчитана для схемы, приведенной на фиг. 3 г, и показывает аналогичную зависимость при условии равномерного деления мощности между секциями. Зависимость достигает своего предельно максимального значения при общей длине ЛУЗ около 9,6 м, а значения энергии и КПД равны 5,6 МэВ и 5% соответственно. Кроме того, изготовление и настройка секции длиной 2 м и более представляет собой технически тяжелую и практически невыполнимую задачу в 3-х см диапазоне длин волн. Значительно легче изготовить N идентичных секций с длиной 0,5-0,6 м. Наличие нескольких секций, позволяет расширить возможности по регулировке энергии ускоритепя. Таким образам, изобретение позволяет повысить энергию и КПД ускорителя. Последовательно-параллельные схемы питания ВЧ-энергией позволяют значительно упростить ВЧ-тракт и снизить вес установки по сравнению со схемой параллельного питания ускорителя. Кроме того, наличие многих секций позволяет более плавно регулировать энергию на выходе ускорите ля , в том числе и на рабочей частоте ВЧ-питания при помощи фазовращателей. Применение изобретения позво ляет значительно упростить тракт ВЧ-питания ускорителя заряженных ча тиц. Оно может найти широкое применение в схемах ВЧ-питания линейных ускорителей электронов, разрабатыва мых для прикладных целей (особенно ЛУЭ см диапазона длин волн), и других ускорителях заряженных масти Формула изобретения 1. Линейный ускоритель заряженны частиц, содержащий последовательно расположенные инжектор, группирОЕ атель на обратной волне, ускоря( секции, на входах которых распсложены трансформаторы типа волны, и автогенератор, выход которого подкл чен к входу трансформатора типа вол ны первой секции, два выхода которо го соответственно подсоединены к вы ходу группирователя и входу первой ускоряющей секции, отличающ и и с я тем, что, с целью упроще ний конструкции и повышения коэффициента полезного действия ускорителя, трансформатор типа волны первой секции выполнен в виде восьмиполюс0Вника, третий выход которого соединен через фазовращательс входом трансформатора типа волны второй секции. „ Ускоритель по п„ 1, о т л и чающийся тем, что трансформатор типа волны, расположенный на входе каждой И-ной ускоряющей секции, где , 3s. -0 , N-1 и N - число yeкоряющих секций, выполнен в виде шестиполюсника, второй выход которого подключен через фазовращатётГь к входу трансформатора типа волны следующей ускоряющей секции 3. Ускоритель по п,1, о т л ичающийся тем, что транаффнатор типа волны первой секции выполнен в виде 2М-полюсника5 каждый выход которого соединен через фазовращатель с входом трансформатора типа волны любой ускоряющей секции. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Левин В.М, и др. Линейные ускорители электронов для радиационной технологии Н,, Атомная энергия. 1972J г. 53s вып 4 с. . 2о Вальднер О,А,, Глазков А.А, Проект линейного ускорителя электронов на 10 МэБ с регулируемой энергией, - Ускорители ;, Сборник статей. вып. XIY, 1375 с. 5-8. 3. Авторское свидетельство СССР W {09659, Н 05 Н 7/02, 1973

ljZIIDT©

7

Ш

Фи1.2 12О

T