Высокочастотная система ускорителя со стоячей волной
Иллюстрации
Реферат
ВЫСОКОЧАСТОТШЯ УСЖОРИТЕЛЯ СО СТОЯЧЕЙ ВОЛНОЙ, содержащая ВЧ-генератор, подключемнс к нему фазовращатель, к котсчрому, в свсно очередь, подключены через волноводные ответвители группирукшше и ускоряющие секции ускорителя, а также аттенюатор и волноводную нагрузку , отлич ающаяся тем, что, с целью увеличения тока ускорпл щих частиц и сужения их энергетического спектра, все волноводные ответвители выполнены в виде четырех илечевых мостов, которые включены последовательно друг с другом, при Этом первое плечо первого моста через фазовращатель соединено с генератором , втсфое и третье плеча соединены с первой и второй группирую{цими секциями, а четвертое плечо через аттенюатсф - с первьая плечом Второго моста, втсфое и третье плечи которого соединены с первой и второй ускоряющими секцияно, а четвертое с входом третьего моста, при этом все последукяф|е ыоеты включены гшалогично BTOpoikQr И третьему, а в четвертое плечо последнего моста вклюЧе иа вояяоводиая нагрузка, при этом ЩдШОЯНвККГСЯ УСЛОВИЯ .аРг-Ро ЧР -РгРо %2((H-K)(NKH), Еде Ре - коэффициент связи группнруfOBERix секций с плечам первого мсхзта Pfноишяальная мощность ВЧ-гег мератора; РОноми«гльная потребляемая MouwocTb группирующих сек- . цив; ()к коэффициент связи каяшой пары ускоряющих секций с пяечшии соединенного с ией ч моста; О М -.об&сее число мостов; 3 Kal,2,.«.,N-1- номер пары ускоряющих секций.
аа 03) СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ!. и втоеском свидетельств
»»» л с»с
\ с ) 1 с. Pr.с
ГОСУДАРСТВЕЙНЦЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ,.(2l) 3447529/18-21 (22) 63.06.82 .(46) 28.02,84. Вюл . Ф 8
:(72) В.к.йвщов (71) Московский ордена Трудового
Красного Знамени инженерно-физический институт (53) 621.384.6(088 ° 8) (56) 1, Koichi Хг1е, «Joshihumd Ninova, Зизаау Sawada О Compact Electron
3indc Using Side —.conpged Strnchure.
Japan, Уоин а8 АррХ1ед РЬуз, 1973 ч 12, У 3, р. 2 77-285.
2. Вукулов В.Ф. ЛУЭ со стоячей волной и мостовой схемой питания для дефектоскопии и медицины. — В кн.-.
Доклады 111 Всесоюзного совещания по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве. Т.i °
Ленинград, 1979, с.186-195 (прототип). (54) (57) ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ СИС,РЕИК
УСКОРИТЕЛЯ СО СТОЯЧЕЙ ВОЛНОЙ, содержащая ВЧ-генератор, подключенный к нему фазовращатель, к которому, в свою очередь, подключены через волноводные ответвители группирующие и ускоряющие секции ускорителя, а также аттенюатор и волноводную нагрузку, отличающаяся тем, что, с целью увеличения тока ускоряющих частиц и сужения их энергетического спектра, все волноводные ответвителн выполнены в виде четырех пле» чевых мостов, которые включены посс
3(ж Н 05 Н .7 02У Н 05 Н 9 04 ледовательно друг с другом, при
|этом первое плечо первого моста че» рез фазовращатель соединено с генератором, второе и третье плечи соединены с первой и второй группирующими секциями, а четвертое плечо через аттенюатор — с -первым плечом второго моста, второе и третье плечи. которого соединены с первой и второй ускоряющими секциями, а четвертоес входом третьего моста, при этом все последующие мосты включены аналогично второму и третьему, а в чет» вертое плечо после.цнего моста включе иа волнаводиая нагрузка, при этом выполняются условия
2P„-Р с2 Р Р,Р« В е
iPg ъЯ(й-K)-М2 й-к)(й-К-1), Й е фз - коэффициент связи группирующих секций с плечаж первого моста; Ф
Рp - новщнальная мощность ВЧ-ге». нераторар
Ро — номинальная потребляемая мощность группирующих сек- . цийу
t)q- коэффициент связи казщой пары ускоряющих секций с плечами соединенного с ией моста
" -.общее число мостов1
К1,2,... Ря-1- номер пары ускоряющих секций.
1077066
Изобретение относится к. ускорительной технике и может быть использовано при разработке ускорителей заряженных частиц со стоячей волной, предназначенных для использования в дефектоскопии, в радиационной химии 5 и медицине, Известна высокочастотная система ускорителя со стоячей волной, .содержащая магнетрон и подключенную к нему через ферритовый циркулятор уско- 10 ряющего секцию, В известном устройстве ферритовый циркулятор обеспечивает. развязку, магнетрона от ускоряющей секции t1j.
Недостатком данного устройства является наличие потерь мощности в феррите, что снижает КПД устройства, Наиболее близкой к предлагаемой янляется выСокочастотная система ускорителя со стоячей волной, содержащая ВЧ-генератор, подключенный к нему фазовращатель и подключенные к последнему через нолноводные ответнители группирующне и ускоряющие секции ускорителя, а также аттенюатор и волноводную нагрузку.
В.известном устройстве группирова.тель питается от основного ВЧ-тракта через волноводный направленный ответвитель, а ускоряющие секции - с помощью волноводного моста, на входе которого устанонлен аттенюатор, позволяющий за счет регулирования величины подводимой к секциям мощности варьиронать в широких пределах энергию ускоряемых электронов. При- 35 менение волноводного,моста вместо ферритового вентиля или циркулятора имеет прежде всего то преимущество, что стабильность частоты питающего генератора {магнетрона) существенно 4О возрастает и Уменьшаются потери ВЧ мощности в волноводном тракте )2) .
Недостатком известной системы является то, что ВЧ"мощность заполняет высокодобротные резонаторные 45 секции не сразу, а в результате пе реходного процесса
<о<
Рр ° Г,(<-e ) где Р— мощность, поступающая в резонаторы;
Рр †. установившееся значение; а, )н= р- нагруженная добротность реэонаторной секции; коэфФициент связи с подводя-55 щим волноводом; э рЯ- резонансная частота резонаторных секций.
Таким образом, отраженная во вре)яя переходного процесса от резона- 60 вгорных секций мощность непроизводительно теряется, поглощается в волноводной нагрузке, что снижает общий КПД.
Энергетические потери на переходный процесс можно оценить ФормуЛой 65
I пот (Р!и. откуда видно, что они особенно велики при больших добротностях (например, в случае сверхпроводящих резонаторов) и составляют существенную долю при малых длительностях ВЧ-импульса. Кроме того, наличие электронов, ускоряющихся иа переднем и заднем фронтах огибающей ВЧ-импульса в
;секциях при неоптимальных значениях ускоряющих полей, приводит к тому, что ускоритель обладает относительно плохим энергетическим спектром.
Цель изобретения — увеличение тока ускоряющих частиц и сужение их энергетического спектра °
Поставленная цель достигается тем, что в высокочастотной системе ускорителя со стоячей волной, содержащей ВЧ-генератор, подключенный к нему Фазовращатель, к которому, в свою очередь, подключены через волноводные отнетнители группирующие и ускоряющие секции ускорителя, а также аттенюатор и волноводную нагрузку, все волноводные ответвители выполнены в виде четырех плечевых мостов, которые включены последовательно друг с другом, при этом первое плечо первого моста через фаэовращатель соединено с генератором, второе и третье плечи соединены с перной и второй группирующими секциями, а четвертое плечо через аттенюатор: — с первым плечом второго моста, второе и третье плечи которого соединены с первой и второй ускоряющими секциями, а четвертое — с входом третьего моста, при этом все последующие мосты включены аналогично. второму и третьему, а в четвертое плечо последнего моста включена волноводная нагрузка, при этом выполняются условия
2Р,-Р ьй Р -Р,РО о " (ю-" <ТЩу: 7, I где р - коэффициент связи группирующих секций с плечами первого Моста; номинальная мощность ВЧ-генератора; q — номинальная потребляемая мощность группирующих секций;
Ру,- коэффициент связи каждой пары ускоряющих секций с плечами соединенного с ней моста;
N -. общее число мостов;
К 1Л„Н-(- номер пары ускоряющих секций.
10770 Ы
На чертеже изображена предлагаемая высокочастотная система ускорителя со стоячей волной.
Система содержит генератор 1 высокочастотной мощности (магнетрон), .фазовращатель 2 для выбора рабочей ,точки, группирующие резонаторные секции (группирователи) 3, ускоряющие резонаторные секции 4, волноводные мосты 5, волноводную поглощающую нагрузку 6 и аттенюатор 7. Нумерация плеч моста осуществлена от плеча, по которому проводится ВЧ-мощность по часовой стрелке.
Система работает следующим образом. 15
Мощность от генератора 1 через фазовращатель 2 поступает на вход группирующих секций 3. Обычно группирователь 3 потребляет незначительную долю от общей величины подводимой мощности. Поэтому основная доля мощности отражается от группировате ля 3, так как он имеет большое значе.ние коэффициента связи (режим пересвязи) 25 л,-р,iг Я -P„P0 о=
В соответствии с этим резко убыстряется время переходного процесса по сравнению с работой в критическом режиме, так как он идет с постоянной времени
h QH 00
<0 и 0 З5 о» 1.
Для следующих за группирователем одинаковых ускоряющих секций 4 коэффициенты связи каждой пары, нрисоединенных к одному ВЧ-мосту, соответст- 4р венно равны
1 (3 к = 2 (,N - Y) - «2
) где Я вЂ” число ВЧ-мостов; 45
К 1 2... (К-l), T,е. имеет и для них ускорение переходного процесса как за счет уве личения значения Рк, так и за счет того факта, что в начальной стадии переходного процесса величина падающей мощности превышает величину" падающей на ускоряющие резонаторные секции 4 мощности в установившемся режиме за счет отраженной от предыду.щих секций. Таким образом, даже в последних двух ускоряющих секциях 4 с (»l имеем некоторое ускорение переходного процесса. Изготовление ускоряющих секций 4 с коэффициентами связи {1п, соответствующими приведен-60 ной вЫае формуле, обеспечивает равное деление мощности между всеми у{коряющими секциями 4, что приводит к уменьшению непроизводительных потерь
ВЧ-мощности в волноводной поглощающей/5 нагрузке б. Аттенюатор 7 позволяет регулировать в широких пределах выходную энергию ускоряемого лучка, что приводит к увеличению ускоряемо- го тока на выходе ускорителя за счет уменьшения потерь ВЧ-мощности.
Кроме того, эа счет сокращения времени установления ускоряющих полей в резонаторных секциях 4 резко улучшается энергетический спектр, осо« бенно. путем исключения иэ процесса ускорения электронов,, ускорявшихся ранее на заднем фронте огибающей
ВЧ-импульса в резонаторах (теперь они отсекаются в результате быстро» го спада значений ускоряющих полей в группирователе 3) . Для нормальной работы ускорителя, чтобы было выполнено условие синхрониэма ускоряемых частиц и ускоряющего электрического поля, расстояние между центром пос» ледней ускоряющей ячейки одной ускоряющей секции 4 и первой-другой ускоряющих секций 4,присоединенных к одному ВЧ-мосту, равно h/4 (2 )+3), где 9 — длина волны генератора, для двух соседних секций, присоеди венных к разным мостам
Я/2 (2И+1), где и =0,12..., а набег фазы волны в волноводе между этими соседними секциями 4 должен быть равен
Я (2п+1) °
Приведенные формулы для выбора коэффициентов связи группирукицих 3
-"и ускоряющих 4 секций с волноводом справедливы только для нулевой нагрузки током, в случае же наличия нагрузки током эти значения соответствуют установившемуся режиму с учетом величины ускоряемого тока, в отсутствие же тока секции 3 и 4 нужно настраивать на связь (T{,1+ f3) 1 (1. Р) н „6 1)» ! где p - значение связи, вычисленное . по ранее приведенным формулам для нулевой нагрузки. токому
4- тт
p )
P — шунтовое сопротивление одной, ячейки;
1 - величина ускоряемого токау
P — величина мощности, поступающей в секцию;
М вЂ” количество ячеек в секции .
Включение только двух мостов как в прототипе, так и в базовом объекте, по каскадной схеме ускоряет примерно в 17 раз переходный процесс в группирователе, что позволяет отсечь электроны,„ ускоряющиеся ранее на заднем фронте огибающей ВЧ-импульса в ускоряющих секциях, снизит íà 303
1077066
Составитель В. Краснопольский
Редактор Ю,Ковач ТехредЛ.Иикеш Корректор„О . Ти гор
Заказ 774/54
Тираж 783 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП Патент, r.Óæãîðîä, ул.Проектная, 4 потери мощности в волноводной нагруз-, ке, что несколько увеличит величину ускоряемого тока, ширина же энергетического спектра на выходе ускорителя уменьшится в 3-4 раза. Применение трех мостов еще более уменьшит потери мощности и увеличит величину ускоряемого тока. При 4-5 мостах потери мощности становятся совсем незначительными. Это особенно ценно в случае высокодобротных резонаторов 10 либо при использовании .для работы коротких ВЧ-amysrscoq, когда потери составляют существенную часть общей, ВЧ-мощности .
Таким образом, применение для пи тания резонаторных ускоряющих секций
ВЧ-мостов, включенных каскадным методом, сводит до минимума потери
ВЧ-мощности, увеличивает величину ускоряемого тока,и резко улучшает
-энергетический спектр ускорителя.
Стабилизацию высокочастотного гене- . ратора-магнетрона в системе можно легко осуществить за счет неравного деления мощности первым волноводным ответвителем, Расположение аттенюатора в схеме после группирователя позволяет регулировать выходную энергию ускорителя в широких пределах.