Линейный ускоритель заряженных частиц

Линейный ускоритель заряженных частиц

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

юовоо,оз @я 1 ® Элитно-те„:чич, ",:.,:.„

O3. Ц Д

НИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик и 728680

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 20. 11. 78 (21) 2686282/18-25 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 30.01.83. Бюллетень № 4

Дата опубликования описания 03.02.83 (5 I ) M. Кл.

Н 05 Н 7/02

Н 05 Н 9/00

le:;; дарственный кемнтет (53) УДК 621 384. .6(088.8) ав делам нзоеретеннй н етнрытнй (72) Авторы изобретения

Е. P. Алешин, И.И. Гозин и И. С. Щедрин

Московский ордена Трудового Красного Знамени инженерно-физический институт (71) Заявитель (54) ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

t5 l

Изобретение относится к ускорительной технике и может использоваться при разработке линейных ускорителей- заряженных частиц.

Известен линейный ускоритель электронов ЛУЭ-10- 1 $ 1), имеющий две секции: группирующую и ускоряющую. Питание ВЧ-мощностью ускорителя осуществляется от одного магнетрона. ВЧ-мощность проходит через группирующую секцию и через выходной трансформатор типа волны (TTB), СВЧ-тракт в фазовращателем подается на вход ускоряющей секции.

Недостатками такой схемы для питания высокочастотной энергией ускоряющей системы являются относительно большие потери ВЧ-мощности в груп-г0 пирующей секции и зависимость уровня ВЧ-мощности на входе в ускоряющую секцию от нагрузки током ускорителя»

Известен линейный ускоритель электронов У-28 ?21, 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 необ" ходимо 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 значительную длину, и„как следствие„большие потери мощности и недостаточную электрическую прочность в -Qf Q элемента :.. и волноводах, Наиболее Оли 3 к им !-: НЗОО (р!е те н ик1 является линеиный ускоритель заря;;eH ных частиЦ с С 8-) "гi! ",. пГlи,":Онат .1!е(! на обратной волне и пес -:-(полюсным

ТТВ 1 ) g, CNc 1 ема для пи l ÿ (NFi высо(<о— частотной энергией,ilго:-О ускори;еля включает СВ -! -генер=-,тср „соед. !(-ье-.ный СВЧ" тракто1 Q шес иг!Олюсным ((, .

КОтОрый устанОВЛ!ен между Гоуг!пи" О . а" телем, работающим на обратной !О:.-::,-; . и ускоряющей секцией. Размеры (B выбираются из,условий согласова- л тракта и ускоряющих:f jcòåì и Об,::с" печивает необходимый <оэффицие,; де. ления СВЧ-мощности между y,"..êfif".,ÿf."ще!", и группирующей секция":,и,.! - ..:-: ..: н h iVi .. !. ",) (ю!!!(1, ., с=!cц(:;!.j !

1 !!

t ! !! !

Г!ОДQ! (i 3 = :=. :=,: 01..(=(= ОМ . ::,. ООЬ! МО(:! —.

Отношении .- I ..Qçþôé j i!1(= HT с вя Ъ

ВХ g, И ГЕОР:Е ОИ L !-- С-, . ИС *,,3 !.: ОЬ!

1:=,!.((е Д=.: i ." !i!е!. 1:".О,(((с ..:-;=!=;, В:. 1.0 ! k, ((! !! „покаЗанные;!:а фи!-,. 2, настраиваются =-налогичным Образом,.

":тО пОэвОляст распределить 4ощность ,, жС!У i-Р К((! !ЯМ И -. за г!аННО!.,; QQ —: ОШ

Q а

Недостатком такого — ехни ческогс решения является относительно боль шой уровень потерь мощно(::-. и. а уско= ряющей секции и каK с:л.едстаие, высокий КПД.

Цель изобретени- — упрощение кон-"

Струкции и повышение КПД ус .ори †!=ля, Цель достигается тем,,;то вестном линейно::. ускорителе =- . ряже..:-:— ных частиц, СОдержашем пОсл(-"довательно расположеннь(е ° инжектор,, гру и:— пирователь на обратной волне, ускс"ряющие Qeкцvv!.,-,а вхс-да: („отоп!,1;; располо>кены трансфер! (атОры типа! ЗО.!и ны, и автсгенератор, выход которого подключен ко входу 778 перво: .- = к!!и!.; два выхода которОГО соо-Бе(!.тз. :†.. ".1 подсоединены к выхс-.,;-у р; пг,:Ова.с ля и входу первой ус!корню((!т. ции, 778 первой секц;::! выпсл!-:ен в ниде восьмиполюсника, третий выход которого соединен ",f pe3 фазовращ =. тель с входом 778 второй секции.

Кроме того, 778, расположенные на входах каждой и-ней ускоряющей секции, где и = 2, ),...,М-1 и К вЂ” число ускоряющих секций, выполнен в виде шестиполюсника, второй выход кот!зрого подключен через фазовращатель к входу 778 следующей ускоряющей секции.

На фиг. схематично изображена конструкция линейного ускорителя заряженных частиц с двумя ускоряющими секциями; на фиг. 2 - линейный ускоритель заряженных частиц с N-ускоряющими секциями; на фиг. ) - варианты схем питания ВЦ-энергией; на фиг. а апиант(:1 схем Гf!!, анин .пинеинОГО у с кQ(.fvj тел .! i, Hci фиг,. з 3а висимости " .ели -iGHv! -": э .— (енГии ciT Об

ШЕИ !,ЛИ(-! « - ° iHТЕЛЛ, !

1 j (Bali!- .li- i !C. QPV T - 1 П (— (ЩИ . С О ,держи - ав;Q-"å=f. ератоз 1 СВч=-энергии, i;j:.! НОБО!!Н!..ff:i : !)а! К !,,. БОСЬМИПОТ(ЮСНЫИ !

3 ":. и(!же"" Ор f. "p ппирОватель на

i первую ускоряющую

:к(! ..:. .", .; 1: j: вопи(=(!! тва;-.;; с 63а30

j:.l3аща., -.и :: ., !Iроле Гilllv! вакуумнь и

;1. : : 3 ! (! и втору!» ускоряюшую

:,.::!ейнци у.скооитеп(, . 1- !-. О !.1!г,. .;:.:- :(".. i! iP ЕЬ!СОКОчаСТQ ГНОЙ

1:= 5QГ:;.:юце(:. -,- Обраi ной. волне. Вто

ЯОИ I/QÐ;QPßß U, .=:" ..;= !ÑL(l!(И h . 1 РЕ::.й ВЬ! (:а фиг, 3 =-, б; .е,- Г,. Д,:= пока

=-аНЫ РаЗЛИЧНЫЕ Ва Рис!НТЫ:"ХЕ(! !И Та" ния высокочастотной энергией, исГ!ОЛЬЗУЮЦИЕ ПРИНЦИПЫ > ИзложЕ(1((ь!Е ВЫШЕ;. ьхема высОкочастотнОГО питания ли нейного ускорителя, показанная на фиГ. 3 а, Отличается От схем!-:р по казанной на фиг. .. QT! yTствием

ГруппирОвате.пя на Обратной вОлне.

Схема в „ч,. п4та ния изо оа(кенн -,. на Фиг. 3 б, Отличается О-! с,:.е-!b( на фиГ> $ а, тем чтО деление ИОщнОс" ти происходит в 778 второй секции, 728680 6 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. Схема приведенная на фиг, 3 е имеет направ 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. 4 б, в представлены некоторые из возможных вариантов подобных схем питания линейного ускорителя высокочастотн и энергией, На фиг. 4 а схемати но изображена конструкция линейного ускорителя заряженных частиц с N-1 ускоряющими секциями (6, ll, 13, 15, 17 и 19) и содержит автогенератор СВЧ-энергии

1, волноводный тракт 2, 2Л-палюсный

ТТВ 3, инжектор 4, группирователь

5 на обратной волне, волноводные тракты 7 с фазовращателями 8. ВЧ-мощ ность поступает в 2N-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, 13, 15, 17 и 19.

При этом коэффициент передачи мощности между входом 2N-полюсного TTB и любым выходом выражается как

) 4 »Д » (1»». 1»„) где - коэффициент связи входа ТТВ

1 с волноводным трактом 2, коэффициент связи ТТВ с рас1 сматриваемым волноводом.

Условием согласования 2N-полюсного

ТТВ со стороны входа является соотношение между коэффициентами связи в следующем виде

Таким образом, 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 ускориН

Р 1+ X. p (Q.) К= 2

На фиг. 4 б представлена схема питания линейного ускорителя ВЧ-мощностью, отличающаяся от схемы

5, 10

20

ЗО

50 фиг. 4 а тем, что 2Х-полюсный TTB

12, делящий мощност ь в заданном отношении, расположен не в начале ускорителя, а в середине, На фиг. 4 в показана схема с вось" миполюсным ТТВ 12, которая объединяет схемы питания ВЧ-мощностью, приведенные на фиг. 3г и на фиг. 3 е.

Иногосекционная конструкция питания ВЧ-энергией линейного ускорителя позволяет повысить КПД и увеличить энергию на выходе. На фиг. приведены две зависимости увеличения энергии об общей длины ускорителя PJ - число идентичных секций длиной 80 см), работающего в 3-ем диапазоне длин волн. I-кривая показывает предельные значения КПД (tI) и энергии ф/) 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 (N 2,5) энергия и КПД достигают максимальных значений 3 ИзВ и 24/, соответственно. Эта точка со1ответствует 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 r, и показывает аналогичную зависимость при условии равномерного деления мощности между секциями. Зависимость достигает своего предельно максимального значения при общей длине ЛУЭ около

9,6 м, а значения энергии и КПД равны 5,6 ИэВ и 451 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,о м.

Наличие нескольких секций, позволяет расширить возможности по регулировке энергии ускоритепя.

728680 теля. Кроме того, наличие многих секций позволяет более плавно регулировать энергию на выходе ускорителя, в том числе и на рабочей частоте ВЧ-питания при помощи фазовращателей. Применение изобретения позволяет значительно упростить тракт

ВЧ-питания ускорителя заряженных частиц. Оно может найти широкое применение в схемах ВЧ-питания линейных ускорителей электронов, разрабатывае-мых для прикладных целей (особенно

ЛУЭ 3-х см диапазона длин волн), и других ускорителях заряженных частиц, Формула изобретения

1. Линейный ускоритель заряженных частиц, содержащий последовательно расположенные инжектор, группирователь на обратной волне, ускоряющие секции, на входах которых распсложены .трансформаторы типа волны, и автогенератор, выход которого годключен к входу трансформатора типа волны первой секции, два выхода ксторого соответственно подсоединены к выходу группирователя и входу первой ускоряющей секции, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения коэффициента полезного действия ускорителя, трансформатор типа волны первой секции выполнен в виде восьмиполюсника„ третий Выход которого соединен через фазовращатель с входом трансформатора типа волны второ" секции, Ускоритель по и. 1, о т л и ч а ю щ и Й с я тем чтО трансфОр матор типа волны, расположенный на входе каждой и-ной ускоряющей секции, где И=2, 3,.;, N-1 и N - число yc î коряющих секций, выполнен в виде шестиполюсника, второй выход которого подключен через фазовращатель к входу трансформатора типа волны следующей ускоряющей секции.

1 3. Ускоритель по и. 1, О т л ич а ю шийся тем, что тран@ф рматОр типа BoJ1Hbf первОй секции Bbi

ПОлнен В Виде 2И-пОлюсника, каждый выход которого соединен через фазаZe вращатель с Входом трансформатора типа волны любой ускоряющей Чекции, 3

Источники информации, принятые Во внимание при экспертизе

H 1. Левин В.М. и др. Линейные ускорителй электронов для радиационной технологии. М,, "Атомная энергия"., 1Я2, r, 93, Вып, 4, с. 842.

2. Вальднер О,А, Глазков А.A„

Проект линейного ускорителя элект=. рОнОВ на 10 МэБ с pBi улируемой энер.= гией, - "Ускорители",. Сборник статей вып. Х1Т„-. 19 ., с. р-8.

Авторское свидетельства СССР

И 4О96 9, H Щ H У/02, 11У3.

w uH,IY38

Ч

lб ю

7 9 11 U 1Х

Ииг5

Составитель В. Егоров

Редактор Е. Хейфиц Техреду А. Бабинец Корректор Г. Огар

Заказ 10842/ ll Тираж 843 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1ÈÎÇ Москва Ж-ЗБ Раушская наб. д. 4Д

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4