Ускоряющая система

 

УСКОРЯЮЩАЯ- СИСТЕМА ускорителя со стоячей волной, состоящая из набора ускоряющих ячеек связи, расположенных через одну друг за дру CiCpW3H«j 13 «Аш,шТ :ХЧЙЧЙ|:кдЯ «ЯБЛЙПТЕК гом и имеющих щели связи в общих стенках, причем на концах системы помещены ускоряющие ячейки, и, кроме того, к одной из ускоряющих ячеек подведен волновод, отличающ а я с я тем, что, с целью расширения диапазона регулирования энергии ускоряемых частиц на выходе установки и уменьшения ее габаритрв, первая ячейка связи выполнена в виде закороченного с двух сторон подй:ижными дроссельными поршнями прямоугольного волновода и имеет с первой ускоряющей ячейкой общую щель связи, расположенную в широкой центре стен§ ки волновода поперек его продольного направления вблизи боковой стен (Л ки этой ускоряющей ячейки, а с второй ускоряющей Ячейкой - две щели с: связи в широкой стенке волновода, расположейные симметрично относи|Тельно оси симметрии ускоряющей ячейки вдоль направления волновода вблизи его узких стенок.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 3(д11 H 05 H 9/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

AO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ С8ИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3512492/18-21 (22) 19. 11.82 (46) 23.03.84. Бюл. ¹ 11 (72) А.Н. Филатов и В.К. Шилов (71) Иосковский ордена Трудового

Красного Знамени инженерно-физический институт (53) 621, 384.,6(088,8) ($6) 1. Викулов В.Ф. и др. ЛУЭ со стоячей волной и мостовой схемой питания для дефектоскопии и медицины.

Доклад 5 Всесоюзн.совещ. по применению ускорителей. Т.1, Л., 1979, с. 186-195.

2. Викулов В.Ф. и др. Разработка запуск и испытания компактного ЛУЭ со стоячей волной. — "Вопросы атомной науки и техники". Сер. "Техн, физ. экспер.", вып. 2(4). Харьков, 1979, с. 3-5 (прототип). (54)(57) УСКОРЯЮЩАЯ СИСТЕМА ускорителя со стоячей волной, состоящая из набора ускоряющих ячеек связи, расположенных через одну друг за другом и имеющих щели связи в общих стенках, причем на концах системы помещены ускоряющие ячейки, и, кроме того, к одной из ускоряющих ячеек подведен волновод, о т л и ч а ю— щ а я с я тем, что, с целью расширения диапазона регулирования энергии ускоряемых частиц на выходе установки и уменьшения ее габаритов, первая ячейка связи выполнена в виде

1. закороченного с двух сторон подвижными дроссельными поршнями прямоугольного волновода и имеет с первой ускоряющей. ячейкой общую щель связи, расположенную в широкой центре стенки волновода поперек его продольное

ro направления вблизи боковой стенки этой ускоряющей ячейки, а с второй ускоряющей ячейкой — две щели связи в широкой стенке волновода, расположенные симметрично относи;тельно оси симметрии ускоряющей ячейки вдоль направления волновода вблизи его узких стенок.

817 2 атации таких установок, а именно, составляет обычно (0,5-1) от номинального значения выходной энергии.

Целью изобретения является расширение диапазона регулирования энер гии ускоряемых частиц на выходе установки и уменьшение ее габаритов.

Указанная цель достигается тем, что в ускоряющей системе ускорителя со стоячей волной, состоящей из набора ускоряющих ячеек и ячеек связи, расположенных через одну друг за другом и имеющих щели связи в общих, стенках, причем на концах системы помещены ускоряющие ячейки, и, кроме того, к одной из ускоряющих. ячеек подведен волновод, первая ячейка связи выполнена в виде закороченного с двух сторон подвижными дроссельными поршнями прямоугольного волновода и имеет с первой ускоряю щей ячейкой общую щель связи, расположенную в центре широкой стенки волновода поперек его продольного направления вблизи боковой стенки этой ускоряющей ячейки, а с второй ускоряющей ячейкой — две щели связи в широкой стенке волновода, расположенные симметрично относительно оси симметрии ускоряющей ячейки вдоль направления волновода вблизи его узких стенок.

На фиг. I изображена ускоряющая система ускорителя со стоячей волной,выполненная на основе биопериодической замедляющей системы (БЗС) с внутренними ячейками связи на фиг. 2 — сечение А-А на фиг.1; на фиг. 3 — сечение Б-Б на фиг.

Система содержит ускоряющией ячейки 1-4, ячейки 5-8 связи. Ячейка связи 5 представляет собой отрезок прямоугольного волновода, закороченный на концах двумя подвижными дроссельными поршнями 9 и 10. Мощность в ускоряющую секцию подводится с помощью волновода 11. Ячейки связаны друг с другом посредством щелей 12 и 13 связи.

Система работает следующим образом.

Высокочастотная мощность проходит от ВЧ генератора через. ВЧ тракт и с помощью подводящего волновода

11 попадает в ускоряющую ячейку 4.

Вся ускоряющая система возбуждается на рабочей частоте на и /2 в виде

f 1081

Изобретение относится к. ускорительной технике, а точнее к устройству ускоряющих систем ускорителей со стоячей волной, предназначенных для научных исследований и находящих применение в различных областях народного хозяйства, где требуются экономичные и простые в эксплуатации мощные источники ионизирующих излучений, например дефектоскопия .10 толстостенных металлических изделий, радиационная терапия злокачественных опухолей, радиационная химия и т..д.

Известны ускорители со стоячей волной на небольшую энергию, в кото. 15 рых производится регулировка выходной энергии ускоряемых частиц, что существенно расширяет диапазон приме" нения таких установок, за счет варьи" рования величины мощности, поступаю- .2п щей в ускоряющие резонаторные секц Ц.

Однако в таких установках, выполненных по одно- или двухсекционной схеме, диапазон регулировки энергии составляет всего около 35X от номинального значения. Это связано с тем, что при сильном изменении величин ускоряющих полей в группирователе одновременно с ускоряющими секция- З ми нарушается динамика пучка электронов и он выпадает из процесса ускорения. Кроме того, в режимах, отличных от номинального, существенно ухудшаются выходные спектральные характеристики ускорителей.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является ускоряющая система, состоящая из набора ускоряющих ячеек и ячеек связи расЭ

40 положенных через одну друг за другом и имеющих щели связи в общих стенках, причем на концах системы помещеHbl ускоряющие ячейки, и, кроме того, к одной из ускоряющих ячеек подведен волновод f2(.

I

Недостатками известной системы являются ее громоздкость и сложность ВЧ тракта, вызванная многосекционной структурной схемой ускоряю- 50 щей системы, что вынуждает принимать дополнительные меры для обеспечения стабильной работы ВЧ генератора (магнетрона) на высокодобротную резонаторную нагрузку. Кроме того, 55 диапазон перестройки выходной энергии электронов оказывается часто недостаточным для эффективной эксплуЕ b„«

Е Ь и 4 . !5 где

М04

1kgnit th " " -"-

„ е„ е

6 2

20 где

30

3 1081 колебаний, при этом.в ускоряющих ячейках 1 — 4 присутствует электромагнитное поле, а в ячейках 5 — 8 связи оно практически равно нулю, Отношение величины ускоряющих элект5 рических полей на осях двух соседних ускоряющих ячеек 1 и 2, связанных с помощью щелей 12 и 13 связи в торцовых стенках с одной ячейкой связи 5 оценивают по формуле, 10

Здесь и — номер ячейки, К =

= 0и +

Rn в Рп — волновое сопротивлеrll a

it 4.я/an ние щели, p„=Pn/п;

М вЂ” число щелей в стенках между и и (и+1) ячей.ками;

С„, Ðn- параллельная проводимость .и последовательное сопротивление щели на единицу длины, =120 и OM

К вЂ” волновое число;

Ьв — ширина щели;

91lRt — толщина стенок щепная

, — длина щели вдоль сред,36о ней линии, где (— угол 40 раствора щели.

Отсюда следует, что если передвигать дроссельные поршни 9 и 1О в ячейке 5 связи таким образом, чтобы рабочая частота этой ячейки не меня- 45 . лась и соответствовала виду колебаний

Н „, то при этом происходит изменение величины электрического поля на оси ускоряющей ячейки,1 по отношению к другим ускоряющим ячейкам. Это про-50 исходит потому, что распределение электромагнитного поля при возбужде-. нии ячейки 5 связи на рабочем виде

Ц колебании Н<о<, а также форма и расположение щепе@ 12 и 13 связи, связы.55 вающих ее с ускоряющими ячейками 1 и 2 таковы, что передвижение дроссельных поршней 9 и 10 приводит к

817 4 изменению величины магнитного поля в ячейке 5 в районе щели 12 связи, практически оставляя без изменения

;величину магнитного поЛя-в районе щелей 13 связи. Это связано с тем, - что длина щелей 12 и 13 связи значительно превосходит их ширину и основной вклад в возбуждение соседних ускоряющих ячеек вносят компоненты магнитного поля, направленные вдоль продольного размера щелей 12 и 13 связи, при этом перемещение дроссельных поршней 9 и 10 приводит к изменению значений величин этих компо-. нентов в районе щелей связи по синусоидальному закону, с той разницей, что щели 13 связи расположены в максимуме синусоиды, где градиент поля . вдоль направления перемещения мини мален, а щель 12 связи расположена на спадающей части синусоиды, где градиент поля максимален. При этом дисперсионное уравнение для такой системы, состоящей из ускоряющих ячеек и ячеек связи имеет вид

1, Кс cos Cf где К=

2нf с

42 Ml a Н„(, ) "

К„= К, 11+(=) °вЂ”

L 71 t 1Н

v, н

Ml, (г Ц1

2 i

М а, м1 в (н „ (> н, (г))

cS 7 t H dV J H dVJ

v чс и

К вЂ” волновое число;

f — частота; с — скорость света;

Ки К вЂ” собственные волновые числа.

1 2 соответственно ускоряющих и ячеек связи со щелями связи (щели не закорочены) при условии, что в соседних ячейках поля отсутствуют;

К вЂ” коэффицйент связи между соседними ячейками; (p — фазовый сдвиг на ячейку;

Kl, и К вЂ” собственные волновые числа ускоряющих и ячеек связи при закороченных щелях связи;

Н и Н вЂ” амплитуды собственных магнитН Я ных полей ячеек;

r — расстояние щели связи от оси ускоряющей системы;

Ч1 и " — объемы ускоряющих и ячеек связи.

1081817

Собственные волновые числа К, и

К однозначно определяют собственные частоты ячеек со щелями связи, которые равны рабочей частоте. Форма и расположение щелей 13 связи позволя- 5 ет сохранить примерно постоянной величины J„ Н,, dV. Перемещение дроссельных поршней 9 и 10 приводит к изменению величины Н, (r+), но тем не менее величина К остается постой янной за счет неравномерного перемещения дроссельных поршней 9 и 10 друг друг относительно друга, что вызывает изменение величины К1, оставляя величину К неизменной. Собственная 15 частота ускоряющей ячейки 1, как и ячейки 2, при перемещении поршней не меняется, так как соотношение

Н „ (г ) J„ H, dV остается постоян ным., Таким образом, достигается пос- 20 тоянство величин К и К при изменении значения К в результате изме-. нения Н2, (r<)» что приводит к изменению величины ускоряющего электрического поля на оси ячейки 1, причем значение напряженности поля регулируется в широких пределах.

Изменение величины поля в ячейке 1 приводит к тому, что формирующиеся в ней сгустки заряженных частиц в 30 дальнейшем проходят центры следующих ускоряющих ячеек 2-4 в фазах, отличных от фазы электрического поля, соответствующей максимальному набору энергии электронами на выходе установки, В результате величина кинетической энергии частиц на выходе установки зависит от значения ускоряющего поля в ячейке 1 или, в конечном счете, от положения дроссельных 4п поршней 9 и 10 в ячейке 5. Для определения величины выходной энергии электронов при варьировании величины электрического. поля в ячейке 1 и для оптимизации геометрических 45 размеров ячеек 1, 2 и 5 с целью получения наиболее приемлемых выходных характеристик ускорителя во всем диапазоне регулировки используется программа, осуществляющая численное интегрирование уравнения движения электрона в ВЧ полях БЗС с внутренними ячейками связи — 1- (с (E

1 где е — заряд электрона; ш — его масса покоя;

J время; с - скорость света;

V — - скорость электрона;

P — абсолютная магнитная проницаемость;

Е и Н вЂ” ВЧ поля, статические элект.— рические и магнитные поля фокусирующие или создаваемые другими частицами пучка, ВЧ поля, взаимодействующие с ускоряемыми электронами на всей длине ускоряющей системы, задавались в табличном виде. Их значения получены из расчетов собственных параметров отдельных ячеек БЗС.

Данная программа позволяет в каждом конкретном случае определить геометрические размеры ячеек БЗС, которые обеспечат требуемые выходные характеристики ускорителя при сохранении оптимального энергетического спектра. Таким образом имеем простой, компактный и надежный механизм перестройки величины выходной энергии в ускорителях электронов со стоячей волной. При этом внутри ускоряющей системы электромагнитная энергия перераспределяется только между ускоряющими ячейками, а резонаторная секция практически оказывается согласованной с ВЧ генератором во всем диапазоне перестройки выходной энергии электронов, что приводит к устойчивой работе магнетрона без принятия дополнительных мер. Использование предлагаемой системы возможно и для других целей, например применение нескольких ячеек связи такой конструкции позволяет получить ускоряющую структуру с регулируемым распределением ускоряющего поля по длине системы, что существенно расширит возможности ускорителей электронов со стоячей волной, так как позволит оптимизировать их параметры в каждом конкретном случае для определенной величины ускоряемого тока и зна- чения подводимой ВЧ мощности.

Опытное макетирование полностью подтвердило работоспособность предлагаемой ускоряющей системы. В такой системе возможно варьирование выходной энергии ускоряемых частиц в диапазоне (0,2-1) от номинального значения при сохранении приемлемых характеристик пучка. По сравнению с известным устройством диапазон регулирования выходной энергии уско ряемых электронов увеличился на 607

1081817

7 при этом значительно упростилась ВЧ система установки, так как не требуется секционировать ускоряющую систему, что приводит к существенному сокращению подводящего ВЧ тракта, кроме того, устраняется громоздкий аттенюатор, В результате улучшаются условия работы ВЧ генератора (магнетрона), так как в этом

1 случае менее жесткие требования tO предъявляются к ВЧ параметрам ускоряющей системы..Таким образом, применение предлагаемой ускоряющей системы в линей ных ускорителях со стоячей волной на малую энергию существенно увеличивает диапазон варьирования выходной энергии ускоряемых частиц по сравнению с извечной. Это улучшает эксплуатационные характеристики ускорителей, при этом происходит упрощение ВЧ системы установки и уменьшаются ее габариты. 1 08181 7

b-6

Составитель А. Нестерович

Техред M.Ãåðãåëü Корректор С. Шекмар

Редактор И. Шулла

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

Заказ 1 568/53 Тираж 783 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5