Высокочастотный ускоритель заряженных частиц

 

1. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий ускоряющий резонатор, источник заряженных частиц, источник ВЧ мощности с размещенными в резонаторе соосно с ним -анодом, катодом и по крайней мере одной сеткой, элемент связи источника ВЧ мощности с резонатором , вьшолненный в виде ВЧ конденсатора связи, отличающийс я тем, что, с целью повышения мощности и устойчивости работы и уменьшения габаритов, анод источника ВЧ мощности выполнен в виде одной из обкладок конденсатора связи, второй обкладкой которого является ближайшая к аноду сетка источника ВЧ мощности. 2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что источник заряженных частиц закреплен на аноде соосно с ним со стороны, противоположной сетке.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) (51) Н 05 Н 9/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

@ж1у

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ;:,,;, Ц (54) (57 ) 1 . ВЫСОКОЧАС ТОТ НЫЙ УСКОРИТЕЛЬ

ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий ускоряющий резонатор, источник заряженных частиц, источник ВЧ мощности с размещенными в резонаторе соосно

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3540015/18-21 (22) 17.01.83 (46) 07.01.86. Бюл. У 1 (72) В.С. Панасюк, Ю.К. Самошенков и М.Ф. Симановский (53) 621.384.6(088.8) (56) Панфилов А.Д. Импульсный ВЧ протонный ускоритель для инжекции в синхротрон. Автореферат диссертации. Новосибирск, 1978 (СО АН СССР).

Авторское свидетельство СССР

1) 776529, кл. Н 05 Н 9/00, 1979. с ним анодом, катодом и по крайней мере одной сеткой, элемент связи источника ВЧ мощности с резонатором, выполненный в виде ВЧ конденсатора связи, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью повышения мощности и устойчивости работы и уменьшения габаритов, анод источника ВЧ мощности выполнен в виде одной из обкладок конденсатора связи, второй обкладкой которого является ближайшая к аноду сетка источника

ВЧ мощности.

2. Ускоритель по и. 1, о т л и— ч а ю шийся тем, что источник заряженных частиц закреплен на аноде ® соосно с ним со стороны, противоположной сетке, 1118273

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано в качестве источника ускоренных частиц для облучения . различных объектов в промышленности и сельском хозяйстве.

Известен высокочастотный (ВЧ) ускоритель заряженных частиц, содержащий в качестве ускоряющей резонансной структуры расположенный в вакуумном объеме четвертьволновый коаксиальный резонатор, источник ВЧ мощности, выполненный на генераторной лампе и установленный на резонаторе, в полости последнего расположена петля связи лампы с резонатором с разделительной емкостью.

На одном из торцов резонатора установлена пушка, рабочая поверхность катода которой обращена к внутренней полости резонатора. Откачка вакуумного объема производится магниторазрядными насосами.

Недостатком известного устройства является сложность регулировки связи лампы с резонатором, нестабильность режима работы при парал.лельном включении генераторных ламп, неизбежном при наращивании уровня мощности.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является ВЧ ускоритель заряженных частиц, содержащий резонатор, внутренний и внешний электроды которого расположены в вакуумированном корпусе, источник ВЧ мощности, выполненный на генераторной лампе, конденсатор связи лампы с резонатором с узлом подстройки этой связи, элемент обратной связи и источник заряженных частиц, расположенный напротив одного из торцов внутреннего электрода ,резонатора, анод генераторной лайпы закреплен на удаленном от источника заряженных частиц торце внутреннего электрода резонатора, который вакуумноплотно через диэлектрический элемент соединен с внешним электродом.

Это устройство превосходит известные устройства по стабильности работы в части устойчивости к паразитным колебаниям при равнительно малых габаритах и малой средней мощности. При большой (порядка десятков киловатт) средней мощности, когда необходимо или параллельное

55 ключение большого количества гене1 раторных ламп, при применение большой по размерам генераторной лампы, конструкция устройства усложняется, частота лампового контура, который в данном случае является паразитным, приближается .к частоте основного, что уменьшает устойчивость работы ускорителя.

Целью изобретения является повышение мощности и устойчивости работы ускорителя и уменьшение его га-. баритов.

Указанная цель достигается тем, что в ВЧ. ускорителе заряженных частиц, содержащем ускоряющий резонатор, источник заряженных частиц, источник ВЧ мощности с размещенном в резонаторе соосно с ним анодом, катодом и по крайней мере одной сеткой, элемент связи источника ВЧ мощности с резонатором, выполненный в виде ВЧ конденсатора связи, согласно изобретению, анод источника ВЧ мощности выполнен в виде одной из обкладок конденсатора связи, второй обкладкой которого является ближайшая к аноду сетка источника

ВЧ мощности.

Кроме того, источник заряженных частиц может быть закреплен на аноде соосно с ним со стороны, противоположной сетке.

На фиг. 1 дана конструктивная схема ВЧ ускорителя заряженных частиц для частного случая выполнения устройства со спиральным внутренним электродом и источником высокочастотной мощности с одной сеткой и 4-х элементным катодом (в устройстве генерируется стоячая волна типа ТЕМ); на фиг. 2 — разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 представлена эквивалентная схема ускорителя; на фиг. 4 — вариант выполнения ускорителя с расположением источника заряженных частиц на аноде.

ВЧ ускоритель заряженных частиц содержит внутренний 1 и внешний 2 электроды, расположенные в вакуумированном корпусе 3 ускоряющего резонатора. Резонатор может быть, например, цилиндрический (фиг. 4), т.е. не содержать внутреннего электрода. Ускоритель включает источник

ВЧ мощности, содержащий анод 4, катод 5 и по крайней мере одну сетку 6. Анод 4 закреплен на одном из

1118273

55 торцов внутреннего электрода 1 и связан через диэлектрический элемент 7 связи с внешним электродом 2 резонатора. Ускоритель содержит также конденсатор связи источника

ВЧ мощности с резонатором с возможностью подстройки этой связи, например, путем отключения или подключения ВЧ конденсаторов 8 в соответствии с режимом настройки ускорителя. Имеется также элемент обратной связи в виде штыря 9 и источник 10 заряженных частиц. В устройстве анод 4 источника ВЧ мощности выполнен в виде одной из обкладок конденсатора связи, второй обкладкой которого является сетка 6 источника ВЧ мощности. Катод 5 источника ВЧ мощности может быть выполнен многоэлементным с возможностью параллельного электрического соединения его элементов между собой.

При этом каждый из элементов катода 5 может быть коаксиален соответствующей ему части анода 4 и сетки

6 лампы (см. фиг. 2). Все детали ускорителя расположены в вакуумированном корпусе 3. Этот корпус выполнен разборным, например, с помощью фланца 11. Охлаждение анода осуществляется через ввод 12, анодное питание — через дроссель 13.

Ускоритель содержит выпускное окно 14. На фиг. 1 и 3 позицией 15 обозначена эквивалентная емкость резонансного контура ускорителя, а позицией 16 — эквивалентная емкость конденсатора связи.

Ускоритель. работает следующим образом.

До включения анодного питания источника ВЧ мощности конденсатор связи настраивается на максимальную отдачу мощности источника ВЧ мощности в ускоряемый пучок в соответствии с выбранным режимом работы ускорителя путем соответствующего подключения или отключения конденсаторов 8. Разборный корпус 3 ускорителя собирается, уплотняется и откачивается. Подается вода через ввод

12 для охлаждения анода 4 и внутреннего электрода 1 резонатора. Включается напряжение подогрева элементов катода 5. Включается питание источника 10 заряженных частиц, Включается анодное питание на анод

4 через дроссель 13, которое одновременно автоматически подавляет

35 высокочастотный резонансный разряд в резонаторе. Обратная связь в источнике ВЧ мощности регулируется с помощью элемента обратной связи, выполненного в устройстве в виде подвижного штыря 9. При необходимости регулировку ее можно производить и при работающем источнике ВЧ мощности.

При включении анодного питания начинается эмиссия электронов с элементов катода 5 и через элемент обратной связи штырь 9 подается управляющее напряжение на .катод 5.

В резонаторе, содержащем центральный внутренний электрод 1, возбуждается между электродами 1 и 2 стоя- рая волна типа TEM. При этом устанавливается ускоряющий потенциал между источником 10 заряженных частиц и выпускным окном 14.

Конструкция ускорителя выполнена таким образом, что анод 4 источника ВЧ мощности и его сетка 6 конструктивно объединены с конденсатором связи, при этом эквивалентная схема ускорителя (см. фиг. 3) содержит колебательный контур, состоящий из индуктивности (электрод 1 ускорителя) и последовательно соединенных емкостей, эквивалентной емкости 15 резонансного контура ускорителя и суммарной емкости

16 конденсатора связи, а в случае необходимости подстройки — дополнительного конденсатора 8, при этом параллельно емкости 16 подключен контур источника ВЧ мощности.

В известном устройстве индуктивность соединительных элементов между колебательным контуром и генераторными лампами, подключенными параллельно конденсатору 8 для повьппения мощности пучка заряженных частиц, оказывается достаточной для образования паразитного контура, уменьшающего устойчивость ВЧ ускорителя к паразитным колебаниям. В предлагаемом же устройстве функциональное объединение обкладок конденсатора связи с электродами источника ВЧ мощности (анодом и сеткой) сводят до минимума паразитные индуктивности контура источника ВЧ мощности. Это особенно важно при мощностях порядка единиц или десятков мегаватт, когда размеры электродов генераторной лам-. пы весьма велики, 1118273

Расчеты показывают принципиальную воэможность создания ВЧ ускорителя заряженных частиц с мощностью порядка единиц мегаватт. При этом характерные размеры ускорителя не превышает 1,5 м, что соответствует габаритным размерам ускоряющих резонаторов (без учета устройств ВЧ питания) существующих ускорителей на среднюю мощность в несколько десятков киловатт характерные размеры источников ВЧ питания, определяемые размерами генераторных ламп, соизмеримы с размерами самого резонатора, то становится очевидным, что повыше ние мощности в предложенной конструкции ускорителя можно достичь с одновременным уменьшением его габаритов.

Следует отметить, что в случае, когда резонатор ускорителя выполнен цилиндрическим, а источник заряженных частиц закреплен на аноде соосно с ним со стороны, противоположной. сетке, достигается повышение КПД устройства вследствие более высокого шунтового сопротивления цилиндрического резонатора, приводящего к снижению ВЧ потерь как в резонаторе, так и в источнике ВЧ мощности. Кроме того, в этом случае упрощается конструкция ускорителя, так как не требуется дополнительная система охлаждения источника заряженных частиц ввиду его размещения на охлаждаемом аноде источника ВЧ мощности.

Таким образом, компановка ускоряющей структуры и мощного источника

ВЧ мощности в единой вакуумной системе по предложенному принципу использования обкладок конденсатора связи непосредственно в качестве электродов источника ВЧ мощности позволяет сконструировать ускоритель большой средней мощности практически без параэитных цепей с одновременным уменьшением его габаритов, чем обеспечивается надежность его работы. Ускоритель может найти весьма широкое применение в промышленнос ти и сельском хозяйстве для технологических целей с помощью облучения ускоренными заряженными частицами различных объектов.

1118273

Vt.

Редактор С. Титова Техред O.Âàùèøèíà Корректор И. Муска т

Заказ 8555/5 Тираж 793 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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