Система высокочастотного питания ускорителя заряженных частиц

 

Изобретение относится к ускорительной технике. Цель изобретения - увеличение импульсной мощности высокочастотного поля в процессе ускорения. В систему высокочастотного питания, содержащую задающий генератор 1, быстродействующий фазовращатель 2, усилитель 3 мощности и два наполнительных резонатора 4, 5, введены дополнительные быстродействующие фазовращатели 8, 9, накопительные резонаторы 11 и циркуляторы 6, 7, 10. При этом к выходу усилителя мощности последовательно подключены первый циркулятор, основной быстродействующий фазовращатель и второй циркулятор, основные накопительные резонаторы подключены к первым двум циркуляторам, а к выходному плечу второго циркулятора последовательно подключено n каскадов, каждый из которых состоит из быстродействующего циркулятора и накопительного резонатора. Таким образом увеличение энергии ВЧ-поля достигается сложением излучаемых из резонаторов волн в период использования запасенной в них ВЧ-энергии. 2 ил. 1

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к сильноточным ускорителям заряженных частиц с малой длительностью импульса тока, предназначенных для использования в радиационной химии, активационном анализе, фундаментальных исследованиях физики высоких энергий и др. Известен линейный ускоритель заряженных частиц с накоплением энергии ВЧ-поля в высокоподобном резонаторе с переменным коэффициентом связи [1] Система ВЧ-питания ускорителя состоит из накопительного резонатора, имеющего два отверстия связи, к одному из которых подключен генератор высокочастотных колебаний. Вывод запасенной в резонаторе энергии осуществляется через интерференционный ключ, подсоединенный к второму отверстию связи резонатора. Увеличение импульсной мощности ВЧ-волны в такой системе может достигать значения 20 40 раз по сравнению с импульсной мощностью питающего СВЧ-генератора. В качестве недостатков устройства-аналога необходимо отметить следующее. Поскольку накопление энергии осуществляется как в самом резонаторе, так и в части волноводного тракта интерференционного ключа, то заметно снижается максимально допустимый уровень мощности генератора из-за возникновения пробоев в элементах волноводного тракта. Накопление энергии осуществляется при критической связи резонатора с трактом, его нагруженная добротность достаточно велика (несколько десятков тысяч). При этом существенно возрастают требования к стабильности частоты задающего генератора, точности настройки и температурной стабильности самого накопительного резонатора и входящих в резонансную систему элементов волноводного тракта. Длительность выходного импульса ВЧ-мощности для "теплых" резонаторов составляет величину порядка сотни наносекунд, что приемлемо только для ЛУЧ с небольшой длиной ускоряющей секции. Наиболее близкой по технической сущности является ВЧ-система [2] Она может быть выбрана в качестве прототипа. Эта система состоит из задающего генератора, усилителя мощности, в тракт возбуждения которого включен быстродействующий фазовращатель, и накопительного устройства, состоящего из двух резонаторов, включенных в ВЧ-тракт с помощью трехдецибельного моста. Здесь коэффициент связи резонаторов с трактом постоянный и превышает единицу. Устройство работает следующим образом. В течение первой (большей) части ВЧ-импульса генератора энергия ВЧ-поля запасается в резонаторах. Далее следует быстрое изменение фазы колебаний волны усилителя мощности на 180^o. При этом волна, излучаемая из резонаторов, складывается с волной усилителя в одной фазе, в результате чего амплитуда суммарной волны на выходе системы в течение второй (меньшей) части ВЧ-импульса возрастает на величину , где E_o амплитуда волны усилителя мощности; β коэффициент связи резонатора с ВЧ-трактом. Недостатком данной системы является то, что увеличение мощности ВЧ-волны в ней не превышает 9 раз. Целью изобретения является повышение импульсной мощности высокочастотной волны. Цель достигается тем, что в системе высокочастотного питания ускорителя заряженных частиц, состоящей из последовательно соединенных задающего генератора, быстродействующего фазовращателя, усилителя мощности, а также двух накопительных резонаторов, к выходу усилителя мощности последовательно подключены циркулятор, быстродействующий фазовращатель и второй циркулятор, причем накопительные резонаторы подключены к циркуляторам, кроме того, к выходу второго циркулятора подключено n каскадов увеличения мощности, каждый из которых состоит из быстродействующего фазовращателя, циркулятора и накопительного резонатора. Таким образом, цель достигается сложением излучаемых из резонаторов волн в период использования запасенной в них ВЧ-энергии. Структурная схема системы ВЧ-питания ускорителя представлена на фиг.1. Она состоит из задающего генератора 1 ВЧ-мощности, быстродействующего фазовращателя 2, усилителя 3 ВЧ-мощности и накопительного устройства, включающего в себя два накопительных резонатора 4, 5, подсоединенных к ВЧ-тракту через соответствующие циркуляторы 6, 7, между которыми расположен дополнительный быстродействующий фазовращатель 8. К выходу второго циркулятора подключено n каскадов увеличения мощности, каждый из которых состоит из быстродействующего фазовращателя 9, циркулятора 10 и накопительного резонатора 11. Система работает следующим образом. Рабочий цикл системы представлен на фиг. 2 (для n=0). Задающий генератор 1, быстродействующий фазовращатель 2 и усилитель 3 ВЧ-мощности создают на входе циркулятора 6 импульс напряженности Е_г, представленный на фиг.2 (на фиг.2 Е_o максимальная мощность усилителя 3). В течение времени t_o t₁ идет процесс накопления энергии в резонаторах 4 и 5 и напряженность электрической компоненты ВЧ-поля, отраженной от них, устанавливается на значении , где β коэффициент связи резонаторов 4 и 5 с трактом. На фиг.2б представлена зависимость напряженности электрического поля E', отраженного от резонатора 4, от времени. Поле с амплитудой Е' через дополнительный фазовращатель 8, обеспечивающий изменение фазы волны Е' на 180^o в течение периода t₁, t₂ (фиг.2в), поступает через циркулятор 7 на вход резонатора 5 (см. фиг. 2в). Изменение фазы падающей волны на резонатор 5 (E ") приводит к изменению выходного сигнала до значения Сравнивая амплитуды импульса ВЧ-поля генератора Е_o и выходного импульса, получим коэффициент усиления по мощности заявляемого устройства, равный . Для случая, когда b ≫ 1, мощность на выходе предлагаемого устройства в 25 раз превышает мощность ВЧ-питания генератора. Рассмотрим вариант системы высокочастотного питания, в котором содержится большое число последовательно расположенных каскадов умножения мощности. Каждый каскад должен отражать быстродействующий фазовращатель, соединенный с циркулятором, к плечу которого подключен накопительный резонатор. Анализируя работу многокаскадной системы ВЧ-питания по методике, изложенной выше, получим значение напряженности поля на выходе , где n число накопительных резонаторов. Максимальное значение напряженности поля (при n _→ ∞) E_{вых.макс}=1+β. Предельное число каскадов системы определяется как требованиями к длительности выходного ВЧ-импульса (во сколько раз увеличивается мощность выходного импульса, во столько же раз, а с учетом КПД системы, и более сокращается его длительность), так и теми добавками к мощности, которые дают последующие каскады. Так, все последующие каскады после n-го, где величина n определяется выражением дают прибавку к мощности выходного импульса в размере 10% Заявляемый объект имеет существенные преимущества по сравнению с прототипом, для которого максимальное увеличение мощности не превышает 9 раз.

Формула изобретения

Система высокочастотного питания ускорителя заряженных частиц, содержащая последовательно соединенные задающий генератор, быстродействующий фазовращатель, усилитель мощности и два накопительных резонатора, отличающаяся тем, что, с целью увеличения импульсной мощности высокочастотного поля, в систему введены циркуляторы, дополнительные быстродействующие фазовращатели и накопительные резонаторы, при этом к выходу усилителя мощности последовательно подключены первый циркулятор, основной быстродействующий фазовращатель и второй циркулятор, основные накопительные резонаторы подключены к первым двум циркуляторам, а к выходному плечу второго циркулятора последовательно подключено n каскадов, каждый из которых состоит из быстродействующего фазовращателя, циркулятора и накопительного резонатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2