Линейный ускоритель электронов с компрессией свч-энергии

 

Изобретение относится к ускорительной технике. Цель изобретения - повышение темпа ускорения. В линейном ускорителе электронов с компрессией СВЧ-энергии, содержащем инжектор, ускоряющую секцию с замедляющей структурой, накопительный резонатор, соединенный СВЧ-трактом через СВЧ-переключатель с ускоряющей секцией, на продольные геометрические параметры замедляющей структуры, период и длину, и электродинамические параметры, параметр усиления, связанный с сопротивлением связи, зависящие от внутренних поперечных геометрических размеров, а также на коэффициенты отражения от торцов ускоряющей структуры выбраны специальные условия, вид которых приводится в виде аналитических выражений. Это обеспечивает выполнение не только условий эффективной автогенерации пучка, взаимодействующего с синхронной с ним и многократно отраженной обратной волной, но и условий ускорения пучка прямой волной в той же замедляющей структуре. 4 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для ускорения нерелятивистских электронных пучков до малых энергий. Известны линейные ускорители электронов (ЛУЭ), имеющие систему компрессии СВЧ-энергии внешнего генератора для увеличения энергии пучка за счет уменьшения длительности импульса, либо систему автоускорения (доускорения) для увеличения энергии сгруппированного релятивистского пучка за счет ее внутриимпульсного перераспределения с помощью пассивных структур. Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является выбранный в качестве прототипа ЛУЭ с компрессией СВЧ-энергии, содержащий накопительный резонатор, переключатель СВЧ-мощности, ускоряющую секцию и инжектор электронного пучка. Недостатком устройства-прототипа является невысокий (относительно предельного) темп ускорения, обусловленный относительно большой длиной замедляющей структуры, величина которой ограничена снизу условием эффективной генерации на активном участке структуры l_г по типу ЛБВ в период накопления СВЧ-энергии. Как известно, длина этого участка с постоянной геометрией составляет Λ N', где Λ - волноводная длина волны: Λ = V_п λ/с; V_п - скорость частиц инжектируемого пучка, c - скорость света, λ - длина волны колебаний в свободном пространстве для частоты генерации f: f = c/λ , N' = 10-30 - число замедленных длин волн на активном участке. Из-за невозможности сокращения протяженности замедляющей структуры время заполнения структуры ограничено снизу, что, в свою очередь, ограничивает сверху темп ускорения при естественной ограниченности величины максимальной запасной СВЧ-энергии в резонаторе. Целью изобретения является повышение темпа ускорения. Цель достигается за счет того, что в ЛУЭ с компрессией СВЧ-энергии, содержащем инжектор электронного пучка, ускоряющую секцию с замедляющей структурой, накопительный резонатор, соединенный СВЧ-трактом, включающим переключатель СВЧ-мощности, с входным фидером ускоряющей секции, параметры ускорителя выбраны согласно следующим выражениям: N + = ; 0,21 ≅ Nc_y≅ 0,48; |Г₁Г₂| ≥ 0,7, D = · · : (1) 0,05 ≅ с_y ≅ 0,2, где D - период замедляющей структуры; N - число волноводных длин волн низшей обратной (с отрицательной групповой скоростью) пространственной гармоники, синхронной с инжектируемым пучком на длине l_г активной части замедляющей структуры с постоянной геометрией периодом D, укладывающееся на этой длине l_г; Δϕ - набег фазы этой пространственной гармоники на участке группирования, l_гр = (2-5) λ ; n - целое число; c_y - параметp усиления на участке l_г = N λ, соответствующий режиму автогенерации резонансной лампы обратной волны; V_п - скорость частиц инжектируемого пучка;
c - скорость света;
λ - рабочая длина волны;
Г₁, Г₂ - коэффициенты отражения от торцов ускоряющей секции в режиме накопления СВЧ-энергии;
g = 1 при емкостной связи между ячейками структуры;
g = 0,5 при индуктивной связи. На фиг. 1 представлена принципиальная схема заявляемого устройства; на фиг. 2 представлены зависимости приведенной фазовой скорости ускоряющей прямой (I) и генерируемой обратной (II) пространственной гармоники от продольной координаты; на фиг. 3 представлена дисперсионная зависимость для структуры с индуктивным типом связи между ячейками структуры; на фиг. 4 представлена дисперсионная зависимость с емкостным типом связи. Устройство ЛУЭ с компрессией СВЧ-энергии содержит инжектор 1 электронного пучка, соединенный с ускоряющей секцией 2, которая оснащена фокусирующей системой 3, содержит замедляющую структуру 4 и связана СВЧ-трактом 5 через переключатель 6 СВЧ-мощности с накопительным резонатором 7. При этом период замедляющей структуры на участке с постоянной геометрией и коэффициенты отражения от торцов ускоряющей секции выбраны в соответствии с условиями (1). Изобретение иллюстрируется следующим примером. Выберем структуру с емкостной связью типа круглого диафрагмированного волновода (КДВ): g = 1, частоту СВЧ-колебаний возьмем равной f = 1818 ГГц (λ = 16,5 см), напряжение инжекции U = 80 кВ (V_п 0,5 с), а ток пучка I_п = 4А. Тогда D = 16,5 = 5,5, при этом вид колебаний Θ = D = и не попадает на границу полосы пропускания. Выберем по справочным данным такие значения относительной апертуры ( 0,1), чтобы электродинамический параметр составлял
= 570 . При этих данных параметр усиления
c_y= · = 0,145. Предложим, что |Г₁|=0,8, |Г₂|=1, определим величину 1,5 ≅N≅ 3,3. Выбирая N = 3,3, получим l_г = N λ = 3,3·0,5·16,5 = 27,2 см что составляет пять ячеек структуры. Основываясь на теоретических и экспериментальных графических данных, определим достижимый КПД автогенерации η_г = 2c_y = 0,29 и мощность генерации P_г = η_г IU = 0,29·4·80 = 93 кВт. Оценив по справочным данным величину групповой скорости на участке l_гр:|V_гр^гр| ≃ 0,01C , получим, что t_заг = 175 нс при V_гр^гр ≃ 2 V_гр^г, l_гр ≃ 3 λ. Для "теплового" медного сферического резонатора, работающего на ТЕ₀₂₃ - типе колебаний получено значение времени накопления t_г = 1,9 мкс при Q_о = 1,46 ˙ 10⁴. Отсюда получим при β≈ 14 и эффективности преобразования энергии при накоплении и выводе η_k = 80%:
r = η_к ≈ 0,8 = 0,8· = 12,9
Отсюда при ≈ 630 получаем оценку темпа ускорения на участке l_г:
ΔW/l_г ≃ = 4,2 МэВ/м, что превосходит в 1,5 раза аналогичную величину для примера, использованного в прототипе (при прочих равных условиях), и обеспечивает прирост энергии Δ W = 1,1 МэВ на участке l. Длительность импульсов тока
t_u ≈ = = 32 нс превосходит соответствующее значение упомянутого примера более, чем втрое, при том же значении максимальной частоты следования ускоренных импульсов тока. Таким образом, в предлагаемом решении заметно сокращается общая длина ускорителя и одновременно повышается темп ускорения, что позволяет снизить стоимость установки (в том числе и за счет заметного уменьшения фокусирующей системы). Кроме того, особенно эффективно может быть использована общая криогенная система, как для охлаждения резонатора, так и самой ускоряющей секции, по двум причинам: во-первых, снижается объем подлежащих охлаждению сборочных изделий, во-вторых, повышается КПД автогенерации.

Формула изобретения

ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ С КОМПРЕССИЕЙ СВЧ-ЭНЕРГИИ, содержащий инжектор электронного пучка, ускоряющую секцию с замедляющей структурой, накопительный резонатор, соединенный СВЧ-трактом, включающим переключатель СВЧ-мощности, с входным фидером ускоряющей секции, отличающийся тем, что, с целью повышения темпа ускорения, параметры ускорителя выбраны согласно следующим выражениям:

0,5 ≅ с_у ≅ 0,2.
0,21 ≅ N_су ≅ 0,48;

где D - период замедляющей структуры, м;
N - число волноводных длин волн низшей обратной пространственной гармоники, синхронной с инжектируемым пучком, на длине l_г активного участка генерации земедляющей структуры с постоянной геометрией и периодом D, укладывающееся на этом участке;
n - целое число;
λ - рабочая длина волны, м;
с_у - параметр усиления на участке

соответствующий режиму автогенерации;
c - скорость света, м/с;
Г₁, Г₂ - коэффициенты отражения от торцов ускоряющей секции в режиме накопителя СВЧ-энергии;
g = 1 при емкостной связи между ячейками структуры;
g = 0,5 при индуктивной связи.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000

Извещение опубликовано: 10.11.2000        

---