Линейный ускоритель электронов

Изобретение относится к области физики и техники пучков заряженных частиц, конкретно к технике линейных ускорителей. Линейный сверхвысокочастотный ускоритель электронов может быть использован в области физики, радиационной химии, медицины и радиационных технологий - рентгенографической инспекции крупногабаритных грузов, контроля толстостенных металлических объектов, стерилизации медицинских изделий. Ускоритель содержит инжектор электронов, СВЧ ускоряющую систему, СВЧ генератор, устройства питания и управления. Ускоряющая система содержит группирующую секцию со стоячей волной и ускоряющую секцию с прямой бегущей волной. Группирующая секция выполнена в виде бипериодической цепочки связанных ячеек. Ускоряющая секция выполнена в виде периодической цепочки ячеек с оптимальной Ω-образной формой, при которой каждая ячейка содержит трубки на оси для дрейфа пучка ускоряемых электронов и окна на периферии для электромагнитной связи. Группирующая и ускоряющая секции объединены в общую конструкцию, связаны по электромагнитному полю и питаются общим СВЧ генератором. Ускоритель обеспечивает получение пучка ускоренных электронов без применения внешних фокусирующих устройств, возможность изменения энергии пучка ускоренных электронов и хорошее согласование ускоряющей системы с СВЧ генератором без применения специальных согласующих устройств. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к области ускорения заряженных частиц, конкретно к технике линейных ускорителей. Оно может быть использовано для создания сверхвысокочастотных ускорителей электронов, необходимых для исследований в области физики и радиационной химии, для лечения канцерогенных болезней, а также для радиационных технологий - рентгенографической инспекции крупногабаритных грузов, контроля толстостенных металлических объектов, стерилизации медицинских изделий.

Уровень техники.

Линейный ускоритель электронов часто применяется для получения пучков ускоренных электронов с энергиями порядка единиц или десятков мегаэлектронвольт. Диапазон применений и требования к характеристикам линейных ускорителей постоянно расширяются. В настоящее время имеется большая потребность в ускорителях электронов для радиационных технологий. В частности, актуальной задачей является создание комплексов рентгенографической инспекции, которые предназначены для быстрого контроля крупногабаритных грузов (морских и автомобильных контейнеров, грузовых и легковых автомобилей) с целью обнаружения взрывчатых веществ и контрабанды.

Большой интерес проявляется к созданию линейных ускорителей электронов с локальной биологической защитой, выполненной из металлических блоков. Применение локальной защиты позволяет избежать строительства зданий с толстыми (до 3 метров) бетонными стенами и значительно ускорить и удешевить создание радиационно-технологических установок. В частности, использование ускорителей с локальной радиационной защитой позволяет создавать мобильные и транспортабельные комплексы для инспекции грузов (см., например, L.Yuzheng. "Three Types of Linacs for Customs Large Container Inspection Application", Proceedings of 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago, pp.2808-2810, 2001).

В настоящее время разрабатываются рентгенографические инспекционные комплексы с возможностью распознавания материалов внутри контейнера. С этой целью контейнер должен облучаться рентгеновскими лучами, образованными импульсными пучками электронов с двумя энергиями таким образом, что каждый четный импульс является высокоэнергетическим, а каждый нечетный - низкоэнергетическим. Разность коэффициентов поглощения излучения различными материалами дает возможность определять атомный номер материала (см., например, С.А.Огородников, В.И.Петрунин. "Интроскопическая система с дуальной энергией для таможенного контроля транспортных средств и крупногабаритных контейнеров". Сборник докладов 17-го Совещания по ускорителям заряженных частиц, стр.376-378, 2000 г.).

Линейные ускорители электронов с изменяемой энергией широко используются также в медицинских установках, предназначенных для облучения злокачественных опухолей (см., например, С.Karzmark, С.Nunan, E.Tanabe. "Medical Electron Accelerators". McGraw-Hill, New York, 1993).

Обычно линейный ускоритель электронов с изменяемой выходной энергией содержит инжектор электронов с изменяемым током, сверхвысокочастотную (СВЧ) ускоряющую систему, СВЧ генератор, устройства питания и управления. Ускоряющая система содержит группирующую секцию, в которой производится формирование и предварительное ускорение сгустков электронного пучка, следующих с частотой СВЧ колебаний в системе, и ускоряющую секцию, в которой производится основное ускорение сгустков.

Исторически первыми получили развитие линейные ускорители электронов с бегущей волной, в которых в качестве ускоряющей системы используется круглый диафрагмированный волновод (см., например, Вальднер О.А., Собенин Н.П., Зверев Б.В., Щедрин И.С. "Справочник по диафрагмированным волноводам". М., Атомиздат, 1977). Фазовая скорость электромагнитной волны в волноводе соответствует скорости ускоряемых электронов. Обычно набег фазы на одну ячейку волновода составляет 2π/3. Связь между ячейками волновода осуществляется через отверстия на оси диафрагм, через которые проходит пучок ускоряемых электронов. Так как связь осуществляется по электрическому полю, дисперсия периодической структуры является положительной, направления фазовой и групповой скоростей совпадают. Поэтому возбуждение диафрагмированного волновода производится в начале ускорителя, а нагрузка подключается в конце.

Ускоряющая система с бегущей волной имеет хорошее согласование с питающим СВЧ генератором, слабую зависимость коэффициента захвата пучка в режим ускорения и энергетического спектра от тока пучка. Однако диафрагмированный волновод имеет низкие величины темпа ускорения и эффективности использования СВЧ мощности для создания ускоряющего поля, а также возникает необходимость обязательного применения устройств с магнитными полями типа соленоидов для фокусировки пучка ускоряемых электронов.

Известны линейные ускорители электронов со стоячей волной, в которых в качестве ускоряющей системы обычно используется бипериодическая структура в виде цепочки связанных ячеек. Ускоряющие ячейки чередуются с ячейками связи, поля в ускоряющих ячейках являются противофазными. Ускоряющие ячейки имеют оптимальную форму ( Ω-образное сечение), что обеспечивает минимальную мощность СВЧ потерь в стенках и концентрацию электрического поля в ускоряющем зазоре. Ячейки связи могут иметь форму узких цилиндров. Связь между ячейками осуществляется через окна связи, располагаемые на периферии, вдали от оси структуры. Питающий волновод обычно присоединяется в середине структуры (см., например, Вальднер О.А., Собенин Н.П., Зверев Б.В., Щедрин И.С. "Справочник по диафрагмированным волноводам". М., Атомиздат, 1977).

Ускоряющая система со стоячей волной позволяет создать такое распределение СВЧ поля, при котором группирование, ускорение и фокусировка пучка осуществляются только СВЧ полем, а применения фокусирующих соленоидов не требуется. Система обладает высокой эффективностью использования СВЧ мощности для ускорения. Однако система не обеспечивает хорошего согласования с питающим СВЧ генератором и требует применения специальных согласующих устройств типа ферритовых циркуляторов. Система плохо пригодна для создания ускорителя с изменяемой энергией, так как при изменении тока пучка изменяется амплитуда поля во всей структуре и ухудшаются условия оптимального формирования сгустков пучка.

Известна ускоряющая система с ячейками оптимальной формы, работающая в режиме обратной бегущей волны. Так как связь между ячейками осуществляется по магнитному полю, то дисперсия периодической структуры является отрицательной и направления фазовой и групповой скоростей противоположны. Поэтому возбуждение ускоряющей структуры производится в конце ускорителя, а согласованная нагрузка подключается в начале (см., например, "Research on a 16 MeV Backward Traveling Wave Electron Linac", Tsinghua Accelerator Laboratory, Proceedings of International Conference on Linear Accelerators, LINAC-02, 2002, pp.625-627).

Эта система является наиболее близким аналогом изобретения. Она сочетает некоторые достоинства систем со стоячей и бегущей волнами. Применение ячеек оптимальной формы позволяет получить высокую эффективность использования СВЧ мощности. Применение режима бегущей волны обеспечивает хорошее согласование ускоряющей системы с питающим СВЧ генератором. Однако, эта система непригодна для создания ускорителя с изменяемой энергией, поскольку при изменении тока пучка сильно изменяется амплитуда поля в группирующей секции и нарушаются условия формирования сгустков.

Раскрытие изобретения.

В настоящее время существует актуальная потребность в компактных ускорителях электронов с локальной радиационной защитой и изменяемой энергией электронного пучка. Во-первых, такой ускоритель должен иметь по возможности малые габариты, чтобы минимизировать размеры и вес локальной радиационной защиты. Во-вторых, поскольку для защиты наиболее часто применяются чугун и сталь, ускоритель не должен содержать устройств с магнитными полями. В-третьих, ускоритель должен обеспечивать возможность изменять энергию электронов в достаточно широких пределах, причем в инспекционном комплексе переключение энергии должно производиться быстро, через импульс.

Указанная проблема может быть решена следующим образом. Линейный сверхвысокочастотный ускоритель электронов содержит инжектор электронов, СВЧ ускоряющую систему, СВЧ генератор для питания ускоряющей системы, устройства питания и управления. Ускоряющая система содержит группирующую секцию со стоячей волной и ускоряющую секцию с бегущей волной, каждая из которых содержит ячейки оптимальной формы. Группирующая секция выполнена в виде бипериодической цепочки связанных ячеек. Ускоряющая секция выполнена в виде периодической цепочки ячеек с оптимальной формой, работающей на прямой бегущей волне. Группирующая и ускоряющая секции объединены в общую конструкцию и связаны по электромагнитному полю. СВЧ генератор подключен к началу ускоряющей секции, а согласованная нагрузка - к концу ее. Возбуждение группирующей секции осуществляется через окна связи между ее последней ячейкой и первой ячейкой ускоряющей секции.

Основной особенностью предлагаемого решения является возможность работы периодической цепочки ячеек с оптимальной формой и магнитной связью на прямой бегущей волне. Эта возможность обеспечивается соответствующим выбором соотношения размеров ячеек и частоты СВЧ питания. Вид дисперсионной характеристики периодической структуры с магнитной связью между ячейками показан на фиг.1. Все известные периодические структуры, применяемые в ускорителях заряженных частиц, работают в первой полосе при фазовых сдвигах на одну ячейку от 0 до π. В данном случае предлагается работать во второй полосе при фазовых сдвигах на одну ячейку от π до 2π. В этой полосе фазовая и групповая скорости электромагнитной волны направлены в одну сторону. Длина одной ячейки l ускоряющей структуры должна соответствовать условию

β·λ/2<l<β·λ,

где β=ν/с - относительная скорость ускоряемой частицы;

ν - скорость частицы;

с - скорость света в свободном пространстве;

λ=c/f - длина волны СВЧ колебаний;

f - частота СВЧ колебаний.

При ускорении электроны быстро достигают скоростей, близких к скорости света (β≅1). Формирование сгустков электронов осуществляется в группирующей секции, которая обычно составляет небольшую часть от общей длины ускорителя, а в ускоряющей секции электроны наращивают энергию.

Наиболее удобным способом изменения энергии пучка ускоренных электронов является изменение нагрузки пучком. С этой целью инжектор электронов генерирует и инжектирует в ускоряющую систему пучок электронов с изменяемым током. Изменение нагрузки при постоянной мощности СВЧ питания вызывает изменение амплитуды электромагнитного поля в ускоряющей системе. В ускоряющей секции с прямой бегущей волной амплитуда поля в начальной части, где подводится СВЧ мощность от генератора, практически не изменяется, а амплитуда поля в конечной части изменяется сильно, что вызывает изменение выходной энергии ускоренного пучка. В группирующей секции амплитуда поля изменяется мало, поэтому условия оптимального формирования электронных сгустков не нарушаются. Это дает возможность изменять ток пучка и энергию частиц в достаточно широких пределах без изменения коэффициента захвата и качественных характеристик пучка - фазовой протяженности сгустков и энергетического разброса.

Группирующая секция в виде бипериодической цепочки связанных ячеек со стоячей волной обеспечивает возможность изменять размеры ячеек и амплитуды поля в них и оптимизировать их таким образом, чтобы обеспечить группирование, ускорение и фокусировку пучка СВЧ полем, без применения фокусирующих соленоидов.

Ускоряющая секция с ячейками оптимальной формы позволяет получить высокую эффективность использования СВЧ мощности и хорошие дисперсионные свойства, обеспечивающие слабую чувствительность ускоряющего поля к погрешностям изготовления и разного рода возмущениям. Применение режима прямой бегущей волны обеспечивает хорошее согласование ускоряющей системы с питающим СВЧ генератором и позволяет работать без использования специальных согласующих устройств.

В некоторых случаях, если выводимая в нагрузку СВЧ мощность невелика, в качестве нагрузки может использоваться тонкий слой поглощающего материала, нанесенный на поверхность одной или нескольких последних ячеек ускоряющей секции.

В некоторых случаях, если ток ускоряемого пучка электронов велик, а радиационная защита выполнена из немагнитных материалов, для фокусировки пучка могут использоваться магнитные устройства, например, соленоиды, расположенные поверх группирующей и ускоряющей секций.

Краткое описание чертежей.

Фиг.1 - вид дисперсионной характеристики периодической структуры с магнитной связью между ячейками. По оси абсцисс отложен фазовый сдвиг колебаний на одну ячейку, по оси ординат - частота колебаний, отнесенная к максимальной частоте.

Фиг.2 - линейный сверхвысокочастотный ускоритель электронов.

Фиг.3 - вид разреза ускоряющей секции по А-А.

Осуществление изобретения.

Линейный сверхвысокочастотный ускоритель электронов, показанный на фиг.2, содержит следующие устройства:

- Инжектор электронов, содержащий источник электронов 1 и высоковольтный изолятор 2;

- Группирующая секция, содержащая связанные ячейки 3, 4, 5, 6, 7, 8;

- Ускоряющая секция, содержащая связанные ячейки 9, 10, 11, 12, 13, 14;

- Питающий волновод, содержащий секции 15, 16;

- Сверхвысокочастотный генератор 17;

- Волновод для связи с нагрузкой, содержащий секции 18, 19;

- Согласованная нагрузка 20;

- Устройства питания и управления 33.

Источник электронов представляет собой термоэмиссионный катод с подогревателем. С целью изменения тока инжектируемого пучка источник может содержать также управляющую сетку, на которую подается регулирующее напряжение.

Группирующая секция представляет собой бипериодическую цепочку связанных ячеек. Группирующие ячейки 3, 5, 7 имеют оптимальную форму ( Ω-образное сечение) и чередуются с ячейками связи 4, 6, 8, которые представляют собой узкие цилиндрические объемы. Ячейки связаны по магнитному полю с помощью окон связи в стенках 21, 22, 23, 24, 25, 26. В каждой стенке прорезаны два окна. С целью исключения прямой связи окна в пределах ячейки связи сдвинуты по азимуту на 90°.

Ускоряющая секция представляет собой периодическую цепочку связанных ячеек, имеющих оптимальную форму. Каждая ячейка связана с соседней по магнитному полю с помощью двух окон, прорезанных в их общей стенке, причем окна в соседних стенках сдвинуты по азимуту на 90°. Разделительная стенка между первой ячейкой ускоряющей секции и последней ячейкой группирующей секции также содержит два окна связи. Форма и расположение окон в стенке между ячейками 13 и 14 показаны на фиг.3.

СВЧ генератор 17 присоединен к ускоряющей секции с помощью волноводного фидера, включающего вакуумированную секцию 15 и секцию 16, в которой находится керамическое окно для отделения вакуума. Волновод присоединен к первой ячейке 9 ускоряющей секции через окно связи 31. Согласованная нагрузка 20 аналогичным образом присоединена к последней ячейке 14 ускоряющей секции.

Ускоритель работает следующим образом. СВЧ генератор с помощью волноводного фидера возбуждает в ускоряющей секции электромагнитное поле. Через окна в разделительной стенке возбуждается также электромагнитное поле в группирующей секции. Ячейки группирующей секции настроены за счет соответствующего выбора их геометрических размеров таким образом, что в секции устанавливается стоячая волна, при которой в группирующих ячейках 3, 5 и 7 возбуждаются противофазные электрические поля. В ячейках связи 4, 6 и 8 амплитуда электрического поля на оси мала. Заданное распределение поля в группирующих ячейках получается за счет соответствующего выбора коэффициентов связи между ячейками, которые определяются размерами окон связи. В частности, соотношение амплитуд поля в ячейках 3 и 5 равно

Е₃/E₅=k₅/k₃,

где k₃ - коэффициент связи между ячейками 3 и 4;

k₅ - коэффициент связи между ячейками 4 и 5.

Источник электронов генерирует пучок электронов 34, который предварительно ускоряется в зазоре инжектора и поступает в группирующую секцию. В ячейках группирующей секции за счет разницы в скоростях и временах пролета электроны группируются и из непрерывного пучка превращаются в набор сгустков, следующих с частотой СВЧ питания. Одновременно сгустки получают некоторое приращение энергии и скорости. Длина группирующих ячеек нарастает вдоль движения пучка электронов в соответствии с ростом скорости. Когда процесс формирования сгустка оканчивается, электроны имеют энергию, существенно более высокую, чем энергия инжекции. Действие сил пространственного заряда сгустка уменьшается с ростом энергии частиц. Поэтому пучок поступает в ускоряющую секцию, будучи сгруппирован в весьма компактные сгустки.

Длина ячейки связи 8 и толщина разделительных стенок между ячейками 7, 8 и 9 рассчитываются таким образом, чтобы центр сгустка проходил середину первой ячейки ускоряющей секции 9 в фазе максимального ускоряющего электрического поля и получал максимальное приращение энергии. В ускоряющей секции волна бежит от СВЧ генератора к нагрузке с фазовой скоростью, которая зависит от частоты питания, как показано на фиг.1. Для синхронизма движения волны и ускоряемых сгустков электронов необходимо выполнить соотношение между длиной ячейки и длиной волны СВЧ колебаний

l=β·λ·ϕ/(2·π),

где ϕ - фазовый сдвиг колебаний на одну ячейку. При выполнении этого условия сгусток получает максимальное приращение энергии в каждой ячейке ускоряющей секции, а разброс энергий ускоренных электронов является минимальным.

Величина фазового сдвига колебаний на одну ячейку должна быть больше π. Для получения высокой эффективности использования СВЧ мощности следует выбирать фазовый сдвиг вблизи величины π, например 5π/4 или 6π/5. Показателем эффективности структуры является эффективное шунтовое сопротивление, которое обратно пропорционально мощности СВЧ потерь. Согласно расчетам, в данной структуре при работе с фазовым сдвигом 5π/4 на частоте 2856 МГц эффективное шунтовое сопротивление равно 85 МОм/м, в то время как для диафрагмированного волновода эта величина составляет около 50 МОм/м. Таким образом, мощность СВЧ потерь в данной структуре в 1,7 раза меньше, чем в обычном ускорителе с бегущей волной.

Синхронность и синфазность колебаний в группирующей и ускоряющей секциях обеспечиваются тем, что обе секции питаются от одного СВЧ генератора. Волновод, идущий от генератора, присоединяется к ускоряющей секции, которая потребляет основную часть СВЧ мощности, а мощность в группирующую секцию передается через окна связи в разделительной стенке. Остаток СВЧ мощности выводится из ускоряющей секции в согласованную нагрузку. Благодаря этому обеспечивается хорошее согласование ускоряющей системы с СВЧ генератором при любой нагрузке пучком.

Если ток пучка от инжектора увеличивается, а мощность СВЧ генератора остается неизменной, то амплитуда электромагнитного поля в первой ячейке ускоряющей секции и в ячейках группирующей секции изменяется слабо, но распределение поля вдоль ускоряющей секции изменяется сильно и становится спадающим к концу секции. Следовательно, условия оптимального формирования электронных сгустков не нарушаются, но энергия ускоренных электронов изменяется.

Таким образом, предлагаемый ускоритель обеспечивает получение пучка ускоренных электронов без применения внешних фокусирующих устройств, возможность изменения энергии пучка ускоренных электронов и хорошее согласование ускоряющей системы с СВЧ генератором без применения специальных согласующих устройств.

1. Линейный сверхвысокочастотный ускоритель электронов, содержащий инжектор электронов, сверхвысокочастотный генератор, устройства питания и управления, ускоряющую систему, которая содержит группирующую секцию со стоячей волной и ускоряющую секцию с бегущей волной, каждая из которых содержит связанные ячейки, которые имеют трубки на оси для дрейфа пучка ускоряемых электронов и окна на периферии для электромагнитной связи, отличающийся тем, что ускоряющая система содержит устройство ввода сверхвысокочастотной мощности, присоединенное к первой по ходу пучка ячейке ускоряющей секции, граничащей с последней ячейкой группирующей секции, и устройство вывода сверхвысокочастотной мощности, присоединенное к последней ячейке ускоряющей секции, а длина каждой ячейки ускоряющей секции больше, чем β·λ/2, но меньшей, чем β·λ, где β=ν/c - относительная скорость ускоряемых электронов; ν - скорость электронов; с - скорость света в свободном пространстве; λ=c/f - длина волны сверхвысокочастотных колебаний; f - частота сверхвысокочастотных колебаний.

2. Линейный сверхвысокочастотный ускоритель электронов по п.1, отличающийся тем, что устройство вывода сверхвысокочастотной мощности расположено внутри ускоряющей секции и представляет собой тонкий слой материала, поглощающего сверхвысокочастотную мощность, который нанесен на поверхность одной или нескольких последних ячеек.

3. Линейный сверхвысокочастотный ускоритель электронов по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит одну или несколько катушек с током, которые расположены поверх ускоряющей системы и служат для фокусировки пучка ускоряемых электронов.