Ускоритель частиц многократного энергетического уровня с умножением частоты и способ ускорения частиц (варианты)
Изобретение относится к линейным ускорителям электрически заряженных частиц.
Ускоритель содержит блок генерирования импульсов для генерирования N импульсных сигналов с различными энергетическими уровнями, где N равно или больше 2, N блоков генерирования микроволнового энергетического уровня для генерирования N микроволн с различными энергетическими уровнями, основанными, соответственно, на упомянутых N импульсных сигналах. Ускоритель также содержит блок, имеющий N входов и один выход, энергетического смешения, ввода и вывода N микроволн, блок генерирования пучка частиц для генерирования N пучков частиц синхронно с упомянутыми N микроволнами, и ускоряющий блок для ускорения, соответственно, N пучков частиц. Ускоритель частиц многократного энергетического уровня с умножением частоты может попеременно выдавать пучки частиц различных энергетических уровней, имеет улучшенную рабочую частоту. Ускоритель предназначен для использования в области радиографического формирования изображения, радиоактивной медицины и в технике обработки излучением. 4 н. и 9 з.п. ф-лы, 8 ил.
Предпосылки изобретения
1. Область техники, к которой относится изобретение.
Настоящее изобретение относится к технологии ускорителя, в частности к ускорителю частиц многократного энергетического уровня с умножением его частоты, имеющему простую конструкцию и улучшенную рабочую скорость, а также к способу ускорения частиц многократного энергетического уровня с умножением частоты.
2. Описание известного уровня техники
Электронные ускорители завоевали широкую известность в различных областях применения, таких как промышленная неразрушающая проверка, проверка контейнеров на таможнях, радиоактивная медицина и обработка излучением электронного луча. Например, высокоэнергетическое оборудование с электрическим контуром СТ, которое используется для проверки наличия дефекта в котле, двигателях, механических консольных рамах, ракетах и.т.д., было использовано при осмотре багажа, пакетов и контейнеров в аэропортах, таможнях и других общественных заведениях. С помощью такого оборудования можно обнаружить контрабандные товары, такие как пистолеты, ножи, динамиты, наркотики и оружие массового поражения, а также различные контрабандные товары, несовместимые с требованиями таможенных деклараций. Типичная система проверки излучением состоит из источника облучения, подсистемы детектора и устройства формирования изображения. Когда объект, подвергаемый проверке, перемещается вдоль прохода между источником облучения и детектором, лучи излучения, генерированные источником облучения, такие как рентгеновские лучи, γ-лучи и нейтроны, проникают сквозь объект и затем обнаруживаются и измеряются посредством детектора. Поскольку интенсивность лучей ослабляется, когда они проникают через объект, их степень ослабления зависит от материала и плотности объекта, интенсивность лучей, измеренная детектором, является функцией материала и плотности объекта. Наконец, устройство формирования изображения образует изображение, отражающее форму, размер и плотность объекта посредством обработки и анализа результата измерения с помощью детектора.
Кроме того, электронные ускорители широко используются в областях радиоактивной медицины и обработки излучением, таких как лечение злокачественных опухолей, дезинфекция излучением, пастеризация излучением, карантин излучением, распад под действием излучения, образование поперечных связей излучением и изменение свойств излучением. В области обработки излучением доминирующим техническим критерием для ускорителя является производительность обработки излучением, то есть энергия электронного луча и мощность тока луча. Энергия электронного луча определяет глубину обработки излучением, так что чем выше энергия электронного луча, тем глубже становится обработка излучением. Другими словами, при более высокой энергии электронного луча имеется возможность проникнуть в объект большей массы (глубины). С другой стороны, мощность тока луча определяет скорость радиографической обработки, то есть, для того же самого периода времени, чем выше энергия тока луча, тем большее число объектов подвергается обработке излучением.
Электронным ускорителем двукратного или многократного энергетического уровня является система электронного ускорителя, способная выдать ток электронного луча с двумя или более энергетическими уровнями. По сравнению с обычной системой электронного ускорителя с единственным энергетическим уровнем электронный ускоритель двукратного или многократного энергетического уровня, кроме того, что он расширяет диапазон единственного механизма энергетического уровня, имеет более существенное техническое преимущество, включающее новое поколение систем обнаружения, цифровую обработку изображения и аналогичные средства, позволяющие дифференцировать материалы различных веществ. Система ускорителя с единственным энергетическим уровнем может традиционно идентифицировать только форму объекта, когда используется при промышленной неразрушающей проверке, таможенной проверке контейнеров, высокоэнергетического оборудования с электрическим контуром СТ и в других областях, тогда как система электронного ускорителя двукратного или многократного энергетического уровня может идентифицировать как форму, так и материал объекта и таким образом эффективно обнаружить динамиты, наркотики, оружие или другое отравляющее вещество и контрабандные товары, спрятанные в крупногабаритных контейнерах, во время транспортировки через границу. В результате, такая система электронного ускорителя двукратного или многократного энергетического уровня находит более широкое применение во многих областях.
С целью идентификации веществ патентный документ 1 (WO 9314419 А1) предлагает такую конфигурацию, в которой два ускорителя различных энергетических уровней работают параллельно для выполнения соответственно формирования изображения посредством сканирования излучения на том же самом объекте, и два образованных изображения сравниваются, чтобы получить информацию на материале объекта. Между прочим, патентный документ 2 (WO 2005111950 А1) также описывает решение двойного луча посредством того, что заставляет два ускорителя бомбардировать ту же самую мишень вдоль различных направлений. К сожалению, каждая из упомянутых конфигураций требует двух ускорителей и двух независимых систем детектора, что приводит к использованию большего оборудования, росту расходов и увеличению занимаемой площади.
Более того, патентный документ 3 (US 2004202272 А1) предлагает ускоритель луча частиц многократного энергетического уровня, который образует луч частиц, имеющих первую энергию в первом рабочем режиме, и луч частиц, имеющих вторую энергию во втором рабочем режиме, в котором лучи частиц, имеющих два энергетических уровня, получают посредством повторного ввода в камеру некоторого объекта/забора из камеры секции формирования луча, так чтобы изменить форму камеры, то есть, изменить резонансную частоту и распределение электромагнитного поля внутри камеры. Решение, описанное в вышеупомянутом патентном документе 3, использует, однако, определенное механическое средство для переключения с первого луча частиц на второй луч частиц, которое не может отвечать требованию скорости переключения миллисекундного порядка в некоторых применениях. Поэтому целесообразно разработать электронный ускоритель частиц многократного энергетического уровня (т.е. частиц, находящихся на разных энергетических уровнях), который может преодолеть недостаток сложной конструкции с конфигурацией двух ускорителей и в то же самое время удовлетворить требованию рабочих характеристик.
Сущность изобретения
Техническим результатом настоящего изобретения является устранение вышеупомянутых недостатков путем разработки ускорителя частиц многократного энергетического уровня с умножением частоты, имеющего простую конструкцию и улучшенную рабочую скорость, а также способа ускорения частиц в нем.
Первым объектом настоящего изобретения является ускоритель частиц многократного энергетического уровня с умножением частоты, содержащий блок генерирования импульсов энергетического уровня для генерирования N импульсных сигналов с различными энергетическими уровнями, где N равно или больше 2, N блоков генерирования микроволнового энергетического уровня для генерирования под управлением управляющего сигнала N микроволн с различными энергетическими уровнями, основанными соответственно на упомянутых N импульсных сигналах, блок энергетического смешения, имеющий N входов и один выход, и ввода соответствующей микроволны среди (из) упомянутых N микроволн от каждого из упомянутых N входов и вывода упомянутых N микроволн от упомянутого одного выхода, блок генерирования луча частиц для генерирования N лучей частиц синхронно с упомянутыми N микроволнами, и ускоряющий блок для использования упомянутых N микроволн для ускорения соответственно упомянутых N лучей частиц.
Согласно воплощению (реализации) настоящего изобретения ускоритель дополнительно содержит единственный блок синхронизации, установленный между упомянутым блоком энергетического смешения и упомянутым ускоряющим блоком и выполненный с возможностью синхронизировать характерную частоту упомянутого ускоряющего блока с рабочей частотой каждого из упомянутых N блоков генерирования микроволнового энергетического уровня.
Согласно воплощению настоящего изобретения ускоритель дополнительно содержит N блоков синхронизации, установленных соответственно между упомянутыми N блоками генерирования микроволнового энергетического уровня и упомянутым блоком энергетического смешения и выполненных с возможностью синхронизировать соответственно характерную частоту упомянутого ускоряющего блока с рабочей частотой каждого из упомянутых N блоков генерирования микроволнового энергетического уровня.
Согласно воплощению настоящего изобретения упомянутый блок синхронизации содержит волновод выборки падающей волны, который выбирает каждую из N микроволн, выведенных от упомянутого одного выхода упомянутого блока энергетического смешения, чтобы получить падающую волну, циркулятор, который подает каждую из N микроволн в упомянутый ускоряющий блок и выводит соответствующую микроволну, отраженную от вышеупомянутого ускоряющего блока, волновод выборки отраженной волны, который выбирает соответствующую отраженную микроволну, чтобы получить отраженную волну, средство автоматической фазовой синхронизации и стабилизации частоты, которое сравнивает и анализирует упомянутую падающую волну и упомянутую отраженную волну и генерирует синхросигнал для синхронизации соответственно рабочей частоты каждого из упомянутых N блоков генерирования микроволнового энергетического уровня с характерной частотой упомянутого ускоряющего блока, и поглощающую нагрузку, которая поглощает отраженную волну, выведенную упомянутым циркулятором.
Согласно воплощению настоящего изобретения упомянутое средство автоматической фазовой синхронизации и стабилизации частоты содержит регулируемый аттенюатор для регулирования амплитуд упомянутой падающей волны и упомянутой отраженной волны и вывода падающего сигнала и отраженного сигнала, фазовый дискриминатор для регулирования фаз упомянутого падающего сигнала и упомянутого отраженного сигнала и вывода первого напряжения и второго напряжения, предусилитель для усиления разности между упомянутым первым и вторым напряжениями, чтобы вывести сигнал регулировки, сервоусилитель для усиления упомянутого сигнала регулировки, чтобы вывести пусковой сигнал, и селектор каналов для вывода упомянутого пускового сигнала под управлением управляющего сигнала к соответствующему блоку генерирования микроволнового энергетического уровня.
Согласно воплощению настоящего изобретения упомянутый блок генерирования импульсов энергетического уровня содержит единственный источник питания импульсами, который под управлением управляющего сигнала подает питание к упомянутым N блокам генерирования микроволнового энергетического уровня в режиме временного разделения.
Согласно воплощению настоящего изобретения упомянутый блок генерирования импульсов содержит N источников питания импульсами, которые под управлением управляющего сигнала подают соответственно питание к упомянутым N блокам генерирования микроволнового энергетического уровня в различные моменты времени.
Согласно воплощению настоящего изобретения упомянутый блок генерирования луча частиц содержит электронный прожектор для генерирования электронного луча и источник питания электронного прожектора для подачи энергии на упомянутый электронный прожектор.
Согласно воплощению настоящего изобретения упомянутый блок энергетического смешения содержит (N-1) смешивающих контуров, каждый из которых имеет два входа и один выход, в которых разность длин между центральными дугами двух микроволновых траекторий от одного входа к другому равна кратному интеграла плюс половина длины волны канализирующей волны, причем разность длин между центральными дугами двух микроволновых траекторий от упомянутого одного входа к упомянутому выходу равна кратному интеграла длины волны канализирующей волны, и разность длин между центральными дугами двух микроволновых траекторий от упомянутого другого входа к упомянутому выходу равна кратному интеграла длины волны канализирующей волны.
Другим вариантом настоящего изобретения является ускоритель частиц многократного энергетического уровня с умножением частоты, содержащий блок генерирования импульсов энергетического уровня для генерирования N импульсных сигналов с тем же самым энергетическим уровнем, где N равно или больше 2, N блоков генерирования микроволнового энергетического уровня для генерирования под управлением управляющего сигнала N микроволн с тем же самым энергетическим уровнем, основанным соответственно на упомянутых N импульсных сигналах, блок энергетического смешения, имеющий N входов и один выход, и для ввода соответствующей микроволны среди (из) упомянутых N микроволн от каждого из упомянутых N входов, вывода упомянутых N микроволн от упомянутого одного выхода, блок генерирования луча частиц для генерирования N лучей частиц синхронно с упомянутыми N микроволнами, и ускоряющий блок для использования упомянутых N микроволн, чтобы соответственно ускорить упомянутые N лучи частиц.
Другим объектом настоящего изобретения является способ ускорения луча частиц, включающий операции генерирования N импульсных сигналов с различными энергетическими уровнями, где N равно или больше 2, генерирования соответственно N микроволн с различными энергетическими уровнями, основанными на упомянутых N импульсных сигналах, под управлением управляющего сигнала, использования блока энергетического смешения, имеющего N входов и один выход для смешения упомянутых N микроволн, в котором соответствующая микроволна среди упомянутых N микроволн вводится от каждого из упомянутых N входов и упомянутые N микроволн выводятся из упомянутого одного выхода, генерирования N лучей частиц синхронно с упомянутыми N микроволнами, и использования упомянутых N микроволн для соответствующего ускорения упомянутых N лучей частиц.
Еще одним объектом настоящего изобретения является способ ускорения луча частиц, содержащий операции генерирования N импульсных сигналов того же самого энергетического уровня, где N равно или больше 2, генерирования соответственно N микроволн с тем же самым энергетическим уровнем, основанным на упомянутых N импульсных сигналах, под управлением управляющего сигнала, использования блока энергетического смешения, имеющего N входов и один выход для смешения упомянутых N микроволн, в котором соответствующая микроволна среди упомянутых N микроволн вводится от каждого из упомянутых N входов и упомянутые N микроволны выводятся из упомянутого одного выхода, генерирования N лучей частиц синхронно с упомянутыми N микроволнами, и использования упомянутых N микроволн для соответствующего ускорения упомянутых N лучей частиц.
Посредством использования ускорителя частиц многократного энергетического уровня с умножением частоты настоящего изобретения при идентификации веществ в области технологии формирования изображения посредством сканирования излучения изображения объекта при различных энергетических уровнях излучения могут быть получены во время одного раунда сканирования посредством лишь одного ускорителя и одного набора системы детектора и формирования изображения. Поэтому возможно реализовать быстрое формирование изображения объекта и идентификацию веществ и таким образом выявить динамиты, наркотики, оружие или другое отравляющее вещество и контрабандные товары, спрятанные в крупногабаритных контейнерах, во время транспортировки через границу. Между прочим, ускоритель имеет значительно возросшую эффективность обработки благодаря его высокой рабочей частоте и быстрой работе при формировании изображения посредством сканирования. Таким образом, по сравнению с известными решениями, использующими два ускорителя, ускоритель по настоящему изобретению имеет пониженное число устройств, занимает меньше места, менее дорогостоящ, обладает быстрой работой при формировании изображения посредством сканирования, и высокой эффективностью обработки.
Ускоритель частиц многократного энергетического уровня с умножением частоты настоящего изобретения может широко использоваться в других областях излучения, таких как радиотерапия, стерилизация излучением, карантин излучением, распад под действием излучения, образование поперечных связей, модификация излучением. Могут быть выбраны различные энергетические уровни обработки излучением для объектов различной обработки, так чтобы получить лучший эффект обработки. Более того, благодаря использованию энергетических источников многократного микроволнового энергетического уровня ускоритель обеспечивает умноженную рабочую частоту, более высокую мощность и, таким образом, более высокую производительность обработки излучением.
Краткое описание чертежей
Воплощения настоящего изобретения будут описаны на основании, но не ограничиваясь ими, примеров и сопроводительных чертежей, в которых аналогичные ссылочные позиции обозначают похожие или аналогичные элементы.
Фиг.1 показывает принципиальную блок-схему электронного линака (линейного ускорителя) двойного энергетического уровня с умножением частоты согласно первому воплощению настоящего изобретения.
Фиг.2 показывает временную диаграмму соответствующих частей электронного линака двойного энергетического уровня с умножением частоты, показного на фиг.1.
Фиг.3 показывает в сечении смешивающий контур, показанный на фиг.1.
Фиг.4 показывает блок-схему средства АРЧ (автоматической регулировки частоты), показанного на фиг.1.
Фиг.5 показывает вариант электронного линака двойного энергетического уровня с умножением частоты согласно воплощению настоящего изобретения, в котором установлен циркулятор между каждым магнетроном и смешивающим контуром.
Фиг.6 показывает принципиальную блок-схему электронного линака многократного энергетического уровня с умножением частоты согласно второму воплощению настоящего изобретения.
Фиг.7 показывает временную диаграмму соответствующих частей электронного линака многократного энергетического уровня с умножением частоты, показанного на фиг.6.
Фиг.8 показывает временную диаграмму соответствующих частей электронного линака многократного энергетического уровня с умножением частоты, показанного на фиг.6, когда он работает в состоянии единственного энергетического уровня с умножением частоты.
Подробное описание предпочтительных воплощений изобретения
Многие специфические детали настоящего изобретения будут предложены в нижеприведенном описании, чтобы обеспечить полное и исчерпывающее понимание каждого примера. С другой стороны, специалистам средней квалификации в данной области техники будет понятно, что воплощения настоящего изобретения могут быть реализованы без таких специфических деталей. Кроме того, конкретное объяснение любого хорошо известного способа, процедуры, детали или контура будет опущено, чтобы не усложнять описания объектов настоящего изобретения.
Фиг.1 показывает принципиальную блок-схему электронного линака двойного энергетического уровня с умножением частоты согласно первому воплощению настоящего изобретения. Как показано на фиг.1, электронный линак двойного энергетического уровня с умножением частоты согласно первому воплощению настоящего изобретения состоит, главным образом, из источника 1 питания импульсами (блока генерирования импульсов энергетического уровня), источников 2а, 2b микроволнового энергетического уровня (блоков генерирования микроволнового энергетического уровня), таких как магнетроны, энергетического смешивателя 3 (блока энергетического смешения), волновода 4 выборки падающей волны, циркулятора 5, волновода 6 выборки отраженной волны, поглощающей нагрузки 7, средства 8 АРЧ, ускоряющей трубки 9, электронного прожектора 10, источника 11 питания для электронного прожектора и средства 12 управления, такого как триггерный контур. Среди этих деталей волновод 4 выборки падающей волны, циркулятор 5, волновод 6 выборки отраженной волны, поглощающая нагрузка 7 и средство 8 АРЧ образуют средство 13 синхронизации характерной частоты ускоряющей трубки с рабочими частотами источников 2а, 2b питания микроволнового энергетического уровня.
Фиг.2 показывает временную диаграмму соответствующих частей электронного линака двойного энергетического уровня с умножением частоты, показного на фиг.1, а также относительные интенсивности напряжения, тока, микроволновой энергии или энергии электронного луча, генерированных этими деталями. Позиция А обозначает триггерную последовательность импульсов, генерированную средством 12 управления. Позиция В обозначает набор импульсных напряжений, выведенных из источника 1 питания импульсами. Позиция С обозначает другой набор импульсного напряжения, выведенного из источника 1 питания импульсами с амплитудой, которая меньше амплитуды импульсного напряжения В. Позиция D обозначает микроволновую энергию, генерированную магнетроном 2а, к которому приложено импульсное напряжение В. Позиция Е обозначает микроволновую энергию, генерированную магнетроном 2b, к которому приложено импульсное напряжение С, причем амплитуда его меньше микроволновой энергии D. Позиция F обозначает выход после смешивания микроволновой энергии D и Е в энергетическом смесителе 3. Позиция G обозначает высокое напряжение различных амплитуд, генерированное источником питания для электронного прожектора 10, а позиция Н обозначает два энергетических уровня, образованные в ускоряющей трубке 9.
Как показано на фиг.1 и 2, средство 12 управления запускает и управляет работой источника 1 питания импульсами в момент появления триггерной импульсной последовательности А. В первый момент времени, то есть в момент времени первого триггерного импульса последовательности А, источник 1 питания импульсами активирует магнетрон 2а большей энергией, чтобы получить выход большей микроволновой энергии. Этот микроволновый выход поступает на ускоряющую трубку 9 через смеситель 3, волновод 4 выборки падающей волны и циркулятор 5.
Средство 12 управления также запускает источник 11 питания для электронного прожектора 10 в то же самое время, когда появляется триггерный импульс источника 1 питания импульсами. Источник 11 питания для электронного прожектора генерирует высокое напряжение прожектора с меньшей амплитудой в первый момент времени. После приложения такого высокого напряжения на прожектор 10 последний подает меньшее число электронов к ускоряющей трубке 9, в которой эти электроны ускоряются посредством вышеупомянутой большей энергии, и таким образом получают более высокий энергетический уровень.
Во второй момент времени, то есть в момент второго триггерного импульса в последовательности А, источник 1 питания импульсами активирует магнетрон 2b меньшей энергией, чтобы получить выход меньшей микроволновой энергии. Этот микроволновый выход поступает к ускоряющей трубке 9 через смеситель 3, волновод 4 выборки падающей волны и циркулятор 5. Средство 12 управления также запускает источник 11 питания для электронного прожектора 10 в то же самое время, когда появляется триггерный импульс источника 1 питания импульсами. Источник 11 питания для электронного прожектора 10 генерирует высокое напряжение прожектора с большей амплитудой во второй момент времени. После приложения такого высокого напряжения на прожектор 10 последний подает большее число электронов к ускоряющей трубке 9, в которой эти электроны ускоряются посредством вышеупомянутой меньшей энергии, и таким образом получают более низкий энергетический уровень.
Полные операции ускорителя как в первый, так и во второй моменты времени, определены как один цикл. Электронные лучи чередующихся более высокого и более низкого энергетических уровней могут быть получены, когда ускоритель повторяет вышеупомянутый цикл в каждые два последовательных момента времени. Непотребленная микроволновая энергия, отраженная ускоряющей трубкой 9, поступает на поглощающую нагрузку 7 через циркулятор 5 и волновод 6 выборки отраженной волны и полностью поглощается поглощающей нагрузкой 7. Средство 8 АРЧ приобретает информацию на падающей волне и отраженной волне от волновода 4 выборки падающей волны и соответственно волновода 6 выборки отраженной волны, сравнивает и анализирует информацию и затем под управлением управляющего средства 12 регулирует рабочие частоты магнетронов 2а и 2b, так что эти частоты могут согласовать резонансную частоту ускоряющей трубки 9, и таким образом могут гарантировать эффективность ускорения на электронных лучах.
Таким образом получают электронные лучи двух различных энергетических уровней внутри единственной системы ускорителя посредством использования двух источников питания микроволнового энергетического уровня с частотой операции ускорения в два раза выше частоты единственного источника питания микроволнового энергетического уровня.
В вышеупомянутом электронном линаке двойного энергетического уровня с умножением частоты согласно первому воплощению настоящего изобретения используется магнетрон в качестве источника питания микроволнового энергетического уровня, чтобы генерировать микроволну. Также может быть использован клистрон. Более того, ускоряющая трубка 9 может быть или ускоряющей трубкой стоячей волны, или ускоряющей трубкой бегущей волны. Кроме того, число источников 1 питания импульсами импульсного модулятора, например, может быть 1 или 2, соответствуя двум магнетронам 2а, 2b. Циркулятор 5 служит в качестве средства развязки по цепи питания, то есть микроволна, генерированная магнетронами 2а, 2b, может поступить на ускоряющую трубку 9, тогда как микроволновая энергия, отраженная назад из ускоряющей трубки 9, может только поступить в поглощающую нагрузку 7 из-за действия развязки циркулятора 5 в одном направлении. Поэтому это может эффективно предотвратить вредное воздействие отраженной назад микроволны на магнетроны 2а, 2b. Циркулятор 5 может быть трехпортовым циркулятором или четырехпортовым циркулятором. В первом случае, как показано на фиг.1, микроволновая энергия, введенная через порт а, будет выведена из порта b, а микроволновая энергия, введенная через порт b, может существовать только из порта с, и она никогда не возвращается к порту а.
Фиг.3 показывает вид в сечении смешивающего контура 3, который является некоего рода синтезатором энергии, имеющим главной функцией выведение из одного и того же выхода микроволновой энергии, падающей через соответствующие входы в различными моменты времени. Базовая конструкция смешивающего контура 3 представляет собой круглый контур с прямоугольным сечением. Два входа, то есть, входы а и b, и один выход с установлены в соответствующих положениях на боковой стенке смешивающего контура 3, причем распределение положений его зависит от специфического соотношения длины волны, описанного ниже. Таким образом, имеются две траектории для прохода микроволны между любыми двумя портами. Предположим, что Lab, Lbc, Lca представляют соответственно длину центральных дуг круговых сегментов между входом а и входом b, между входом b и выходом с, а также между выходом с и входом а, тогда удлиненное соотношение будет выражаться следующим образом:
Например,
В системе (1) уравнений n является интегралом, λg представляет собой длину волны в трубке волновода микроволны, используемой ускорителем. Среди системы (1) уравнений первое уравнение показывает, что дифферента длины между центральными дугами двух микроволновых траекторий от входа а до выхода с является кратным интеграла длины волны, второе уравнение показывает, что дифферента длины между центральными дугами двух микроволновых траекторий от входа а до входа b представляет собой кратное интеграла плюс половина длины волны, а третье уравнение показывает, что дифферента длины между центральными дугами двух микроволновых траекторий от входа b до выхода с представляет собой кратное интеграла длины волны.
Микроволновая энергия, как таковая, которая вошла от одного из входов а, b, распространяется вдоль двух различных территорий. В результате, появляется положительная сумма двух траекторий микроволны на выходе с, приводящая к микроволновой энергии, совместимой с энергией на упомянутом входе. Эта полученная в результате микроволновая энергия выводится из выхода с. На другом входе, однако, имеется отрицательная сумма двух траекторий микроволны, приводящая к нулю энергии. Так что микроволна не может существовать из другого входа. Таким образом, микроволновая энергия, введенная в смешивающий контур 3 через вход а или вход b, будет выслана из выхода с, когда она вводится.
Фиг.4 показывает блок-схему средства 8 АРЧ, показанного на фиг.1. Средство 8 АРЧ содержит переменный аттенюатор 13, фазовый дискриминатор 14, предусилитель 15, сервоусилитель 16 и селектор 17 каналов. Падающий сигнал IS и отраженный сигнал RS, которые выводятся после того, как падающая волна IW и отраженная волна RW подверглись регулировке амплитуды переменным аттенюатором 13, поступают в фазовый дискриминатор 15 для регулировки фазы и синтеза, в результате чего выводятся два сигнала напряжения VS1 и VS2. Предусилитель 15 сравнивает два сигнала напряжения VS1 и VS2 и усиливает разность между ними, так чтобы вывести сигнал регулировки AS1. Средство 8 АРЧ также образует другой сигнал регулировки AS2 для другой пары падающей и отраженной волн. Регулирующие сигналы AS1 и AS2 дополнительно усиливаются сервоусилителем 16, чтобы вывести задающий сигнал DS1 или DS2.
Селектор 17 каналов, к которому прикладывается управляющий сигнал Cs, поданный средством 12 управления, посылает соответственно задающие сигналы DS1 и DS2 к магнетронам 2а и 2b в различные моменты времени, так чтобы можно было отрегулировать рабочие частоты магнетронов 2а и 2b на соответствие характерной частоте ускоряющей трубки 9, тем самым обеспечивая устойчивость работы всей системы. Селектор 17 каналов может иметь более двух выходных каналов, специфическое число которых должно быть тем же самым, что и число источников питания микроволнового энергетического уровня в системе электронного линака многократного энергетического уровня с умножением частоты.
Конструкция и рабочая процедура электронного линака многократного энергетического уровня с умножением частоты настоящего изобретения были пояснены в качестве примера, в котором циркулятор 5 установлен между синтезатором энергии и ускоряющей трубкой. Как вариант, циркулятор 5 может быть установлен между соответствующими источниками питания микроволнового энергетического уровня и смешивающим контуром.
Фиг.5 показывает вариант электронного линака многократного энергетического уровня с умножением частоты согласно первому воплощению настоящего изобретения, в котором циркуляторы установлены между соответствующими магнетронами и смешивающим контуром. В этом принципе компоновки устройства число каждого элемента из группы волноводов 4а, 4b выборки падающей волны, циркуляторов 5а, 5b, волноводов 6а, 6b выборки отраженной волны, поглощающей нагрузки 7а, 7b и средств 8а, 8b АРЧ является тем же самым, что и число магнетронов, используемых в источниках питания микроволнового энергетического уровня. При такой конфигурации хотя увеличивается число необходимых элементов и система, таким образом оказывается более сложной по сравнению с конфигурацией, показанной на фиг.1, ключевые элементы, например циркулятор 5а, 5b и поглощающая нагрузка 7а и 7b, нагружаются меньшей энергией в системе, то есть, каждый из них будет нести лишь энергию, произведенную единственным источником питания микроволнового энергетического уровня. Следовательно, эти элементы могут быть реализованы технически более простым образом, а циркулятор и поглощающая нагрузка меньшей энергии будут стоить дешевле.
Аналогично вышеупомянутому описанию волноводы 4а, 4b выборки падающей волны, циркуляторы 5а, 5b, волноводы 6а, 6b выборки отраженной волны, поглощающие нагрузки 7а, 7b и средства 8а, 8b АРЧ образуют средства 13а, 13b синхронизации для синхронизации характерной частоты ускоряющей трубки 9 с рабочей частотой источников 2а, 2b питания микроволнового энергетического уровня, тогда как волноводы 4b выборки падающей волны, циркуляторы 5b, волноводы 6b выборки отраженной волны, поглощающая нагрузка 7b и средство 8b АРЧ образуют средство 13b синхронизации для синхронизации характерной частоты ускоряющей трубки 9 с рабочей частотой источника 2b питания микроволнового энергетического уровня.
С такой конфигурацией рабочая синхронизация и принцип компоновки общей системы, в основном, остаются теми же самыми, что и показанная на фиг.1, за исключением того, что непотребленная микроволновая энергия, отраженная ускоряющей трубкой 9, поступает в смешивающий контур 3 через порт с и выходит из портов а и b в виде двух отдельных частей соответственно к двум циркуляторам 5а, 5b, затем эти две части поступают в поглощающую нагрузку 7а, 7b, соответственно, через волноводы 6а, 6b выборки отраженной волны и полностью поглощаются посредством поглощающей нагрузки 7а, 7b. Средство 8а, 8b АРЧ также аналогичным образом получает информацию на падающей и отраженной волне от волноводов 4а, 4b выборки падающей волны и соответственно от волноводов 6а, 6b выборки отраженной волны, сравнивает и анализирует информацию, работая под управлением средства 12 управления. Сейчас для каждого средства 8а, 8b АРЧ требуется только одна выходная траектория для регулировки частоты на соответствующем магнетроне 2а, 2b.
Хотя были представлены конструкция и рабочая процедура электронного линака двойного энергетического уровня с умножением частоты согласно первому воплощению настоящего изобретения, они могут быть приложены к конфигурации, имеющей более двух источников питания импульсами.
Фиг.6 показывает принципиальную блок-схему электронного линака многократного энергетического уровня с умножением частоты согласно второму воплощению настоящего изобретения, которое получают расширением электронного линака двойного энергетического уровня с умножением частоты согласно первому воплощению настоящего изобретения.
В электронном линаке согласно второму воплощению настоящего изобретения могут быть добавлены дополнительные источники питания импульсами, источники питания микроволнового энергетического уровня и синтезаторы энергии в каскадной схеме в количестве, требуемом приложением мишени, а принцип работы этого линака аналогичен принципу работы электронного линака двойного энергетического уровня с умножением частоты. Например, фиг.6 показывает n источников питания импульсами 1a, 1b, … 1c, n магнетронов 2а, 2b, … 2с и (n-1) смешивающих контуров 3а, 3b, … 3с. Кроме того, средство управления имеет n выходов T1, Т2, … Тn, связанных соответственно с n источниками питания импульсами, и соответственно с n выходами магнетронов M1, М2, …Мn. С другой стороны, средство 8 АРЧ имеет n выходов для управления, соответственно, n магнетронами. Как вариант, источник питания импульсами может использовать лишь один источник 1 питания импульсами под управлением средства управления, выдавать импульсную энергию к n магнетронам в режиме разделения времени.
Фиг.7 показывает временную диаграмму соответствующих деталей электронного линака многократного энергетического уровня с умножением частоты, показанного на фиг.6, а также относительные интенсивности напряжения, тока, микроволновой энергии или энергии электронного луча, генерированного этими деталями. Аналогично показанному на фиг.2, число различных энергетических уровней, выведенных ускорителем, является тем же самым, что и число источников питания микроволнового энергетического уровня, а рабочая частота ускорителя равна результату, заданному умножением рабочей частоты ускорителя с единственным источником питания микроволнового энергетического уровня на число таких источников питания.
Фиг.8 показывает временную диаграмму соответствующих частей электронного линака многократного энергетического уровня с умножением частоты, показанного на фиг.6, когда он работает в состоянии единственного энергетического уровня с умножением частоты. В таком состоянии все источники питания микроволнового энергетического уровня выдают ту же самую энергию, источник питания для электронного прожектора также выдает то же самое высокое напряжение в различные моменты времени, и таким образом, ускоритель генерирует электронный луч единственного энергетического уровня. С другой стороны, мощность электронного луча, генерированная ускорителем, в n раз выше, чем энергия ускорителя с единственным источником питания микроволнового энергетического уровня. Поэтому этот ускоритель может быть использован в таком применении, которое требует другого расширения мощности, отличного от расширения энергии.
Хотя воплощения настоящего изобретения были пояснены примером электронного линака, специалистам средней квалификации в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение может быть применено к ускорению на других частотах. Вышеприведенное иллюстрирует и описывает некоторые признаки настоящего изобретения. Специалистам средней квалификации в данной области техники будут понятны многие модификации, замены, изменения и эквиваленты в пределах объема патентной защиты прилагаемой формулы изобретения.
Таким образом, данное изобретение найдет широкое применение в области радиографического формирования изображения, радиоактивной медицины и технике обработки излучением.
1. Ускоритель частиц многократного энергетического уровня с умножением частоты, характеризующийся тем, что он содержит блок (1, 1a, 1b) генерирования импульсов энергетического уровня для генерирования N импульсных сигналов с различными энергетическими уровнями, где N равно или больше 2, N блоков (2а, 2b, 2с) генерирования микроволнового энергетического уровня для генерирования под управлением управляющего сигнала N микроволн с различными энергетическими уровнями, основанными соответственно на упомянутых N импульсных сигналах, блок (3, 3а, 3b, 3с) энергетического смешения, имеющий N входов и один выход, и ввода соответствующей микроволны среди упомянутых N микроволн от каждого из упомянутых N входов и вывода упомянутых N микроволн от упомянутого одного выхода, блок (10, 11) генерирования луча частиц для генерирования N лучей частиц синхронно с упомянутыми N микроволнами, и ускоряющий блок (9) для использования упомянутых N микроволн для ускорения соответственно упомянутых N лучей частиц.
2. Ускоритель частиц многократного энергетического уровня с умножением частоты по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит единственный блок (13) синхронизации, установленный между упомянутым блоком (3) энергетического смешения и упомянутым ускоряющим блоком (9) и выполненный с возможностью синхронизировать характерную частоту упомянутого ускоряющего блока (9) с рабочей частотой каждого из упомянутых N блоков (2а, 2b, 2с) генерирования микроволнового энергетического уровня.
3. Ускоритель частиц многократного энергетического уровня с умножением частоты по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит N блоков (13а, 13b) синхронизации, установленных соответственно между упомянутыми N блоками (2а, 2b) генерирования микроволнового энергетического уровня и упомянутым блоком (3) энергетического смешения и выполненных с возможностью синхронизировать соответственно характерную частоту упомянутого ускоряющего блока (9) с рабочей частотой каждого из упомянутых N блоков (2а, 2b, 2с) генерирования микроволнового энергетического уровня.
4. Ускоритель частиц многократного энергетического уровня с умножением частоты по п.2, отличающийся тем, что упомянутый блок (13) синхронизации содержит волновод (4) выборки падающей волны, который выбирает каждую из N микроволн, выведенных от упомянутого одного выхода упомянутого блока (3, 3а, 3b) энергетического смешения, чтобы получить падающую волну, циркулятор (5), который подает каждую из N микроволн в упомянутый ускоряющий блок (9) и выводит соответствующую микроволну, отраженную от вышеупомянутого ускоряющего блока (9), волновод (6) выборки отраженной волны, который выбирает соответствующую отраженную микроволну, чтобы получить отраженную волну, средство (8) автоматической фазовой синхронизации и стабилизации частоты, которое сравнивает и анализирует упомянутую падающую волну и упомянутую отраженную волну и генерирует синхросигнал для синхронизации характерной частоты упомянутого ускоряющего блока (9) с рабочей частотой каждого из упомянутых N блоков (2а, 2b) генерирования микроволнового энергетического уровня, и поглощающую нагрузку, которая поглощает отраженную волну, выведенную упомянутым циркулятором (5).
5. Ускоритель частиц многократного энергетического уровня с умножением частоты по п.3, отличающийся тем, что каждый из упомянутых блоков (13а, 13b) синхронизации содержит:
волновод (4а, 4b) выборки падающей волны, который выбирает микроволну, выданную из соответствующего блока (2а, 2b) генерирования микроволнового энергетического уровня, чтобы получить падающую волну, циркулятор (5а, 5b), который подает упомянутую микроволну в упомянутый блок (3) энергетического смешения и выдает микроволну, отраженную из упомянутого ускоряющего блока (9) через упомянутый блок (3) энергетического смешения, волновод (6а, 6b) выборки отраженной волны, который выбирает отраженную волну, чтобы получить отраженную волну, средство (8а, 8b) автоматической фазовой синхронизации и стабилизации частоты, которое сравнивает и анализирует упомянутую падающую волну и упомянутую отраженную волну и генерирует синхросигналы для синхронизации характерной частоты блоков (2а, 2b) генерирования микроволнового энергетического уровня с рабочей частотой соответственно упомянутого ускоряющего блока (9), и поглощающую нагрузку (7), которая поглощает отраженную волну, выданную упомянутым циркулятором.
6. Ускоритель частиц многократного энергетического уровня с умножением частоты по любому из пп.4 или 5, отличающийся тем, что упомянутое средство (8) автоматической фазовой синхронизации и стабилизации частоты содержит: регулируемый аттенюатор (13) для регулирования амплитуд упомянутой падающей волны и упомянутой отраженной волны и вывода падающего сигнала и отраженного сигнала, фазовый дискриминатор (14) для регулирования фаз упомянутого падающего сигнала и упомянутого отраженного сигнала и вывода первого напряжения и второго напряжения, предусилитель (15) для усиления разности между упомянутым первым и вторым напряжениями, чтобы вывести сигнал регулировки, сервоусилитель (16) для усиления упомянутого сигнала регулировки, чтобы вывести пусковой сигнал, и селектор (17) каналов для вывода упомянутого пускового сигнала под управлением управляющего сигнала к соответствующему блоку (2а, 2b, 2с) генерирования микроволнового энергетического уровня.
7. Ускоритель частиц многократного энергетического уровня с умножением частоты по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что упомянутый блок (1) генерирования импульсов энергетического уровня содержит единственный источник питания импульсами, который под управлением управляющего сигнала подает питание к упомянутым N блокам (2а, 2b, 2с) генерирования микроволнового энергетического уровня в режиме временного разделения.
8. Ускоритель частиц многократного энергетического уровня с умножением частоты по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что упомянутый блок (1) генерирования импульсов содержит N источников питания импульсами, которые под управлением управляющего сигнала подают соответственно питание к упомянутым N блокам (2а, 2b, 2с) генерирования микроволнового энергетического уровня в различные моменты времени.
9. Ускоритель частиц многократного энергетического уровня с умножением частоты по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что упомянутый блок (10, 11) генерирования луча частиц содержит электронный прожектор (10) для генерирования электронного луча и источник (11) питания электронного прожектора для подачи энергии на упомянутый электронный прожектор (10).
10. Ускоритель частиц многократного энергетического уровня с умножением частоты по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что упомянутый блок (3) энергетического смешения содержит (N-1) смешивающих контуров (а, b), каждый из которых имеет два входа и один выход (с), в которых разность длин между центральными дугами двух микроволновых траекторий от одного входа к другому равна кратному интеграла плюс половина длины волны канализирующей волны, причем разность длин между центральными дугами двух микроволновых траекторий от упомянутого одного входа к упомянутому выходу равна кратному интеграла длины волны канализирующей волны, и разность длин между центральными дугами двух микроволновых траекторий от упомянутого другого входа к упомянутому выходу равна кратному интеграла длины волны канализирующей волны.
11. Ускоритель частиц многократного энергетического уровня с умножением частоты, характеризующийся тем, что он содержит блок (1, 1a, 1b) генерирования импульсов энергетического уровня для генерирования N импульсных сигналов с тем же самым энергетическим уровнем, где N равно или больше 2, N блоков (2а, 2b, 2с) генерирования микроволнового энергетического уровня для генерирования под управлением управляющего сигнала N микроволн с тем же самым энергетическим уровнем, основанным соответственно на упомянутых N импульсных сигналах, блок (3, 3а, 3b, 3с) энергетического смешения, имеющий N входов и один выход, и для ввода соответствующей микроволны среди упомянутых N микроволн от каждого из упомянутых N входов, вывода упомянутых N микроволн от упомянутого одного выхода, блок (10, 11) генерирования луча частиц для генерирования N лучей частиц синхронно с упомянутыми N микроволнами и ускоряющий блок (9) для использования упомянутых N микроволн, чтобы соответственно ускорить упомянутые N лучи частиц.
12. Способ ускорения луча частиц, характеризующийся тем, что он включает операции генерирования N импульсных сигналов с различными энергетическими уровнями, где N равно или больше 2, генерирования соответственно N микроволн с различными энергетическими уровнями, основанными на упомянутых N импульсных сигналах, под управлением управляющего сигнала, использования блока энергетического смешения, имеющего N входов и один выход, для смешения упомянутых N микроволн, в котором соответствующая микроволна среди упомянутых N микроволны вводится от каждого из упомянутых N входов и упомянутые N микроволн выводятся из упомянутого одного выхода, генерирования N лучей частиц синхронно с упомянутыми N микроволнами и использования упомянутых N микроволн для соответствующего ускорения упомянутых N лучей частиц.
13. Способ ускорения луча частиц, характеризующийся тем, что он включает операции генерирования N импульсных сигналов того же самого энергетического уровня, где N равно или больше 2, генерирования соответственно N микроволн с тем же самым энергетическим уровнем, основанным на упомянутых N импульсных сигналах, под управлением управляющего сигнала, использования блока энергетического смешения, имеющего N входов и один выход для смешения упомянутых N микроволн, в котором соответствующая микроволна среди упомянутых N микроволн вводится от каждого из упомянутых N входов и упомянутые N микроволны выводятся из упомянутого одного выхода, генерирования N лучей частиц синхронно с упомянутыми N микроволнами и использования упомянутых N микроволн для соответствующего ускорения упомянутых N лучей частиц.
