Линейный ускоритель электронов

Изобретение относится к области физики и техники пучков заявленных частиц, конкретно к технике линейных ускорителей. Заявленный линейный ускоритель электронов может быть использован в области физики, медицины и радиационных технологий стерилизации медицинских изделий, рентгенографической инспекции крупногабаритных грузов, контроля толстостенных металлических объектов. Ускоритель содержит инжектор электронов, ускоряющий резонатор в виде бипериодической цепочки связанных ячеек, сверхвысокочастотный генератор, устройства вакуумной откачки, питания и управления. С целью использования ускорителя с СВЧ генераторами разной мощности без замены ускоряющего резонатора в ячейку ввода СВЧ мощности вводят плунжер для перестройки ее резонансной частоты, а размеры щели связи регулируются с помощью съемных контактных пластин. Техническим результатом является повышение надежности и срока службы, увеличение длительности непрерывной работы, возможность использования различных СВЧ источников для получения пучков электронов с различной мощностью. 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области ускорения заряженных частиц, конкретно к технике линейных ускорителей электронов. Оно может быть использовано для создания компактных сверхвысокочастотных ускорителей электронов с большой интенсивностью пучка, необходимых для исследований в области физики и радиационной химии, для радиационной терапии онкологических заболеваний, а также для радиационных технологий - стерилизации медицинских изделий и медицинских отходов, рентгенографической инспекции крупногабаритных грузов, контроля качества изготовления толстостенных металлических объектов.

Уровень техники

Линейные ускорители электронов часто применяются для получения пучков ускоренных электронов с энергиями порядка единиц или десятков мегаэлектронвольт (МэВ). В настоящее время имеется большая потребность в ускорителях интенсивных электронных пучков, предназначенных для радиационных технологий.

В частности, актуальной задачей является создание установок для радиационной стерилизации медицинских приборов и материалов с помощью ускоренных электронов. Обычно в таких установках энергия ускоренных электронов составляет от 5 до 10 МэВ, что обеспечивает получение достаточной глубины и равномерности просвечивания коробок с изделиями.

В последнее время большой интерес проявляется к созданию 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. Для таких комплексов также необходимы пучки ускоренных электронов с энергиями 5-10 МэВ.

Актуальной задачей является создание 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 позволит создавать установки для радиационной стерилизации медицинских изделий, которые могут располагаться в обычных помещениях в клиниках и на небольших предприятиях.

При указанных энергиях ускоренных электронов для надежной защиты персонала от радиации необходимо иметь толщину защиты, выполненной из стали, порядка 0,5 метра и даже больше. Такая защита может весить несколько десятков тонн. Поэтому размеры ускорителя имеют исключительную важность, которая может определять практическую целесообразность создания установки.

Обычно линейный ускоритель электронов содержит инжектор пучка электронов и сверхвысокочастотную (СВЧ) ускоряющую систему. Ускоритель содержит также СВЧ генератор, питающий ускоряющую систему, а также устройства для откачки объема ускорителя до высокого вакуума, водяного охлаждения резонатора, питания и управления. Как правило, ускорители для стерилизации и инспекции работают в импульсном режиме.

В качестве СВЧ ускоряющей системы в настоящее время обычно используется система со стоячей волной. Она представляет собой резонатор, содержащий бипериодическую структуру в виде цепочки связанных ячеек, расположенных на одной оси, в которой возбуждается стоячая π/2-волна. В резонаторе ускоряющие ячейки чередуются с ячейками связи, сдвиг фазы поля СВЧ волны между соседними ячейками равен π/2, а поля в ускоряющих ячейках являются противофазными. Эта бипериодическая структура имеет минимальные поперечные размеры по сравнению с другими известными структурами, что чрезвычайно важно для установки с локальной защитой.

В инжекторе электронов, как правило, используется термоэмиссионный катод. Чтобы уменьшить длину ускорителя, инжектор располагается непосредственно рядом с ускоряющим резонатором, так что между инжектором и первой ячейкой резонатора находится только разделительная стенка.

Разработка установок с локальной радиационной защитой стала возможной после создания компактного линейного ускорителя, в котором отсутствуют специальные устройства для фокусировки электронного пучка. В таком ускорителе группировка пучка электронов в сгустки, ускорение сгустков и фокусировка пучка осуществляются электромагнитным полем в резонаторе (см., например, Белугин В.М., Пироженко В.М., Розанов Н.Е., Симонов К.Г. «Источник проникающего излучения». Патент РФ №2245588 от 14.02.2003 и Андреев Н.В., Белугин В.М., Пироженко В.М., Розанов Н.Е. "Линейный ускоритель". Патент РФ №2392782). Ускоритель, описанный в патенте 2392782, можно рассматривать в качестве прототипа.

Предложенный ускоритель позволяет получить большую мощность электронного пучка и соответственно высокую производительность стерилизационной или инспекционной установки за счет введения в конструкцию ускорителя апертурного фильтра и постепенного или ступенчатого увеличения диаметра апертуры в дрейфовых трубках. Конструкция резонатора такого ускорителя и параметры электронного пучка рассчитываются исходя из мощности СВЧ генератора. Резонатор имеет заданную связь с волноводным трактом, которая определяется мощностью СВЧ потерь в резонаторе и нагрузкой пучком. Величина этой связи определяется размерами щели в ячейке ввода, а сама ячейка ввода, как и все остальные ячейки резонатора, должна быть настроена на рабочую частоту с большой точностью от 0,03% до 0,1% относительно рабочей частоты резонатора. Настройка ячейки ввода (как и остальных ячеек резонатора), включая подбор размера щели связи, производится механическим путем за счет изменения (проточки) тех или иных размеров. После изготовления резонатора (пайки ячеек в единое целое) в водородной печи в описанной конструкции ячейку ввода нельзя перестроить по частоте. Соответственно отсутствует возможность изменения величины связи резонатора с волноводным трактом после изготовления резонатора, что ограничивает возможность изменения вводимой в резонатор СВЧ мощности. В случае, например, использования более мощного СВЧ генератора с целью увеличения мощности пучка (а разработка и внедрение более мощных вакуумных приборов происходит постоянно) потребуется увеличить связь волновода с резонатором (увеличение щели связи). Увеличение щели связи понизит частоту ячейки ввода, соответственно изменится распределение электромагнитных полей в ячейках резонатора относительно оптимального и нарушится процесс ускорения электронного пучка, что приведет к увеличению потерь пучка электронов в процессе ускорения и уменьшения мощности электронного пучка. В этом случае, чтобы сохранить оптимальный процесс ускорения электронного пучка, потребуется замена ускоряющего резонатора.

Раскрытие изобретения

В настоящее время существует актуальная потребность в компактных линейных ускорителях электронов с большой мощностью электронного пучка и локальной радиационной защитой. Ускоритель, предназначенный для радиационных технологий, должен иметь высокую надежность и большой срок службы, включая большую длительность работы без остановок для замены вышедших из строя элементов, а также при смене СВЧ источника на более или менее мощный источник иметь возможность получать увеличение или уменьшение мощности ускоренного пучка электронов.

Проблема создания ускорителя с такими характеристиками может быть решена следующим образом. Линейный ускоритель электронов содержит инжектор пучка электронов, СВЧ ускоряющий резонатор, СВЧ генератор для питания ускоряющей системы, устройства вакуумной откачки, водяного охлаждения, электропитания и управления. Ускоряющий резонатор выполнен в виде бипериодической цепочки связанных ячеек, расположенных на одной оси и работающей на стоячей π/2-волне.

Ускоряющие ячейки резонатора имеют оптимальную, Ω-образную форму, которая включает закругленные внешние стенки и дрейфовые трубки на оси. Исключение может составлять ячейка ввода СВЧ мощности, которую из конструктивных соображений целесообразно делать в виде цилиндра.

Щель связи в ячейке ввода СВЧ мощности делают с запасом, а требуемый размер подбирают с помощью съемных пластин, СВЧ контакт которых с ячейкой обеспечивается с помощью винтов и контактных выступов на пластинах, расположенных вдоль узкой стенки волновода. Изменение частоты резонатора при изменении размеров щели связи с волноводом устраняется с помощью плунжера в виде металлического цилиндра, расположенного на цилиндрической стенке резонатора. При введении цилиндра внутрь ячейки он оттесняет силовые линии к оси ячейки и его действие эквивалентно уменьшению радиуса ячейки, происходит повышение резонансной частоты. Чтобы иметь возможность как повышать, так и понижать частоту ячейки, первоначальную настройку ячейки можно провести с плунжером, введенным в ячейку наполовину возможного перемещения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - Линейный ускоритель электронов. Вид в разрезе.

Осуществление изобретения

Линейный ускоритель электронов, показанный на фиг.1, содержит следующие устройства:

- инжектор электронов 1;

- ускоряющий резонатор 2;

- ячейка ввода СВЧ мощности 3;

- съемные пластины 4;

- подстроечный плунжер 5;

- сверхвысокочастотный генератор 6;

- устройства высоковольтного питания и управления 7.

Источник электронов (поз.1) представляет собой термоэмиссионный катод с нагревателем. Катод установлен на изоляторе и находится под высоким отрицательным потенциалом, который подается от устройств питания и управления.

Ускоряющий резонатор (поз.2) выполнен в виде бипериодической структуры связанных ячеек. Резонатор содержит группирующую секцию, в которой производится формирование и предварительное ускорение сгустков электронного пучка, следующих с частотой СВЧ колебаний, и ускоряющую секцию, в которой производится основное ускорение пучка электронов.

Основные ячейки группирующей и ускоряющей секций имеют оптимальную форму, в частности на оси сделаны дрейфовые трубки с целью концентрации электрического поля, а внешние стенки скруглены для уменьшения пути СВЧ токам. Такая форма обеспечивает высокую напряженность СВЧ ускоряющего поля, большой темп ускорения и минимальную мощность СВЧ потерь. Ячейки связи выполнены в форме плоских цилиндрических объемов. Ячейки имеют электромагнитную связь между собой с помощью окон связи в стенках.

Ячейка ввода СВЧ мощности (поз.3) имеет цилиндрическую форму и в цилиндрической стенке сделана прямоугольная щель. Эта щель частично перекрывается двумя контактными съемными пластинами, с помощью подбора размеров которых и получают требуемую величину связи с волноводным трактом.

На цилиндрической стенке ячейки ввода установлен подстроечный плунжер (поз.4), изменяя глубину погружения которого ячейка настраивается на рабочую частоту при изменении размеров щели связи с волноводом с помощью контактных съемных пластин.

СВЧ генератор (поз.6) присоединен к ячейке ввода СВЧ мощности (поз.3) с помощью волноводного тракта.

Линейный ускоритель работает следующим образом. От системы питания на катод инжектора подается высокое напряжение отрицательной полярности, создающее в зазоре "катод-анод" инжектора электрическое поле, которое вытягивает пучок электронов с катода, предварительно ускоряет, фокусирует его и подает в ускоряющий резонатор. СВЧ генератор с помощью волноводного фидера возбуждает в ячейках резонатора электромагнитное поле. Ячейки настроены за счет соответствующего выбора их геометрических размеров таким образом, что в резонаторе устанавливается стоячая π/2-волна, при которой электрические поля в соседних ускоряющих ячейках находятся в противофазе, а амплитуды полей соответствуют расчетному закону. Продольная составляющая электрического поля в первой ячейке ускоряет те электроны инжектируемого пучка, которые попали в положительную полуволну СВЧ колебаний. Продольные размеры ячеек и амплитуды полей в них подобраны таким образом, что в последующих ячейках резонатора электроны, захваченные в режим ускорения, постепенно повышают свою энергию и скорость. Одновременно радиальные составляющие электрического поля и азимутальные составляющие магнитного поля в ячейках группирователя производят фокусировку некоторой части электронного пучка и дефокусировку другой части. В результате этого некоторые электроны движутся вблизи оси, а некоторые постепенно отходят от нее, т.е. пучок постепенно расширяется. Вследствие того, что апертура канала ускорения также расширяется от начала к концу ускорителя, потери ускоряемого электронного пучка малы. Электроны, которые попали в отрицательную, тормозящую полуволну СВЧ колебаний в первой ячейке, останавливаются, рассеиваются в разные стороны.

Все ячейки ускоряющего резонатора должны быть с высокой точностью настроены на единую резонансную частоту, которая соответствует частоте питающего СВЧ генератора. Обычно требуемая точность настройки частоты ячеек составляет от 0,03% до 0,1%.

При замене питающего СВЧ генератора на генератор другой мощности за счет съемных контактных пластин, устанавливаемых на ячейку ввода, производится настройка величины связи генератора и резонатора, а за счет плунжера подстраивается частота ячейки ввода.

Внедрение данного изобретения позволяет обеспечить замену источника СВЧ мощности линейного ускорителя электронов с большей или меньшей выходной мощностью и получение оптимального режима ускорения без замены ускоряющего резонатора.

Линейный ускоритель электронов, содержащий инжектор пучка электронов с термоэмиссионным катодом, ускоряющий резонатор, выполненный в виде бипериодической цепочки связанных ячеек, сверхвысокочастотный генератор для питания ускоряющего резонатора, устройства вакуумной откачки, питания и управления, отличающийся тем, что в ячейке ввода СВЧ мощности установлен подстроечный плунжер, а щель связи частично перекрывается двумя съемными контактными пластинами.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в области физики частиц высоких энергий, промышленности, медицины и научных исследований. .

Изобретение относится к области физики пучков заряженных частиц и ускорительной техники, в частности к технологии ускорения электронов в импульсном линейном ускорителе с регулируемой энергией пучка, более конкретно к способу генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии и к конструкции линейного ускорителя электронов, предназначенного для досмотровых комплексов.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в линейных индукционных ускорителях сильноточных (более 1 кА) импульсных (менее 1 с) пучков электронов при их ускорении и/или транспортировке в протяженных (более 1 м) вакуумных трактах.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации электронных и ионных пучков микросекундной длительности с высокой частотой следования импульсов.

Изобретение относится к технике ускорителей для радиационных технологий с выводом электронов из корпуса ускорителя, которые могут быть использованы в новых плазменно-химических технологиях.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании резонансных ускорителей промышленного назначения. .

Изобретение относится к области технической физики, а именно к ускоряющим структурам линейных резонансных ускорителей ионов, и предназначено для ускорения легких ионов в малогабаритных транспортных генераторах нейтронов.

Изобретение относится к области технической физики, в частности к линейным индукционным ускорителям заряженных частиц, и может быть использовано для генерации нейтронных потоков.

Изобретение относится к ускорителю для ускорения заряженных частиц. Заявленное устройство содержит множество линий задержки, которые проходят к траектории луча и которые в направлении траектории луча размещены друг за другом, причем по меньшей мере некоторые из линий задержки по отношению к траектории луча повернуты относительно друг друга. Техническим результатом является оптимизация ускоряющего потенциала. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

Импульсный ионный ускоритель предназначен для получения мощных пучков заряженных частиц. Ускоритель содержит генератор импульсного напряжения (1) и установленные в корпусе основной и предварительный газовые разрядники (4, 7), двойную формирующую линию, средний электрод (3) которой соединен с генератором импульсного напряжения (1) и через основной газовый разрядник (4) с корпусом ускорителя, а также вакуумный полосковый диод, потенциальный электрод (6) которого соединен через предварительный газовый разрядник (7) с внутренним электродом (5) двойной формирующей линии. В заземленном электроде основного газового разрядника (4) установлен дополнительный запускающий электрод (12), соединенный через линию задержки (10) с выходом двойной формирующей линии. Технический результат - повышение стабильности напряжения пробоя основного газового разрядника в серии импульсов. 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области ускорительной техники. Система СВЧ-излучения с двумя трактами; при этом один тракт может быть напрямую соединен с ускорительной трубкой, а второй тракт может быть подведен к ускорительной трубке после того, как величина мощности СВЧ-излучения будет изменена устройством регулирования мощности, таким как аттенюатор, делитель мощности, компрессор импульсов или усилитель. Технический результат - быстрое переключение мощности, вводимой в ускорительную трубку, и регулирование выходной энергии ускорителем. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для получения мощных пучков заряженных частиц, которые используются для радиационно-пучкового модифицирования изделий из металлов с целью повышения их эксплуатационных характеристик. Ионный диод с магнитной самоизоляцией содержит потенциальный электрод (1), полосковый заземленный электрод (2), соединенный одной стороной с корпусом камеры, и установленный на заземленном электроде металлический экран (4), который выполнен замкнутым, коробчатой формы. При этом ширина потенциального электрода в 1,5-2 раза больше, чем ширина заземленного электрода. Технический результат - уменьшение расходимости ионного пучка, повышение плотности энергии МИП в фокусе и ее стабильности в серии импульсов. 8 ил.

Изобретение представляет собой способ генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии и источник для его осуществления с независимым регулированием мощности дозы излучения для каждой энергии. В основе источника лежит ускоряющая структура со стоячей волной, питаемая многолучевым клистроном. Поимпульсное переключение энергии ускоренного пучка электронов между двумя значениями достигается за счет переключения амплитуды импульса высокого напряжения, питающего клистрон от импульса к импульсу. При этом импульсы входной высокочастотной мощности клистрона для низкой и высокой энергии имеют одинаковую амплитуду и генерируются на одинаковой частоте, изменяющейся в соответствии с изменением резонансной частоты ускоряющейся структуры. Обеспечение требуемой мощности дозы осуществляется переключением от импульса к импульсу напряжения управляющего электрода электронной пушки. Технический результат - увеличение срока службы клистрона, повышение стабильности параметров ускоренного пучка для каждой энергии и снижение энергопотребления ускорителя частиц. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области физики и техники пучков заявленных частиц, конкретно к технике линейных ускорителей. Заявленный линейный ускоритель электронов может быть использован в области физики, медицины и радиационных технологий стерилизации медицинских изделий, рентгенографической инспекции крупногабаритных грузов, контроля толстостенных металлических объектов. Ускоритель содержит инжектор электронов, ускоряющий резонатор в виде бипериодической цепочки связанных ячеек, сверхвысокочастотный генератор, устройства вакуумной откачки, питания и управления. С целью использования ускорителя с СВЧ генераторами разной мощности без замены ускоряющего резонатора в ячейку ввода СВЧ мощности вводят плунжер для перестройки ее резонансной частоты, а размеры щели связи регулируются с помощью съемных контактных пластин. Техническим результатом является повышение надежности и срока службы, увеличение длительности непрерывной работы, возможность использования различных СВЧ источников для получения пучков электронов с различной мощностью. 1 ил.

Наверх