Способ генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии и источник излучения для его осуществления
Владельцы патента RU 2610712:
Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория электронных ускорителей МГУ" (RU)
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.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области физики пучков заряженных частиц и ускорительной техники и, более конкретно, к способу генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии и источнику излучения для его осуществления с независимым регулированием мощности дозы для каждой энергии.
Уровень техники
Одно из направлений интенсивного развития ускорительной техники связано с созданием источников излучения на основе линейных ускорителей электронов с поимпульсным переключением энергии и тока ускоренного пучка, которые особенно необходимы в таможенных досмотровых комплексах. Применение в досмотровых комплексах источника излучения с переключением энергии от импульса к импульсу между двумя или более значениями обеспечивает возможность оценки материалов в составе досматриваемого объекта, разделения их по критерию органика-неорганика, а также распознавания групп материалов по эффективному атомному номеру. Подобными комплексами активно оснащаются границы, порты, критическая инфраструктура в различных странах мира.
Из уровня техники известны способ генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии и источник радиации для осуществления указанного способа генерации излучения, описанные в патенте RU 2452143 (С2), опубликованном 27.05.2012 г., большинство авторов которого также являются авторами настоящего изобретения.
Указанный известный способ генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии, заключается в:
последовательном снабжении первой входной высокочастотной мощностью и второй входной высокочастотной мощностью клистрона, при этом вторая входная высокочастотная мощность отличается от первой;
последовательном усилении клистроном первых высокочастотных импульсов, имеющих первую мощность и вторых высокочастотных импульсов, имеющих вторую мощность, отличную от первой мощности;
последовательной передаче первых и вторых импульсов высокочастотной мощности резонаторам одного и того же ускорителя частиц в виде близко расположенных во времени пар;
питании клистрона и катода электронной пушки первой электрической мощностью, одинаковой для первой входной высокочастотной мощности и для второй входной высокочастотной мощности;
последовательном питании управляющего электрода электронной пушки второй и третьей электрической мощностью, отличной от первой электрической мощности;
инжекции первого и второго пучков электронов в резонаторы ускорителя, при этом первый и второй пучки основаны, по меньшей мере, частично на второй и третьей электрических мощностях, отличных от первой электрической мощности;
последовательном ускорении инжектированных электронов до первой энергии и второй энергии, отличной от первой энергии, базирующихся, по меньшей мере, частично на первом и втором импульсах высокочастотной мощности; и
последовательном столкновении первых и вторых токов ускоренных частиц с тормозной мишенью для генерации излучения, имеющего первую и вторую различные энергии и первую и вторую различные соответствующие мощности дозы,
причем регулирование энергии от импульса к импульсу осуществляется регулированием уровня ускоряющего поля за счет изменения уровня выходной мощности высокочастотного источника одновременно с регулированием уровней первого и второго токов электронного пучка;
на низком и высоком уровнях энергии работа ускорителя осуществляется на одной и той же частоте;
в первой ячейке ускоряющей структуры осуществляют модуляцию скорости непрерывного электронного потока от электронной пушки, ускорение, фокусировку и дальнейшую группировку частично сгруппированного в сгустки потока осуществляют во второй ячейке;
высокочастотное напряжение Ug (уровня ускоряющего поля) на зазоре первой ячейки выбрано из условия обеспечения максимальной амплитуды первой гармоники тока пучка в центре зазора второй ячейки
где U0 - напряжение электрической мощности питания клистрона и катода электронной пушки и n=1, 2, 3, …;
уровень ускоряющего поля третьей ячейки равен уровню ускоряющего поля последующих ячеек; и
контроллер частоты управляет частотой СВЧ сигнала, формируемого синтезатором, входящим в состав возбудителя, на основании данных о режиме работы ускорителя и температуре охлаждающей жидкости.
Известный источник радиации для осуществления описанного выше способа генерации тормозного излучения включает в себя:
ускоряющую структуру со стоячей волной для ускорения электронов;
трехэлектродную электронную пушку, содержащую катод, анод и управляющий электрод, с возможностью переключения величины тока пучка от импульса к импульсу между двумя предустановленными значениями;
тормозную мишень, расположенную на выходе ускорителя, попадание ускоренных электронов на которую вызывает генерацию излучения;
систему высоковольтного питания, содержащую источник электрического напряжения управляющего электрода электронной пушки, обеспечивающий поимпульсное переключение тока пучка электронной пушки, и источник электрической мощности (модулятор) источника высокочастотной мощности;
систему высокочастотного питания, содержащую импульсный многолучевой усилительный клистрон для выборочного снабжения ускорителя, по меньшей мере, первыми и вторыми импульсами высокочастотной энергии, и возбудитель, поставляющий высокочастотную мощность клистрону и выполненный с возможностью переключения подаваемой мощности между двумя предустановленными значениями, от импульса к импульсу работы ускорителя, при одинаковой частоте генерируемых колебаний для обоих значений энергии;
контроллер ускорителя, включающий контроллер частоты; и
систему охлаждения.
Указанные известные способ генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии и источник радиации для его осуществления обладают целым рядом преимуществ перед аналогами, указанными в патенте RU 2452143 (С2). Известный источник на основе ускоряющей структуры со стоячей волной, питаемой компактным многолучевым клистроном с низким напряжением луча и фокусировкой постоянными магнитами, имеет локальную радиационную защиту и обеспечивает для каждой энергии малый диаметр пучка на тормозной мишени, высокий процент частиц, захваченных в режим ускорения, и малую ширину энергетического спектра. При этом, поимпульсное переключение величины энергии ускоренного пучка электронов между двумя значениями на одной и той же частоте достигается за счет переключения величины входной мощности клистрона от импульса к импульсу и, следовательно, выходной мощности клистрона и амплитуды поля в ускоряющей структуре. Тогда как обеспечение требуемой мощности дозы осуществляется посредством переключения от импульса к импульсу напряжения управляющего электрода электронной пушки и, следовательно, величины тока пучка, инжектированного в ускоряющую структуру. Таким образом, известные решения позволяют добиться упрощения и уменьшение габаритов источника радиации с поимпульсным переключением энергии, при повышении надежности его работы.
Вместе с тем, в указанных известных решениях были выявлены существенные недостатки, заключающиеся в реализованном здесь способе регулирования (переключения) энергии ускоренного пучка между двумя значениями. Как отмечено выше, в известных решениях регулирование энергии ускоренного пучка осуществляют посредством регулирования уровня выходной высокочастотной мощности клистрона, поставляемой ускоряющей структуре, за счет последовательного снабжения клистрона первой входной высокочастотной мощностью и второй входной высокочастотной мощностью, отличной от первой входной высокочастотной мощности. При этом первая электрическая мощность, поставляемая клистрону и катоду электронной пушки от источника энергии (модулятора), одинакова как для первой входной высокочастотной мощности, так и для второй входной высокочастотной мощности.
Сущность указанных недостатков заключается в следующем. Во-первых, электрическая мощность питания клистрона, т.е. первая электрическая мощность, одинаковая для обеих энергий ускоренного пучка электронов, выбирается таким образом, чтобы получить наибольшую выходную высокочастотную мощность клистрона, требуемую для ускорения пучка электронов до большей энергии из двух энергий ускоренного пучка. При этом указанная первая электрическая мощность оказывается избыточной для меньшей энергии ускоренного пучка и неизрасходованная часть электрической энергии бесполезно рассеивается в коллекторе клистрона, что приводит как к излишним затратам энергии, так и к снижению срока службы клистрона из-за излишнего отбора тока катода и излишней тепловой нагрузки коллектора. В таком режиме работы рабочая точка клистрона для меньшей энергии, из двух энергий ускоренного пучка, располагается на линейном участке его амплитудной характеристики, характеризующемся сильной зависимостью выходной высокочастотной мощности клистрона от входной высокочастотной мощности, как можно видеть на фиг. 1. Последнее обстоятельство снижает стабильность энергии ускоренного пучка и мощности дозы генерируемого тормозного излучения для импульса с низкой энергией.
Во-вторых, подача на катод электронной пушки импульсов неизменной первой электрической мощности означает, что величина высокого напряжения U0 питания катода электронной пушки в формуле оптимального группирования частиц первой ускоряющей ячейкой
является неизменной для получения и первого, и второго уровня ускоряющего поля (для первой и второй энергий ускоренного пучка), в то время как величина высокочастотного напряжения Ug на зазоре первой ячейки изменяется. Таким образом, условия оптимального группирования не выполняются в известных решениях либо для первой, либо для второй, либо для обеих энергий ускоренного пучка.
Необходимость устранения указанных выше недостатков решений предшествующего уровня техники легла в основу создания настоящей группы изобретений. При этом известные из патента RU 2452143 (С2) способ генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии и источник радиации для его осуществления являются наиболее близкими аналогами заявляемых изобретений и выбраны в качестве их прототипов.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения стало создание способа генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии и источника излучения для его осуществления на основе нового способа регулирования (переключения) энергии ускоренного пучка электронов между двумя значениями с устранением недостатков предшествующего уровня техники. А именно, задачей настоящего изобретения стало создание способа регулирования (переключения) энергии ускоренного пучка между двумя значениями с обеспечением оптимального для каждого значения энергии режима работы клистрона и увеличением, таким образом, стабильности параметров ускоренных пучков электронов для каждого значения энергии.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в увеличении срока службы клистрона, повышении стабильности параметров ускоренного пучка электронов для каждой энергии и снижении энергопотребления ускорителя частиц.
Поставленная в изобретении задача решается за счет того, что поимпульсное переключение энергии ускоренного пучка электронов между двумя значениями осуществляется посредством переключения амплитуды импульса высокого напряжения, питающего клистрон от импульса к импульсу. При этом импульсы входной высокочастотной мощности клистрона для низкой и высокой энергии генерируются на одинаковой частоте, изменяющейся в соответствии с изменением резонансной частоты ускоряющейся структуры, а обеспечение требуемой мощности дозы тормозного излучения осуществляется посредством переключения от импульса к импульсу напряжения управляющего электрода электронной пушки.
Предложенный новый способ поимпульсного переключения энергии ускоренного пучка электронов между двумя значениями за счет переключения амплитуды импульса высокого напряжения, питающего клистрон, позволяет обеспечить работу клистрона в оптимальном режиме для обоих указанных значений энергии. Таким образом, рабочая точка клистрона для обоих значений энергии располагается в области максимума амплитудной характеристики клистрона, как показано на фиг. 2, что повышает стабильность энергии ускоренного пучка и мощности дозы излучения при обоих значениях энергии. Выбор оптимальной электрической мощности питания клистрона для обоих значений энергии позволяет уменьшить затраты энергии, устраняя проблему подачи на клистрон избыточной части питания для меньшего значения энергии ускоренного пучка, ее рассеивания в коллекторе клистрона и соответствующего снижения срока службы клистрона. Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает выполнение условий оптимального группирования частиц первой ускоряющей ячейкой ускорителя для обоих значений энергии ускоренного пучка электронов. Таким образом, совокупность признаков изобретения в каждом из вариантов его осуществления, раскрытых ниже и представленных в пунктах формулы изобретения, обеспечивает решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата.
Более конкретно, поставленная в изобретении задача решается за счет нового способа генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии, заключающегося в:
последовательной подаче первых и вторых импульсов входной высокочастотной мощности от возбудителя на клистрон, питаемый электрической мощностью от системы высоковольтного питания;
последовательном усилении клистроном первых и вторых импульсов входной высокочастотной мощности с получением первых и вторых импульсов выходной высокочастотной мощности;
последовательной передаче первых и вторых импульсов выходной высокочастотной мощности клистрона резонаторам одного и того же ускорителя частиц в виде пар близко расположенных во времени импульсов;
последовательном питании, с помощью системы высоковольтного питания, управляющего электрода электронной пушки ускорителя первой и второй электрической мощностью питания управляющего электрода, отличной от электрической мощности питания клистрона, при этом питание катода электронной пушки осуществляют электрической мощностью питания клистрона;
инжекции в резонаторы ускорителя первого и второго пучков электронов, основанных, по меньшей мере, частично на первой и второй электрических мощностях питания управляющего электрода;
последовательном ускорении инжектированных пучков электронов ускорителем, работающим на одной и той же частоте, до первой энергии и второй энергии, отличной от первой энергии, основанных, по меньшей мере, частично на первом и втором импульсах выходной высокочастотной мощности клистрона; и
последовательном столкновении первых и вторых токов ускоренных пучков электронов с тормозной мишенью для генерации импульсов излучения, имеющих первую и вторую различные энергии и первую и вторую мощности дозы;
причем модуляцию скорости непрерывного электронного потока от электронной пушки ускорителя осуществляют в первой ячейке ускоряющей структуры, во второй ячейке частично сгруппированный в сгустки поток подвергают ускорению, фокусировке и дальнейшей группировке, высокочастотное напряжение Ug (уровень ускоряющего поля) на зазоре первой ячейки выбирают из условия обеспечения максимальной амплитуды первой гармоники тока пучка электронов в центре зазора второй ячейки
где U0 - напряжение электрической мощности питания клистрона и катода электронной пушки и n=1, 2, 3, …;
уровень ускоряющего поля третьей ячейки равен уровню ускоряющего поля последующих ячеек; и
частотой сигнала входной высокочастотной мощности от возбудителя управляют с помощью контроллера частоты на основании данных о режиме работы ускорителя и температуре охлаждающей жидкости,
и отличающегося тем, что
напряжение электрической мощности питания клистрона и катода электронной пушки (U0) переключают от импульса к импульсу между первым значением, подаваемым на клистрон одновременно с первым импульсом входной высокочастотной мощности, и вторым значением, подаваемым на клистрон одновременно со вторым импульсом входной высокочастотной мощности;
причем указанные первое и второе значения напряжения электрической мощности питания клистрона и катода (U0) выбирают таким образом, что при заданных первой и второй энергиях генерируемых импульсов излучения рабочая точка клистрона находится в области максимума амплитудной характеристики, как для первой, так и для второй энергий ускоренных пучков электронов, и напряжение на зазоре первой ускоряющей ячейки Ug дополнительно выбирают таким образом, что отношение U0/Ug остается по существу постоянным.
В предпочтительном варианте осуществления, переключение напряжения электрической мощности питания клистрона и катода электронной пушки от импульса к импульсу осуществляют посредством подачи на клистрон и катод пар близкорасположенных во времени импульсов высокого напряжения различной амплитуды, получаемых с использованием модулятора и одного высоковольтного источника электрического напряжения. В этом случае, необходимое соотношение амплитуд импульсов в указанных парах может быть получено посредством регулирования временного интервала между импульсами, определяющего степень компенсации разряда накопительных конденсаторов высоковольтным источником электрического напряжения.
В другом варианте осуществления переключение напряжения электрической мощности питания клистрона и катода электронной пушки от импульса к импульсу осуществляют посредством подачи на клистрон и катод пар близкорасположенных во времени импульсов высокого напряжения различной амплитуды, получаемых с использованием модулятора и двух высоковольтных источников электрического напряжения. Соответственно, для обеспечения необходимого соотношения амплитуд импульсов в указанных парах осуществляется регулировка величины напряжения на источниках.
Кроме того, поставленная в изобретении задача решается за счет нового источника для осуществления описанного способа генерации тормозного излучения. Указанный источник содержит:
ускоритель частиц, содержащий ускоряющую структуру со стоячей волной для ускорения электронов;
трехэлектродную электронную пушку на входе ускоряющей структуры, содержащую катод, анод и управляющий электрод и выполненную с возможностью переключения величины тока пучка электронов от импульса к импульсу между двумя заданными значениями;
тормозную мишень для генерации излучения, расположенную на выходе ускоряющей структуры;
систему высоковольтного питания, содержащую, по меньшей мере, один источник электрического напряжения и модулятор, для выборочно питания клистрона и катода электронной пушки электрической мощностью питания клистрона, и выборочного питания управляющего электрода электронной пушки ускорителя первой и второй электрической мощностью питания управляющего электрода, отличной от электрической мощности питания клистрона;
систему высокочастотного питания, содержащую импульсный многолучевой усилительный клистрон для выборочного снабжения ускорителя, по меньшей мере, первыми и вторыми импульсами выходной высокочастотной мощности, и возбудитель для подачи, по меньшей мере, первых и вторых импульсов входной высокочастотной мощности клистрону при одинаковой частоте генерируемых колебаний;
контроллер ускорителя, содержащий контроллер частоты для управления частотой входной высокочастотной мощности от возбудителя на основании данных о режиме работы ускорителя и температуре охлаждающей жидкости; и
систему охлаждения,
и отличается тем, что
возбудитель системы высокочастотного питания выполнен с возможностью подачи клистрону первых и вторых импульсов входной высокочастотной мощности с одинаковым уровнем мощности;
и тем, что система высоковольтного питания выполнена с возможностью переключения от импульса к импульсу напряжения электрической мощности питания клистрона и катода электронной пушки между первым значением, подаваемым на клистрон одновременно с первым импульсом входной высокочастотной мощности, и вторым значением, подаваемым на клистрон одновременно со вторым импульсом входной высокочастотной мощности.
В предпочтительном варианте осуществления упомянутая система высоковольтного питания содержит модулятор и по меньшей мере один высоковольтный источник электрического напряжения, выполненные с возможностью формирования пар близкорасположенных во времени импульсов высокого напряжения различной амплитуды и регулирования временного интервала между указанными импульсами для обеспечения необходимого соотношения амплитуд импульсов в парах.
В другом варианте осуществления, система высоковольтного питания содержит модулятор и по меньшей мере два высоковольтных источника электрического напряжения, выполненные с возможностью формирования пар близкорасположенных во времени импульсов высокого напряжения различной амплитуды. Упомянутый модулятор предпочтительно является твердотельным модулятором.
Далее, в предпочтительном варианте осуществления, ускоряющая структура содержит первую (группирующую) ячейку с низким уровнем ускоряющего поля, вторую ячейку (ускоряющую и фокусирующую) с высоким уровнем поля и третью и последующие (ускоряющие и фокусирующие) с самым высоким уровнем ускоряющего поля. При этом расстояние между центрами зазоров первой и второй ячеек обеспечивает попадание центра ускоряемого сгустка в максимум ускоряющего поля второй ячейки при сдвиге фазы поля между ячейками 180°.
Дополнительно, в этом варианте осуществления расстояние Lg между центрами зазоров первой и второй ячеек ускоряющей структуры определяется соотношением
где β0=ν0/c, ν0 - величина скорости электронного потока на входе в группирующую ячейку, λ - длина электромагнитной волны источника высокочастотной мощности в свободном пространстве, c - скорость света и n=1, 2, 3, …
Предпочтительно, чтобы фокусирующая система клистрона была выполнена на постоянных магнитах, а возбудитель состоял из синтезатора, твердотельного СВЧ усилителя и электронного аттенюатора на p-i-n диодах. Кроме того, ускоряющая структура и электронная пушка помещены в магнитный экран.
Согласно различным вариантам осуществления тормозная мишень может быть установлена на электронопроводе малого диаметра, а после нее может быть установлена ионизационная камера. Электронная пушка, ускоряющая структура с магнитным экраном, тормозной мишенью и ионизационной камерой предпочтительно устанавливаются внутри локальной радиационной защиты, которая может быть снабжена прорезью. В ускоряющей структуре может быть установлена петля связи.
Также в предпочтительном варианте осуществления, электронная пушка, ускоряющая структура и электронопровод с тормозной мишенью образуют единый вакуумный объем, изолированный от атмосферы с помощью высокочастотного вакуумного окна, установленного в волноводе, через который в ускоряющую структуру подают высокочастотную мощность. При этом, для поддержания высокого уровня вакуума в указанном вакуумном объеме в течение срока эксплуатации ускорителя на указанном волноводе может быть установлен геттерный насос, не требующий источника питания и подключенный к указанному объему через прорези в узкой стенке волновода.
Альтернативно или дополнительно, на волноводе может быть установлен электроразрядный насос, величина тока которого определяется уровнем вакуума в указанном объеме, который может быть соединен с указанным вакуумным объемом через прорези в узкой стенке волновода.
Краткое описание чертежей
Преимущества настоящего изобретения раскрываются ниже в подробном описании предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- на фиг. 1 представлена зависимость выходной высокочастотной мощности клистрона от входной высокочастотной мощности при постоянной амплитуде импульса высокого напряжения, питающего клистрон;
- на фиг. 2 проиллюстрировано изменение зависимости выходной высокочастотной мощности клистрона от входной высокочастотной мощности при изменении амплитуды импульса высокого напряжения, питающего клистрон;
- на фиг. 3 представлена блок-схема источника излучения согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения; и
- на фиг. 4 представлена временная диаграмма работы источника излучения согласно варианту осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
Далее описан предпочтительный вариант осуществления изобретения в источнике излучения на основе компактного ускорителя электронов для досмотровых комплексов с поимпульсным переключением уровня энергии тормозного излучения между двумя регулируемыми значениями и независимым регулированием мощности дозы для каждого значения энергии, блок-схема которого показана на фиг. 3. Большая часть компонентов описываемого источника излучения аналогична или по существу аналогична таковым в источнике радиации прототипа, поэтому для краткости такие компоненты описываются сокращенно, на функциональном уровне.
Как показано на фиг. 3, источник излучения содержит ускоритель частиц 1, систему высокочастотного питания 2, систему высоковольтного питания 3, систему охлаждения 4, контроллер ускорителя 5 и консоль управления 6.
Ускоритель частиц 1 включает в себя трехэлектродную электронную пушку 7 с катодом 8, анодом и управляющим электродом 9, соединенную через керамический изолятор с ускоряющей структурой 10 со стоячей волной. Ускоряющая структура 10 выполнена с возможностью ускорения пучка электронов 11 от электронной пушки 7 до определенной конечной энергии и фокусировки ускоренного пучка на тормозной мишени 12 для генерации тормозного излучения 14.
Как показано на фиг. 3, тормозная мишень 12 расположена в конце электронопровода 13, установленного на выходе ускоряющей структуры 10 и имеющего малый диаметр, существенно меньший диаметра ускоряющей структуры 10, что позволяет снизить размеры и вес радиационной защиты 17 ускорителя 1. Попадание ускоренного пучка 11 в центр тормозной мишени 12 обеспечено магнитным экраном 15, расположенным вокруг электронной пушки 2 и ускоряющей структуры 10, который снижает паразитные магнитные поля в электронной пушке 7 и ускоряющей структуре 10 до уровня, не превышающего уровень магнитного поля Земли. Дополнительно, поверх ускоряющей структуры 10 могут быть размещены корректирующие катушки 16 для подстройки положения пучка 11 на тормозной мишени 12. Для контроля мощности дозы тормозного излучения после тормозной мишени 12 установлена ионизационная камера 19. Уровень тормозного излучения во всей области вокруг тормозной мишени 12 за исключением рабочей зоны снижается до установленного значения с помощью радиационной защиты 17. Формирование пространственного распределения тормозного излучения 14 в рабочей зоне осуществляется с помощью прорези 18 в радиационной защите 17.
Ускоряющая структура 10 содержит первую (группирующую) ячейку с низким уровнем ускоряющего поля, вторую ячейку (ускоряющую и фокусирующую) с высоким уровнем поля, и третью и последующие ячейки (ускоряющие и фокусирующие) с самым высоким уровнем ускоряющего поля. В одной из ускоряющих ячеек структуры 10 установлена петля связи 20, предпочтительно, высокочастотная антенна, для контроля уровня высокочастотных потерь в стенках ускоряющей структуры 10 и, следовательно, для контроля уровня ускоряющего поля и энергии ускоренного пучка электронов. Расстояние между центрами зазоров первой и второй ячеек обеспечивает попадание центра ускоряемого сгустка в максимум ускоряющего поля второй ячейки при сдвиге фазы поля между ячейками 180°.
В частности, расстояние Lg между центрами зазоров первой и второй ячеек может определяться следующим соотношением:
где β0=ν0/c, ν0 - величина скорости электронного потока на входе в группирующую ячейку, λ - длина электромагнитной волны источника высокочастотной мощности в свободном пространстве, c - скорость света и n=1, 2, 3, …
Основным элементом системы высокочастотного питания 2 является импульсный многолучевой усилительный клистрон 25, обеспечивающий возбуждение СВЧ поля ускоряющей структуры 10 посредством выборочного снабжения ее, по меньшей мере, первыми и вторыми импульсами выходной высокочастотной мощности клистрона. Возбудитель 27, в свою очередь, предназначен для подачи на клистрон 25, по меньшей мере, первых и вторых импульсов входной высокочастотной мощности, которые имеют одинаковую амплитуду и одинаковую частоту колебаний. Кроме того, система высокочастотного питания 2 содержит волновод 21 с системой откачки 22 и разделительным вакуумным окном 23, размешенный между ускоряющей структурой 10 и волноводом 24, подсоединенным к клистрону 25 через ферритовое развязывающее устройство 26, систему подачи изолирующего газа 28 и датчик разряда 29.
Клистрон 25 предпочтительно работает с низким напряжением питания за счет использования многолучевой конструкции и выполнен компактным благодаря использованию фокусирующей системы на постоянных магнитах. Также клистрон 25 характеризуется большим коэффициентом усиления, что позволяет использовать возбудитель 27 со сравнительно низкой выходной мощностью, обеспечивающей возможность поддержания высокой стабильности частоты выходного сигнала. Величина выходной высокочастотной мощности клистрона 25 переключается от импульса к импульсу с требуемой частотой повторения, как описано ниже. Возбудитель 27 предпочтительно состоит из синтезатора, твердотельного СВЧ усилителя и электронного аттенюатора на p-i-n диодах.
Электронная пушка 2, ускоряющая структура 10 и электронопровод 13 с тормозной мишенью 12 образуют единый вакуумный объем, изолированный от атмосферы с помощью высокочастотного вакуумного окна 23, установленного между волноводами 21 и 24, через которые в ускоряющую структуру 10 поступают импульсы выходной высокочастотной мощности клистрона 25. Для поддержания высокого уровня вакуума в вакуумном объеме на волноводе 21 установлен геттерный насос, не требующий источника питания и осуществляющий откачивание указанного объема через прорези в узкой стенке волновода 21. Для контроля уровня вакуума и выработки сигналов блокировки при ухудшении вакуума на волноводе 21 также установлен электроразрядный насос, соединенный с вакуумным объемом через прорези в узкой стенке. Вместе, геттерный и электроразрядный насосы составляют систему откачки 22 поддерживающую рабочий вакуум в указанном вакуумном объеме, причем откачка вакуумного объема осуществляется, главным образом, геттерным насосом, тогда как электроразрядный насос используется для контроля уровня вакуума. Это позволяет быстро ввести источник излучения 1 в рабочий режим после длительного хранения, гарантирует стабильность параметров и надежность работы.
Для предотвращения высокочастотных пробоев волновод 24 и ферритовое развязывающее устройство 26 заполняются изолирующим газом с помощью системы подачи газа 28. В случае возникновения разряда на вакуумном окне 23, в волноводе 24 или ферритовом развязывающем устройстве 26 датчик разряда 29 вырабатывает сигнал блокировки, отключающий генерацию сигнала входной высокочастотной мощности возбудителем 27.
Охлаждение ускоряющей структуры 10, тормозной мишени 12, модулятора 30 и клистрона 25 осуществляется жидкостью с постоянной температурой, поступающей из устройства охлаждения 32 системы охлаждения 4. Температура и расход жидкости на входе и на выходе ускоряющей структуры 10 контролируется с помощью системы датчиков температуры и расхода жидкости 33.
Система высоковольтного питания 3 содержит высоковольтный модулятор 30 для питания клистрона 25 и катода 8 электронной пушки 7, а также источник электрической мощности 31 для питания управляющего электрода 9 электронной пушки 7. Кроме того, в разных вариантах осуществления, модулятор 30 дополнен одним или двумя высоковольтными источниками электрического напряжения (не показаны на чертежах).
Модулятор 30 с помощью, по меньшей мере, одного высоковольтного источника электрического напряжения, формирует сигнал электрической мощности питания клистрона 25 и катода 8 электронной пушки в виде пары близко расположенных во времени импульсов высокого напряжения с разной амплитудой. Таким образом, система высоковольтного питания 3 обеспечивает переключение напряжения электрической мощности питания клистрона 28 и катода 8 электронной пушки 7 от импульса к импульсу между первым и вторым значениями, соответствующими амплитудам указанных парных импульсов высокого напряжения.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения указанные пары импульсов высокого напряжения получают с использованием модулятора 30 и одного высоковольтного источника электрического напряжения. В этом случае необходимое соотношение амплитуд импульсов получают посредством регулирования временного интервала между импульсами в парах, определяющего степень компенсации разряда накопительных конденсаторов высоковольтным источником электрического напряжения.
В другом варианте осуществления указанные пары импульсов высокого напряжения получают с использованием модулятора 30 и двух высоковольтных источников электрического напряжения, величины напряжения на которых регулируют для обеспечения необходимого соотношения амплитуд импульсов в указанных парах. Оба указанных варианта осуществления в равной степени обеспечивают достижение преимуществ заявленного изобретения.
Источник электрической мощности 31 осуществляет последовательное питание управляющего электрода 9 электронной пушки 7 первой и второй электрической мощностью питания управляющего электрода, обеспечивая, таким образом, переключение величины напряжения на управляющем электроде 9 и, соответственно, поимпульсное переключение величины тока пучка электронов 11.
Изменение конечной энергии ускоренного пучка электронов 11 достигается регулировкой уровня ускоряющего поля в ускоряющей структуре 10 за счет изменения выходной высокочастотной мощности клистрона 25 посредством переключения напряжения электрической мощности питания клистрона 25 от импульса к импульсу, как описано выше. Предпочтительно, отношение максимально возможной и минимально возможной энергий ускоренного пучка электронов составляет не менее двух, а диаметр пучка на тормозной мишени 12 во всем диапазоне изменения энергии - не более 2 мм.
Контроллер ускорителя 5 осуществляет синхронизацию работы систем ускорителя частиц 1 и коммутацию сигналов блокировки между системами аналогично прототипу. В частности, контроллер ускорителя 5 содержит контроллер частоты для управления частотой сигнала выходной высокочастотной мощности возбудителя 27 на основании данных о режиме работы ускорителя 1 и температуре охлаждающей жидкости, получаемых от датчиков 33. Консоль управления 6 обеспечивает установку режимов работы и контроль работы систем источника излучения аналогично прототипу.
Описанный источник излучения предназначен для осуществления способа генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии согласно заявленному изобретению. Временная диаграмма работы данного источника излучения показана на фиг. 4, где τ - длительность импульса, T1 - расстояние между импульсами в паре импульсов, T2 - расстояние между парами импульсов. Функционирование данного источника излучения во многом аналогично работе источника радиации-прототипа, поэтому описано ниже кратко, с выделением отличительных особенностей способа генерации излучения согласно настоящему изобретению.
Показанные на фиг. 4 сигналы запуска и энергии формируются контроллером 5 ускорителя частиц 1 для синхронизации работы источника излучения и подаются в ускоритель частиц 1, систему высокочастотного питания 2 и систему высоковольтного питания 3, соответственно.
При приеме сигналов энергии и запуска в системе высоковольтного питания 3, модулятор 30 формирует сигнал электрической мощности питания клистрона 25 и катода 8 электронной пушки 7 в виде пары близко расположенных во времени импульсов высокого напряжения, амплитуды которых задаются принятым сигналом энергии. Таким образом, обеспечивается переключение напряжения электрической мощности (U0) питания клистрона 25 и катода 8 электронной пушки 7 от импульса к импульсу между первым и вторым значениями. На фиг. 4 сигнал электрической мощности питания клистрона и катода электронной пушки обозначен как «импульс модулятора».
Синхронно с этим источник электрической мощности 31 формирует первый и второй импульсы электрической мощности питания управляющего электрода 9 электронной пушки, отличающиеся от указанных парных импульсов электрической мощности питания клистрона 25 и катода 8 электронной пушки 7. На фиг. 4 импульсы электрической мощности питания управляющего электрода обозначены как «напряжение управляющего электрода».
В системе высокочастотного питания 2, в ответ на прием сигналов энергии и запуска, возбудитель 27 генерирует, на одной и той же частоте, первый и второй импульсы входной высокочастотной мощности клистрона одинаковой амплитуды, которыми последовательно снабжает клистрон 25, питаемый, как описано выше, парными импульсами электрической мощности от модулятора 30. На фиг. 4 импульсы входной высокочастотной мощности клистрона обозначены как «входной сигнал клистрона».
Таким образом, в отличие от прототипа, в настоящем изобретении подаваемая на клистрон 25 входная высокочастотная мощность остается неизменной по уровню, однако от импульса к импульсу меняется напряжения электрической мощности питания клистрона 25. Соответственно, клистрон 25 последовательно усиливает первые и вторые импульсы входной высокочастотной мощности с получением первых и вторых импульсов выходной высокочастотной мощности клистрона («выходной сигнал клистрона» на фиг. 4), различие амплитуд которых основано на переключении от импульса к импульсу напряжения электрической мощности питания клистрона 25 между первым значением, подаваемым на клистрон 25 одновременно с первым импульсом входной высокочастотной мощности, и вторым значением, подаваемым на клистрон 25 одновременно со вторым импульсом входной высокочастотной мощности. Далее, первые и вторые импульсы выходной высокочастотной мощности клистрона 25 последовательно передаются, через ферритовое развязывающее устройство 26, волновод 24, вакуумное окно 23 и волновод 21, резонаторам ускоряющей структуры 10 в виде пар близко расположенных во времени импульсов, возбуждая в структуре 10 ускоряющее поле. Малая задержка во времени между указанными импульсами (T1 на фиг. 4) может составлять, например, 500 мкс.
Одновременно с описанными операциями, при приеме сигналов энергии и запуска в ускорителе частиц 1, электронная пушка 7 формирует первый и второй пучки электронов и инжектирует их в резонаторы. Указанные первый и второй пучки электронов имеют отличающиеся уровни тока, которые задаются амплитудами первого и второго импульсов электрической мощности питания управляющего электрода, подаваемыми от источника электрической мощности 31. Инжектированные пучки электронов последовательно ускоряются до первой энергии и второй энергии, отличной от первой энергии, основанных, по меньшей мере, частично на первом и втором импульсах выходной высокочастотной мощности клистрона 25.
Более подробно, пучок электронов, проходя через ускоряющую структуру 10, взаимодействует с созданным в ней ускоряющим полем, формируется в сгустки, фокусируется и ускоряется до энергии, величина которой определяется уровнем ускоряющего поля. Уровень ускоряющего поля определяется импульсами подаваемой в ускоритель 1 выходной высокочастотной мощности клистрона 25, регулируемой за счет переключения напряжения электрической мощности питания клистрона, как описано выше. Первый импульс выходной высокочастотной мощности клистрона 25 совмещен по времени с первым импульсом тока пучка электронов электронной пушки 7, а второй импульс выходной высокочастотной мощности клистрона 25 совмещен со вторым импульсом тока пучка электронов электронной пушки 7.
Модуляцию скорости непрерывного электронного потока от электронной пушки осуществляют в первой ячейке ускоряющей структуры 10, во второй ячейке частично сгруппированный в сгустки поток подвергают ускорению, фокусировке и дальнейшей группировке, при этом высокочастотное напряжение Ug (уровень ускоряющего поля) на зазоре первой ячейки выбирают из условия обеспечения максимальной амплитуды первой гармоники тока пучка в центре зазора второй ячейки:
где U0 - напряжение электрической мощности питания клистрона и катода электронной пушки и n=1, 2, 3, …
Уровень ускоряющего поля третьей ячейки равен уровню поля последующих ячеек. При этом как на низком, так и на высоком уровне энергии ускоритель частиц 1 работает на одной и той же частоте, регулировку которой осуществляет контроллер частоты, посредством управления частотой сигнала входной высокочастотной мощности от возбудителя 27, как описано выше.
Ускоренные первые и вторые пучки электронов последовательно сталкиваются с тормозной мишенью 12, установленной на электронопроводе 13, в результате чего происходит генерация импульсов тормозного излучения 14, имеющих первую и вторую различные энергии и первую и вторую соответствующие мощности дозы.
Выбор первой и второй электрических мощностей питания управляющего электрода 9 и соответственно тока электронной пушки 7 обеспечивает по существу равные значения мощности дозы тормозного излучения для обеих энергий ускоренного пучка электронов, как показано на фиг. 4.
Выбор первого и второго значений напряжения электрической мощности (U0) питания клистрона 25 и катода 8 электронной пушки 7 осуществляют таким образом, что при заданных энергиях излучения рабочая точка клистрона 25 находится в области максимума амплитудной характеристики для обоих значений энергии ускоренного пучка электронов, например, как изображено на фиг. 2. Напряжение на зазоре первой ускоряющей ячейки Ug дополнительно выбирают таким образом, что отношение U0/Ug остается по существу постоянным.
Таким образом, при осуществлении способа генерации тормозного излучения согласно изобретению в предложенном источнике излучения обеспечивается поимпульсное переключение энергии ускоренных электронов и мощности дозы тормозного излучения, причем для обоих значений энергии обеспечивается оптимальный режим работы клистрона и выполнение условий оптимального группирования частиц первой ускоряющей ячейкой ускорителя.
Необходимо понимать, что описанные выше для примера варианты осуществления изобретения, хотя и являются предпочтительными, не ограничивают объем изобретения. После ознакомления с настоящим описанием специалисты в данной области техники могут предложить множество изменений и дополнений к описанным вариантам осуществления, все из которых попадают в объем патентной защиты изобретения, определяемый нижеследующей формулой изобретения.
1. Способ генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии, заключающийся в:
последовательной подаче первых и вторых импульсов входной высокочастотной мощности от возбудителя на клистрон, питаемый электрической мощностью от системы высоковольтного питания;
последовательном усилении клистроном первых и вторых импульсов входной высокочастотной мощности с получением первых и вторых импульсов выходной высокочастотной мощности;
последовательной передаче первых и вторых импульсов выходной высокочастотной мощности клистрона резонаторам одного и того же ускорителя частиц в виде пар близко расположенных во времени импульсов;
последовательном питании, с помощью системы высоковольтного питания, управляющего электрода электронной пушки ускорителя первой и второй электрической мощностью питания управляющего электрода, отличной от электрической мощности питания клистрона, при этом питание катода электронной пушки осуществляют электрической мощностью питания клистрона;
инжекции в резонаторы ускорителя первого и второго пучков электронов, основанных по меньшей мере частично на первой и второй электрических мощностях питания управляющего электрода;
последовательном ускорении инжектированных пучков электронов ускорителем, работающим на одной и той же частоте, до первой энергии и второй энергии, отличной от первой энергии, основанных по меньшей мере частично на первом и втором импульсах выходной высокочастотной мощности клистрона; и
последовательном столкновении первых и вторых токов ускоренных пучков электронов с тормозной мишенью для генерации импульсов излучения, имеющих первую и вторую различные энергии и первую и вторую мощности дозы;
при этом модуляцию скорости непрерывного электронного потока от электронной пушки ускорителя осуществляют в первой ячейке ускоряющей структуры, во второй ячейке частично сгруппированный в сгустки поток подвергают ускорению, фокусировке и дальнейшей группировке, высокочастотное напряжение Ug (уровень ускоряющего поля) на зазоре первой ячейки выбирают из условия обеспечения максимальной амплитуды первой гармоники тока пучка электронов в центре зазора второй ячейки
,
где U0 - напряжение электрической мощности питания клистрона и катода электронной пушки и n=1, 2, 3, …;
уровень ускоряющего поля третьей ячейки равен уровню ускоряющего поля последующих ячеек; и
частотой сигнала входной высокочастотной мощности от возбудителя управляют с помощью контроллера частоты на основании данных о режиме работы ускорителя и температуре охлаждающей жидкости,
отличающийся тем, что
напряжение электрической мощности питания клистрона и катода электронной пушки (U0) переключают от импульса к импульсу между первым значением, подаваемым на клистрон одновременно с первым импульсом входной высокочастотной мощности, и вторым значением, подаваемым на клистрон одновременно со вторым импульсом входной высокочастотной мощности;
причем указанные первое и второе значения напряжения электрической мощности питания клистрона и катода (U0) выбирают таким образом, что при заданных первой и второй энергиях генерируемых импульсов излучения рабочая точка клистрона находится в области максимума амплитудной характеристики как для первой, так и для второй энергий ускоренных пучков электронов, и напряжение на зазоре первой ускоряющей ячейки Ug дополнительно выбирают таким образом, что отношение U0/Ug остается по существу постоянным.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что переключение напряжения электрической мощности питания клистрона и катода электронной пушки от импульса к импульсу осуществляют посредством подачи на клистрон и катод пар близкорасположенных во времени импульсов высокого напряжения различной амплитуды, получаемых с использованием модулятора и одного высоковольтного источника электрического напряжения, причем необходимое соотношение амплитуд импульсов в парах получают посредством регулирования временного интервала между указанными импульсами, определяющего степень компенсации разряда накопительных конденсаторов высоковольтным источником электрического напряжения.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что переключение напряжения электрической мощности питания клистрона и катода электронной пушки от импульса к импульсу осуществляют посредством подачи на клистрон и катод пар близкорасположенных во времени импульсов высокого напряжения различной амплитуды, получаемых с использованием модулятора и двух высоковольтных источников электрического напряжения, величины напряжения на которых регулируют для обеспечения необходимого соотношения амплитуд импульсов в указанных парах.
4. Источник излучения для осуществления способа генерации тормозного излучения по любому из пп. 1-3, содержащий:
ускоритель частиц, содержащий ускоряющую структуру со стоячей волной для ускорения электронов;
трехэлектродную электронную пушку на входе ускоряющей структуры, содержащую катод, анод и управляющий электрод и выполненную с возможностью переключения величины тока пучка электронов от импульса к импульсу между двумя заданными значениями;
тормозную мишень для генерации излучения, расположенную на выходе ускоряющей структуры;
систему высоковольтного питания, содержащую по меньшей мере один источник электрического напряжения и модулятор, для выборочно питания клистрона и катода электронной пушки электрической мощностью питания клистрона и выборочного питания управляющего электрода электронной пушки ускорителя первой и второй электрической мощностью питания управляющего электрода, отличной от электрической мощности питания клистрона;
систему высокочастотного питания, содержащую импульсный многолучевой усилительный клистрон для выборочного снабжения ускорителя по меньшей мере первыми и вторыми импульсами выходной высокочастотной мощности, и возбудитель для подачи по меньшей мере первых и вторых импульсов входной высокочастотной мощности клистрону при одинаковой частоте генерируемых колебаний;
контроллер ускорителя, содержащий контроллер частоты для управления частотой входной высокочастотной мощности от возбудителя на основании данных о режиме работы ускорителя и температуре охлаждающей жидкости; и
систему охлаждения,
отличающийся тем, что
возбудитель системы высокочастотного питания выполнен с возможностью подачи клистрону первых и вторых импульсов входной высокочастотной мощности с одинаковым уровнем мощности;
и тем, что система высоковольтного питания выполнена с возможностью переключения от импульса к импульсу напряжения электрической мощности питания клистрона и катода электронной пушки между первым значением, подаваемым на клистрон одновременно с первым импульсом входной высокочастотной мощности, и вторым значением, подаваемым на клистрон одновременно со вторым импульсом входной высокочастотной мощности.
5. Источник по п. 4, отличающийся тем, что система высоковольтного питания содержит модулятор и один высоковольтный источник электрического напряжения, выполненные с возможностью формирования пар близкорасположенных во времени импульсов высокого напряжения различной амплитуды и регулирования временного интервала между указанными импульсами для обеспечения необходимого соотношения амплитуд импульсов в указанных парах.
6. Источник по п. 4, отличающийся тем, что система высоковольтного питания содержит модулятор и два высоковольтных источника электрического напряжения, выполненные с возможностью формирования пар близкорасположенных во времени импульсов высокого напряжения различной амплитуды.
7. Источник по п. 4, отличающийся тем, что ускоряющая структура содержит первую (группирующую) ячейку с низким уровнем ускоряющего поля, вторую ячейку (ускоряющую и фокусирующую) с высоким уровнем поля, третью и последующие (ускоряющие и фокусирующие) с самым высоким уровнем ускоряющего поля, при этом расстояние между центрами зазоров первой и второй ячеек обеспечивает попадание центра ускоряемого сгустка в максимум ускоряющего поля второй ячейки при сдвиге фазы поля между ячейками 180°.
8. Источник по п. 7, отличающийся тем, что расстояние Lg между центрами зазоров первой и второй ячеек определяется соотношением
,
где β0=v0/c, v0 - величина скорости электронного потока на входе в группирующую ячейку, λ - длина электромагнитной волны источника высокочастотной мощности в свободном пространстве, с - скорость света и n=1, 2, 3, …
9. Источник по п. 4, отличающийся тем, что фокусирующая система клистрона выполнена на постоянных магнитах.
10. Источник по п. 4, отличающийся тем, что указанный возбудитель состоит из синтезатора, твердотельного СВЧ усилителя и электронного аттенюатора на p-i-n диодах.
11. Источник по п. 4, отличающийся тем, что указанные ускоряющая структура и электронная пушка помещены в магнитный экран.
12. Источник по п. 4, отличающийся тем, что указанная тормозная мишень установлена на электронопроводе малого диаметра.
13. Источник по п. 4 или 12, отличающийся тем, что после указанной тормозной мишени установлена ионизационная камера.
14. Источник по п. 11, отличающийся тем, что указанные электронная пушка и ускоряющая структура с магнитным экраном установлены внутри локальной радиационной защиты.
15. Источник по п. 13, отличающийся тем, что указанные электронная пушка и ускоряющая структура с тормозной мишенью и ионизационной камерой установлены внутри локальной радиационной защиты.
16. Источник по п. 14 или 15, отличающийся тем, что указанная локальная радиационная защита снабжена прорезью.
17. Источник по п. 4, отличающийся тем, что в указанной ускоряющей структуре установлена петля связи.
18. Источник по п. 12, отличающийся тем, что указанные электронная пушка, ускоряющая структура и электронопровод с тормозной мишенью образуют единый вакуумный объем, изолированный от атмосферы с помощью высокочастотного вакуумного окна, установленного в волноводе, через который в ускоряющую структуру подают высокочастотную мощность.
19. Источник по п. 18, отличающийся тем, что на указанном волноводе установлен геттерный насос для поддержания высокого уровня вакуума в указанном вакуумном объеме, не требующий источника питания и подключенный к указанному объему через прорези в узкой стенке волновода.
20. Источник по п. 18 или 19, отличающийся тем, что на указанном волноводе дополнительно установлен электроразрядный насос, величина тока которого определяется уровнем вакуума в указанном объеме, соединенный с указанным вакуумным объемом через прорези в узкой стенке указанного волновода.
21. Источник по п. 4, отличающийся тем, что указанный модулятор является твердотельным модулятором.
