Высокочастотная система ускорителя со стоячей волной

а . (3 И СОЮЗ СОВЕТСОЦИАЛИСТИЧРЕСПУБЛИК И З(ж Н 05 Н,7 О 05 Н 9 О с ТОРСКОМУ огоизичеой т связи группируи УДАРСТВЕЙНЫЙ КОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРю)ТИЙ ПИСАНИЕ ИЭОБРЕ с(21) 3447529/18-21(71) Московский ордена ТрудовКрасйого Знамени инженерно-фский институт(56) 1, Ко 1 сЬ 1 Хг 1 еР ДонйЗ.Ьищб %пода, Зизаау Яаыайа О СоарасС 3 есСхоп31 пдс Оз 1 пд ЯЫе - ,сопр Фей Ыгцайцге.УарапР Уоцгпа 1 АРРХ 1 ед ИъувР 1973ч 12, У 3, р. 277-285,2. Вукулов В.Ф. ЛУЭ со стоячейволной и мостовой схемой питания длядеФектоскопии и медицины. - В кн.:Доклады 111 Всесоюзного совещанияпо применению ускорителей заряженныхчастиц в народном хозяйстве. Т,1Ленинград, 1979, с.186-195 (прототип),(54)(57) ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ СИС,ИИКУСКОРИТКЛЯ СО СТОЯЧКИ ВОЛНОИ, содеРжащая ВЧ-генератор, подключенный кнему Фазовращатель, к которому, всвою очередь, подключены через волноводные ответвители группирующиеи ускоряющие секции ускорителя, атакже аттенюатор и волноводную нагрузку, о т л и ч а ю щ а я с я тем,что, с целью увеличения тока ускоряю.щих частиц и сужения их энергетического спектра, все волиоводные ответвители выполнены в виде четырех плечевых мостов, которые включены пос- с ледовательно друг с другом, при этом первое плечо первого моста че рез Фазовращатель соединено с генератором, второе и третье плечи сое" динены с первой и второй группирующими секциями, а четвертое плечо через аттенюатор - с первым плечом второго моста, второе и третье плечи которого соединены с первой и втор ускоряющими секциями, а четвертое с входом третьего моста, при этом все последующие мосты включены ана" логично второвбР и третьему, а и чет вертое плечо послецнего моста включе на волнонодиая нагрузка, при этом вы 3 кщняются условияЯР.Рсс 2 Р-Р Рдо .;Я(й-к)-2 й-)(н-м-,где ф - коэФФициен ащих секций с плечаж перэого моста;- нованальная мощность ВЧ-ге,иераторауРо - номинальная потребляемая мощность группирующих сеций)к- коэФФициент связи каждойпары ускоряющих секций сплечами соединенного смостан -,общее число мостов 1Ка 1 2 ,И 1- номер пары ускорщих секций.вязи плеч где 3 р ощность ВЧ"гезокаждойкций сго с ней од- К 1 дй 65 щих с Изобретение относится к. ускорительной технике и может быть использовано при разработке ускорителейзаряженных частиц со стоячей волной,предназначенных для использования вдефектоскопии, в радиационной химии 5и медицине,Известна высокочастотная системаускорителя со стоячей волной, содержащая магнетрон и подключенную к нему через ферритовый циркулятор ускоряющего секцию,В известном устройстве Ферритовый циркулятор обеспечивает развязку, магнетрона от ускоряющей секции 1,Недостатком данного устройстваявляется наличие потерь мощности вферрите, что снижает КПД устройства,Наиболее близкой к предлагаемойянляется выСокочастотная системаускорителя со стоячей волной, содержащая ВЧ-генератор, подключенный кнему фазовращатель и подключенные кпоследнему через нолноводные ответнители группирующне .и ускоряющие секции ускорителя, а также аттенюатори волноводную нагрузку.В,известном устройстве группирователь питается от основного ВЧ-тракта через волноводный направленныйответвитель, а ускоряющие секции - спомощью волноводного моста, на входе которого устанонлен аттенюатор,позволяющий за счет регулированиявеличины подводимой к секциям мощности варьиронать в широких пределахэнергию ускоряемых электронов. Применение волноводного,моста вместоферритового вентиля или циркулятораимеет прежде всего то преимущество,что стабильность частоты питающегогенератора (магнетрона) существенно 40возрастает и уменьшаются потери ВЧмощности в волноводном тракте 2).Недостатком известной системыявляется то, что ВЧ"мощность заполняет высокодобротные резонаторные 45секции не сразу, а в результате переходного процессафоРрР,(,-Е Д )где Р - мощность, поступающая в резонаторы;Рр - установившееся значение;а,) нр - нагруженная добротность реэонаторной секции;коэфФициент связи с подводя щим волноводом;ф 0"рЯ- резонансная частота ренаторных секций.Таким образом, отраженная во вре)яя переходного процесса от резонавгорных секций мощность непроизводительно теряется, поглощается в волноводной нагрузке, что снижает общий КПД.Энергетические потери на перехВый процесс можно оценить Формуло РаЦаапотОЩи,откуда видно, что они особенно велики при больших добротностях (например, в случае сверхпроводящих резонаторов) и составляют существеннуюдолю при малых длительностях ВЧ-импульса. Кроме того, наличие электронов, ускоряющихся иа переднем и заднем фронтах огибающей ВЧ-импульса .в,секциях при неоптимальных значенияхускоряющих полей, приводит к тому,что ускоритель обладает относительно плохим энергетическим спектром.Цель изобретения - увеличение тока ускоряющих частиц и сужение ихэнергетического спектраПоставленная цель достигается тем, что в высокочастотной системе ускорителя со стоячей волной, содержащей ВЧ-генератор, подключенный к нему Фазовращатель, к которому, в свою очередь, подключены через волноводные отнетнители группирующие и ускоряющие секции ускорителя, а также аттенюатор и волноводную наг" рузку, все волноводные ответвители выполнены в виде четырех плечевых мостов, которые включены последовательно друг с другом, при этом первое плечо первого моста через Фаэовращатель соединено с генератором, второе и третье плечи соединены с перной и второй группирующими секциями, а четвертое плечо через аттенюатор: - с первым плечом второго моста, второе и третье плечи которого соединены с первой и второй ускоряющими секциями, а четвертое - с входом третьего моста, при этом все последующие мосты включены аналогично второму и третьему, а в четвертое плечо последнего моста включена волноводная нагрузка, при этом выполняются условия коэффициент с группищих секций с ами перго Моста;г - номинальная мнератора;р - номинальная потребляемаямощность группирующих сеций;- коэфФициент связипары ускоряющих сеплечами соединенномоста;8 -. общее число мостов;Н-(- номер пары ускоряюций.к= 2(,И-к)- (92 й На чертеже изображена предлагаемая высокочастотная система ускорителя со стоячей волной.Система содержит генератор 1 высокочастотной мощности (магнетрон), фазовращатель". 2 для выбора рабочей ,точки,группирующие резонаторные секции (группирователи) З,ускоряющие резонаторные секции 4,волноводные мосты 5, волноводную поглощающую нагрузку 6 и аттенюатор 7, Нумерация 10 плеч моста осуществлена от плеча, по которому проводится ВЧ-мощность по часовой стрелке.Система работает следующим образом, 15Мощность от генератора 1 через Фазовращатель 2 поступает на вход группирующих секций 3. Обычно группирователь 3 потребляет незначительную долю от общей величины подводимой мощности. Поэтому основная доля мощности отражается от группировате)ля 3, так как он имеет большое значе.ние коэффициента связи (режим пересвязи) 25 ю, Р,ьЯ"Я)о= рВ соответствии с этим резко убыстряется время переходного процесса по сравнению с работой в критическом режиме, так как он идет с постоянной времени4 нцОРо 1 огде о 1Для следующих за группирователем одинаковых ускоряющих секций 4 коэффициенты. связи каждой пары, присоединенных к одному ВЧ-мосту, соответст венно равны1 где М - число ВЧ-мостов; 45К 1, 2(Н) .Т,е, имеет и для них ускорение переходного процесса как за счет увеличения значения к, так и за счет того факта, что в начальной стадии переходного процесса величина падающей мощности превышает величину"падающей на ускоряющие резонаторные секции 4 мощности в установившемся режиме за счет отраженной от предыду.щих секций, Таким образом, даже в последних двух ускоряющих секциях 4 с1 имеем некоторое ускорение переходного процесса. Изготовление ускоряющих секций 4 с коэффициентами связи д , соответствующими приведенной вЫае формуле, обеспечивает равное деление мощности между всеми ускоряющими секциями 4, что приводит к уменьшению непроизводительных потерь ВЧ-мощности в волноводной поглощающей 5 нагрузке 6. Ьттенюатор 7 позволяетрегулировать в широких пределах выходную энергию ускоряемого лучка,что приводит к увеличению ускоряемо-го тока на выходе ускорителя засчет уменьшения потерь ВЧ-мощности.Кроме того, эа счет сокращения времени установления ускоряющих полейв резонаторных секциях 4 резко улучшается энергетический спектр, особенно путем исключения иэ процессаускорения электронов ускорявшихсяранее на заднем Фронте огибающейВЧ-импульса в резонаторах (теперьони отсекаются в результате быстрого спада значений ускоряющих полейв группирователе 3) . Для нормальнойработы ускорителя, чтобы было выпол нено условие синхрониэма ускоряемыхчастиц и ускоряющего электрическогополя, расстояние между центром последней ускоряющей ячейки одной ускоряющей секции 4 и первой-другой ускоряющих секций 4,присоединенных кодному ВЧ-мосту, равно3/4 (2)+3),где 9 - длина волны генератора,для двух соседних секций, присоедивенных к разным мостам3/2 (2 И+1),где и :0,1,2,а набег фазы волны в волноводе между этими соседними секциями 4 долженбыть равенЯ(2 п+1)Приведенные Формулы для выборакоэффициентов связи группирующих 3"и ускоряющих 4 секций с волноводомсправедливы только для нулевой нагрузки током, в случае же наличиянагрузки током эти значения соответствуют установившемуся режиму с учетом величины ускоряемого тока, вотсутствие же тока секции 3 и 4 нужно настраивать на связь(119) 1(1н6 Р)где ) - значение связи, вычисленноепо ранее приведенным Формулам для нулевой нагрузкитоком;1" ТТр )э - шунтовое сопротивление одноячейки;1 - величина ускоряемого токаР - величина мощности, поступающей в секцию;М - количество ячеек в секции .Включение только двух мостов какв прототипе, так и в базовом объекте,по каскадной схеме ускоряет примернов 17 раз переходный процесс в группирователе, что позволяет отсечьэлектроны, ускоряющиеся ранее назаднем фронте огибающей ВЧ-импульсав ускоряющих секциях, снизит на 301077066 Составитель В. Краснопольскийедактор Ю,Ковач ТехредЛ.Иикеш Корректоро О . Ти горю 783сударственногом изобретений и ква, Ж, Рауш каз 7 Подпиомитета СССРоткрытийкая наб д,тираж ВНИИПИ Р по дел 3035, Щоиал ППП Патентф, г.ужгород, ул.Проектна потери мощности в волноводной нагруз-,ке, что несколько увеличит величинуускоряемого тока, ширина же энергетического спектра на выходе ускорителя уменьшится в 3-4 раза. Применение трех мостов еще более уменьшит 5потери мощности и увеличит величинуускоряемого тока. При 45 мостахпотери мощности становятся совсемнезначительными. Это особенно ценнов случае высокодобротных резонаторов 10либо при использовании для работыкоротких ВЧ-импульсов, когда потерисоставляют существенную часть общей ,ВЧмощности . Таким образом, применение для питания резонаторных ускоряющих секций ВЧмостов, включенных каскадным методом, сводит до минимума потери ЭЧ-мощности, увеличивает величину ускоряемого тока,и резко улучшает энергетический спектр ускорителя. Стабилизацию высокочастотного гене- . ратора-магнетрона в системе можнолегко осуществить за счет неравного деления мощности первым волноводным ответвителем, Расположение аттенюатора в схеме после группирователя позволяет регулировать выходную энергию ускорителя в широких пределах.