Ускоряющая система

А СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 09) (11) 11 Н 05 Н 9/О ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ТОРСКОМУ ЕЛЬСТ а 3 ф ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Московский ордена ТрудовогоКрасного Знамени инженерно-физический институт(56) 1. Викулов В,Ф. и др, ЛУЭ состоячей волной и мостовой схемой питания для дефектоскопии и медицины.Доклад 6 Всесоюзн.совещ, по применению ускорителей, Т.1, Л., 1979,с. 186-195,2. Викулов В.ф. и др. Раэработкзапуск и испытания компактного ЛУЭсо стоячей волной. - "Вопросы атомной науки и техники". Сер. "Техн,физ, экспер.", вып. 2(4). Харьков,1979, с. 3-5 (прототип).(54)(57) УСКОРЯЮЩАЯ СИСТЕМА ускорителя со стоячей волной, состоящаяиз набора ускоряющих ячеек связи,расположенных через одну друг за другом и имеющих щели связи в общихстенках, причем на концах системыпомещены ускоряющие ячейки, и, крометого, к одной из ускоряющих ячеекподведен волновод, о т л и ч а ю -щ а я с я тем, что, с целью расширения диапазона регулирования энергии ускоряемых частиц на выходе установки и уменьшения ее габаритов, первая ячейка связи выполнена в виде1,закороченного с двух сторон подвижными дроссельными поршнями прямоугольного волновода и имеет с первойускоряющей. ячейкой общую щель связи,расположенную в широкой центре стенки волновода поперек его продольного направления вблизи боковой стенки этой ускоряющей ячейки, а с второй ускоряющей ячейкой - две щелисвязи в широкой стенке волновода,расположенные симметрично относи;тельно оси симметрии ускоряющейячейки вдоль направления волноводавблизи его узких стенок.817 2атации таких установок, а именно,составляет обычно (0,5-1) от номинального значения выходной энергии.Целью изобретения является расширение диапазона регулирования энергии ускоряемых частиц на выходеустановки и уменьшение ее габаритов,Указанная цель достигается тем,что в ускоряющей системе ускорителя со стоячей волной, состоящей изнабора ускоряющих ячеек и ячеек связи, расположенных через одну друг задругом и имеющих щели связи в общих,стенках, причем на концах системыпомещены ускоряющие ячейки, и, кроме того, к одной из ускоряющих. ячеекподведен волновод, первая ячейкасвязи выполнена в виде закороченного с двух сторон подвижными дроссельными поршнями прямоугольноговолновода и имеет с первой ускоряющей ячейкой общую щель связи, расположенную в центре широкой стенки волновода поперек его продольного направления вблизи боковой стенкиэтой ускоряющей ячейки, а с второйускоряющей ячейкой - две щели связив широкой стенке волновода, расположенные симметрично относительно осисимметрии ускоряющей ячейки вдольнаправления волновода вблизи егоузких стенок.На фиг. 1 изображена ускоряющаясистема ускорителя со стоячей волной,выполненная на основе биопериодической замедляющей системы (БЗС)с внутренними ячейками связи нафиг. 2 - сечение А-А на фиг.1; нафиг, 3 - сечение Б-Б на фиг.Система содержит ускоряющией ячейки 1-4, ячейки 5-8 связи. Ячейка связи 5 представляет собой отрезок прямоугольного волновода, закороченный на концах двумя подвижными дроссельными поршнями 9 и 10. Мощность вускоряющую секцию подводится с помощью волновода 11. Ячейки связаныдруг с другом посредством щелей 12и 13 связи.Система работает следующим образом. 1 1081Изобретение относится к. ускорительной технике, а точнее к устройству ускоряющих систем ускорителейсо стоячей волной, предназначенныхдля научных исследований и находящих применение в различных областях народного хозяйства, где требуются экономичные и простые в эксплуатации мощные источники ионизирующихизлучений, например дефектоскопия ,1 Отолстостенных металлических изделий,радиационная терапия злокачественныхопухолей, радиационная химия и т,д.Известны ускорители со стоячейволной на небольшую энергию, в кото. 15рых йроизводится регулировка выходной энергии ускоряемых частиц, чтосущественно расширяет диапазон приме"нения таких установок, за счет варьи"рования величины мощности, поступаю- .2 Ощей в ускоряющие резонаторные секц и.Однако в таких установках, выполненных по одно- или двухсекционнойсхеме, диапазон регулировки энергии . 25составляет всего около 35 Ж от номинального значения. Это связано стем, что при сильном изменении величин ускоряющих полей в группирователе одновременно с ускоряющими секция- ЗОми нарушается динамика пучка электронов и он выпадает из процесса ускорения. Кроме того, в режимах, отличных от номинального, существенноухудшаются выходные спектральныехарактеристики ускорителей,35Наиболее близкой к изобретению потехнической сущности является ускоряющая система, состоящая из набораускоряющих ячеек и ячеек связи расЭ40положенных через одну друг за другоми имеющих щели связи в общих стенках, причем на концах системы помещены ускоряющие ячейки, и, крометого, к одной из ускоряющих ячеекподведен волновод 12 .451Недостатками известной системыявляются ее громоздкость и сложность ВЧ тракта, вызванная многосекционной структурной схемой ускоряющей системы, что вынуждает приниматьдополнительные меры для обеспечениястабильной работы ВЧ генератора(магнетрона) на высокодобротнуюрезонаторную нагрузку, Кроме того, 55диапазон перестройки выходной энергии электронов оказывается частонедостаточным для эффективной эксплуВысокочастотная мощность проходит от ВЧ генератора через ВЧ тракт и с помощью подводящего волновода 11 попадает в ускоряющую ячейку 4. Вся ускоряющая система возбуждается на рабочей частоте на и /2 в видеМеи где номер ячей д и.ками; 30С,), Рн- параллельная проводимость .и последовательное сопротивление щелина единицу длины, (-"120 ч Ом;К - волновое число;6 - ширина щели;- толщина стенок щели; и - длина щели вдоль средней линии, где (1 - уголраствора щели.Отсюда следует, что если передвигать дроссельные поршни 9 и 1 О в ячейке 5 связи таким образом, чтобы рабочая частота этой ячейки не меня лась и соответствовала виду колебанийОН , то при этом происходит изменение величины электрического поля на оси ускоряющей ячейки,1 по отношению к другим ускоряющим ячейкам. Это происходит потому, что распределение электромагнитного поля при возбужде-. нии ячейки 5 связи на рабочем видем Цколебании Н о, а также форма и расположение щелей 12 и 13 связи, связы.55 вающих ее с ускоряющими ячейками 1 и 2 таковы, что передвижение дроссельных поршней 9 и 10 приводит к К 2 Е с40КиК1 М -и К 3 1 колебаний, при этом в ускоряющих ячейках 1 - 4 присутствует электромагнитное поле, а в ячейках 5 - 8 связи оно практически равно нулю, Отношение величины ускоряющих электрических полей на осях двух соседних ускоряющих ячеек 1 и 2, связанных с помощью щелей 12 и 13 связи в торцовых стенках с одной ячейкой связи 5 оценивают по формуле 0818174изменению величины магнитного поляв ячейке 5 в районе щели 12 связи,практически оставляя без изменения;величину магнитного поЛя.в районещелей 13 связи. Это связано с тем,что длина щелей 12 и 13 связи значительно превосходит их ширину и основной вклад в возбуждение соседнихускоряющих ячеек вносят компоненты 10 магнитного поля, направленные вдольпродольного размера щелей 12 и 13связи, при этом перемещение дроссельных поршней 9 и 10 приводит к изменению значений величин этих компонентов в районе щелей связи по синусоидальному закону, с той разницей,что щели 13 связи расположены в максимуме синусоиды, где градиент поля. вдоль направления перемещения мини (мален, а щель 12 связи расположенана спадающей части синусоиды, гдеградиент поля максимален. При этомдисперсионное уравнение для такойсистемы, состоящей из ускоряющих 25 ячеек и ячеек связи имеет вид 4 2 М 12 Ь Н 2, (г )к= к, 1+(-)-В Е Н 2 дЧ фч, н), м 11 м(, (м) нф, (г )1СВ/ Н 2 (1 Ч / Н 2 Щэч иК - волновое число;Е - частота;- скорость света;2- собственные волновые числа.соответственно ускоряющихи ячеек связи со щелями связи (щели не закорочены) приусловии, что в соседнихячейках поля отсутствуют;К, - коэффицйент связи между соседними ячейками;фазовый сдвиг на ячейку;0собственные волновые числаускоряющих и ячеек связи призакороченных щелях связи; Н и Н - амплитуды собственных магнит.Н 3ных полей ячеек;г - расстояние щели связи от осиускоряющей системы;Ч,( и " - объемы ускоряющих и ячеексвязи,10818173Собственные волновые числа К, и К однозначно определяют собственные частоты ячеек со щелями связи, которые равны рабочей частоте. Форма и расположение щелей 13 связи позволя ет сохранить примерно постоянной величиныН ЙЧ. Перемещение дроссельных поршней 9 и 10 приводит к изменению величины Н, (г), но тем не менее величина К остается посто2янной за счет неравномерного перемещения дроссельных поршней 9 и 10 друг друг относительно друга, что вызывает изменение величины К 1, оставляя величину К неизменной. Собственная 15 частота ускоряющей ячейки 1, как и ячейки 2, при перемещении поршней не меняется, так как соотношение Н (г )/ Н ЙЧ остается постоян ным., Таким образом, достигается пос тоянство величин К и К 2 при изменении значения К в результате изме. нения Н, (г), что приводит к изменению величины ускоряющего электрического поля на оси ячейки 1, причем значение напряженности поля регулируется в широких пределах. Изменение величины поля в ячейке 1 приводит к тому, что формирующиеся в ней сгустки заряженных частиц в 30 дальнейшем проходят центры следующих ускоряющих ячеек 2-4 в фазах, отличных от фазы электрического поля, соответствующей максимальному набору энергии электронами на выходе установки, В результате величина кинетической энергии частиц на выходе установки зависит от значения ускоряющего поля в ячейке 1 или, в конечном счете, от положения дроссельных 4 б поршней 9 и 10 в ячейке 5, Для .определения величины выходной энергии электронов при варьировании величины электрического поля в ячейке 1 и для оптимизации геометрических 45 размеров ячеек 1, 2 и 5 с целью получения наиболее приемлемых выходных характеристик ускорителя во всем диапазоне регулировки используется программа, осуществляющая численное интегрирование уравнения движения электрона в ВЧ полях БЗС с внутренними ячейками связиЧ /сг Е 80 ЧЙ МЧ Е 11: 5 где е - заряд электрона;ш - его масса покоя; Фвремя,с - скорость света;7 - скорость электрона;И - абсолютная магнитная проницаемость;Е и Н - ВЧ поля, статические элект. - рические и магнитные поля фокусирующие или создаваемые другими частицами пучка, ВЧ поля, взаимодействующие с ускоряемыми электронами на всей длине ускоряющей системы, задавались в табличном виде. Их значения получены из расчетов собственных параметров отдельных ячеек БЗС. Данная программа позволяет в каждом конкретном случае определить геометрические размеры ячеек БЗС, которые обеспечат требуемые выходные характеристики ускорителя при сохранении оптимального энергетического спектра. Таким образом имеем простой, компактный и надежный механизм перестройки величины выходной энергии в ускорителях электронов со стоячей волной. При этом внутри ускоряющей системы электромагнитная энергия перераспределяется только между ускоряющими ячейками, а резонаторная секция практически оказывается согласованной с ВЧ генератором во всем диапазоне перестройки выходной энергии электронов, что приводит к устойчивой работе магнетрона без принятия дополнительных мер. Использование предлагаемой системы возможно и для других целей, например применение нескольких ячеек связи такой конструкции позволяет получить ускоряющую структуру с регулируемым распределением ускоряющего поля по длине системы, что существенно расширит возможности ускорителей электронов со стоячей волной, так как позволит оптимизировать их параметры в каждом конкретном случае для определенной величины ускоряемого тока и зна- чения подводимой ВЧ мощности.1Опытное макетирование полностью подтвердило работоспособность предлагаемой ускоряющей системы. В такой системе возможно варьирование выходной энергии ускоряемых частиц в диапазоне (0,2-1) от номинального значения при сохранении приемлемых характеристик пучка. По сравнению с известным устройством диапазон регулирования выходной энергии ускоряемых электронов увеличился на 6071081817 7при этом значительно упростилась ВЧ система установки, так как не требуется секционировать ускоряющую систему, что приводит к существенному сокращению подводящего ВЧ тракта, кроме того, устраняется громоздкий аттенюатор, В результате улучшаются условия работы ВЧ генератора (магнетрона), так как в этом случае менее жесткие требования 10 предъявляются к ВЧ параметрам ускоряющей системы.,Таким образом, применение предлагаемой ускоряющей системы в линей ных ускорителях со стоячей волной на малую энергию существенно увеличивает диапазон варьирования выходной энергии ускоряемых частиц по сравнению с извечной. Это улучшает эксплуатационные характеристики ускорителей, при этом происходит упрощение ВЧ системы установки и уменьшаются ее габариты,1081817 Б-Б иг 8/53 Тираж 783ВНИИПИ Государственного комитета СССпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д акаэ 15 одписное Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Составитель А. Нестеровичедактор И. Шулла Техред М.Гергель Корректор С. Шекм