Линейный ускоритель заряженных частиц

(72) Авторы изобретения Е,Р. Алешин, И.И. Гозин и И.С. Щедрин Московский ордена Трудового Красного Знамени инженерно-физический институт(54) ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ 15 Изобретение относится к ускорительной технике и может использоваться при разработке линейных ускорителей-заряженных частиц. Известен линейный ускоритель электронов ЛУЭ- 11, имеющий две секции: группирующую и ускоряющую, Питание ВЧ-мощностью ускорителя осуществляется от одного магнетрона. ВЧ-мощность проходит через группирующую секцию и через выходной трансформатор типа волны (ТТВ), СВЧ-тракт в фазовращателем подается на вход ускоряющей секции. Недостатками такой схемы для питания высокочастотной энергией ускоряющей системы являются относительно большие потери ВЧ-мощности в груп-г 0 пирующей секции и зависимость уровня ВЧ-мощности на входе в ускоряющую секцию от нагрузки током ускорителя е 2Известен линейный ускоритель электронов У121, система питания которого высокочастотной энергией, помимо контрольно-измерительных элементов, включает регулируемый делитель мощности между двумя ускоряющими секциями, фазовращатель для регулировки фазы влета сгустков во вторую ускоряющую секцию, направленный ответвитель для выделения ВЧ-мощности в систему инжекции, фазовращатель и регулируемый аттенюатор в плече тракта, подающего ВЧ-мощность в группирователь системы инжекции. Для соединения такого количества элементов СВЧ-тракта необходимо около полутора десятков уголковых поворотов и 25 фланцевых соединений различных узлов.Недостатками такой схемы питания высокочастотной энергией ускоряющей системы, состоящей из группирующей и двух ускоряющих секций, являются сложный СВЧ-тракт, имеющий значитель").ную длину, и как следствие большие потери мощности и недостаточную электрическую прочность в его элемента:;и волноводах,Наиболее Олизким к )зООретению является линеиный ускООи тель за 1.811 ен" ных частиц с СВЧ."груи 1 о 1".ате).1 е 1. на обратной волне и егсг:полл)СН 1.м ТТВ 1 , СИС Ема дГя г 1111 ЙНИя аЫСО 1(О- частотной энергией ; якого ускор.,те. ля включает СВЧ-генератср г:,Оеднен ный СВЧ"трактом с шес Игк)люсным ТРВ КОтОРЫй УСтаНОВЛЕН МЕЯДУ ГРУГПИ- О г а телем, работающим на обратной зс:;не и ускоряющей секцией. Размеры 1 В выбираются из,условий согласова-л тРаКта И УСКОРЯЮЩИХ :ИсгГЕМ И Об)С печивает необходимый коэффициен де ления СВЧ-мощности между ускорякщей и группирующей секциями Недостатком 1-акого - ехни ческогс решения является относительно боль шой уровень потерь мощности в уско: ряющей секции и как следствие, высокий КПД.Цель изобретения - упрощение кон " струкции и повышение КПД усооителяЦель достигается тем, ,;т: ВЕСтНОМ ЛИНЕйНО 1 УСКОРИТЕЛЕ -)аРЛ 1 гвк - ных частиц, содержашем последоаа" тельно расположеннь 1 е инжектор гр и - пирователь на обратной волне, ускс- РЯЮЩИЕ СЕ К 1 И .;, На ВХО;) а. Сото г),: раСПОЛОжЕНЫ траНСфорг 1 атОрЬ тИПа ВСЛны, и автсгенератор, выход коОрого подключен ко входу ТТР первой :е 1:.гиг Даа ВЫХОДа 1 гСтЭРОго СОО-аа:.ТЗ " ПОдСОЕдИНЕНЬ К аЫ);Ог 1, П;,:,О,. ля и входу,первоЙ ус 1 оряю.з" ции, ТТВ первой секц;и выпсл-:ен вниде восьмиполюсника, третий выходкоторого соединен через фазоаращз тель с входом ТТВ второй секции, Кроме того, ТТВ, расположенные навходах каждой й-ней ускоряющей секции, где и. = 2, Ци К - число ускоряющих секций, выполнен в виде шестиполюсника, второй выход которого подключен через фазовращательк входу ТТВ следующей ускоряющей секции.На фиг. 1 схематично изображена конструкция линейного ускорителя заряженных частиц с двумя ускоряющими секциями; на фиг. 2 - линейный ускоритель заряженных частиц с Х-ускоряющими секциями; на фиг.- варианты схем питания ВЧ-энергией; На фиг г. " = аг)И аг 1 ТСХЕМ г 1 Ч" гг Н гЛИНЕИНОГООКОИ Елг 1 1 На ШИГ , )Зависимо.:т ;:ели цени.-". э.: - 1 еОгии От Обн:=.анно. ;Отношении Ко.,.)фивиент св-".ОГЕ"Ггпу " гВЬ1:-1 Е,);=.:Лг" 1 ЕСИ; - .О)Сг.;",:. - .; 1В . 11312, 14, ). гсказанные,1 а фиг 2,настраиваютгя аналогичным образомггто ПОЗВОЛяЕт раСПрвдЕЛИТЬ МОщНОСтЬ,ЕЯЦУ г ЕК 1,Я 1,АИ - ,:аганО 1.,; ОО ;ОШ" =г)а фИГ, 3 г б; .а,. Гг Д,ПОКа ЗаНЫ РаЗЛИЧНЫЕ Ва РисНТЫ СХЕР И а" НИЯ высООЧастотной ЭНЕРГИЕйг ИС- пользующие принципы, изложенные выше, Схема высокочастотного питания линейного ускорителя, показанная на фиг, ) а, Отличается От схема: по" казанной на фиг.Отсутствием группировагеля 5 на обратной волне. Схема вч,. Литания изоо)а)геня на фиг, 3 б, Отличается от .;,:.ег 1 ы на фиг, 3 а, тем, что деление мощности происходит а ТТВ второй секции, 728680 6а не в первой секции. Схема, приведенная на фиг, 3 в, отличается отпрототипа наличием дополнительногоТТВ 10 и дополнительного тракта 7 сфазовращателем 8, Схема на фиг. 3 готличается от схемы фиг, 2 тем, чтоотсутствует группирователь 5 на обратной волне. На схеме фиг. 3 дотсутствует ускоряющая секция 6 посравнению со схемой на фиг. 2. Схемаприведенная на фиг, 3 е имеет направление распространения ВЧ-энергии поВЧ-тракту, противоположное по сравнению со схемой на фиг, 2, и в этомслучае используются только шестиполюсные ТТВ во всех секциях,На фиг, 1 б, в представлены некоторые из возможных вариантов подобных схем питания линейного ускорителя высокочастотн.й энергией, Нафиг, ч а схемати но изображена конструкция линейного ускорителя заряженных частиц с Кускоряющими секциями (6 11, 13, 15, 17 и 19) исодержит автогенератор СВЧ-энергии1, волноводный тракт 2, 2 Л-палюсныйТТВ 3, инжектор 1, группирователь5 на обратной волне, волноводныетракты 7 с фазовращателями 8. ВЧ-мощность поступает в 2 Ы-полюсный ТТВ 3,на выходах которого она делится взаданном соотношении через связи сгруппирователем 5 на обратной волне,ускоряющей секцией 6 и волноводными трактами 7, через которые мощность подается на входы (М) ускоряющих секций - 11, 13, 15, 17 и 19.При этом коэффициент передачи мощности между входом 2 М-полюсного ТТВи любым выходом выражается как(. 1 р)где- коэффициент связи входа ТТВс волноводным трактом 2, коэффициент связи ТТВ с рас 1сматриваемым волноводом, Условием согласования 2 М-полюсного ТТВ со стороны входа является соотношение между коэффициентами связи в следующем видеНа фиг, ч б представлена схема питания линейного ускорителя ВЧ-мощностью, отличающаяся от схемыответствует длине ЛУЭ, где ВЧ-мощность на выходе секции при наличиинагрузки током 20 мА достигаетнулевого значения, Дальнейшее увеличение длины секции ускорителя приводит к уменьшению энергии пучка. Пкривая рассчитана для схемы, приведенной на фиг, 3 г, и показываетаналогичную зависимость при условииравномерного деления мощности междусекциями. Зависимость достигаетсвоего предельно максимального значения при общей длине ЛУЭ около9,6 м а значения энергии и КПД равны 5,6 ИэВ и 15/ соответственно,Кроме того, изготовление и настройка секции длиной 2 м и более представляет собой технически тяжелуюи практически невыполнимую задачув 3-х см диапазоне длин волн. Значительно легче изготовить М идентичных секций с длиной 05-0 о м.Наличие нескольких секций, позволяетрасширить возможности по регулировке энергии ускоритепя. ЗО 35 40 45 50 Таким образом, изобретение позволяет повысить энергию и КПД ускорителя, Последовательно-параллельные схемы питания ВЧ-энергией позволяют значительно упростить ВЧ -тракт и снизить вес установки по сравнению со схемой параллельного питания ускори 5фиг. ч а тем, что 2 Х-полюсный ТТВ12, делящий мощность в заданном отношении, расположен не в начале ускорителя, а в середине,На фиг. ч в показана схема с вось"миполюсным ТТВ 12, которая объединяет схемы питания ВЧ-мощностью,приведенные на фиг. 3 Г и на фиг. 3 е.Иногосекционная конструкция питания ВЧ-энергией линейного ускорителя позволяет повысить КПД и увеличить энергию на выходе. На фиг. 5приведены две зависимости увеличения энергии об общей длины ускорителя М - число идентичных секций длиной 80 см), работающего в 3-ем диапазоне длин волн. 1-кривая показывает предельные значения КПД (11)и энергии (Ю) при последовательномнаращивании длины одной секции линейного ускорителя, При расчете токв импульсе равнялся 20 мА, а мощность 250 кВт. При длине секции около 2 м (3-2,5) энергия и КПД достигают максимальных значений 3 ИзВи 2 М соответственно. Эта точка со 728680теля, Кроме того, наличие многих секций позволяет более плавно регулировать энергию на выходе ускорителя, в том числе и на рабочей частоте ВЧ-питания при помощи Фазовращателей. Применение изобретения позволяет значительно упростить тракт ВЧ-питания ускорителя заряженных частиц. Оно может найти широкое применение в схемах ВЧ-питания линейных ускорителей электронов, разрабатывае. мых для прикладных целей (особенно ЛУЭ 3-х см диапазона длин волн, и других ускорителях заряженных частицФормула изобретения1. Линейный ускоритель заряженных частиц, содержащий последовательно расположенные инжектор, группирователь на обратной волне, ускоряющие секции, на входах которых расположены .трансформаторы типа волны, и автогенератор, выход которого годклю" чен к входу трансформатора типа волны первой секции, два выхода которого соответственно подсоединены к выходу группирователя и входу первой ускоряющей секции, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения коэффициента полезного действия ускорителя, трансформатор типа волны первой секции выполнен в виде восьмиполюсника третий выход которого соединен через фазовращатель с входомтрансформатора типа волны второй секции,Ускоритель по и, 1, о т л ич а ю щ и Й с я тем что трансформатор типа волны, расположенный навходе каждой И-ной ускоряющей секции,где 8=2, 3;., Ии Ы - число ус 1 О коряющих секций, выполнен в видеаестиполюсника, второй выход которого подключен через Фазовращательк входу трансформатора типа волныследующей ускоряющей секции.15 3 Ускоритель по и. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что транаф рматор типа лн первй сциполнен в виде 2 И-полюсника, каждыйвыход которого соединен через фазоуо вращатель с входом трансформаторатипа волны любой ускоряющей секции,3 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе25 1, Левин В.М. и др. Линейные ускорителй электронов для радиационнойтехнологии. И "Атомная энергия".,1972, г, 33, вып: 1, с. 812.2. Вальднер О,А Глазков А,А,ЗО Проект линейного ускорителя электв . .ронов на 10 МэБ с регулируемой энергией, - "Ускорители", Сборник статей,вып. ХГ 1375, с5-8.3, Авторское свидетельство СССРВ 4069, н П Н 7 Л 2, 1 У 73.Редактор Е Заказ 108 чВНИИПИ Составитель ВТехреду А. БабиТираж 8 ч 3венного комитета ССретений и открытийЖРамшская набщ щЮьйюйеаавтаве. ае итт", г. Ужгород, ул 11осударслам иэобМоскваП ППате орректор Г. Огар