Линейный резонансный ускоритель электронов

Полезная модель относится к классу плазменная техника; получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов, конкретно к созданию линейных ускорителей электронов.

Техническим результатом полезной модели является при многократном увеличении СВЧ мощности предельное увеличение токопрохождения ускоряемых электронов в полтора-два раза при предельном темпе ускорения.

Технический результат достигается тем, что в многосекционном линейном резонансном ускорителе электронов каждая ускоряющая система подключена в тракт резонатора бегущей волны к входному и выходному трансформаторам типа волны через Т-образные тройники с двумя изогнутыми волноводами расположенными симметрично относительно оси ускоряющего волновода.

Полезная модель относится к классу плазменная техника; получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов, конкретно к созданию линейных ускорителей электронов.

Известен двухсекционный ускоритель, содержащий систему инжекции, высокочастотный генератор и высокочастотный тракт, где с выхода группирующей секции подается дополнительно на вход ускоряющей секции через фазовращатели и СВЧ циркулятор, на входе ускоряющей секции подключена выходная поглощающая нагрузка. А.В.Иванова, А.И.Маштакова. Обзоры по электронной технике. Линейные ускорители. 1977. с.32. Патент США. 2925122. M.G.Kelliher. 13.12.1955. Недостатком такой схемы соединения группирующей и ускоряющей секции через входные и выходные трансформаторы типа волны создают несимметрию СВЧ поля относительно оси диафрагмированных волноводов.

Известна трехсекционная ускоряющая система, содержащая СВЧ источник, высокочастотный тракт, трансформаторы типа волны на входе и выходе каждой из трех ускоряющих секций, фазовращатели, вакуумную систему, систему инжекции, систему управления, фокусирующую систему, стойку электропитания, выходную систему регистрации параметров ускоренного пучка. И.И.Гозин, В.А.Поляков. Ускорители заряженных частиц, сборник статей под редакцией О.А.Вальднера. Энергоатомиздат, 1983. с.14-15. Недостатком данного трехсекционного ускорителя является недостаточная симметрия электромагнитного ускоряющего поля относительно оси круглого диафрагмированного волновода во входных и выходных трансформаторов типа волны, что приводит к уменьшению ускоряющего тока электронов.

Известен двухсекционный ускоритель электронов, содержащий магнетрон, группирующую и ускоряющую секции диафрагмированного волновода, трансформаторы типа волны входные и выходные в каждой секции, согласующие поршни, возбуждающие втулки, вакуумные насосы, магнитные линзы между секций диафрагмированного волновода, выходное окно, поглощающие нагрузки, фазовращатель, фокусирующие катушки, модуляторы магнетрона и инжекторы. Ю.А.Быстров, С.А.Иванов. Ускорители и рентгеновские приборы. 1976. с.43. Недостатком данного ускорителя является низкая электрическая прочность трансформаторов типа волны.

Известна экспериментальная ускорительная установка, содержащая линейный ускоритель электронов с инжекторами, волноводным группирователем, ускоряющей секцией и системой СВЧ генератора, резонатор бегущей волны на основе секции диафрагмированного волновода с фазовращателем в цепи обратной связи магнитного анализатора энергетического спектра электронов, анализатора спектра и осциллографы. Б.Ю.Богданович, С.А.Голякин, А.П.Игнатьев, В.А.Останин, В.В.Ененко. Сборник Теория, расчет и экспериментальные работы по ускорителям заряженных частиц. Москва. Энегроиздат.1982. с.49-53. Недостатком данной схемы является отсутствие симметрии электромагнитного поля в трансформаторах типа волны каждой секции диафрагмированного волновода и как следствие снижение ускоренного тока электронов.

Известен многосекционный линейный резонансный ускоритель электронов, содержащий систему инжекции электронов, тракт резонатора бегущей волны в виде изогнутого волновода, фокусирующую систему, источник СВЧ-мощности, последовательно установленные фазовращатели, двух плечей направленного ответвителя и источника СВЧ-мощности, соединенного с одним плечом направленного ответвителя, причем между плечом направленного ответвителя, входящим в резонатор бегущей волны, и фазовращателем установлена ускоряющая система, а в одном из внешних плечей направленного ответвителя установлена поглощающая нагрузка, тракт резонатора бегущей волны дополнительно содержит, по крайней мере, еще один резонатор бегущей волны в виде изогнутых волноводов и последовательно установленных фазовращателей, двух плечей направленных ответвителей, источник СВЧ-мощности, соединенный с плечом направленного ответвителя, а между плечами каждого направленного ответвителя, входящими в резонатор бегущей волны, и фазовращателем установлена ускоряющая система, в одном из каждых внешних плечей направленного ответвителя установлена поглощающая нагрузка, а в другом из каждых внешних плечей направленного ответвителя установлен источник-усилитель СВЧ-мощности, фазовращатель, регулируемый ответвитель и поглощающая нагрузка, причем каждое основное плечо регулируемого ответвителя соединено с линией СВЧ-тракта задающего генератора, на входе которого установлен задающий генератор мощности с источником СВЧ-мощности, а на противоположном конце линии тракта задающего генератора установлена поглощающая нагрузка. Патент Российской Федерации на полезную модель 103056, МПК: Н05Н 9/04, 2010 г. Прототип. Недостатком данного многосекционного ускорителя является неполная симметрия электромагнитного поля, относительно оси круглого диафрагмированного волновода во входных и выходных трансформаторах типа волны.

Техническим результатом полезной модели при многократном увеличении СВЧ мощности является предельное увеличение токопрохождения ускоряемых электронов в полтора - два раза при предельном темпе ускорения.

Технический результат достигается тем, что в многосекционном линейном резонансном ускорителе электронов, содержащем систему инжекции электронов, тракт резонатора бегущей волны, по крайней мере, с двумя резонаторами бегущей волны в виде изогнутых волноводов и последовательно установленных фазовращателей, двух плечей направленных ответвителей, источник СВЧ-мощности, соединенный с плечом направленного ответвителя, а между плечами каждого направленного ответвителя, входящими в резонатор бегущей волны, и фазовращателем установлена ускоряющая система, в одном из каждых внешних плечей направленного ответвителя установлена поглощающая нагрузка, а в другом из каждых внешних плечей направленного ответвителя установлен источник-усилитель СВЧ-мощности, фазовращатель, регулируемый ответвитель и поглощающая нагрузка, причем каждое основное плечо регулируемого ответвителя соединено с линией СВЧ-тракта задающего генератора, на входе которого установлен задающий генератор мощности с источником СВЧ-мощности, а на противоположном конце линии тракта задающего генератора установлена поглощающая нагрузка, каждая ускоряющая система подключена в тракт резонатора бегущей волны к входному и выходному трансформаторам типа волны через Т-образные тройники с двумя изогнутыми волноводами расположенными симметрично относительно оси ускоряющего волновода. Ускоряющие секции выполнены в виде круглых диафрагмированных волноводов, симметризованными относительно оси трансформаторами типа волны и Т-образными тройниками и изогнутыми волноводами. Источники СВЧ мощности выполнены в виде магнетронных усилителей или клистронов.

Полезная модель поясняется на фиг.1 и Фиг.2.

На фиг.1 схематически представлен многосекционный линейный резонансный ускоритель заряженных частиц, где: 1_i - ускоряющие секции, 2₀ - источник СВЧ мощности тракта задающего генератора, 2₁, 2 ₂, , 2_N - источники-усилители СВЧ мощности (например, клистроны) каждого резонатора бегущей волны, 3₁, 3 ₂, , 3_N - фазовращатели; 4 - задающий генератор СВЧ мощности общего тракта; 5₁, 5₂, , 5_N - фазовращатели СВЧ тракта задающего генератора; 6₁, 6₂,..., 6_N - направленные ответвители резонаторов бегущей волны; 7₁, 7₂ ,..., 7_N - регулируемые ответвители СВЧ мощности линии задающего генератора; 8 - линия СВЧ тракта задающего генератора; 9 - поглощающие согласованные СВЧ нагрузки; высокочастотная система, в которой 10, 11, 12, 13 - плечи направленного ответвителя, 14 - фокусирующие системы; 15 - выходные устройства; 16 - система питания; 17 - система инжекции электронов; 18 - высоковакуумные насосы; 19 - пульт управления.

На фиг.2 схематически представлен разрез места подключения ускоряющей системы в тракт резонатора бегущей волны к входному и выходному трансформаторам типа волны через Т-образные тройники, где: 1_i - ускоряющие секции, ТТВ - трансформатор типа волны.

Многосекционный линейный резонансный ускоритель работает следующим образом.

От задающего генератора 4 общего тракта через источник-усилитель СВЧ мощности 20, мощность поступает в СВЧ тракт линии задающего генератора 8.

Из линии задающего СВЧ тракта задающего генератора 8 через регулируемые ответвители 7₁, , 7_N и через фазовращатели 5₁, , 5_N СВЧ мощность подают на вход каждого клистрона 2₁, , 2_N. Через направленные ответвители 6₁ , , 6_N резонаторов бегущей волны СВЧ мощность подают в резонаторы бегущей волны, в которых последовательно с фазовращателями 3₁, , 3_N включены ускоряющие секции 1₁ , 1₂, , 1_N многосекционного ускорителя заряженных частиц. Многосекционный линейный резонансный ускоритель электронов, ускоряющие секции которого выполнены в виде круглых диафрагмированных волноводов с симметризованными относительно оси трансформаторами типа волны и Т-образными тройниками и изогнутыми волноводами, имеет практически идеальную симметрию распределения ускоряющего поля в трансформаторах типа волны относительно оси, что исключает потерю ускоряемых электронов.

Момент включения высокого напряжения системы инжекции электронов 17 подбирают из условий оптимального спектра ускоренных электронов.

При этом во всем диапазоне частот от 1 до 10 ГГц в резонаторах бегущей волны каждой ускоряющей секции 1₁, 1₂ , , 1_N СВЧ мощность накапливается и увеличивается в 2÷40 раз.

Это позволяет увеличить предельные ускоряющие токи заряженных частиц до 10 раз и достичь предельного темпа ускорения без пробоев до 20 МэВ/м.

Линейный резонансный ускоритель электронов, содержащий систему инжекции электронов, тракт резонатора бегущей волны, по крайней мере, с двумя резонаторами бегущей волны в виде изогнутых волноводов и последовательно установленных фазовращателей, двух плечей направленных ответвителей, источник СВЧ-мощности, соединенный с плечом направленного ответвителя, а между плечами каждого направленного ответвителя, входящими в резонатор бегущей волны, и фазовращателем установлена ускоряющая система, в одном из каждых внешних плечей направленного ответвителя установлена поглощающая нагрузка, а в другом из каждых внешних плечей направленного ответвителя установлен источник-усилитель СВЧ-мощности, фазовращатель, регулируемый ответвитель и поглощающая нагрузка, причем каждое основное плечо регулируемого ответвителя соединено с линией СВЧ-тракта задающего генератора, на входе которого установлен задающий генератор мощности с источником СВЧ-мощности, а на противоположном конце линии тракта задающего генератора установлена поглощающая нагрузка, отличающийся тем, что каждая ускоряющая система подключена в тракт резонатора бегущей волны к входному и выходному трансформаторам типа волны через Т-образные тройники с двумя изогнутыми волноводами, расположенными симметрично относительно оси ускоряющего волновода.