Линейный ускоритель электронов с компрессией свч-энергии

 

Изобретение относитсяк ускорительной технике и может быть использовано для ускорения нерелятивиетских электронных пучков до малых и средних энергий. Цель изобретения - упрощение конструкции - достигается за счет того, что в линейном ускорителе электронов е компрессией СВЧ-энергии, содержащем последовательно расположённые инжектор 1 электронов и ускоряющую секцию 2 с замедляющей структурой 4, накопительный резонатор 7, СВЧ-тракт 5 с переключателем 6 СВЧ-мрщности, накопительньи резонатор 7 соединен с СВЧ-трактом 5 с ускоряющей секцией 2 со стороны выхода, при этом геометрические параметры замедляющей структуры 4 выбраны с учетом формул, приведенных в описании изобретения. На чертеже также обозначена фокусирующая система 3. 4 ил. ел С

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ((9) (! !) (sl)s Н 05 Н 9/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ОО

6д о

С

f (21) 4727370/21 (22) ¹08,89 (46} G7;03,92;.Бал. И. 9

Щ Институт атомной энергии им. И.В.Курчатова (72) В, В.Петрен ко, А.В. Смирнов и

В;Н.Смирнов (53) 621,384.6 (088.8) (56) Вишняков В.А;, Закутин В,B., Куанир

В.А. О возможности увеличения энергии линейных резонансных ускорителей за счет внутриимпульсного перераспределенйя энергии в пучке. — Труды Х1И Международной конференции по ускорителям частиц высоких энергий, т. 1. — Наука, 1987, с. 173-174; богданович б, Ю., Игнатьев А. П, Ускореwe одиночных сгустков в ЛУЭ с компрессией энергии ВЧ-поля. В сб. Разработка линейных ускорителей и их применение в радиационном эксперименте. — M., 1986,:с.

33-36. (54) ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ С КОМПРЕССИЕЙ СВЧ-ЭНЕРГИИ (57) Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для ускорения нерелятивистских электронных пучков до малых и средних энергий. Цель изобретения — упрощение конструкции — достигается за счет того, что в линейном ускорителе электронов с компрессией

СВЧ-энергии, содержащем последовательно расположенные инжектор 1 электронов и ускоряющую секцию 2 с замедляющей структурой 4, накопительный резонатор 7.

СВЧ-тракт 5 с переключателем 6 СВЧ-мощности, накопительньй резонатор 7 соединен с СВЧ-трактом 5 с ускоряющей секцией

2 со стороны выхода, при этом геометрические параметры замедляющей структуры 4 выбраны с учетом формул, приведенных в описании изобретения. На чертеже также обозначена фокусирующая система 3. 4 ил.

1718390

0, О =ХО/2л;

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для ускорения нерелятивистских электронных пучков до малых и средних энергий, Цель изобретения — упрощение конструкции.

На фиг, 1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг. 2 — зависимости приведенной фазовой скорости прямой (A) и обратной (Б) пространственной гармоники от продольной координаты; на фиг. 3дисперсионная кривая периодической замедляющей структуры с емкостным типом связи между ячейками структуры; на фиг. 4 — дисперсионная кривая для структуры с индуктивным типом связи.

Устройство ЛУЭ с компрессией СВЧэнергии (фиг. 1) содержит инжектор 1 электронного пучка, соединенный с ускоряющей секцией 2, которая оснащена фокусирующей системой 3, содержит замедляющую структуру 4 и связана СВЧ-трактом 5 через переключатель 6 СВЧ-мощности с накопительным резонатором 7. При этом период замедляющей структуры и коэффициенты отражения от торцов ускоряющей секции выбраны в соответствии со следующими условиями п с ц4л-В

Су =0,1 — 0,2; (1) (47,3 N Cy — 9,54 )/ Г1 Г2/ > 1; /и

l r =N — "

С где чл — скорость пучка;

С вЂ” скорость света; д — вид колебания, соответствующий низшей обратной ускоряющей пространственной гармонике и частоте f =, С, Л вЂ” длина волны;

D — период замедляющей структуры;

4 — длина участка замедляющей структуры с постоянной геометрией и периодом 0;

N — целое либо полуцелое число из интервала 10 < N < 30;

Cy — параметр усиления, соответствующий прямой пространственной гармонике;

Г1, Г2 — коэффициенты отражения от торцов ускоряющей секции в режиме накопления СВЧ-энергии, q = 1 при емкостной связи между ячейками структуры, q= 0,5 при индуктивной связи.

Линейный ускоритель электронов с компрессией СВЧ-энергии работает следующим образом.

Непрерывный немодулированный высоковольтный электронный пучок, параметры которого выбраны в соответствии с

50! — ток пучка, А;

U — напряжение инжекции, В;

Е1Л

Всв, — -.— сопротивление связи, Ом, и злектродинамический параметр, Ом, для прямой синхронной с инжектируемым пучком пространственной гармоники.

Приведенные соотношения легко удовлетворить выбором длины участка секции lr, настройкой ненулевых коэффициентов отусловиями (1), удерживаемый магнитным полем фокусйрующей системы 3 от кулоновского расталкивания, поступает из инжектора 1 в ускоряющую секцию 2, в которой

5 часть энергийпучка, взаимодействующего с замедляющей структурой 4, преобразуется в энергию СВЧ-колебаний в процессе автогенерации по типу лампы бегущей волны (ЛБВ).

10 Для тога,:.чтобы в устройстве возникла автогенерация на прямой волне необходимо и.достаточно выполнение следующих ус.ловий: fr = и — Л/2;

Vr

15 С, (2)

К„к./Г1Г2/ > (3)

Vn Nr, (4) где Ky = -9.54 + 47.ЗИСУ > 1; (5)

С вЂ” скорость света;

20, ф — длина той части секции, на которой осуществляется генерация и которая имеет постоянную геометрию (фиг. 1, и 2);

n — целое число;

А — длина волны в свободном прастран25 стве;

Vr - фазовая скорость прямой пространственной гармоники;

Ky — коэффициент усиления ЛБВ;

Ko — коэффициент ослабления (при наличии поглощающей вставки);

ЗО Г1, Г2 — коэффициенты отражения от торцов секции;

Чл — скорость частиц инжектируемого и учка;

N = 1г (Vr Л /С) - n/2; (6)

35 Cy — параметр усиления. зависящий от тока пучка, напряжения инжекции. выбора структуры.

Для достижения максимума КПД генерации, большего 25$, целесообразно выби40 рать значения

И 10 — 30, С„= 0,1 — 0,2, 4 з

1 где Cy= Rcs = х . (7)

40 80

45 е1А ч;С /з х (- =. -+у-) 1718390 ражения от торцов при отсутствии поглощающей вставки, t.е. при

Ко=1, (8) выбором величины тока пучка и напряжения инжекции. Соответствующего синхронизму 5 с прямой ненулевой пространственной гармоникой. Учитывая, что в данном устройстве не стоит цель широкополосной генерации, в нем в качестве замедляющей структуры, входящей в состав ус«о- 10 ря ющей секции, целесообразно применять узкополосные структуры с высокими значениями — г — = 500 — 1000 Ом

Е31

1/г ГР обеспечивающие электронное КПД автоге- 15 нерации цг более 25 и, соответственно, величина СВЧ-мощности составит

Рг Цг М.

В период накопления СВЧ-мощность поступает по СВЧ-тракту 5 в высокодоброт- 20 ный резонатор 7. Состояние переключателя

6 СВЧ-мощности обеспечивает связь, близкую к критической резонатора 7 с трактом с величиной связи Р1. При условии отсутствия частотной расстройки резонатора иэ ус- 25 ловий (3), (7) и при /Г1/ = 1 и минимальном

Ky= 38 получим значение P = 1,4, при введении ненулевой частотной расстройки нетрудно обеспечить совместное выполнение. условий (3), (7) и условия /Зх1.

Длительность периода накопления со2 2 Оо ставляет где С1о - собственная добротность резонатора;

fo — частота колебаний. Гц.

По окончании периода накопления следует изменить состояние СВЧ-переключателя 6, уменьшив тем самым нагруженную добротность резонатора благодаря новому 40 значению величины коэффициента связи

Р»1.

Тогда СВЧ-мощность по СВЧ-тракту начнет распространяться в обратном направлении к ускоряющей секции 2, возбуждая в . ней только обратные пространственные гармоники. Для того, чтобы получить заметное ускорение нерелятивистского пучка, необходимо выполнение следующих условий ..

Р tã

I = — - Цк 1 ° тр >Л эан

Р, tp

Чп QЧу(z =0).Vy(1 1гр (С, где Ру- СВЧ-мощность, поступающая в секцию из резонатора в пер од использования 55

СВЧ-энергии, накопленной в резонаторе, длительность которого tp, Yy — фазовая скорость обратной пространственной гармоники;

r — коэффициент усиления мощности.

Как известно. коэффициент усиления мощности может достигать значений

10 — 10 для обычных резонаторов и более

10 — 10 для сверхпроводящих резонаторов с эффективностью преобразования СВЧэнергии при накоплении и компрессии дк более 80 За период использования СВЧэнергии резонатора ср энергия СВЧ-колебаний должна успеть заполнить полностью ускоряющую секцию с временем заполнения t»< для того, чтобы инжектированный непрерывный пучок смог захватиться в процесс ускорения и сгруппироваться на участке волновоДной гРУппиРовки 1гр (фиг. 2) обратной пространственной гармоникой, амплитуда которой такова, что благодаря условию Ру» Рг подавляется процесс автогенерации. Закон изменения параметров структуры на участке !гр хорошо известен, и таков. что в начале этого участка

Vy(Z= О) > Чп, а в конце Vy(Z = 1 р) — С и длина этого участка1гр = (2 — 5) il.

Группировка на этом участке может происходить как при постояннОЙ фазОВОЙ скорости Чуй Чп (пунктирная линия на фиг.

2), так и при переменной фазовой скорости (сплошная линия на фиг. 2).

Величина коэффициента связи в течение периода использования энергии Определяется из следующего соотношения: где Vãð и Vãð Р1 — сРедние значениЯ гРУп(г) (гр) павой скорости на участках 1, и 1гр соответственно.

Эти значения зависят от выбора структуры и вида колебаний. Максимально достижимый прирост энергии частиц без учета ускорения на участке группировки и фазового движения определяется следующим образом:

ЛИ.ак.(ЭВ)= (- — ) 1(Г10у,, 1г Е-1 Г

Š— 1 il где электродинамический параP метр для низшей обратной пространственной гармоники.

Для структуры типа круглого диафрагмированного волновода (КДВ) эту величину можно определить из справочных данных.

Длительность импульса тока ускоренного пучка tn составляет лишь часть периода

1718390 использования энергии и определяется следующим образом: tn S fк г»г тг/(Ig ) °

При tsan=tp имеем наносекундный режим запасенной энергии при использова,нии несверхпроводящих резонаторов при

Qo(10, Ь=tp tean. При 1р > tsan переходный и стационарный режим ускорения для сверх проводящих резонаторов 0О l0—

10 . Максимальная частота следования импульсов тока определяется следующим образом:

Ч - 1/(тг + tp) -" 1/тг m f/Îî

5 и составляет, следовательно, около 10 Гц для несверхпроводящих резонаторов и 10 —

104 Гц для сверхпроводящих резонаторов.

Заметим, что необходимые и достаточные условия совместности условий генерации (4) и ускорения следующие: r > 1;

Ч„= С; vi/u=v. /С. (9)

Из последнего условия определим соотношение для выбора напряжения инжекции в зависимости от вида колебания:

Чп 0 с 1 4ла — 6 (10) где 0 — вид колебания низшей обратной пространственной гармоники с фазовой скоростью Vy C;

q — коэффициент, зависящий от типа связи между ячейками замеряющей структуры: q = 1 — емкостная связь (фиг. 3);

q = 0,5 — положительная взаимная индуктивность между ячейками {фиг, 4).

Объединяя соотношения (2-9) с учетом (10} нетрудно получить условия выбора параметров конструкции ЛУЭ и режимов его работы (1).

Для структуры с емкостным типом связи в качестве ускоряющей выбрана — 1 гармоника, а генерирующей + 1 пространственная гармоника; для структуры с индуктивным типом связи основная (нулевая) и -1 соответственно, так как более высокие гармоники имеют меньшие значения электродинамического параметра, Вид колебаний определяется из условий минимума тзп (в случае использования несверхпроводящего резонатора), минимума напряжения инжекции, максимума с учетом оптимальных tr. tp для

Е-1А

Я достижения близкого к максимальному значению.

Так, для структуры с емкостной связью и О =Зл/2, имеем:

4л, 0125 к —" 0.6), при О = . С

U 80кВ(— 0,5), при В=

vn . 5д

С- 4

0 60кВ (— — ). чп 5 Ъ

С 11

5 Для структуры с индуктивной связью при д = — имеем 0 = 30кВ (— = 1/3), при л Чп

С ll

0=; 0 80кВ(3

10 Иэ условия Vy С. эквивалентного условию для ближайшей обратной гармониники

С-"2 л D С/АО, определим величину периода структуры О на участке 1г . О = ОА/2/2 л, Параметры участка группирования l

15 определяются независимо от условий гене. рации как и в обычном ЛУЭ:

Таким образом, в простой конструкции

ЛУЭ с компрессией СВЧ-энергии излучения непрерывного нерелятивистского пучка

20 возможен выбор таких параметров его ускоряющей структуры, что их сочетание обеспечит в одном и том же устройстве непротиворечивые условия генерации, накопления и ускорения пучка до релятивист25 ских энергий, В качестве примера рассмотрим возможные параметры конкретного устрой ства. Выберем структуру с емкостной связью типа круглого диафрагмированного волновода (КДВ) с величиной

Е1U &p, равной 570 ГОм. 0 = 4 л/3, частоту СВЧ-колебаний возьмем равной f = 1,818 ГГц (4» = 16,5 см). а ток пучка 1 - 4А. Тогда определим O. =

ОА/2а- 11 см. Длину участка ln выберем равной ln = 14Л = 14 Чг4, /С. так . как 0=4л/3, то

-0,54/) — 7,. а соотЧг Чп В ветствующее напряжение инжекции

U = 80 кВ, При этих параметрах параметр усиления:

45 С = — -„-г — — =0.11.

Е1А Чг/С

80 7р 2 ге

Как известно, КОД генерации г/г в этих условиях составляет более 2Су = 22, а

50 мощность генерации Рг составит не менее

0.22xlxU = 70,4 кВт.

Нетрудно оценить величину групповой скорости на участке (гр. (Чгр/С) 0,02, тогда получаем

55 е,е,. ю е. го ило,S

И ) — — — - — =0,27 с

Зоп 3oll г, ег г + p г ppg С

Для "теплого" медного сферического резонатора. работающего на ТЕогз типе ко1718390

10 лебаний, в работе получено значение времени накопления tr = 1,9 мкс при Qo =

1,46х10, Отсюда получаем при эффективности преобразования энергии при накоплении и выводе

22 Qo к =80$ г= fê tr/4р=0.8 2 < =8.3, Отсюда приоост энергии при

E +< Ь Кр =630 0м;

Л141мака =у —.а. у г Рг =3,4 МэВ

fn Е1 Х р

Отсюда максимальная частота следования ускоренных импульсов тока длительностью тп= = 8 нс составляет: к Prtr

V = X f/Qo = 3,9х10 Гц, Рассмотрим этот пример при тех же ус-. ловиях применительно к криогенному резонатору, охлаждаемому жидким азотом, с добротностью СЬ = (2 — 6)x1,46х10:

4, г = 17 — 50, ЬWgaxc = 4,8 —.8,4 МэВ;

v = (2 — 0,65)х10 Гц; ь = 11 — 19 нс..

При использовании сверхпроводящих резонаторов с добротностью Q43)10 длительность tp и соответствующие значения r следует выбирать с учетом возможности пробоев в ускоряющей секции и в самом резонаторе. Считая, что пробои в резонаторе наступят при величине запасенной энергии 10 Дж, а в секции — при г= 660, получим: тг= =142 мкс . tð = =1мкс

10 г1ж

70 кБт 0,8 tr где есть стационарный режим ускорения с приростом энергии ЬМ/1Вкс = 30 Мэв (без учета нагрузки.током), длительностью импульса1и=0,7мкс, частота посылок приэтом

1 составит v = — = 7 кГц. tr

Таким образом, из приведенного примера видно, что изменение конструкции

ЛУЭ наряду с ее упрощением не снижает значение максимальной частоты следования ускоренных импульсов тока. а по сравнению с известными ЛУЭ, содержащими импульсный СВЧ-генератор мегаваттного уровня мощности — повышает это значение частоты на 2 — 3 порядка. При этом КПД преобразования средней мощности высоковольтного питания в СВЧ-мощностью ускоряющего поля составляет: у, . у„ =

5 1873, что приблизительно соответствует обычным ЛУЭ.

Формула изобретения

Линейный ускоритель электронов с ком10 прессией СВЧ-энергии, содержащий последовательно расположенные инжектор электронов и ускоряющую секцию с замедляющей структурой, накопительный резонатор, СВ4-тракт с переключателем

15 СВЧ-мощности, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции. накопительный резонатор соединен с СВЧ-трактом с ускоряющей секцией со стороны выхода, при этом геометрические парамет20 ры замедляющей структуры выбраны из условий, О =Ад/2л; f r =й — "А, С (47.3 и су — 9.54 )/ ГI Г2. > 1:

1 П f j

Су =0.1 — 0,2, 0 4 — уг где чп — скорость частиц пучка, м/с;

C — скорость света в вакууме. м/с;

О- вид колебаний. соответствующий низшей обратной ускоряющей пространственной гармонике и частоте.f = с/ il;

А — длина волны СВЧ-колебаний. м;

Π— период замедляющей структуры, м;

35 (г — длина участка замедляющей структуры с постоянной геометрией и периодом

О. М;

N — целое или полуцелое число из интервала 10< N < 30;

40 су — параметр усиления, соответствующий прямой пространственной гармонике;

Г1, Гг — коэффициенты отражения от торцов ускоряющей секции в режиме накопления СВЧ-энергии;

45 а = 1 — при емкостной связи между ячейками замедляющей структуры;

q = 0;5 — при индуктивной связи.

1718390

1718390

Составитель E. Громов

Техред M.Mîðãåèòàë Корректор M. Максимишинец

Редактор H. Яцола

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 891 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета. по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5