Линейный ускоритель электронов

 

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к сильноточным ускорителям заряженных частиц с малой длительностью импульса тока, предназначенных для использования в радиационной химии, активационном анализе, фундаментальных исследованиях физики высоких энергий и др. Использование изобретения позволяет повысить энергию ускоряемых частиц, увеличение КПД ускорителя и уменьшение энергетической неоднородности пучка на выходе ЛУЭ. Сущность изобретения в том, что линейный ускоритель электронов состоит из источника высокочастотной мощности 1, накопительного резонатора 2 с двумя отверстиями связи, интерференционного ключа 3, двух циркуляторов 4 и 5, включенных в тракт между источником высокочастотной мощности 1 и резонатором 2, и между интерференционным ключом 3 и ускоряющей секцией 6. Свободные плечи циркуляторов 4 и 5 соединенные со входом и выходом линии задержки 7 соответственно. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к ускорительной технике, а именно к сильноточным ускорителям заряженных частиц с малой длительностью импульса тока, предназначенных для использования в радиационной химии, активационном анализе, фундаментальных исследованиях физики высоких энергий и др. Цель изобретения повышение энергии ускоряемых частиц, увеличение КПД ускорителя и уменьшение энергетической неоднородности пучка на выходе ЛУЭ. Поставленная цель достигается тем, что в линейный ускоритель электронов, состоящий из ускоряющей секции и системы ВЧ-питания, включающей в себя накопительный резонатор с двумя отверстиями связи, к одному из которых подключен источник высокочастотной мощности, а ко второму интерференционный ключ, соединенный с ускоряющей секцией, дополнительно введены два трехплечих циркулятора и линия задержки. Первое, второе и третье плечи первого циркулятора соответственно подсоединены к источнику высокочастотной мощности, накопительному резонатору и входу линии задержки. Первое, второе и третье плечи второго циркулятора соответственно подсоединены к выходу интерференционного ключа, ускоряющей секции и выходу линии задержки. Таким образом, поставленная цель достигается накоплением отраженной от резонатора ВЧ-энергии в линии задержки с последующим снижением ее с энергией, запасенной в накопительном резонаторе, что обеспечивается введением дополнительных устройств и их связей. Структурная схема линейного ускорителя электронов представлена на фиг. 1. Устройство состоит из источника высокочастотной мощности 1, накопительного резонатора 2 с двумя отверстиями связи, интерференционного ключа 3, двух циркуляторов 4 и 5, включенных в тракт между источником высокочастотной мощности 1 и резонатором 2, и между интерференционным ключом 3 и ускоряющей секцией 6. Свободные плечи циркуляторов 4 и 5 соединены со входом и выходом линии задержки 7 соответственно. Предлагаемое устройство работает следующим образом. В начальный момент времени t=0 от источника высокочастотной мощности 1 через циркулятор 4 высокочастотная волна с амплитудой напряженности электрического поля Е_о поступает на отверстие связи резонатора 2. Отраженная от резонатора 2 ВЧ мощность, проходя через третье плечо циркулятора 4, заполняет линию задержки 7, которая как и резонатор 2, является накопительным элементом системы ВЧ-питания ускорителя. Изменения напряженности электрического поля отраженной волны Е_отр. во времени описываются выражением (1) где α₁=2β₁/(1+β₁), β₁ коэффициент связи резонатора с трактом со стороны источника ВЧ-мощности. Q_о, f_о собственная добротность и резонансная частота накопительного резонатора. В период накопления энергии ВЧ-поля в резонаторе 2 и в линии задержки 7 интерференционный ключ 3 закрыт. Время заполнения линии задержки τ₃ должно быть близким или равным длительности импульса источника высокочастотной мощности t_и(τ₃>t_и). По окончании процесса накопления энергии ВЧ-поля в резонаторе t=t_и интерференционный ключ 3 открывается. В этот момент времени на третье плечо циркулятора 5, а, следовательно, и на второе отверстие связи накопительного резонатора поступает ВЧ-мощность из линии задержки. При соответствующем выборе фазовой длины тракта, включающего линию задержки 7. ВЧ-волна Е_p, излучаемая из резонатора 2 через второе отверстие связи (коэффициент связи β₂ ≫ β₁) резонатора, складывается в ВЧ-волной Е_лз, излучаемой из линии задержки. Амплитуда напряженности поля результирующей волны Е, поступающей на вход ускоряющей секции 6 запишется в виде: (2) Здесь х_з затухание ВЧ-поля в линии задержки. На фиг. 2а и б представлены эпюры напряженности поля волны Е на входе в ускоряющую секцию 6, иллюстрирующие процесс использования запасенной ВЧ-энергии. На фиг. 2а длительность импульса t_и совпадает с временем заполнения линии задержки τ₃ и в этом случае достигается максимальный коэффициент усиления по мощности, то есть отношения мощности на входе ускоряющей секции Р к мощности источника высокочастотной мощности Р_о: (3) На фиг. 2б представлены эпюры напряженности поля Е для процесса, когда длительность импульса t_и < τ₃.. В этом случае поступающая из линии задержки ВЧ-мощность компенсирует спад вершины импульса ВЧ-мощности на входе в ускоряющую секцию, уменьшая таким образом энергетическую неоднородность ускоряемого пучка. Как показывают расчеты, при реальных значениях параметров накопительных элементов ЛУЭ увеличение энергии пучка составит (20-25)%
Оценим увеличение КПД ЛУЭ при использовании предлагаемого технического решения. Увеличения значения КПД ускорителя по сравнению с устройством прототипом достигается посредством накопления и последующего использования отраженной от накопительного резонатора ВЧ-энергии в линии задержки. Допустим, что увеличение энергии пучка на выходе ЛУЭ составит 3-4 раза, при этом, исходя из закона сохранения энергии, длительность импульса ВЧ-мощности на входе ускоряющей секции также меньше длительности импульса генератора не менее, чем в 3-4 раза. Это означает, что можно использовать часть отраженной мощности ВЧ-волны. В резонаторе можно запасти не более (40-80) энергии ВЧ-импульса генератора. Следовательно, КПД предлагаемого устройства может превышать КПД прототипа на (5-20)
Улучшение энергетического спектра обеспечивается "сглаживанием" формы импульса ВЧ-поля на входе в ускоряющую секцию при условии выбора t_и < τ₃ (см. фиг. 2б). При этом, как показывают оценочные расчеты, уменьшение энергетической неоднородности пучка составит (1,5-1,8) раза (по сравнению с прототипом).

Формула изобретения

Линейный ускоритель электронов, содержащий ускоряющую секцию, источник высокочастотной мощности и последовательно соединенные накопительный резонатор, интерференционный ключ, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД ускорителя и энергии ускоряемых частиц, в ускоритель введены первый трехплечий циркулятор, подключенный к источнику высокочастотной мощности, накопительному резонатору и через линии задержки к второму трехплечему циркулятору, который соединен с выходом интерференционного ключа и с входом ускоряющей секции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2