Способ ускорения двух пучков электронов в одном линейном резонансном ускорителе
Изобретение относится к области ускорительной техники, может быть использовано для двухстороннего одновременного облучения объектов. Предлагаемый способ состоит в том, что одновременно из двух инжекторов, расположенных до и после ускорителя, инжектируют навстречу друг другу два непрерывных пучка в сторону ускорителя, структура которого состоит из и двух группирующих частей (β<1), расположенных до и после ускоряющей части (β=1), находящейся в центре. Транспортируя пучки в противоположных направлениях через ускоритель, в структуре которого возбуждают стоячую электромагнитную волну, их одновременно группируют в группирующих частях, а затем ускоряют в ускоряющей части и выводят из ускорителя. Предлагаются также варианты способа ускорения. Техническим результатом заявленного изобретения является оптимизация условий двустороннего облучения при стерилизации, двухпроекционной интроскопии и других технологических процессах. 6 з. п. ф-лы, 5 ил.
Описание изобретения.
Изобретение относится к области ускорительной техники, конкретно к технике ускорения двух пучков одинаково заряженных частиц, например электронов, в одном высокочастотном резонансном ускорителе и может быть использовано при создании установок для двухсторонней радиационной обработки, например стерилизации медицинских изделий, материалов, инструментов, пастеризации и дезинсекции продуктов питания, деконтаминации опасных отходов и т.п. Также может быть использовано в установках двухпроекционной интроскопии контейнеров, автомобилей и т.п., выполненных на базе таких ускорителей.
Уровень техники.
В технике ускорения двух пучков электронов для реализации вышеуказанных целей традиционно используют известный способ-аналог. В этом способе заряженные частицы каждого пучка непрерывно инжектируют из двух независимых инжекторов в два независимых ускорителя. В ускорителях формируют ускоряющие высокочастотные электромагнитные поля на двух траекториях инжектированных частиц от двух независимых или от одной общей систем СВЧ-питания [1]. Для пояснения осуществления способа-аналога на фиг.1 приведена структурная схема установки.
Известный способ-аналог реализуют следующим образом. Электроны первого пучка непрерывно эмитируют в инжекторе (1) и ускоряют там же до потенциала инжекции, транспортируя их через зазор с приложенным импульсным высоковольтным напряжением от блока питания инжектора. Далее частицы этого пучка транспортируют в первую ячейку или резонатор группирующей части ускорителя №1 (2), которая может состоять из одной, двух и более ячеек или резонаторов. Одновременно с инжекцией пучка в связанных группирующих (2) и ускоряющих (3) частях ускорителя №1 от импульсной системы СВЧ-питания резонаторов (4) возбуждают стоячие электромагнитные СВЧ-колебания. Транспортируя непрерывный пучок, поступающий из инжектора, через группирующую часть ячеек/резонаторов (2), воздействием электромагнитного поля возбужденной волны на непрерывный пучок его группируют в последовательность электронных сгустков. Одновременно ускоряют содержащиеся в сгустках электроны, изменяя их продольную скорость от начальной скорости, соответствующей потенциалу инжекции, до скорости, близкой к скорости света, обеспечивая тем самым захват этих частиц в режим ускорения в ускоряющей части ускорителя (3) для дальнейшего увеличения энергии электронов. При обычно применяемом напряжении инжекции 40-50 киловольт начальная скорость электронов составляет около 1×108 метров в секунду, что соответствует β = v/c =0.3, где v - скорость электронов и с - скорость света в вакууме. На выходе группирующей части (2) электроны в сгустках имеют β, равную примерно 0.9, что соответствует скорости около 2.7×108 м/с, а энергию γ = Е/m0с2 = (1-β2)-1/2 = 2.2 - 2.3, где m0 -энергия покоя электрона, Е - полная энергия ускоренных электронов. Транспортируя сгустки электронов, захваченные в режим ускорения, через ускоряющую часть ускорителя (3), воздействием электромагнитного поля возбужденной волны электроны ускоряют далее, увеличивая их энергию до нескольких мегаэлектронвольт, например до 5.11 МэВ, что соответствует γ = Е/m0с2 = (1-β2)-1/2= 10 на выходе ускорителя.
Аналогично электроны второго пучка непрерывно эмитируют в инжекторе (12) и ускоряют там же до потенциала инжекции, транспортируя их через зазор с приложенным импульсным высоковольтным напряжением от блока питания инжектора. Далее частицы этого пучка транспортируют в первую ячейку/резонатор группирующей части ускорителя №2 (11). Одновременно с инжекцией пучка в группирующей (11) и ускоряющей (10) частях ускорителя №2 от импульсной системы СВЧ-питания (9) возбуждают стоячие электромагнитные СВЧ-колебания. Транспортируя непрерывный пучок, поступающий из инжектора, через группирующую часть ячеек/резонаторов (11), воздействием электромагнитного поля возбужденной волны на непрерывный пучок его группируют в последовательность электронных сгустков. Одновременно ускоряют содержащиеся в сгустках электроны, изменяя их продольную скорость от начальной скорости, соответствующей потенциалу инжекции, до скорости, близкой к скорости света, обеспечивая тем самым захват этих частиц также в режим ускорения в ускоряющей части ускорителя (10) для дальнейшего увеличения их энергии. При одинаковых условиях инжекции и ускорения электронов такой способ дает возможность получить на выходах двух ускоряющих секций два ускоренных электронных пучка с примерно одинаковыми параметрами, которые могут быть использованы для двухстороннего облучения объектов стерилизации, дезинсекции, деконтаминации или двух проекционной интроскопии.
При известных достоинствах и простоте этого способа он имеет очевидные недостатки. А именно, необходим для его осуществления удвоенный комплект дорогостоящего обеспечивающего оборудования: а) ускоряющая структура - ускоритель, б) СВЧ-питание ускорителей, в) вакуумное оборудование ускорителей и г) оборудование для охлаждения и термостабилизации. При СВЧ-питании двух ускорителей от одной общей системы (с одним СВЧ-генератором) помимо обычной фазовой автоподстройки частоты генератора на резонансную частоту, например первого ускорителя, приходится применять отдельную систему подстройки резонансной частоты второго ускорителя к частоте СВЧ-генератора и, соответственно, резонансной частоте первого ускорителя. Одним из способов такой подстройки может быть управляемый нагрев и охлаждение второй ускоряющей секции [1]. Кроме этого, в системе СВЧ-питания необходимо иметь устройство деления СВЧ-мощности на две нагрузки, например трехдецибельный мост [1]. Такой мост устойчиво работает с хорошим к.п.д. на две согласованные и равные нагрузки, которыми две независимые ускоряющие секции с независимыми системами автоподстройки могут и не являться в переходных режимах, когда их резонансные частоты рассогласованы. К недостаткам известного способа можно отнести также большой размер установки, что особенно отрицательно сказывается в случаях применения вокруг ускорителей местной радиационной защиты для ослабления неиспользуемого ионизирующего излучения.
Способ-прототип.
Наиболее близким по существу к предлагаемому в заявке способу и принятому за прототип является способ [2], в котором электроны одного и того же пучка, инжектируемые из инжектора с кольцевым катодом, дважды проходят один и тот же ускоритель в прямом и обратном (встречном) направлениях, получая двойное или близкое к этому приращение к энергии инжекции, и выводятся через центральное отверстие в катоде и инжекторе на выходной объект. Для пояснения осуществления способа-прототипа на фиг.2 приведена из [1] блок-схема установки для его реализации
Способ-прототип реализуется следующим образом. Электроны пучка (1) непрерывно эмитируют в инжекторе (2) и ускоряют там же до потенциала инжекции, транспортируя их через зазор с приложенным импульсным высоковольтным напряжением от блока питания инжектора. Далее частицы этого пучка транспортируют в первую ячейку или резонатор группирующей части ускорителя (3), которая может состоять из одной, двух и более ячеек или резонаторов и которая обеспечивает группирующий эффект в направлении транспортировки инжектированного пучка, т.е. в направлении от группирующей (3) к ускоряющей (4) части ускорителя. Одновременно с инжекцией пучка из инжектора (2) в группирующей (3) и ускоряющей (4) частях ускорителя, связанных в рассматриваемом случае внутренней электромагнитной (волноводной) связью, от импульсной системы СВЧ-питания резонаторов (9) возбуждают общую стоячую электромагнитную СВЧ-волну.
Транспортируя непрерывный пучок, поступающий из инжектора, через группирующую часть ячеек/резонаторов (3), воздействием электромагнитного поля возбужденной волны непрерывный пучок группируют в последовательность электронных сгустков. Одновременно ускоряют содержащиеся в сгустках электроны, изменяя их продольную скорость от начальной скорости, соответствующей потенциалу инжекции, до скорости, близкой к скорости света, обеспечивая тем самым захват этих частиц в режим ускорения в ускоряющей части ускорителя (4) для дальнейшего увеличения энергии электронов. При обычно применяемом напряжении инжекции 40-50 киловольт начальная скорость электронов составляет около 1×108 метров в секунду, что соответствует β = v/c = 0.3, где v - скорость электронов и с - скорость света в вакууме. На выходе группирующей части (3) электроны в сгустках имеют ρ, равную примерно 0.9, что соответствует скорости около 2.7×108 м/с, а энергию γ = Е/m0с2 = (1- β2)-1/2 = 2.2 - 2.3, где m0 - энергия покоя электрона, Е - полная энергия ускоренных электронов. Транспортируя сгустки электронов, захваченные в режим ускорения, через ускоряющую часть ускорителя (4), воздействием электромагнитного поля возбужденной волны электроны ускоряют далее, увеличивая их энергию до нескольких мегаэлектронвольт, например до 5.11 МэВ, что соответствует γ = Е/m0с2 = (1- β2)-1/2 =10 на правом промежуточном выходе ускорителя и вводят в магнитное зеркало (5). Транспортируя однократно ускоренный пучок (6) в поперечном магнитном поле, сформированном в зазоре магнитного зеркала, его поворачивают в серединной плоскости магнита на интегральный угол в 180°, совмещая точку выхода пучка (6) из магнитного зеркала с точкой его входа в магнитное зеркало. В результате такой транспортировки в зазоре магнитного зеркала (5) электронные сгустки однократно ускоренного пучка (6) заставляют двигаться по петлеобразным траекториям, размеры которых определяются энергией электронов в сгустке и величиной поперечного магнитного поля в зазоре. Этими же параметрами магнитного зеркала (5) и пучка (6) определяется время, проведенное электронами в зазоре от момента входа до момента выхода, и, следовательно, фаза влета пучка (6) в последнюю ячейку/резонатор ускоряющей части ускорителя для повторного их ускорения при их транспортировке через ускоритель в направлении-противоположном первоначальному направлению. Выбором величины поперечного магнитного поля или каким-либо иным способом обеспечивают такую фазу влета пучка (6) при повторном его входе в ускорительную часть, при которой также обеспечивается захват электронных сгустков пучка (6) в режим ускорения. Поэтому, повторной транспортировкой пучка (6) через ускоряющую часть ускорителя (4) в обратном направлении и воздействием электромагнитного поля возбужденной в ней волны электроны ускоряют далее еще раз, увеличивая их энергию до "удвоенного" значения 9.1 МэВ, что соответствует γ ˜ 18 в пучке (7) на выходе из ускоряющей части ускорителя. Далее, при транспортировке дважды ускоренного пучка (7) через группирующую часть ускорителя (3) в направлении, противоположном группирующему эффекту, осуществляют рассинхронизацию пучка с полем возбужденной в ней электромагнитной волны (у волны β<1, а у пучка (7) β=1). То есть электронные сгустки пучка (7) выводят из захвата режима ускорения, в результате чего конечное значение энергии и ее спектр у электронов пучка на выходе ускорителя на облучаемом объекте (8) существенно не отличается от их значений на выходе из ускоряющей части ускорителя (4). Вывод ускоренного пучка на объект осуществляют сквозь центральное отверстие в катоде и инжекторе.
Способ-прототип имеет тот недостаток, что позволяет сформировать на выходе ускорителя только один пучок ускоренных электронов и не решает задачи двухстороннего облучения при стерилизации или двухпроекционной интроскопии. Эти недостатки устранены в предлагаемом способе.
Раскрытие изобретения.
Способ по п.1, состоит в том, что одновременно инжектируют навстречу друг другу два независимых электронных пучка двумя инжекторами с кольцевыми катодами, расположенными на одной оси с ускорителем перед ним и после него, после чего эти непрерывные пучки одновременно транспортируют навстречу друг другу через две группирующие части ускорителя в соответствии с направлениями их группирующих эффектов, которые расположены на общей оси ускорителя между левым инжектором и ускоряющей частью ускорителя и между правым инжектором и ускоряющей частью ускорителя соответственно и в которых одновременно с этим пучки группируют в две последовательности электронных сгустков воздействием электромагнитной волны, возбужденной в группирующих частях, после чего эти последовательности сгруппированных электронных сгустков одновременно транспортируют навстречу друг другу сквозь ускоряющую часть ускорителя, в которых электроны этих пучков ускоряют воздействием электромагнитной волны, возбужденной в ней, и далее ускоренные последовательности электронных сгустков одновременно транспортируют через правую или левую соответственно группирующие части ускорителя против направления их группирующего эффекта, после чего ускоренные пучки одновременно выводят из ускорителя на два объекта через центральные отверстия в инжекторах, при этом в ускоряющей и группирующих частях ускорителя, взаимосвязанных между собой внешними или внутренними электромагнитными волноведущими связями или каким-либо иным способом, возбуждают общую стоячую электромагнитную волну с некоторым опережением, одновременно или некоторым запаздыванием по отношению к моменту инжекции двух пучков в двух инжекторах.
Способ по п.2 состоит в том, что инжектируют пучки двумя обычными инжекторами со сплошными катодами, оси которых смещены относительно оси ускорителя на углы (например, от +/-30° до +/-150°), обеспечивающие вывод на объекты ускоренных пучков, выходящих из ускорителя, далее одновременно транспортируют эти пучки сквозь зазоры двух поворотных магнитов с поперечным магнитным полем, которые расположены на пересечении осей инжекторов с осью ускорителя до (левый магнит) и после (правый магнит) ускорителя, воздействием магнитного поля поворачивают направления распространения электронов этих пучков в серединной плоскости магнитов на углы смещения осей инжекторов и вводят на ось ускорителя непрерывные пучки, выходящие из инжекторов, после чего эти непрерывные пучки одновременно транспортируют навстречу друг другу через две группирующие части ускорителя в соответствии с направлениями их группирующих эффектов, которые расположены на общей оси ускорителя между левым магнитом и ускоряющей частью ускорителя и между правым магнитом и ускоряющей частью ускорителя соответственно и в которых одновременно с этим пучки группируют в две последовательности электронных сгустков воздействием электромагнитной волны, возбужденной в группирующих частях, после чего эти последовательности сгруппированных электронных сгустков одновременно транспортируют навстречу друг другу сквозь ускоряющую часть ускорителя, в которой электроны этих пучков ускоряют воздействием электромагнитной волны, возбужденной в ней, и далее ускоренные последовательности электронных сгустков одновременно транспортируют через правую или левую соответственно группирующие части ускорителя против направления их группирующего эффекта, после чего ускоренные пучки одновременно транспортируют через зазоры правого или левого соответственно магнитов вдоль оси ускорителя и одновременно выводят из ускорителя на объекты, при этом в ускоряющей и группирующих частях ускорителя, взаимосвязанных между собой внешними или внутренними электромагнитными волноведущими связями или каким-либо иным способом, возбуждают общую стоячую электромагнитную волну с некоторым опережением, одновременно или некоторым запаздыванием по отношению к моменту инжекции двух пучков в двух инжекторах.
Способ по п.3 состоит в том, что инжектируют пучки двумя обычными инжекторами со сплошными катодами, оси которых смещены относительно оси ускорителя на углы (например, от +/-30° до +/150°), обеспечивающие вывод на объекты ускоренных пучков, выходящих из ускорителя, а вышедшие из инжекторов непрерывные пучки одновременно транспортируют сквозь две группирующие части, смещенные с оси ускоряющей части ускорителя на оси инжекторов, в которых одновременно с этим пучки группируют в две последовательности электронных сгустков воздействием электромагнитных волн, возбужденных в группирующих частях, и вышедшие из группирующих частей последовательности электронных сгустков одновременно транспортируют сквозь зазоры поворотных магнитов, расположенных на пересечении осей группирующих частей с осью ускоряющей части до (левый магнит) и после (правый магнит) ускоряющей части ускорителя, воздействием магнитного поля поворачивают направления распространения электронов этих сгустков в серединной плоскости магнитов на углы смещения инжекторов и группирующих частей ускорителя и вводят на ось ускоряющей части и далее вводят в нее одновременно электроны двух пучков с противоположных ее концов и по встречным направлениям, после чего эти сгруппированные последовательности электронных сгустков одновременно транспортируют навстречу друг другу сквозь ускоряющую часть ускорителя, в которой электроны этих пучков одновременно ускоряют воздействием электромагнитной волны, возбужденной в ней, после чего ускоренные пучки одновременно транспортируют через зазоры правого и левого соответственно магнитов вдоль оси ускоряющей части ускорителя и одновременно выводят из ускорителя на объекты, при этом в группирующих частях возбуждают стоячие электромагнитные волны либо от независимых СВЧ-генераторов, либо через направленные ответвители от общего СВЧ-генератора, питающего и ускоряющую часть ускорителя, либо от ускоряющей части ускорителя с помощью внешних электромагнитных волноведущих связей, а фазосдвигающими устройствами на СВЧ-входах ускоряющей и группирующих частей ускорителя одновременно синхронизируют электромагнитные колебания в обеих группирующих частях со стоячей волной в ускоряющей части и создают захват сгустков обоих пучков в режим одновременного ускорения в ускоряющей части ускорителя с учетом времяпролетных явлений транспортировки в группирующих частях ускорителя и поворотных магнитах.
Способ по п.4 состоит в том, что инжектируют пучки двумя обычными инжекторами со сплошными катодами, оси которых смещены относительно оси ускорителя на углы (например, от +/-30° до +/150°), обеспечивающие вывод на объекты ускоренных пучков, выходящих из ускорителя, а вышедшие из инжекторов непрерывные пучки одновременно транспортируют сквозь две группирующие части, смещенные с оси ускоряющей части ускорителя на оси инжекторов, в которых одновременно с этим пучки группируют в две последовательности электронных сгустков воздействием электромагнитных волн, возбужденных в группирующих частях, и вышедшие из группирующих частей последовательности электронных сгустков одновременно транспортируют сквозь зазоры поворотных магнитов, расположенных на пересечении осей группирующих частей с осью ускоряющей части до (левый магнит) и после (правый магнит) ускоряющей части ускорителя, воздействием магнитного поля поворачивают направления распространения электронов этих сгустков в серединной плоскости магнитов на углы смещения инжекторов и группирующих частей ускорителя и вводят на ось ускоряющей части, далее вводят в нее одновременно электроны двух пучков с противоположных ее концов и по встречным направлениям, после чего эти сгруппированные последовательности электронных сгустков одновременно транспортируют навстречу друг другу сквозь ускоряющую часть ускорителя, в которой электроны этих пучков одновременно ускоряют воздействием электромагнитной волны, возбужденной в ней, после чего ускоренные пучки одновременно транспортируют через зазоры правого и левого соответственно магнитов вдоль оси ускоряющей части ускорителя и одновременно выводят из ускорителя на объекты, при этом в группирующих частях возбуждают бегущие электромагнитные волны либо от независимых СВЧ-генераторов, либо через направленные ответвители от общего СВЧ-генератора, питающего и ускоряющую часть ускорителя, либо от ускоряющей части с помощью внешних электромагнитных связей, а фазосдвигающими устройствами на СВЧ-входах ускоряющей и группирующих частей ускорителя одновременно синхронизируют электромагнитные колебания в обеих группирующих частях со стоячей волной в ускоряющей части и создают захват сгустков обоих пучков в режим одновременного ускорения в ускоряющей части ускорителя с учетом времяпролетных явлений транспортировки в группирующих частях ускорителя и поворотных магнитах.
Способ по п.5 состоит в том, что операции инжекции двух пучков, их группирования и ускорения осуществляют как в импульсном, так и в непрерывном режиме работы.
Способ по п.6 состоит в том, что операции инжекции, группирования и ускорения двух пучков осуществляют раздельно во времени сначала над одним, а затем над другим пучком.
Способ по п.7 состоит в том, что операции транспортировки и ускорения двух пучков осуществляют в ускоряющей части ускорителя, состоящей из двух или более ускоряющих секций
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 приведена структурная схема установки для реализации способа-аналога, которая состоит из следующих элементов:
| инжектор №1 с блоком его высоковольтного питания | 1 |
| группирующая часть (β< 1) ускорителя № 1 | 2 |
| ускоряющая часть (β= 1) ускорителя № 1 | 3 |
| система СВЧ-питания ускорителя №1 | 4 |
| система транспортировки до объекта ускоренного пучка № 1 | 5 |
| система вакуумной откачки ускорителя №1 | 6 |
| система вакуумной откачки ускорителя №2 | 7 |
| система транспортировки до объекта ускоренного пучка №2 | 8 |
| система СВЧ-питания ускорителя №2 | 9 |
| ускоряющая часть (β=1) ускорителя №2 | 10 |
| группирующая часть (β<1) ускорителя №2 | 11 |
| инжектор №2 с блоком его высоковольтного питания | 12 |
| местная защита, окружающая ускорители №1 и №2 | 13 |
На фиг.2 приведена из блок-схема установки для реализации способа-прототипа, которая состоит из следующих элементов:
| Пучок электронов (непрерывный) | 1 |
| Инжектор с кольцевым катодом | 2 |
| Группирующая часть ускорителя(β<1) | 3 |
| Ускоряющая часть ускорителя (β=1) | 4 |
| Магнитное зеркало | 5 |
| Возвращаемый однократно ускоренный пучок | 6 |
| Выходной дважды ускоренный пучок | 7 |
| Объект облучения | 8 |
| Система СВЧ-питания ускорителя | 9 |
| Вакуумная система | 10 |
На фиг.3 приведена структурная схема установки для реализации предлагаемого способа по п. 1 формулы, которая состоит из следующих элементов:
| первый пучок электронов (непрерывный) | 1 |
| кольцевой инжектор №1 с блоком его питания | 2 |
| группирующая часть №1 ускорителя | 3 |
| ускоряющая часть ускорителя (одна или несколько секций) | 4 |
| группирующая часть №2 ускорителя | 5 |
| кольцевой инжектор №2 с блоком его питания | 6 |
| второй пучок электронов (непрерывный) | 7 |
| система транспортировки ускоренного пучка №1 до объекта | 8 |
| система транспортировки ускоренного пучка №2 до объекта | 9 |
| система СВЧ-питания ускорителя | 10 |
| система вакуумной откачки ускорителя | 11 |
| местная защита, окружающая ускоритель | 12 |
На фиг.4 приведена блок-схема устройства для его осуществления
предлагаемого способа по п. 2 формулы, которая содержит:
| первый пучок электронов (непрерывный) | 1 |
| инжектор №1 со сплошным катодом и блоком питания | 2 |
| поворотный магнит системы смещения инжектора №1 | 3 |
| группирующая часть №1 ускорителя | 4 |
| ускоряющая часть ускорителя (одна или несколько секций) | 5 |
| группирующая часть №2 ускорителя | 6 |
| поворотный магнит системы смещения инжектора №2 | 7 |
| инжектор №2 со сплошным катодом и блоком питания | 8 |
| второй пучок электронов (непрерывный) | 9 |
| система транспортировки ускоренного пучка №1 до объекта | 10 |
| система транспортировки ускоренного пучка №2 до объекта | 11 |
| система СВЧ-питания ускорителя | 12 |
| система вакуумной откачки ускорителя | 13 |
| система магнитной фокусировки | 14 |
| местная защита, окружающая ускоритель | 15 |
На фиг.5 приведена блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа по п.3 формулы, которая содержит:
| первый пучок электронов (непрерывный) | 1 |
| инжектор №1 со сплошным катодом и блоком питания | 2 |
| поворотный магнит системы смещения №1 | 3 |
| группирующая часть №1 ускорителя | 4 |
| ускоряющая часть ускорителя (одна или несколько секций) | 5 |
| группирующая часть №2 ускорителя | 6 |
| поворотный магнит системы смещения №2 | 7 |
| инжектор №2 со сплошным катодом и блоком питания | 8 |
| второй пучок электронов (непрерывный) | 9 |
| система транспортировки ускоренного пучка №1 до объекта | 10 |
| система транспортировки ускоренного пучка №2 до объекта | 11 |
| единый СВЧ-генератор питания ускорителя | 12 |
| направленные ответвители | 13 |
| фазосдвигающие элементы | 14 |
| независимые СВЧ-генераторы (не показаны) | 15 |
| система вакуумной откачки ускорителя | 16 |
| система магнитной фокусировки (не показана) | 17 |
| местная защита, окружающая ускоритель | 18 |
Осуществление предлагаемого способа.
Для пояснения осуществления предлагаемого способа на фиг.3 приведена структурная схема установки. Предлагаемый способ ускорения двух электронных пучков на одном ускорителе осуществляют следующим образом.
Одновременно электроны первого пучка (1) непрерывно эмитируют в инжекторе (2) с кольцевым катодом и ускоряют там же до потенциала инжекции, транспортируя их через зазор с приложенным импульсным высоковольтным напряжением от его блока питания, а электроны второго пучка (7) непрерывно эмитируют во втором инжекторе (6) с кольцевым катодом и ускоряют там же до потенциала инжекции, транспортируя их через зазор с приложенным импульсным напряжением от второго блока питания.
Инжекторы (2) и (6) расположены на общей оси с ускорителем, причем инжектор (2) расположен до ускорителя и инжектирует электронный пучок в направлении к ускорителю, а инжектор (6) расположен после ускорителя и инжектирует свой электронный пучок также в сторону ускорителя, т.е. в направлении, противоположном направлению инжекции инжектора (2).
Далее одновременно электроны первого пучка (1) из инжектора (2) транспортируют через первую группирующую часть ускорителя (3), расположенную между инжектором (2) и ускоряющей частью (4) ускорителя на общей оси, в направлении ее группирующего эффекта, а электроны второго пучка (7) из инжектора (6) транспортируют через вторую группирующую часть ускорителя (5), расположенную между инжектором (6) и ускоряющей частью (4) ускорителя на той же оси, в направлении ее группирующего эффекта, т.е. в направлении, противоположном направлению группирующего эффекта части (3) ускорителя, и совпадающем с направлением инжекции инжектора (6). Причем каждая из группирующих частей (3) и (5) выполнена в виде нескольких резонаторов, например, входящих в бипериодическую замедляющую систему ускорителя из связанных резонаторов, или в виде нескольких ячеек неоднородного круглого диафрагмированного волновода с переменной фазовой скоростью β<1, связанных с ускоряющей частью ускорителя и с генератором, например внешними или внутренними, электромагнитными волноведущими связями, обеспечивающими в них и ускоряющей части ускорителя стоячую электромагнитную волну, а ускоряющая часть (4) ускорителя также выполнена в виде цепочки связанных резонаторов или в виде отрезка однородного круглого диафрагмированного волновода с постоянной фазовой скоростью β=1 [3].
Одновременно с инжекцией пучков (1) и (7) в инжекторах (2) и (6), в связанных группирующих (3) и (5) и ускоряющей (4) частях ускорителя от импульсной системы СВЧ-питания (10) возбуждают общую для всех частей ускорителя стоячую электромагнитную волну СВЧ-колебаний. Транспортируя одновременно непрерывные пучки (1) и (7) навстречу друг другу в группирующих частях ускорителя (3) и (5), их группируют в две последовательности электронных сгустков воздействием стоячей электромагнитной волны в группирующих частях ускорителя. После этого эти две последовательности электронных сгустков одновременно транспортируют навстречу друг другу через ускоряющую часть ускорителя (4), в которой увеличивают энергию электронов в обеих последовательностях сгустков воздействием стоячей электромагнитной волны в ускоряющей части ускорителя.
Далее ускоренную последовательность сгустков пучка (1) и ускоренную последовательность сгустков пучка (7), вышедшие из ускоряющей части (4) с противоположных ее концов после ускорения, одновременно транспортируют соответственно через группирующую часть (5) и (3) против направлений их группирующих эффектов, а далее транспортируют сквозь центральное отверстие инжекторов (6) и (1) соответственно в систему (8) и (9) транспортировки пучков на объект или объекты.
В зависимости от конкретных значений параметров по току электронов в обоих пучках, энергии электронов на выходе ускорителя, электрической прочности группирующих, ускоряющих частей ускорителя и подводящей волноводной системы, на которые ускоритель рассчитывается, возможны альтернативные варианты осуществления предлагаемого способа, состоящие в том, что с целью ускорения двух пучков электронов в одном линейном резонансном ускорителе и одновременного уменьшения перенапряжений, возникающих в подводящей волноводной системе из-за несогласованности ускорителя как нагрузки генератора при отсутствии электронов в ускорителе, возбуждение стоячей волны в ускорителе осуществляют с некоторой задержкой по отношению к моменту инжекции электронов в ускоритель. Или, при наличии некоторого запаса по электрической прочности, с целью ускорения двух пучков электронов в одном линейном резонансном ускорителе и одновременного уменьшения времени заполнения структуры ускорителя СВЧ-мощностью, возбуждение стоячей волны в ускорителе осуществляют с некоторым опережением по отношению к моменту инжекции электронов в ускоритель.
Для пояснения предлагаемого способа по п.2 на фиг.4 приведена блок-схема устройства для его осуществления. Предлагаемый способ ускорения двух электронных пучков на одном ускорителе осуществляют следующим образом.
Одновременно электроны первого пучка (1) непрерывно эмитируют в инжекторе (2) со сплошным катодом и ускоряют там же до потенциала инжекции, транспортируя их через зазор с приложенным импульсным высоковольтным напряжением от его блока питания, а электроны второго пучка (9) непрерывно эмитируют во втором инжекторе (8) со сплошным катодом и ускоряют там же до потенциала инжекции, транспортируя их через зазор с приложенным импульсным напряжением от второго блока питания. Причем инжекторы (2) и (8) смешены с общей оси ускорителя на некоторые углы, например от +/-30° до +/- 150°, обеспечивающие транспортировку выходных ускоренных пучков электронов на объекты, а на пересечении осей инжекторов с осью ускорителя до него (инжектор (2)) и после него (инжектор (8)) расположены поворотные магниты систем смещения инжекторов (3) и (7) соответственно. Далее одновременно частицы первого пучка транспортируют на вход поворотного магнита (3) системы смещения инжектора №1, а частицы второго пучка - на вход поворотного магнита (7).
Транспортируя далее пучок (1) через зазор между полюсами магнита, воздействием магнитного поля создаваемого в этом зазоре магнитом системы (3), электроны пучка (1) поворачивают в серединной плоскости магнита на угол смещения инжектора (2) с оси ускорителя и выводят, тем самым, эти электроны на общую ось группирующих и ускоряющей частей ускорителя, а именно на вход первой ячейки/резонатора группирующей части №1 ускорителя (4). И одновременно, транспортируя пучок (9) через зазор между полюсами магнита (7), воздействием магнитного поля создаваемого в зазоре магнитом, электроны пучка (9) поворачивают в серединной плоскости этого магнита на угол смещения инжектора (8) с оси ускорителя и выводят, тем самым, эти электроны также на ось группирующих и ускоряющей частей ускорителя, но с другой стороны и в противоположном направлении, а именно на вход первой ячейки/резонатора группирующей части №2 ускорителя (6).
Одновременно с инжекцией пучков (1) и (9) в связанных группирующих (4) и (6) и ускоряющей (5) частях ускорителя от импульсной системы СВЧ-питания (12) возбуждают стоячую электромагнитную волну СВЧ-колебаний. Транспортируя непрерывный пучок (1), поступающий из магнита системы (3), через группирующую часть №1 ускорителя (4), воздействием электромагнитного поля возбужденной волны его группируют в последовательность электронных сгустков и одновременно ускоряют содержащиеся в этих сгустках электроны, изменяя их продольную скорость от начальной скорости, соответствующей потенциалу инжекции, до скорости, близкой к скорости света, обеспечивая тем самым захват этих частиц в режим ускорения в ускоряющей части ускорителя (5) для дальнейшего увеличения энергии электронов первого пучка. В то же время, транспортируя непрерывный пучок (9), поступающий из магнита системы (7), через группирующую часть №2 ускорителя (6), воздействием электромагнитного поля возбужденной волны его также группируют в последовательность электронных сгустков и одновременно ускоряют содержащиеся в этих сгустках электроны, изменяя их продольную скорость от начальной скорости, соответствующей потенциалу инжекции, до скорости, близкой к скорости света, обеспечивая тем самым захват этих частиц также в режим ускорения ускоряющей части ускорителя (5) для дальнейшего увеличения энергии электронов второго пучка. Транспортируя одновременно в противоположных направлениях через ускоряющую часть ускорителя (5) сгустки электронов первого и второго пучков, попавшие в режимы ускорения, воздействием электромагнитного поля возбужденной волны ускоряют далее, увеличивая их энергию до нескольких мегаэлектронвольт.
Далее сгустки ускоренных электронов пучка (1), прошедшие ускоряющую часть ускорителя (5) в прямом направлении (слева направо), транспортируют сквозь группирующую часть (6) ускорителя в точку выхода электронов второго инжектируемого пучка (9) из зазора поворотного магнита системы смещения (7), а сгустки ускоренных электронов пучка (9), прошедших ускоряющую часть ускорителя (5) в противоположном направлении (справа налево), одновременно транспортируют сквозь часть ускорителя (4) в точку выхода электронов первого инжектируемого пучка (1) из зазора поворотного магнита системы смещения (3).
После этого электроны ускоренного пучка (1) транспортируют сквозь зазор магнита системы (7) в направлении, противоположном направлению выхода из этого магнита электронов непрерывного пучка (9), введенного на ось ускорителя этим же магнитом. При транспортировании ускоренного пучка (1) магнитным полем в зазоре поворотного магнита системы (7) электроны его сгустков отклоняют в серединной плоскости магнита на угол, соответствующий величине магнитного поля в зазоре и выходной энергии электронов пучка (1), выведенных из ускорителя, и смещают тем самым эти электроны с оси ускорителя в сторону, противоположную смещению инжектора (8), вводя их в систему транспортировки пучка №1 до объекта (10). Одновременно электроны ускоренного пучка (9) транспортируют сквозь зазор магнита системы (3) в направлении, противоположном направлению выхода из этого магнита электронов непрерывного пучка (1), введенного на ось ускорителя этим же магнитом. При транспортировании ускоренного пучка (9) магнитным полем в зазоре поворотного магнита системы (3) электроны этого пучка отклоняют в серединной плоскости магнита на угол, соответствующий величине магнитного поля в зазоре и выходной энергии электронов пучка (9), выведенных из ускорителя, и смещают тем самым эти электроны с оси ускорителя в сторону, противоположную смещению инжектора (2), вводя их в систему транспортировки пучка №2 до объекта (11).
Для пояснения предлагаемого способа по п.3 на фиг.5 приведена блок-схема устройства для его осуществления. Предлагаемый способ ускорения двух электронных пучков на одном ускорителе осуществляют следующим образом
Одновременно электроны первого пучка (1) непрерывно эмитируют в инжекторе (2) со сплошным катодом и ускоряют там же до потенциала инжекции, транспортируя их через зазор с приложенным импульсным высоковольтным напряжением от его блока питания, а электроны второго пучка (9) непрерывно эмитируют во втором инжекторе (8) со сплошным катодом и ускоряют там же до потенциала инжекции, транспортируя их через зазор с приложенным импульсным высоковольтным напряжением от второго блока питания. Причем инжекторы (2), (8) и расположенные на их осях соответственно группирующие части ускорителя (4) и (6) смещены с оси ускоряющей части ускорителя (5) на некоторые углы, обеспечивающие транспортировку выходных ускоренных пучков электронов на объекты. А именно, на пересечении общей оси инжектора (2) и группирующей части (4) с осью ускоряющей части (5) до ускоряющей части (5) расположен поворотный магнит системы смещения №1 - (3), а на пересечении общей оси инжектора (8) и группирующей части (6) с осью ускоряющей части (5) после ускоряющей части (5) расположен поворотный магнит системы смещения №2 - (7).
Далее одновременно частицы первого пучка подают на вход группирующей части (4), а частицы второго пучка на вход группирующей части (6) и далее транспортируют их через части ускорителя (4) и (6), группируя одновременно электроны обоих пучков в две последовательности сгустков, которые далее подают на входы поворотных магнитов (3) и (7) соответственно, с помощью которых выводят эти последовательности сгустков на ось ускоряющей части ускорителя (5) с противоположных ее концов и на встречных направлениях для последующей их транспортировки через ускоряющую часть (5) ускорителя и одновременного увеличения энергии электронов обоих пучков. При этом импульс СВЧ-колебаний в частях (4), (5) и (6) ускорителя возбуждают либо от независимых СВЧ-генераторов (15), либо от единого СВЧ-генератора (13) через направленные ответвители (14), а с помощью установленных на СВЧ-входах частей ускорителя фазосдвигающих элементов синхронизируют эти колебания так, чтобы с учетом времяпролетных явлений при группировании и повороте в магнитах обеспечить захват и ускорение электронов обоих пучков в ускоряющей части (5) ускорителя.
Осуществления предлагаемого способа по пп.4, 5, 6 и 7 понятны из перечней существенных признаков их характеризующих в разделе раскрытие сущности изобретения.
1. Способ ускорения двух электронных пучков в одном резонансном ускорителе, включающий инжекцию электронного пучка инжектором с кольцевым катодом, группирование пучка в группирующей части ускорителя с β<1 и ускорение сгруппированного пучка в ускоряющей части ускорителя с β=1, отличающийся тем, что одновременно инжектируют навстречу друг другу два независимых электронных пучка двумя инжекторами с кольцевыми катодами, расположенными на одной оси с ускорителем перед ним и после него, после чего эти непрерывные пучки одновременно транспортируют навстречу друг другу через две группирующие части ускорителя в соответствии с направлениями их группирующих эффектов, которые расположены на общей оси ускорителя между левым инжектором и ускоряющей частью ускорителя и между правым инжектором и ускоряющей частью ускорителя, соответственно, и в которых одновременно с этим пучки группируют в две последовательности электронных сгустков воздействием электромагнитной волны, возбужденной в группирующих частях, после чего эти последовательности сгруппированных электронных сгустков одновременно транспортируют навстречу друг другу сквозь ускоряющую часть ускорителя, в которой электроны этих пучков ускоряют воздействием электромагнитной волны, возбужденной в ней, и далее ускоренные последовательности электронных сгустков одновременно транспортируют через правую или левую, соответственно, группирующие части ускорителя против направления их группирующего эффекта, после чего ускоренные пучки одновременно выводят из ускорителя на два объекта через центральные отверстия в инжекторах, при этом в ускоряющей и группирующих частях ускорителя, связанных между собой и с генератором электромагнитными волноведущими связями, возбуждают общую стоячую электромагнитную волну с некоторым опережением, одновременно или некоторым запаздыванием по отношению к моменту инжекции двух пучков в двух инжекторах.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что инжектируют пучки двумя обычными инжекторами со сплошными катодами, оси которых смещены относительно оси ускорителя на некоторые углы, обеспечивающие вывод на объекты ускоренных пучков, выходящих из ускорителя, далее одновременно транспортируют эти пучки сквозь зазоры двух поворотных магнитов с поперечным магнитным полем, которые расположенны на пересечении осей инжекторов с осью ускорителя до (левый магнит) и после (правый магнит) ускорителя, воздействием магнитного поля одновременно поворачивают направления распространения электронов этих пучков в серединной плоскости магнитов на углы смещения осей инжекторов и вводят на ось ускорителя непрерывные пучки, выходящие из инжекторов, а после одновременного ускорения пучков в ускорителе ускоренные пучки одновременно транспортируют через зазоры правого или левого, соответственно, магнитов вдоль оси ускорителя и одновременно выводят из ускорителя на объекты.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что вышедшие из инжекторов непрерывные пучки одновременно транспортируют сквозь две группирующие части, смещенные с оси ускоряющей части ускорителя на оси инжекторов, в которых одновременно с этим пучки группируют в две последовательности электронных сгустков воздействием электромагнитных волн, возбужденных в группирующих частях, и вышедшие из группирующих частей последовательности электронных сгустков одновременно транспортируют сквозь зазоры поворотных магнитов, расположенных на пересечении осей группирующих частей с осью ускоряющей части до (левый магнит) и после (правый магнит) ускоряющей части ускорителя, воздействием магнитного поля поворачивают направления распространения электронов этих сгустков в серединной плоскости магнитов на углы смещения инжекторов и группирующих частей ускорителя и вводят на ось ускоряющей части, при этом в группирующих частях возбуждают электромагнитные волны либо от независимых СВЧ-генераторов, либо через направленные ответвители от общего СВЧ-генератора, питающего и ускоряющую, часть ускорителя, либо от ускоряющей части ускорителя с помощью внешних электромагнитных волноведущих связей, а фазосдвигающими устройствами на СВЧ-входах ускоряющей и группирующих частей ускорителя одновременно синхронизируют электромагнитные колебания в обеих группирующих частях с волной в ускоряющей части, создавая захват сгустков обоих пучков в режим одновременного ускорения в ускоряющей части ускорителя с учетом времяпролетных явлений транспортировки в группирующих частях ускорителя и поворотных магнитах.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в одной или обеих группирующих частях ускорителя возбуждают бегущие электромагнитные волны в направлениях распространения двух инжектируемых пучков.
5. Способ по пп.1 или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что операции в инжекторах, поворотных магнитах, группирующих и ускоряющей частях ускорителя осуществляют над двумя пучками как в импульсном так и в непрерывном режиме работы.
6. Способ по пп.1 или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что инжектируют, группируют и ускоряют только правый или только левый пучок электронов раздельно во времени в одном ускорителе.
7. Способ по пп.1 или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что операции транспортирования и ускорения двух пучков в одном ускорителе осуществляют в ускоряющей части ускорителя, состоящей из двух или более ускоряющих секций.
