close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

;docx

код для вставкиСкачать
УСКОРЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА РЕЗОНАНСНЫХ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ
I0.II.Bахрушин, В.М.Николаев, А.В.Рябцов, В.Л.Смирнов
Научно-исследовательский институт
электрофизической
аппаратуры им.Д.В.Ефремова
Ленинград,
I8863I
Аннотация
В работе обобщается опытНИИЭΦAпо р а з р а ботке и исследованию ускоряющих структур линейных ускорителей электронов, используемых для решения научных и прикладных з а дач. В частности, сравниваются возможности
структур бегущей и стоячей волны, показана
целесообразность использования высокодисперсных диафрагмированных волноводов. Принятые
вНИИЭΦAконструктивные решения и технология
изготовления ускоряющих структур обеспечивают их эффективную работу в широком диапазоне
ускоренных токов и при высоких темпах ускорения.
при-близитструктурельно в хронологическом порядке. Подавляющее большинство структур наших ЛУЭ я в ляются структурами бегущей волны - круглыми
диафрагмированными волноводами (КДВ). Это
объясняется не только относительной простотой их изготовления, но очень часто именно
КДВ обеспечивают получение оптимальных х а рактеристик ускорителя в целом. Ниже и з л а г а ются общие соображения по применению тех или
иных структур в ЛУЭ и их основные конструктивные особенности.
Сравнение структур бегущей и стоячей
волны
Введение
В линейных высокочастотных ускорителях
электронов, работающих в импульсном режиме,
с успехом используются структуры как бегущей
(БВ), так и стоячей волны (СВ). Результаты
исследований и накопленный опыт эксплуатации ускорителей ЕВ и СВ позволяют сравнить их возможности достаточно обоснованно.
Показано I , что максимально возможный
прирост энергии электронов в оптимальных
структурах СВ и БВ при одинаковой длине
структур и при одинаковой мощности СВЧ-гене-
В работе кратко излагается опыт разработки ускоряющих структур линейных ускорителей
электронов (ЛУЭ), накопленный в НИИЭΦА. Акцент делается на особенностях принятых и проверенных конструктивных решений, которые не
потеряли своей актуальности и в настоящее
время. Общее представление о структурах, к о торые использовались и используются нами при
создании ЛУЭ, дают данные, приведенные в
т а б л . I . Структуры в табл.I расположены
ПАРАМЕТРЫ УСКОРЯЮЩИХ
РАЗРАБОТАННЫХ В
ƒ
ВЫХОА
N*
rrц МΡВт
1
π/2 г.8
2
3
4
Π/2
π/2
π/2 2.8
2,6
2π/з 1.8
2π/3 1,8
6
7
9
10
Р
2π/3
3,2
К. 20
17
π/2
4,4
0,14
Μ.1,β 0,75+1,5 0,12
π/2
M.2 0.4+0.1 0,136
1
0,136
5+4
0,14
0,4
К.16
π/2
3
0.12
K.16
0,106
к.16
8
0,106
π/2
M.1,8 0,25+0,3
0,135...0,095
К.20
4,4
М.9
3,2 М.9
π/2
Εo
0,711
5+l,65
12
π/2
π/2
43
55
71
71
43
55
47
47
60
62
0,8+1,7
011+0,092765
π/2
13
М.9 0,8+1,7 0.11+0.0927 65
3,2
π/2
14
65
3,2
М.5 0,2+0,5
0,0927
15
72
M.5 0,2+0,5
0.0725
3,1
π/2
16
0,136
К. 20
49
К.5 0,25+0,8
0.074
62
2,45
π/2
18
К.5 0.15+1.45 75
π
+1,65 0,082
60
2.45 К.5 0.2519
ΤΤΒ
СТРУКТУР ЛУЭ,
НИИЭФА
R
W/l
(L O)
a/λ
AAH НАЗНАЧЕНИЕ
МОДЕΛЬ УСКОРИТЕΛЯ,
ΛУЭ-2ГзВ, ЛУЭ-360, ΛУЭ-508
ΤΤΒ
1.9
лад-25
M
2,9
2,8
ΤΤΒ*ΛУЭ-5
Μ,Ρ
6
ΛУЭ-10-1
3
ΤΤΒ*
6
ΤΤΒ
ΛУЭ-10-1
9
6.6 1,0 ΤΤΒ*
ΛУЭ-40
ΛУЭ-40
12
1.8 ΤΤΒ*
0,5
+ ΛУЭ-15-10
0,9
ΤΤΒ*
,Ρ
7,5 ΤΤΒ
,Ρ
ΛУЭ-15-10
7.5
Μ
ОПЫТНЫЙ ОБРАЗЕЦ0,1
ΤΤΒ*
12 1,7 2,8
61
2,8
12
2,3 ΤΤΒ*
5,4 Ρ
ΛУЭ-8-5, ΛУЭ-8-5М, ΛУЭ-8-5B
2,3 ΤΤΒ*
Α
ЛУЭ-8-5 А
ΛУЭ-1515
О
О
О
Д
Д
8,8 1.7 ДАИ Μ
ΛУЭ-15М, ΛУЭ-15М1, ΛУЭ-15МЭ
+
Α
ΤΤΒ*
ΛУЭ-5A,ΛУЭ-22А
(с цигкмяцмй)
M
ΛУЭ-5-500
Д
12
ДАИ Д
17
ΛУЭ-8-2000
д
Д
1,3 ДАИ 10
+
ΤΤΒ
ΛУЭ-120
ИЦ
1,7 2,8
11 Д
ДАИ ΛУЭВ-10-5000 д
1,32,45
Μ
12,5 3,8
ΛУЭР-40 М,ΛУЭР-20М
ΛУЭВ-15-10000 д
Д
9,7
1.5 ДАИ
УСЛОВНЫЕ . К-КАИСТРОН, Μ-ΜΛΓΗΕΤΡΟΝ,L.-ДΛΗΗΛ ГМПИИРЯШЦЕГО УЧАСТКА стрятры.-L.-ДΛИНА, ОСНОВНОГО УЧАСТКА СТРИКТУРЫ С
ЭЛЕКТРОНОВ ПРИ ТОКЕ
-МАКСИМАЛЬНАЯ НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭΛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ПОВЕРХНОСТИ, Е.АМПЛИТУДА 9СКОРНЯОМЕГО ПОЛЯ, ДΑΝ-ДИАФРАГМИРОВАННАЯ АЛЬСИФЕРОВАЯ ИАГРМКА.ТТВ'-ТРАИСФОРМАТОР ТИПΛ ВОАИЫ СЕГмНОИ КОНСТРУКЦИИ,
Φ-ФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ,М-МЕДИЦИИЛ, Р-РАДИАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, Д-ДЕФЕКТОСКОПИЯ, A-АКТИВАЦИОННЫИ АНАЛИЗ.
+,-
+
+
1
+
ΛУЭ-2
+ ГзВ
+
2
+
р а т о р а с учетом реальных схем СВЧ-питания
(наличия иди о т с у т с т в и я развязывающих у с т р о й с т в ) о к а з ы в а е т с я сравнимым при любых з н а чениях т о к о в . Под оптимальной структурой
п о д р а з у м е в а е т с я с т р у к т у р а , обеспечивающая
максимальный прирост энергии ускоренных
электронов при заданных мощности СВЧ-питан и я , длине структуры и величине т о к а ч а с т и ц .
Для р е а л и з а ц и и оптимальной структуры
стоячей волны д о с т а т о ч н о обеспечить оптимальное д л я з а д а н н о г о т о к а значение коэффициента
с в я з и с волноводным трактом. Для т о к о в , п р а к тически применяемых в ускорителях стоячей
волны, з д е с ь трудностей н е т . Оптимальная же
с т р у к т у р а бегущей волны в слаботочном режиме
(менее Ο,ΙΑ в импульсе) должна быть высокодисперсной и может быть р е а л и з о в а н а при д л и не структуры около одного м е т р а и б о л е е .
Именно поэтому структуры CB имеют преимуществ о при малых длинах и небольшом т о к е у с к о р е н н о г о п у ч к а . Примером являются широко р а с п р о страненные медицинские ускорители стоячей в о л ны н а энергию 4 - 6 МэВ с "прямым" пучком. Другим примером, к о г д а предпочтительнее и с п о л ь з о в а т ь структуру СВ, являются ускорители с
циркуляцией электронного п у ч к а . Способность
структуры СВ у с к о р я т ь электроны к а к в прямом,
т а к и в обратном направлениях п о з в о л я е т у п р о с т и т ь конструкцию т р а к т а в о з в р а т а п у ч к а . Т а к а я схема у с к о р и т е л я п р и н я т а н а ш д л я т е р а п е в т и ч е с к о г о у с к о р и т е л я ЛУЭР-40М ( с м . т а б л . I ,
п . I 8 ) . В к а ч е с т в е структуры СВ и с п о л ь з о в а н а
с т р у к т у р а с внутренними ячейками с в я з и . Она
о б е с п е ч и в а е т параметры ускоренного п у ч к а ,
п р а к т и ч е с к и мало отличающиеся от параметров
д л я с т р у к т у р с внешними ячейками с в я з и и с
шайбами и диафрагмами 2 . С другой стороны,
с т р у к т у р а с внутренними ячейками с в я з и имеет
меньшие поперечные размеры, она проще в и з готовлении и технологически имеет много о б щего с изготовлением с т р у к т у р бегущей волны
ВДВ.
частьструктурой
с постоянным импедансом. Преимущество такой структуры п е р е д структурой с
постоянным импедансом н е в е л и к о , прирост э н е р гии н а длине структуры порядка 2 м и при р а в ных ускоряемых т о к а х о т л и ч а е т с я в с е г о на н е сколько процентов. Указанные соображения п о служили основанием д л я применения в п о с л е д них моделях с т р у к т у р с постоянным импедансом, значительно более простых и дешевых в
изготовлении.
Обрыв имцульса т о к а
Выбор типа колебаний и х а р а к т е р а и з м е н е ния геометрии диафрагмированного волновода
мы, к а к п р а в и л о , н е связываем с "обрывом имп у л ь с а т о к а " . Многолетняя п р а к т и к а у б е д и тельно п о к а з а л а , что предложенная в НЙИЭФА
4 конструкция ВДВ с радиальными р а з р е з а м и
диафрагм снимает проблему обрыва импульса
т о к а , по крайней мере д л я машин с малым
числом ускоряющих секций. З д е с ь х о т е л о с ь бы
отметить лишь один момент: наша конструкция
( с м . р и с . I а ) , х о т я внешне лишь н е з н а ч и т е л ь н о
о т л и ч а е т с я от предложенной Νunan [5] ( с м . р и с .
Iб), но п о д а в л я е т аксиально-несимметричную
волну
EHII
н а несколько порядков с и л ь н е е .
Заметим, что дает малых компактных ЛУЭ,
применяемых в медицине и дефектоскопии, высокий темп ускорения можно д о с т и ч ь с помощью р е з о н а т о р а бегущей волны 3 (PБB). Однако п р а к т и ч е с к а я р е а л и з а ц и я т а к о г о у с к о р и т е л я ( с м . т а б л . I , п . 9) п о к а з а л а ,
что
дополнительные трудности, связанные с н а л и чием волноводного к о л ь ц а обратной с в я з и , в р я д
ли можно с ч и т а т ь оправданными. По этой п р и чине в серийных машинах PБВ мы не и с п о л ь з о вали.
Сравнение СТРУКТУР ЕВ о достоянным
импедансом и постоянным градиентом
Как видно и з т а б л . I , нами используются
структуры к а к с постоянным импедансом, так
и с постоянным градиентом. Эффективность
этих с т р у к т у р обычно с р а в н и в а е т с я д л я равных
значении суммарного з а т у х а н и я СВЧ-мощности
н а длине структуры - п а р а м е т р а τ. И з в е с т н о ,
что с т р у к т у р а с постоянным градиентом при
больших τ н е с к о л ь к о эффективнее. Однако д е тальные расчеты с т р у к т у р конкретных ЛУЭ п о к а з а л и , что структуры с постоянным г р а д и е н том при ограниченной длине l (высокий т е ш
ускорения) оказываются нереализуемыми и з - з а
малости п а р а м е т р а α/λ в конечных я ч е й к а х .
В этих случаях оправданы комбинированные у с коряющие структуры, к о г д а н а ч а л ь н а я ч а с т ь
я в л я е т с я структурой с постоянным (или к в а з и постоянным) градиентом, а к о н е ч н а я
Р и с . I . Конструкция диафрагмированного волновода
а)
НИИЭΦA
[4],
б)Nunan
[5].
Первоначальные опасения о понижении э л е к т р и ческой прочности КДВ не о п р а в д а л и с ь , в о в с я ком случае при темпах у с к о р е н и я , и с п о л ь з у е мых в ЛУЭ ( с м , т а б л . I ) . Эффективность и с п о л ь з о в а н и я ВДВ с радиальными р а з р е з а м и в многосекционных ЛУЭ убедительно п о к а з а л опыт
ХФТИ ( г . Х а р ь к о в ) . После в в е д е н и я радиальных
разрезов в перше I4 секций ЛУЭ-2 ГэВ неустойчивость пучка на начальной части ускорителя была устранена- На промежуточном выходе
с энергией 300 МэВ (после I4 секций) импульсный ток вырос с I0 до 400 мА при полной длительности импульса 2 мкс, средний ток составил 80 мкА [6]. При этом более чем на порядок вырос ток на выходе всей машины.
ное окно. 9-волноводный элементоткачки,I0-вакуумныинасо
вод, I2-закорачивающий поршень, I3-встроенная диафрагмированная нагрузка,
б) Распределение поля в закороченном диаф рагмированном волноводе на частоте π/2-вида
колебаний, равной 3,2 ГГц.
Результаты измерений прироста кинетической
энергии ускоренных
электронов сопоставлялись
с даннымиПРОЧНОСТЬ
расчёта динамики частиц, выполненного с использованием экспериментального
распределения поля (рис.2б). Максимальные поля в возбуждённых ячейках составили величину
Рабочий темп ускорения оцределяется нали3I6 кВ/см, а на поверхности скруглений диафчием соответствующей СВЧ-мощности и электрирагм - 508 кВ/см, длительность СBЧ-импульса
ческой прочностью ускоряющей структуры. Для
была -6
3 мкс, а вакуум в структуре не хуже
оценки последней в структурах, изготавливаеI·I0 тοpp. Электрические пробои имели место
мых по принятой в НИИЭФА технологии, был выполнен специальный эксперимент.π/2-структуpa лишь в процессе тренировки. Возбуждение более высоких полей лимитировалось недостаточерийного ускорителя дефектоскопа
ЛУЭ-5-600Д
была испытана в режиме стоячейностью развязки использованных ферритовых
вентилей (20 дБ) для устойчивой работы магволны [ 7 ] . Блок-схема установки приведена
нетрона. В режиме бегущей волны при повышенна рис.2а, а распределение поля в закороченных полях испытана структура ускорителя
ном диафрагмированном волноводе, снятое меЛУЭ-8-2000Д. При вакууме I 10-6 торр, дли тодом малых возмущений, - на рис.2δ.
тельности СВЧ-импульса 3 мкс и СВЧ-мощности
на входе 7,4 МPт максимальные ускоряющие поля составили величину 306 кВ/см, а на поверхности скруглений диафрагм - 400 кВ/см.
Пробои отсутствовали. Ускоряющие поля вновь
измерены по приросту кинетической энергии
ускоренных электронов. На наш взгляд оценка
величины полей по энергии ускоренного пучка
наиболее достоверна, так как значения полей,
расчитанные по величине СВЧ-мощности, "загоняемой" в структуры, могут быть завышенными,
ибо не учитывают расход мощности на ускорение автоэмиссионных электронов. При этом чем
больше поля, тем больше ошибка.
Темп ускорения. Электрическая
с
Волноводный грудшгоователь
Одним из важнейших компонентов структуры
является грушшрователь. Во всех наших структурах БВ (cм.табл.I) он включает входной
трансформатор типа волн (ТТВ) и группыволновод
ют выбранным законам возрастания напряжён ности ускоряющего поля и фазовой скорости
волны. На основании экспериментального измерения полей и фазовой скорости волны в ТТВ
для расчёта динамики частиц нами принята модель:
Рис.2, а) Блок-схема испытаний диафрагмированного волновода ЛУЭ-5-500Д в режиме стоячей волны:
I-магнетрон, 2-волноводный ферритовый вен тиль, 3-регулируемый волноводный делитель
мощности, 4-волноводная нагрузка, 5-направленный ответвитель с индикаторами падающей
и отражённой мощности, 6-волноводный изгиб,
7-согласующий узел, 8-кварцевое разделитель-
I) поле проникает в запредельный волновод
на длину 0,I λ;
2) в первой половине ТТВ (по ходу пучка)
имеет место стоячая волна, причём фазовая
скорость её меняется от бесконечности до 6с;
3) во второй половине ТТВ фазовая скорость
волны изменяется от 6 с до значения 0,5 с,
что соответствует фазовой скорости волны в
первой ячейке волноводного группирователя.
Скорость инжектируемых электронов составляет 0,4 с. Значение фазовой скорости и величина ускоряющего поля резко возрастают по
длине группирователя (см.рис.За). В итоге
обеспечивается захват до 70% и более инжектируемых частиц, и удаётся ввести электронный сгусток в режим оптимального ускорения
("посадить" на вершину синусоиды) на короткой длине: в ряде случаев ~ 2,5 λ.
мощность в расчёте на одну ячейку оказываетс я примерно одинаковой.
В настоящее время в НИИЭФА разработана
новая серия ЛУЭ для промышленности и медицины. Она включает унифицированные структуры
бегущей волны (4 модификации, в том числе
3 высокодисперсные) и две структуры с т о я чей волны с внутренними ячейками с в я з и .
Источником СВЧ-мощности для ЛУЭ новой с е рии служит
низкопотенциальный (анодное напряжение не превышает 55 кВ) многолучевой усилительный клистрон на 5 МВт в импульсе и среднюю мощность 5 и 25 кВт, р а б о чая частота 2450 МГц .
Малое анодное
напряжение позволило совратить габарита и
массу питающих клистрон устройств. д л я фокусировки в клистроне применена периодическ а я система из постоянных магнитов.
Изготовлены и испытаны ускоряющие с т р у к туры двух моделей новой серии. На рис.За
приведены основные характеристики структуры бегущей волны дефектоскопа ЛУЭВ-I0-5000Д,
а на р и с . 3 δ - экспериментально измеренное
распределение поли в структуре стоячей в о л ны с внутренними ячейками связи для ускорителя ЛУЭР-40М. Обе структуры прошли стендовые испытания и на них получены проектные
параметры.
Рис.3. а ) изменение фазовой скорости волны β и амплитуды ускоряющего поля основной
гармоники Ε по длине структуры
ЛУЭВ-I0-5000Д,
б) распределение величины
Ez2
P
стоячей волны ускорителя
ЛУЭР-40М.
в структуре
С этой же целью в конце группирователя в в о дится участок с фазовой скоростью, превы шающей скорость с в е т а .
Выходные устройства
Ускоряющие структуры БВ заканчиваются
либо выходным ТТВ, либо встроенной диафрагмированной альеиферовой нагрузкой (ДАН).При
этом все структуры, включающие грушшрователи ( с м . т а б л . I ) , заканчиваются либо ДАН,
либо ТТВ в съёмном исполнении, что упрощает
установку фокусирующей системы. Съёмный ТТВ
присоединяется к диафрагмированному волноводу через специальную диафрагму с двухсторонним индеевым шяфытием контактной поверхности.
В раде случаев (многосекционные машины)
входной и выходной ТТВ имеют дополнительный
волновод, расположенный диаметрально противоположно основному подводящему волноводу.
Таким образом, значительно исключается ак сиальная асимметрия доли в ТТВ. ДАН представляют собой обычные ячейки, на внутреннюю
цилиндрическую поверхность которых нанесено
альсиферовое покрытие в виде кольцевого пояска таким образом, что рассеиваемая СBЧ-
Литература
1 . V a k h r u s h i n Y u . P . , H i k o l a e v V . M . , Ryabtsov Α . V . , S m i r n o v V
p e r s i o n A c c e l e r a t i n g Waveguides i n L i n e a r E l e c t r o n A c c e l e r a t o r s . - P r o c . of t h e
1984 L i n e a r A c c e l e r a t o r C o n f . - S e e h e i n ,
May 7 - 1 1 , 1 9 8 4 , p . 1 7 4 .
2. Bахрушин Ю.П., Ворогушин Μ.Φ., Николаев Β.M., Рябцов Α.Β., Свистунов Ю.А., Смирнов В.Л. Ускоряющая структура линейного
ускорителя для медицины модели ЛУЭР-4СМ.Вопросы атомной науки и техники. Серия:
Техника физического эксперимента, вып.2
( I 4 ) , I983. с . 5 I .
3 . Баранов Ю.А., Беломоева Р . В . , Левин В.М.,
Николаев В.М., Прудников И.А., Румянцев Б.
В . , Рябцов А.В., Смирнов В.Л. Компактный
линейный ускоритель электронов для лучевой
терапии и дефектоскопии.-Электрофизическая
аппаратура. Сб. статей, вып.I5,-М.:Атом-издат,I 9 7 7
4.
L e v i n V . M . , S m i r n o v V . L . , Fomin L . P . On
t h e P o s s i b i l i t y of L a r g e P u l s e C u r r e n t s i n
L i n e a r E l e c t r o n A c c e l e r a t o r s U s i n g Homog e n e o u s S t r u c t u r e s . - P r o c . of t h e 6 - t h I n t e r n . C o n f . on H i g h E n e r g y A c c e l e r a t o r s ,
Cambridge, M a s s . , 1967, p . A - 3 9 .
5 . Numan C . S . A c c e l e r a t e u r L i n e a i r e . B r e v e t
de F r a n c e , Nо 13169б7,Н05h 9 / 0 0 , 1 9 6 2 .
6 . Вишняков B.A., Довбня Α.Η., Шендрик Β.Α.
К повышению интенсивнос-ги пучка многосекционного ускорителя электронов.-Вопросы
атомной науки и техники. Серия: Техника
физического эксперимента, вып. 2 ( I I ) ,
I982, с . 4 8 .
7. Волчков О.В., ΓyceB Е . К . , Изотов Α.H.,
Прудников И.Α., Рябцов А.В., Свистунов Ю.
Α . , Смирнов В . Л . , Тронов Б . Н . , Терентьев В.В. Испытание диафрагмированных вол
новодов ЛУЭ при больших градиентах полей.
-Труды У Ш Всесоюзного совещания по у с корителям заряженных частиц, Протвино,
I9-2I октября I 9 8 2 , т . II, с . 2 2 .
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа