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PATENTANSPRÜCHE
1. Hochfrequenzelektronenbeschleuniger, enthaltend einen in einem metallischen Vakuumgehäuse (1) angeordneten Beschleunigungsresonator (2), eine Elektronenkanone (3), die das Elektronenbündel in der Axialrichtung des Resonators (2) orientiert, sowie eine Quelle, von der Hochfrequenzenergie dem Elektronenbündel zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsquelle ein selbsterregter Generator mit einer Generatorröhre (4) ist, dass die Quelle auf dem Resonator (2) angeordnet ist, und dass im Hohlraum des Resonators (2) eine Kopplungsschleife (5) mit einer Trennkapazität (6) vorhanden ist, welche unmittelbar an die Anode der Röhre (4) angeschlossen ist und gemeinsam mit dem Resonator (2) ein zweikreisiges Schwingungssystem im Anodenkreis der Generatorröhre (4) bildet.
2. Hochfrequenzelektronenbeschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (2) aus zwei schalenförmigen Teilen (2a, 2b) besteht, dass die Mündung des einen Teiles (2b) in die Mündung des anderen Teiles (2a) eingeschoben ist, wobei ein Spalt (19) diese zwei Teile (2a, 2b) voneinander elektrisch isoliert, der als ein Kondensator (14) zum Schliessen der Hochfrequenzströme ausgebildet ist, wobei dem einen dieser Teile (2b) eine Gleichspannung zugeführt wird.
3. Hochfrequenzelektronenbeschleuniger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannung dem Innenteil (2b) des Resonators (2) zugeführt wird, während die Kante (17) des Aussenteiles (2a) entlang ihrem gesamten Umfang mit dem metallischen Vakuumgehäuse (1) elektrisch verbunden ist.
4. Hochfrequenzelektronenbeschleuniger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode der Generatorröhre (4) mit der positiven Klemme einer weiteren Gleichspannungsquelle (18) zum Nacherregen des Resonators (2) im Zeitintervall zwischen den Impulsen bei der Arbeit des Beschleunigers im Impulsbetrieb verbunden ist.
5. Hochfrequenzelektronenbeschleuniger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkapazität (6) der Kopplungsschleife (5) als ein Plattensystem (23) mit Vakuumspalten ausgeführt ist.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochfrequenzelektronenbeschleuniger, enthaltend einen in einem metallischen Vakuumgehäuse angeordneten Beschleunigungsresonator, eine Elektronenkanone, die das Elektronenbündel in der Axialrichtung des Resonators orientiert, sowie eine Quelle, von der Hochfrequenzenergie dem Elektronenbündel zugeführt wird.
Solche Beschleuniger können in der Industrie als eine leistungsstarke Quelle ionisierender Strahlen bestimmt sein.
Auf diesem Gebiet sind am meisten direkt wirkende Elektronenbeschleuniger bekannt, welche eine Beschleunigungsröhre und eine Hochspannungsquelle enthalten, die die erforderliche Energie der beschleunigten Partikeln gewährleistet.
Zu den Mängeln derartiger Einrichtungen gehört eine komplizierte Herstellungsweise der Beschleunigungsröhre und der Umstand, dass ihre elektrische Festigkeit nur schwer sichergestellt werden kann. Wenn die Elektronenenergie bis 1 MeV und darüber und die Leistung des Elektronenbündels erhöht werden soll, steigen die genannten Schwierigkeiten noch mehr an.
Bekannt sind ausserdem auch Hochfrequenzelektronenbeschleuniger, die sich einer Wanderwelle bedienen und Linearbeschleuniger genannt werden. Diese Beschleuniger enthalten hintereinandergeschaltete Beschleunigungsresonatoren, eine Elektronenkanone, eine Leistungsquelle von hochfrequenten Schwingungen, die einen unabhängigen Generator, z. B. ein Magnetron, aufweist, ein System zur Übertragung der hochfrequenten Schwingungen vom Generator über die Resonatoren bis zum Elektronenbündel, eine Pumpvorrichtung zur Evakuierung des Beschleunigers sowie ein Magnetsystem zur Strahlfokussierung längs des Beschleunigers. Bei dieser Ausführungsart der Beschleuniger stellt die elektrische Festigkeit kein so grosses Problem dar, da sie keine Beschleunigungsröhre enthalten.
Bei solchen Einrichtungen ist jedoch eine hohe Leistung wegen hoher Leistungsverluste in der Beschleunigungsstruktur beschränkt, wobei zudem das intensive Elektronenbündel in den Resonatoren parasitäre Störschwingungen erregt.
Wegen der Verwendung eines unabhängigen Generators, der die Schwingungsfrequenz und Leistung bestimmt, ist die Möglichkeit einer Stromregelung des Beschleunigers beschränkt. Dabei ist eine genaue Aufrechterhaltung der Eigenfrequenz dieser Struktur erforderlich, was gewöhnlich durch Temperaturregelung erreicht wird. Es muss auch eine Anpassungsbelastung verwendet werden, die den Wirkungsgrad des Beschleunigers herabsetzt. Eine weitere Herabsetzung dieses Wirkungsgrades wird durch die Verwendung des Übertragungssystems für die Hochfrequenzleistung vom Generator zum beschleunigenden Resonanzsystem verursacht.
Wegen des langgestreckten Beschleunigungssystems muss ein zusätzliches magnetisches Fokussierungssystem verwendet werden, das den Durchgang des Elektronenbündels durch den Beschleuniger gewährleistet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochfrequenzelektronenbeschleuniger zu entwickeln, in welchem die Erregerfrequenz des Generators mit der Eigenfrequenz des
Beschleunigungsresonators zusammenfällt.
Diese Aufgabe wird beim Hochfrequenzelektronenbeschleuniger der eingangs genannten Art so gelöst, wie in der Kennzeichnung des Anspruches 1 definiert ist.
Der nach der vorliegenden Erfindung ausgeführte Hochfrequenzelektronenbeschleuniger bietet die Möglichkeit, eine hohe mittlere Leistung im Bündel beschleunigter Elektronen zu erhalten. Die Erhöhung des Wirkungsgrades des Schwingungskreises ermöglicht eine bedeutende Erhöhung des elektroni schen Wirkungsgrades des Beschleunigers, eine Verringerung der äusseren Abmessungen desselben sowie eine Vereinfachung seiner Konstruktion und dessen Herstellungstechnologie.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 elektrisches Schaltschema des vorliegenden Hochfrequenzelektronenbeschleunigers;
Fig. 2 elektrisches Prinzipschaltbild des gleichen Hochfrequenzelektronenbeschleunigers mit einem Unterdrückungssy stem der Hochfrequenz-Resonanzentladung und einer Ionen absaugung aus dem Beschleunigungsspalt;
Fig. 3 elektrisches Prinzipschaltbild des gleichen Hochfre quenzelektronenbeschleunigers mit einer am gesamten Kreis umfang mit dem Vakuumgehäuse elektrisch verbundenen
Kante des Aussenteiles des Resonators;
Fig. 4 elektrisches Prinzipschaltbild des gleichen Hochfre quenzelektronenbeschleunigers mit einer an die Anode ange schlossenen besonderen Gleichspannungsquelle;
;
Fig. 5 Prinzipbild der Konstruktion des gleichen Hochfre quenzelektronenbeschleunigers mit einer Vakuumtrennkapazi tät der Verbindungsschleife in Form eines Plattensystemes mit
Vakuumspalten.
Der in Fig. 1 dargestellte Hochfrequenzelektronenbe schleuniger enthält einen in einem metallischen Vakuumge häuse 1 angeordneten Resonator 2. Im zentralen Bereich des
Resonators 2 sind an den Stirnflächen desselben nach innen gerichtete Vorsprünge ausgeführt. Längs der Rotationsachse des Resonators 2 erfolgt die Beschleunigung von Elektronen, die aus einer auf einem der Vorsprünge des Resonators
angeordneten Elektronenkanone 3 in den Beschleuniger einge schlossen werden. Als eine Quelle von Hochfrequenzenergie, die dem Elektronenbündel mitgeteilt wird, dient ein selbsterre gender Generator, der eine Röhre 4 in Gitterbasisschaltung enthält. Diese Röhre ist eine leistungsstarke Triode, die impuls artig betrieben wird. Die Generatorröhre 4 ist auf dem Resona tor 2 angeordnet. Im Hohlraum des Resonators 2 ist eine Kopp lungsschleife 5 untergebracht. Eine Trennkapazität 6 in der
Verbindungsschleife 5 dient zum Trennen der Gleichstrom komponente der Anodenspannung der Triode von der hochfre quenten Komponente derselben. Die Verbindungsschleife 5 ist direkt an die Anode der Generatorröhre 4 angeschlossen und bildet gemeinsam mit dem Beschleunigungsresonator 2 ein zweikreisiges Schwingungssystem im Anodenkreis der Gene ratorröhre 4.
Im selbsterregenden Generator ist eine innere Rückkopp lung ausgenützt, die durch eine zwischen der Kathode und der
Anode der Generatorröhre 4 eingeschaltete Kapazität 7 bewirkt wird. Das Gitter der Generatorröhre 4 ist für die hoch- frequenten Schwingungen über einen Kondensator 8 geerdet, und ihr Arbeitspunkt ist durch einen Widerstand 9 einstellbar, der zwischen dem Gitter der Generatorröhre 4 und dem Gene ratorgehäuse eingeschaltet ist. Die Heizung der Kathode der
Generatorröhre 4 erfolgt mit Hilfe eines Heizstromspeisungs blockes 10. Die Anodenspannung wird vom Anodenspeisungsblock 11 zugeführt, der, falls der Beschleuniger im Impulsbe trieb arbeiten soll, zusätzlich einen Impulstransformator 12 enthält. Die genaue Amplituden- und Phasenanpassung der Rückkopplung wird in der Kathodenschleife 13 durchgeführt.
In der Ausführungsvariante des Beschleunigers, dessen elektrisches Schaltbild in Fig. 2 dargestellt ist, besteht der Beschleunigungsresonator aus zwei schalenförmigen Teilen 2a und 2b. Zum Schliessen der Hochfrequenzströme sind die Teile 2a und 2b über einen Kondensator 14 miteinander verbunden.
Der Kondensator 14 kann aus einer grossen Anzahl Keramikkondensatoren bestehen, die zwischen den beiden Teilen 2a und 2b des Resonators parallelgeschaltet sind. Doch ist es zweckmässig, um die Zuverlässigkeit des Beschleunigers zu steigern, die Kapazität 14 durch die mit einem Spalt teilweise ineinander eingeschobenen schalenförmigen Bestandteile 2a und 2b des Resonators 2 zu bilden. Dem einen dieser beiden Teile 2b des Resonators 2 wird über eine Hochfrequenzdrossel 15 eine negative Spannung von der Speisequelle 16 zugeführt.
In der Ausführungsvariante des Hochfrequenzelektronenbeschleunigers, dessen elektrisches Schaltbild in Fig. 3 dargestellt ist, ist im Gegensatz zur Variante in Fig. 2 die Kante 17 des Aussenteiles 2a des Resonators 2 mit dem Gehäuse 1 elektrisch verbunden.
Die Ausführungsvariante des Hochfrequenzelektronenbeschleunigers, dessen elektrisches Schaltbild in Fig. 4 gezeigt ist, kennzeichnet sich dadurch, dass dieser Beschleuniger zum Impulsbetrieb bestimmt ist. An die Anode der Generatorröhre 4 ist die positive Klemme einer zusätzlichen Gleichspannungsquelle 18 angeschlossen. Die Quelle 18 ist an die Anode durch die Sekundärwicklung des Impulstransformators 12 angeschlossen.
In Fig. 5 ist der erfindungsgemässe Hochfrequenzelektronenbeschleuniger dargestellt; Die Speisequellen sind nicht dargestellt.
Der beschleunigende toroidale Kupferresonator 2, der gleichzeitig einen Teil des Anodenkreises des selbsterregten Generators bildet, ist aus zwei voneinander isolierten schalenförmigen Teilen 2a und 2b ausgeführt, deren offene Seiten teilweise ineinandergeschoben sind, wobei ein Spalt 19 entsteht, der den Kondensator 14 (Fig. 2) bildet, über welchen sich der Hochfrequenzstrom des Resonators 2 schliesst. Der Resonator 2 ist in einem metallischen Vakuumgehäuse 1 angeordnet. Die Dichtung 20 des Vakuumgehäuses 1 ist aus Indium hergestellt.
Zur Verringerung der Verluste der Hochfrequenzenergie, die aus dem Spalt 19 zwischen den beiden Bestandteilen 2a und 2b des Resonators 2 entweichen könnte, ist die Kante 17 des Aussenteils 2a des Resonators 2 am gesamten Kreisumfang mit dem Vakuumgehäuse 1 z. B. durch Verschweissen elektrisch verbunden. Die Eigenfrequenz des Hohlraums zwischen dem Innenteil 2b des Resonators 2, und dem Vakuumgehäuse 1 wurde konstruktiv weit abweichend von der Eigenfrequenz des Beschleunigungsresonators 2 gewählt. Dem Innenteil 2b des Resonators 2 wird über eine Hochfrequenzdrossel 15 eine negative Spannung zum Unterdrücken der Hochfrequenz Resonanzentladung und zur Ionenabsaugung aus dem Spalt 21 zugeführt. Der vom Aussenteil 2a isolierte Innenteil 2b des Resonators 2 ist auf drei Stützisolatoren 22 montiert.
Die Generatorröhre 4 ist unmittelbar auf der stirnseitigen Aussenfläche des Resonators 2 angeordnet. Die Verbindung der Anode der Generatorröhre 4 mit dem Resonator 2 ist mit Hilfe einer induktiven Kopplungsschleife ohne Verwendung eines Zwischenfeeders verwirklicht. Die Trennkapazität 6 besteht aus Platten 23 mit Vakuumspalten.
Der Anodenkreis des Generators, der aus der Ausgangskapazität der Generatorröhre 4 der verteilten reaktiven Komponenten der Anode mit einem Kupferschirm 24, einem anodenseitigen Wasserbehälter 25, einem Widerstand der Verbindungsschleife 5 und dem durch den Resonator in den Kreis der Verbindungsschleife 5 eingebrachten Widerstand besteht, bildet ein zweikreisiges Schwingungssystem, wovon eine der Frequenzen der eigenen Resonanzfrequenz des Beschleunigungsresonators nahe liegt, welche gerade die Schwingungsfrequenz des Generators bestimmt.
Im Generator ist eine innere Rückkopplung durch eine zusätzliche konstruktive Kapazität 7 gebildet, die zwischen der Katode und Anode der Generatorröhre 4 eingeschaltet, als eine Scheibe ausgeführt, die über der Anode der Röhre 4 angeordnet und von dieser durch einen Luftspalt getrennt ist.
In Fig. 5 ist die Anode der Röhre 4 durch einen Schirm 24 geschützt. Eine genaue Bestimmung des Wertes des Rückkopplungsfaktors und der Phase wird mit Hilfe der Katodenschleife 13 vorgenommen.
Die Elektronenkanone 3 ist unmittelbar auf dem Innenvorsprung des Teils 2a des Resonators 2 in dessen Axialrichtung angeordnet. Die Konstruktion des Resonators 2 bietet auch die Möglichkeit, mit einem Ausseninjektor der geladenen Partikeln zu arbeiten. Zur Auslenkung des Bündels der beschleunigten Elektronen aus dem Resonator 2 ist in der Wandung des Innenvorsprungs des Teils 2b des Resonators 2 eine Zentralöffnung 26 vorgesehen. Das Evakuieren des Vakuumgehäuses 1 erfolgt mit Hilfe der Magnetentladungspumpen 27. An den unteren Bodenteil (Fig. 5) des Vakuumgehäuses 1 ist eine Austrittsvorrichtung 28 zur Ablenkung und zum Austritt des Bündels der beschleunigten Elektronen in die Atmosphäre befestigt.
Der erfindungsgemässe Hochfrequenzelektronenbeschleuniger arbeitet folgenderweise:
Nach dem Evakuieren des Vakuumgehäuses 1 (Fig. 1, 5) wird die Speisung der Elektronenkanone 3 und der Heizstromspeisungsblock 10 der Generatorröhre 4 eingeschaltet. Beim Einschalten des Anodenspeisungsblocks 11 erfolgt eine Selbsterregung des Generators auf einer Frequenz, nahe der Frequenz des Beschleunigungsresonators 2, wobei in dessen Beschleunigungsspalt 21 eine Hochspannung entsteht, deren Grösse von der Fläche der Verbindungsschleife 5 und der Spannung der Anodenspeisung abhängt. Die Elektronen werden von der Katode der Elektronenkanone 3 in einer positiven Halbwelle der Hochfrequenzspannung extrahiert und im Beschleunigungsspalt 21 des Resonators 2 beschleunigt.
Durch entsprechende Flächenregelung der Verbindungsschleife 5 lässt sich das System bei vorgegebenem Leistungsniveau des Elektronenbündels auf verschiedene Beschleunigungsspannun gen abstimmen; die Längenregelung der Katodenschleife 13 ermöglicht eine genaue Abstimmung des Rückkopplungsfaktors und deren Phase vorzunehmen.
Um die Arbeitsstabilität des Beschleunigers zu steigern und die Lebensdauer der Katode der Elektronenkanone 3 (Fig. 2, 5) zu verlängern sowie die hochfrequente Resonanzentladung im Resonator 2 zu unterdrücken, wird an den unteren Innenteil 2b des Resonators 2 von der Quelle 16 eine negative Gleichspannung von einigen Kilovolt zugeführt, wobei die im Beschleunigungsspalt 21 erzeugten Ionen aus diesem durch die Öffnung 26 herausgeführt werden.
Zur Verringerung der Verluste der Hochfrequenzleistung, die aus dem Spalt 19 (Fig. 3, 5) zwischen den beiden Bestandteilen 2a und 2b des Resonators 2 entweichen könnte, ist die Kante 17 des Aussenteils 2a des Resonators 2 am gesamten Umfang mit dem metallischen Vakuumgehäuse 1 elektrisch verbunden, und die Eigenfrequenz des Hohlraums zwischen dem Innenteil 2b des Resonators 2 und dem Vakuumgehäuse 1 ist stark abweichend von der Eigenfrequenz des beschleunigenden Resonators gewählt Die Verbindung des Aussenteils 2a des Resonators 2 mit dem Vakuumgehäuse 1 schützt den Hohlraum zwischen dem Vakuumgehäuse 1 und diesem Teil 2a vor einem Eindringen der Hochfrequenzleistung.
Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen Beschleunigers, die sowohl ununterbrochen als auch im Impulsbetrieb arbeiten können, ist die Ausführungsvariante des Beschleunigers, dargestellt auf Fig. 4, nur für die Arbeit im Impulsbetrieb bestimmt. Dabei wird die Zeit der Bestimmung einer stationären Schwingungsamplitude nicht nur durch die Güte des Beschleunigungsresonators 2 und den Rückkopplungsgrad bedingt, sondern hängt auch wesentlich von der Anfangsamplitude der Schwingungen, d. h.
von den Anfangsbedingungen der Inbetriebssetzung ab, und zwar - vom Gebrauch einer Nacherregung des Beschleunigungsresonators 2 zum Moment der Ankunft des nächstfolgenden Impulses. Um deshalb die Anstiegzeit der Schwingungen im Beschleunigungsresonator 2 zu kürzen, was einer Steigerung dessen Wirkungsgrades dank einer Verlängerung der Nutzdauer der Impulse entspricht, wird der Anode der Generatorröhre 4 über den Impulstransformator 12 eine positive Gleichspannung von einer besonderen Quelle 18 zugeführt, was im Resonator 2 eine zusätzliche Nacherregung in den Zeitabschnitten zwischen den Impulsen bewirkt.
Der erfindungsgemässe Hochfrequenzelektronenbeschleuniger, hergestellt nach der auf Fig. 5 dargestellten Anleitung, hatte folgende Kenndaten. Arbeitsfrequenz 110 MHz; Nebenschlusswiderstand des Resonators 2+ 4 Mfl; Nacherregungsspannung 800 V; Spannung, angelegt an den Innenteil 2b des Resonators 26 kV; Spannung am Beschleunigungsspalt 21 von 10 cm Länge 1,5 MV bei 23 kV der Anodenspeisung. Impulsdauer 400 mks; Wiederholungsfrequenz des Impulses 50 Hz.
Der erfindungsgemässe Generator enthielt eine Triode 4 mit einer Impulsleistung bis 2 MW. Die mittlere Verlustleistung im Resonator 2 betrug 4+ 5 kW; die mittlere Leistung im Elektronenbündel 20 kW, was einem elektronischen Wirkungsgrad von 80% entspricht. Beim Versuchsbetrieb arbeitete der Beschleuniger ununterbrochen 500 Stunden. Die am Beschleunigungsspalt 21 erhaltene Maximalspannung betrug 2 MV. Zum Speisen der Generatorröhre 4 kann man einen beliebigen Modulator von entsprechender Leistung verwenden. Bei einer Spannung am Resonator 2 bis 350 kV kann der Beschleuniger im Dauerbetrieb arbeiten. Der vorliegende Hochfrequenzelektronenbeschleuniger ist zuverlässig im Betrieb, und seine Herstellung ist einfach.
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PATENT CLAIMS
1. High-frequency electron accelerator, comprising an acceleration resonator (2) arranged in a metallic vacuum housing (1), an electron gun (3) that orients the electron beam in the axial direction of the resonator (2), and a source from which high-frequency energy is supplied to the electron beam. characterized in that the power source is a self-excited generator with a generator tube (4), that the source is arranged on the resonator (2), and that in the cavity of the resonator (2) there is a coupling loop (5) with a separating capacitance (6) which is connected directly to the anode of the tube (4) and forms, together with the resonator (2), a two-circuit oscillation system in the anode circuit of the generator tube (4).
2. High-frequency electron accelerator according to claim 1, characterized in that the resonator (2) consists of two shell-shaped parts (2a, 2b), that the mouth of one part (2b) is inserted into the mouth of the other part (2a), one Gap (19) these two parts (2a, 2b) electrically isolated from each other, which is designed as a capacitor (14) for closing the high-frequency currents, one of these parts (2b) being supplied with a DC voltage.
3. High-frequency electron accelerator according to claim 2, characterized in that the direct voltage is supplied to the inner part (2b) of the resonator (2), while the edge (17) of the outer part (2a) is electrically connected along its entire circumference to the metallic vacuum housing (1) is.
4. High-frequency electron accelerator according to claim 2, characterized in that the anode of the generator tube (4) is connected to the positive terminal of a further DC voltage source (18) for re-excitation of the resonator (2) in the time interval between the pulses during the work of the accelerator in pulse mode.
5. High-frequency electron accelerator according to claim 3, characterized in that the separating capacitance (6) of the coupling loop (5) is designed as a plate system (23) with vacuum gaps.
The invention relates to a high-frequency electron accelerator, comprising an acceleration resonator arranged in a metallic vacuum housing, an electron gun that orients the electron beam in the axial direction of the resonator, and a source from which high-frequency energy is supplied to the electron beam.
Such accelerators can be designed as a powerful source of ionizing radiation in industry.
Most directly acting electron accelerators are known in this field, which contain an acceleration tube and a high-voltage source, which ensures the required energy of the accelerated particles.
The shortcomings of such devices include a complicated method of manufacturing the accelerator tube and the fact that its electrical strength is difficult to ensure. If the electron energy is to be increased to 1 MeV and above and the power of the electron bundle, the difficulties mentioned increase even more.
Also known are high-frequency electron accelerators that use a traveling wave and are called linear accelerators. These accelerators contain series-connected acceleration resonators, an electron gun, a power source of high-frequency vibrations, which an independent generator, e.g. B. a magnetron, has a system for transmitting the high-frequency vibrations from the generator via the resonators to the electron beam, a pump device for evacuating the accelerator and a magnet system for beam focusing along the accelerator. In this type of accelerator design, electrical strength is not a major concern since it does not include an accelerometer tube.
In such devices, however, high power is limited due to high power losses in the acceleration structure, and the intense electron beam in the resonators also excites parasitic interference vibrations.
Because of the use of an independent generator that determines the oscillation frequency and power, the possibility of current regulation of the accelerator is limited. This requires an exact maintenance of the natural frequency of this structure, which is usually achieved by temperature control. An adjustment load must also be used that reduces the efficiency of the accelerator. A further reduction in this efficiency is caused by the use of the transmission system for the high-frequency power from the generator to the accelerating resonance system.
Because of the elongated acceleration system, an additional magnetic focusing system must be used, which ensures the passage of the electron beam through the accelerator.
The invention has for its object to develop a high-frequency electron accelerator in which the excitation frequency of the generator with the natural frequency of the
Acceleration resonator coincides.
This object is achieved in the high-frequency electron accelerator of the type mentioned at the outset, as defined in the characterizing part of claim 1.
The high-frequency electron accelerator designed according to the present invention offers the possibility of obtaining a high average power in the bundle of accelerated electrons. The increase in the efficiency of the oscillation circuit enables a significant increase in the electronic efficiency of the accelerator, a reduction in the outer dimensions of the same and a simplification of its construction and its manufacturing technology.
Exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. It shows:
Fig. 1 electrical circuit diagram of the present high-frequency electron accelerator;
Fig. 2 electrical block diagram of the same high-frequency electron accelerator with a suppressive system of the high-frequency resonance discharge and ion extraction from the acceleration gap;
Fig. 3 electrical block diagram of the same Hochfre frequency electron accelerator with a circumference on the entire circle electrically connected to the vacuum housing
Edge of the outer part of the resonator;
Fig. 4 electrical block diagram of the same Hochfre frequency electron accelerator with a special DC voltage source connected to the anode;
;
Fig. 5 schematic diagram of the construction of the same Hochfre frequency electron accelerator with a vacuum separation capacity of the connection loop in the form of a plate system
Vacuum gaps.
The high-frequency electron accelerator shown in FIG. 1 contains a resonator 2 arranged in a metallic vacuum housing 2. In the central region of the
Resonators 2 are designed on the end faces of the same inward projections. Along the axis of rotation of the resonator 2, electrons are accelerated, which emanate from one of the projections of the resonator
arranged electron gun 3 are closed in the accelerator. As a source of high-frequency energy, which is communicated to the electron beam, a self-generated gender generator is used which contains a tube 4 in a grid-based circuit. This tube is a powerful triode that is operated like a pulse. The generator tube 4 is arranged on the resonator 2. In the cavity of the resonator 2, a coupling loop 5 is accommodated. A separation capacity 6 in
Connection loop 5 is used to separate the DC component of the anode voltage of the triode from the high-frequency component thereof. The connection loop 5 is connected directly to the anode of the generator tube 4 and, together with the acceleration resonator 2, forms a two-circuit oscillation system in the anode circuit of the generator tube 4.
In the self-exciting generator, an internal feedback processing is used by a between the cathode and the
Anode of the generator tube 4 is switched on capacitance 7. The grid of the generator tube 4 is grounded for the high-frequency vibrations via a capacitor 8, and its operating point is adjustable by a resistor 9 which is switched on between the grid of the generator tube 4 and the generator housing. The heating of the cathode
Generator tube 4 takes place with the help of a heating current supply block 10. The anode voltage is supplied from the anode supply block 11, which, if the accelerator is to operate in the pulse mode, additionally contains a pulse transformer 12. The exact amplitude and phase adjustment of the feedback is carried out in the cathode loop 13.
In the embodiment variant of the accelerator, the electrical circuit diagram of which is shown in FIG. 2, the acceleration resonator consists of two shell-shaped parts 2a and 2b. To close the high-frequency currents, the parts 2a and 2b are connected to one another via a capacitor 14.
The capacitor 14 can consist of a large number of ceramic capacitors which are connected in parallel between the two parts 2a and 2b of the resonator. However, in order to increase the reliability of the accelerator, it is expedient to form the capacitance 14 by means of the shell-shaped components 2a and 2b of the resonator 2 which are partially pushed into one another with a gap. One of these two parts 2b of the resonator 2 is supplied with a negative voltage from the supply source 16 via a high-frequency choke 15.
In the embodiment variant of the high-frequency electron accelerator, the electrical circuit diagram of which is shown in FIG. 3, in contrast to the variant in FIG. 2, the edge 17 of the outer part 2a of the resonator 2 is electrically connected to the housing 1.
The embodiment variant of the high-frequency electron accelerator, the electrical circuit diagram of which is shown in FIG. 4, is characterized in that this accelerator is intended for pulse operation. The positive terminal of an additional DC voltage source 18 is connected to the anode of the generator tube 4. The source 18 is connected to the anode through the secondary winding of the pulse transformer 12.
5 shows the high-frequency electron accelerator according to the invention; The food sources are not shown.
The accelerating toroidal copper resonator 2, which at the same time forms part of the anode circuit of the self-excited generator, is made up of two shell-shaped parts 2a and 2b which are insulated from one another, the open sides of which are partially pushed into one another, a gap 19 forming the capacitor 14 (FIG ) forms, via which the high-frequency current of the resonator 2 closes. The resonator 2 is arranged in a metallic vacuum housing 1. The seal 20 of the vacuum housing 1 is made of indium.
In order to reduce the losses of high-frequency energy, which could escape from the gap 19 between the two components 2a and 2b of the resonator 2, the edge 17 of the outer part 2a of the resonator 2 is z. B. electrically connected by welding. The natural frequency of the cavity between the inner part 2b of the resonator 2 and the vacuum housing 1 was chosen to be structurally very different from the natural frequency of the acceleration resonator 2. A negative voltage for suppressing the high-frequency resonance discharge and for ion extraction from the gap 21 is supplied to the inner part 2b of the resonator 2 via a high-frequency choke 15. The inner part 2b of the resonator 2 insulated from the outer part 2a is mounted on three support insulators 22.
The generator tube 4 is arranged directly on the front outer surface of the resonator 2. The connection of the anode of the generator tube 4 to the resonator 2 is realized with the aid of an inductive coupling loop without the use of an intermediate spring. The separation capacity 6 consists of plates 23 with vacuum gaps.
The anode circuit of the generator, which consists of the output capacitance of the generator tube 4 of the distributed reactive components of the anode with a copper screen 24, an anode-side water tank 25, a resistance of the connection loop 5 and the resistance introduced into the circuit of the connection loop 5 by the resonator, forms dual-circuit oscillation system, one of which is close to the frequencies of the resonant frequency of the acceleration resonator, which determines the oscillation frequency of the generator.
An internal feedback is formed in the generator by an additional constructive capacitance 7, which is switched on between the cathode and anode of the generator tube 4, designed as a disk, which is arranged above the anode of the tube 4 and is separated from it by an air gap.
5, the anode of the tube 4 is protected by a screen 24. The cathode loop 13 is used to determine the value of the feedback factor and the phase precisely.
The electron gun 3 is arranged directly on the inner projection of the part 2a of the resonator 2 in the axial direction thereof. The construction of the resonator 2 also offers the possibility of working with an external injector of the charged particles. A central opening 26 is provided in the wall of the inner projection of part 2b of the resonator 2 in order to deflect the bundle of the accelerated electrons out of the resonator 2. The vacuum housing 1 is evacuated with the aid of the magnetic discharge pumps 27. An outlet device 28 for deflecting and for exiting the bundle of the accelerated electrons into the atmosphere is attached to the lower bottom part (FIG. 5) of the vacuum housing 1.
The high-frequency electron accelerator according to the invention works as follows:
After evacuating the vacuum housing 1 (Fig. 1, 5), the supply of the electron gun 3 and the heating current supply block 10 of the generator tube 4 is switched on. When the anode supply block 11 is switched on, the generator self-excites at a frequency close to the frequency of the acceleration resonator 2, a high voltage being generated in its acceleration gap 21, the size of which depends on the area of the connecting loop 5 and the voltage of the anode supply. The electrons are extracted from the cathode of the electron gun 3 in a positive half-wave of the high-frequency voltage and accelerated in the acceleration gap 21 of the resonator 2.
By appropriate area control of the connection loop 5, the system can be tuned to different acceleration voltages for a given power level of the electron beam; the length control of the cathode loop 13 enables precise adjustment of the feedback factor and its phase.
In order to increase the working stability of the accelerator and to extend the life of the cathode of the electron gun 3 (FIGS. 2, 5) and to suppress the high-frequency resonance discharge in the resonator 2, a negative direct voltage is applied to the lower inner part 2b of the resonator 2 by the source 16 of a few kilovolts, the ions generated in the acceleration gap 21 being led out of the latter through the opening 26.
To reduce the losses of high-frequency power that could escape from the gap 19 (FIGS. 3, 5) between the two components 2a and 2b of the resonator 2, the edge 17 of the outer part 2a of the resonator 2 is provided with the metallic vacuum housing 1 over the entire circumference electrically connected, and the natural frequency of the cavity between the inner part 2b of the resonator 2 and the vacuum housing 1 is chosen to be very different from the natural frequency of the accelerating resonator. The connection of the outer part 2a of the resonator 2 to the vacuum housing 1 protects the cavity between the vacuum housing 1 and the latter Part 2a before penetration of the high-frequency power.
In contrast to the design variants of the accelerator according to the invention described above, which can work both continuously and in pulsed operation, the design variant of the accelerator, shown in FIG. 4, is only intended for work in pulsed operation. The time of the determination of a stationary oscillation amplitude is not only determined by the quality of the acceleration resonator 2 and the degree of feedback, but also depends essentially on the initial amplitude of the oscillations, i. H.
from the initial conditions of commissioning, namely - from the use of a post-excitation of the acceleration resonator 2 to the moment of arrival of the next pulse. Therefore, in order to shorten the rise time of the vibrations in the acceleration resonator 2, which corresponds to an increase in its efficiency thanks to an increase in the useful life of the pulses, the anode of the generator tube 4 is supplied with a positive DC voltage from a special source 18 via the pulse transformer 12, which in the resonator 2 an additional post-excitation in the periods between the pulses causes.
The high-frequency electron accelerator according to the invention, produced according to the instructions shown in FIG. 5, had the following characteristics. Working frequency 110 MHz; Shunt resistance of the resonator 2+ 4 Mfl; Post-excitation voltage 800 V; Voltage applied to the inner part 2b of the resonator 26 kV; Voltage at acceleration gap 21 of 10 cm in length 1.5 MV at 23 kV of the anode feed. Pulse duration 400 mks; Repetition frequency of the pulse 50 Hz.
The generator according to the invention contained a triode 4 with a pulse power of up to 2 MW. The average power loss in resonator 2 was 4+ 5 kW; the average power in the electron beam is 20 kW, which corresponds to an electronic efficiency of 80%. During the trial operation, the accelerator worked continuously for 500 hours. The maximum voltage obtained at the acceleration gap 21 was 2 MV. Any modulator of appropriate power can be used to feed the generator tube 4. With a voltage at the resonator 2 to 350 kV, the accelerator can work in continuous operation. The present high frequency electron accelerator is reliable in operation and is easy to manufacture.