RU2306685C1 - Charged particle accelerator - Google Patents
Charged particle accelerator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2306685C1 RU2306685C1 RU2006107307/06A RU2006107307A RU2306685C1 RU 2306685 C1 RU2306685 C1 RU 2306685C1 RU 2006107307/06 A RU2006107307/06 A RU 2006107307/06A RU 2006107307 A RU2006107307 A RU 2006107307A RU 2306685 C1 RU2306685 C1 RU 2306685C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resonator
- accelerator
- charged particles
- generator
- tetrode
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электронной и ускорительной технике, в частности к импульсным высокочастотным (ВЧ) ускорителям заряженных частиц, например электронов или ионов, может быть использовано в качестве резонаторного ускоряющего устройства для сверхэнергетичного ускорителя заряженных частиц, например циклического типа.The invention relates to electronic and accelerator technology, in particular to pulsed high-frequency (HF) accelerators of charged particles, such as electrons or ions, can be used as a resonator accelerating device for a super-energy charged particle accelerator, for example, of a cyclic type.
Известен высокочастотный импульсный резонаторный ускоритель электронов [1]. Ускоритель электронов содержит полуволновый коаксиальный резонатор, высокочастотную генераторную лампу на основе триода, элемент связи лампы с резонатором, инжектор электронов и устройство для вывода электронов из вакуума в атмосферу. Резонатор состоит из двух половин, частично входящих друг в друга и размещенных внутри вакуумированного резонаторного бака. Генераторная лампа размещена в вакуумированном анодном баке, который установлен с внешней стороны резонаторного бака, причем ось лампы смещена относительно оси резонатора. Полости резонаторного и анодного баков образуют единый вакуумный объем. Элемент связи генераторной лампы с резонатором выполнен в виде петли, размещенной в резонаторе. Резонатор содержит первый и второй полые внутренние проводники, расположенные соосно и отделенные друг от друга ускоряющим высокочастотным зазором. В полости первого внутреннего проводника со стороны его свободного торца размещен инжектор электронов, катод которого обращен в сторону торца второго внутреннего проводника. Основание второго внутреннего проводника соединено с удаленной от лампы торцевой стенкой резонатора и обращено в сторону устройства для вывода электронов, с помощью которого ускоренный поток электронов разворачивается магнитным полем и выпускается через фольговое окно в атмосферу. Рабочая частота генераторной лампы около 100 МГц. Максимальная энергия ускоренных электронов 2 МэВ. Средняя мощность электронного потока до 20 кВт. КПД ~20%.Known high-frequency pulsed resonator electron accelerator [1]. The electron accelerator contains a half-wave coaxial resonator, a high-frequency generator lamp based on a triode, an element for coupling the lamp to the resonator, an electron injector, and a device for removing electrons from vacuum into the atmosphere. The resonator consists of two halves, partially included in each other and placed inside the evacuated resonator tank. The generator lamp is placed in a vacuum anode tank, which is installed on the outside of the resonator tank, and the axis of the lamp is offset from the axis of the resonator. The cavities of the resonator and anode tanks form a single vacuum volume. The coupling element of the generator lamp with the resonator is made in the form of a loop placed in the resonator. The resonator contains the first and second hollow inner conductors located coaxially and separated from each other by an accelerating high-frequency gap. An electron injector is placed in the cavity of the first inner conductor from the side of its free end, the cathode of which is facing the end of the second inner conductor. The base of the second inner conductor is connected to the end wall of the resonator remote from the lamp and faces the device for outputting electrons, by which an accelerated stream of electrons is deployed by a magnetic field and released through a foil window into the atmosphere. The operating frequency of the generator lamp is about 100 MHz. The maximum energy of accelerated electrons is 2 MeV. Average power of an electronic stream is up to 20 kW. Efficiency ~ 20%.
Выполнение полуволнового коаксиального резонатора из двух половин, отделенных друг от друга зазорами, приводит к увеличению высокочастотных потерь, снижению добротности резонатора и снижению КПД ускорителя электронов. Наличие малых зазоров между половинами резонатора и между резонатором и резонаторным баком ограничивает электрическую прочность из-за возможности пробоев, что приводит к снижению надежности и долговечности конструкции.The implementation of a half-wave coaxial resonator of two halves separated from each other by gaps leads to an increase in high-frequency losses, a decrease in the quality factor of the resonator, and a decrease in the efficiency of the electron accelerator. The presence of small gaps between the halves of the resonator and between the resonator and the resonator tank limits the electric strength due to the possibility of breakdowns, which leads to a decrease in the reliability and durability of the structure.
Размещение лампы с внешней стороны резонатора, а также смещение лампы от оси резонатора уменьшает величину связи лампы с резонатором и снижает КПД.The placement of the lamp on the outer side of the resonator, as well as the displacement of the lamp from the axis of the resonator, reduces the coupling between the lamp and the resonator and reduces the efficiency.
Ускоритель электронов имеет увеличенные поперечные и продольные размеры и значительную массу. Для его работы требуются громоздкие и электроемкие источники питания.The electron accelerator has an increased transverse and longitudinal dimensions and a significant mass. For its work, bulky and power-consuming power supplies are required.
Наличие в ускорителе электронов двухконтурной системы связи снижает устойчивость работы генераторной лампы и увеличивает возможность паразитного самовозбуждения генераторной лампы на частоте контура связи.The presence in the electron accelerator of a double-circuit communication system reduces the stability of the generator lamp and increases the possibility of spurious self-excitation of the generator lamp at the frequency of the communication circuit.
Ускоритель электронов содержит ряд элементов с пониженной прочностью (например, поддерживающие резонатор опоры), что снижает вибропрочность и ударопрочность всей конструкции.The electron accelerator contains a number of elements with reduced strength (for example, supports supporting the resonator), which reduces vibration and impact resistance of the entire structure.
Прототипом изобретения является резонаторный ускоритель заряженных частиц [2]. Ускоритель заряженных частиц содержит четвертьволновый коаксиальный резонатор, генератор высокочастотной мощности на основе импульсного триода и элемент связи генератора с резонатором, при этом полый внутренний проводник резонатора и коаксиально окружающий его внешний проводник резонатора размещены в вакуумированной резонаторной камере. Генератор высокочастотной мощности расположен в вакуумированном анодном баке, установленном с внешней стороны резонаторной камеры, при этом ось генератора смещена относительно оси резонатора. Элемент связи анодного контура генератора и резонатора выполнен в виде петли. В торцевой части удаленного от генератора конца внутреннего проводника резонатора размещен источник электронов. Катод источника электронов обращен в сторону полого цилиндрического выступа торцевой стенки резонатора. Выступ расположен соосно внутреннему проводнику резонатора и отделен от него высокочастотным зазором, обеспечивающим ускорение электронов вдоль оси резонатора. В конструкции ускорителя заряженных частиц предусмотрена также возможность ускорения ионов. Для этого на удаленном от генератора торце внутреннего проводника резонатора перпендикулярно оси резонатора установлена центральная цилиндрическая пролетная труба, а с внешним проводником резонатора жестко скреплены две боковые пролетные трубы для ввода и вывода ионов, расположенные соосно центральной пролетной трубе и отделенные от нее высокочастотными зазорами, обеспечивающими ускорение ионов в направлении, перпендикулярном оси резонатора. В такой конструкции электроны и ионы могут ускоряться одновременно. Диаметр вакуумированной резонаторной камеры составляет 930 мм, частота возбуждения резонатора 30 МГц, энергия электронов может варьироваться в пределах 0,2-1,3 МэВ, КПД ~20%.A prototype of the invention is a resonant charged particle accelerator [2]. The charged particle accelerator contains a quarter-wave coaxial resonator, a high-frequency power generator based on a pulsed triode, and an element connecting the generator to the resonator, while the hollow inner resonator conductor and the outer resonator cavity coaxially surrounding it are placed in a vacuum cavity. The high-frequency power generator is located in the evacuated anode tank mounted on the outside of the resonator chamber, while the axis of the generator is offset from the axis of the resonator. The communication element of the anode circuit of the generator and resonator is made in the form of a loop. In the end part of the end of the inner conductor of the resonator remote from the generator, an electron source is placed. The cathode of the electron source faces the hollow cylindrical protrusion of the end wall of the resonator. The protrusion is located coaxially with the inner conductor of the resonator and is separated from it by a high-frequency gap, providing acceleration of electrons along the axis of the resonator. The design of the charged particle accelerator also provides for the possibility of ion acceleration. To do this, a central cylindrical span pipe is mounted on the end face of the resonator inner conductor perpendicular to the axis of the resonator, and two side span tubes are rigidly fixed to the outer conductor of the resonator for input and output of ions, located coaxially with the central span tube and separated from it by high-frequency gaps that provide acceleration ions in the direction perpendicular to the axis of the resonator. In this design, electrons and ions can be accelerated simultaneously. The diameter of the evacuated resonator chamber is 930 mm, the resonator excitation frequency is 30 MHz, the electron energy can vary between 0.2-1.3 MeV, and the efficiency is ~ 20%.
Конструкция ускорителя заряженных частиц имеет значительные габариты и массу, низкий КПД и невысокую надежность, что обусловлено следующими причинами.The design of the accelerator of charged particles has significant dimensions and mass, low efficiency and low reliability, due to the following reasons.
Значительные поперечные размеры ускорителя определяются в основном задаваемой рабочей частотой резонатора, а увеличенные продольные размеры ускорителя обусловлены размещением генератора за пределами резонатора. По этим причинам, а также из-за того, что резонатор размещен в громоздкой вакуумированной камере, ускоритель имеет значительную массу.Significant transverse dimensions of the accelerator are mainly determined by the operating frequency of the resonator, and the increased longitudinal dimensions of the accelerator are determined by the location of the generator outside the cavity. For these reasons, and also because the resonator is located in a bulky evacuated chamber, the accelerator has a significant mass.
Размещение генератора с внешней стороны резонатора и смещение их осей друг относительно друга уменьшает величину связи генератора с резонатором и снижает КПД. Для обеспечения более эффективной работы такого ускорителя, имеющего низкий КПД, требуются громоздкие и электроемкие источники питания, что также увеличивает габариты и массу устройства в целом.Placing the generator on the outside of the resonator and shifting their axes relative to each other reduces the coupling between the generator and the resonator and reduces the efficiency. To ensure more efficient operation of such an accelerator having a low efficiency, bulky and power-consuming power sources are required, which also increases the overall dimensions and weight of the device.
Ускоритель имеет двухконтурную систему связи, что может привести к паразитному самовозбуждению генератора на частоте контура связи и к неустойчивой работе генератора на рабочей частоте резонатора, что снижает надежность и стабильность работы ускорителя.The accelerator has a dual-circuit communication system, which can lead to parasitic self-excitation of the generator at the frequency of the communication circuit and to unstable operation of the generator at the operating frequency of the resonator, which reduces the reliability and stability of the accelerator.
Задачей изобретения является создание компактной высокоэнергетичной с высоким КПД конструкции ускорителя заряженных частиц, обладающей повышенной надежностью, устойчивостью к пробоям, пригодной для промышленного производства и эксплуатации.The objective of the invention is the creation of a compact high-energy, high-efficiency design of the charged particle accelerator, with increased reliability, resistance to breakdowns, suitable for industrial production and operation.
Предлагаемый ускоритель заряженных частиц обеспечивает формирование высокоэнергетичного потока заряженных частиц (электронов или ионов) с КПД не менее 30% на рабочей частоте ~300 МГц, имеет уменьшенные (~ в 4,5 раза) по сравнению с прототипом поперечные размеры, уменьшенную (~ в 10 раз) длину. Ускоритель обладает повышенной надежностью, позволяет создать устойчивую к пробоям, технологичную отпаянную конструкцию, пригодную для изготовления на ее основе сверхэнергетичных ускорителей заряженных частиц.The proposed charged particle accelerator provides the formation of a high-energy flux of charged particles (electrons or ions) with an efficiency of at least 30% at an operating frequency of ~ 300 MHz, has reduced (~ 4.5 times) compared to the prototype transverse dimensions, reduced (~ 10 times) length. The accelerator has increased reliability, allows you to create breakdown-resistant, technological sealed design, suitable for the manufacture of super-energetic charged particle accelerators on its basis.
Предлагается ускоритель заряженных частиц, содержащий четвертьволновый коаксиальный резонатор, генератор высокочастотной мощности и элемент связи генератора с резонатором, соосно размещенные в полости резонатора перпендикулярно его оси центральную пролетную трубу, установленную на удаленном от генератора торце внутреннего проводника резонатора, и жестко скрепленные с внешним проводником резонатора две боковые пролетные трубы для ввода и вывода заряженных частиц, расположенные с противоположных сторон от центральной пролетной трубы и отделенные от нее высокочастотными зазорами, при этом генератор высокочастотной мощности выполнен в виде высокочастотного тетрода, содержащего тетродную пушку и коаксиально окружающий ее радиальный анод, размещенные в полости резонатора между внутренним проводником и торцевой стенкой резонатора соосно резонатору, внутренний проводник соединен с радиальным анодом и жестко скреплен с внешним проводником резонатора с помощью размещенного между ними опорного диэлектрического изолятора, элемент связи генератора с резонатором выполнен в виде закрепленной на радиальном аноде полой проводящей торообразной насадки, коаксиально окружающей радиальный анод.A charged particle accelerator is proposed, comprising a quarter-wave coaxial resonator, a high-frequency power generator, and an element for coupling the generator to the resonator, a central span pipe mounted coaxially in the cavity of the resonator perpendicular to its axis, mounted on an end face of the inner conductor of the resonator remote from the generator, and two rigidly bonded to the outer conductor of the resonator lateral span pipes for input and output of charged particles located on opposite sides of the central span would be separated from it by high-frequency gaps, while the high-frequency power generator is made in the form of a high-frequency tetrode containing a tetrode gun and a radial anode coaxially surrounding it, placed in the cavity of the resonator between the inner conductor and the end wall of the resonator coaxially to the resonator, the inner conductor is connected to the radial anode and rigidly bonded to the external conductor of the resonator using a reference dielectric insulator located between them, the element of communication between the generator and the resonator ying a radially fixed to the conductive toroidal hollow anode nozzle, anode coaxially surrounding groove.
В предлагаемом ускорителе опорный изолятор может быть выполнен в виде расположенного соосно с резонатором полого усеченного конуса, большее основание которого обращено в сторону тетродной пушки.In the proposed accelerator, the supporting insulator can be made in the form of a hollow truncated cone located coaxially with the resonator, the larger base of which faces the tetrode gun.
В предлагаемом ускорителе с внешней стороны радиального анода могут быть размещены рубашки охлаждения.In the proposed accelerator, cooling jackets can be placed on the outside of the radial anode.
В предлагаемом ускорителе к первому четвертьволновому коаксиальному резонатору могут быть последовательно подсоединены один или несколько дополнительных четвертьволновых коаксиальных резонаторов, причем конструктивное выполнение каждого дополнительного резонатора, а также размещенных в его полости элементов ускорителя и их взаимное расположение подобно конструктивному выполнению и взаимному расположению соответствующих элементов первого резонатора, при этом пролетные трубы всех резонаторов ускорителя расположены соосно.In the accelerator according to the invention, one or several additional quarter-wave coaxial resonators can be connected in series to the first quarter-wave coaxial resonator, the structural design of each additional resonator, as well as the accelerator elements located in its cavity and their relative position being similar to the structural embodiment and relative position of the corresponding elements of the first resonator, in this case, the passage pipes of all accelerator cavities are located coaxially.
В предлагаемом ускорителе каждая пролетная труба на обращенном в сторону высокочастотного зазора торце может быть снабжена диафрагмой с центральным сквозным отверстием для пролета заряженных частиц.In the proposed accelerator, each span pipe at the end facing the high-frequency gap can be provided with a diaphragm with a central through hole for the passage of charged particles.
В отличие от прототипа, имеющего рабочую частоту 30 МГц, предлагаемый ускоритель заряженных частиц работает на частоте 300 МГц, что позволяет значительно (~ в 4,5 раза) сократить его поперечные размеры.Unlike the prototype, which has an operating frequency of 30 MHz, the proposed charged particle accelerator operates at a frequency of 300 MHz, which can significantly (~ 4.5 times) reduce its transverse dimensions.
В предлагаемой конструкции отсутствуют отдельные баки или резонаторные камеры для размещения в них генератора и резонатора. Тетродная пушка и радиальный анод генератора высокочастотной мощности установлены непосредственно в вакуумированной полости резонатора, единый внешний проводник которого образует боковую стенку корпуса ускорителя, что ведет к сокращению продольных и поперечных габаритов ускорителя и уменьшению его массы.In the proposed design, there are no separate tanks or resonator chambers for placing a generator and a resonator in them. The tetrode gun and the radial anode of the high-frequency power generator are installed directly in the evacuated cavity of the resonator, the single external conductor of which forms the side wall of the accelerator body, which leads to a reduction in the longitudinal and transverse dimensions of the accelerator and a decrease in its mass.
Элемент связи (торообразная насадка) электрически соединен с анодом генератора и внутренним проводником резонатора. Необходимая величина емкости связи набирается в основном в емкостном зазоре между элементом связи и близлежащими стенками резонатора, образующими в совокупности протяженный конденсатор. Выполнение элемента связи в виде полой торообразной насадки, окружающей радиальный анод, позволяет получить достаточную длину суммарного емкостного зазора между соединенной с анодом насадкой и стенками резонатора, образованными внешним проводником и торцом резонатора, что обеспечивает необходимую величину емкости связи генератора с резонатором и, следовательно, высокий КПД. Такая конструкция позволяет получить заданную ширину ВЧ зазоров между внутренними и внешними проводящими элементами резонатора для обеспечения необходимой электрической прочности.The communication element (toroidal nozzle) is electrically connected to the anode of the generator and the inner conductor of the resonator. The required value of the coupling capacitance is typed mainly in the capacitive gap between the coupling element and the adjacent cavity walls, which together form an extended capacitor. The implementation of the communication element in the form of a hollow toroidal nozzle surrounding the radial anode allows you to obtain a sufficient length of the total capacitive gap between the nozzle connected to the anode and the walls of the resonator formed by the external conductor and the end of the resonator, which provides the necessary value of the coupling capacitance of the generator with the resonator and, therefore, high Efficiency. This design allows you to get the specified width of the RF gaps between the internal and external conductive elements of the resonator to provide the necessary electrical strength.
Использованный в качестве генератора ВЧ тетрод имеет в отличие от триода дополнительную (экранную) сетку, которая защищает катод от пробоев, что увеличивает его долговечность. Радиальная конструкция ВЧ тетрода позволяет иметь увеличенную площадь катода, следовательно, с него можно снимать увеличенный ток и обеспечить более высокую мощность генератора и ускорителя в целом. Соосное размещение тетродной пушки, радиального анода и резонатора также увеличивает емкостную связь генератора с резонатором, что повышает эффективность передачи высокочастотной энергии от генератора к резонатору и КПД ускорителя заряженных частиц.The RF tetrode used as a generator, unlike a triode, has an additional (screen) grid that protects the cathode from breakdowns, which increases its durability. The radial design of the RF tetrode allows you to have an increased cathode area, therefore, you can remove the increased current from it and provide higher power to the generator and accelerator as a whole. Coaxial placement of the tetrode gun, radial anode and resonator also increases the capacitive coupling of the generator with the resonator, which increases the efficiency of high-frequency energy transfer from the generator to the resonator and the efficiency of the charged particle accelerator.
Размещенный в полости резонатора опорный диэлектрический изолятор выполняет одновременно несколько функций:The reference dielectric insulator located in the cavity of the resonator simultaneously performs several functions:
- обеспечивает подачу на анод потенциала, отличного от потенциала внешнего проводника резонатора,- provides a supply to the anode of a potential different from the potential of the external conductor of the resonator,
- является элементом крепления внутреннего проводника резонатора и анода с насадкой к внешнему проводнику резонатора,- is an element of attachment of the inner conductor of the resonator and the anode with the nozzle to the outer conductor of the resonator,
- является элементом емкостной связи генератора с резонатором,- is an element of capacitive coupling of the generator with the resonator,
- является окном связи между основной вакуумированной полостью резонатора, включающей внутренний проводник резонатора и пролетные трубы, и дополнительной вакуумированной полостью резонатора, включающей генератор с элементом связи.- is a communication window between the main evacuated cavity of the resonator, including the inner conductor of the resonator and span tubes, and an additional evacuated cavity of the resonator, including a generator with a communication element.
Конусная форма диэлектрического изолятора увеличивает его механическую жесткость и позволяет, во-первых, удалить внутренний проводник резонатора от внешнего проводника на достаточное расстояние, обеспечивающее требуемую электрическую прочность, во-вторых, предотвратить возможность возникновения скользящего электрического разряда по поверхности изолятора, что характерно для изоляторов, выполненных, например, в виде шайбы или цилиндра.The conical shape of the dielectric insulator increases its mechanical rigidity and allows, firstly, to remove the inner conductor of the resonator from the external conductor by a sufficient distance providing the required electrical strength, and secondly, to prevent the possibility of a sliding electric discharge on the surface of the insulator, which is typical for insulators, made, for example, in the form of a washer or cylinder.
Радиальный анод ВЧ тетрода соединен с внутренним проводником резонатора, что позволяет получить высокую теплопроводность этого узла, на котором происходит основное выделение тепла в ускорителе, и обеспечить эффективное охлаждение его с помощью жидкости, подаваемой в рубашки охлаждения, которые размещены с внешней стороны радиального анода. Это дает возможность использовать в ускорителе более мощный ВЧ тетрод.The radial anode of the RF tetrode is connected to the internal conductor of the resonator, which makes it possible to obtain high thermal conductivity of this assembly, on which the main heat is released in the accelerator, and to ensure its effective cooling with the help of the liquid supplied to the cooling jackets, which are located on the outside of the radial anode. This makes it possible to use a more powerful RF tetrode in the accelerator.
Введение в конструкцию ускорителя заряженных частиц дополнительных четвертьволновых коаксиальных резонаторов позволяет последовательно наращивать энергию ускоренных частиц и получать на выходе ускорителя высокоэнергетичные потоки заряженных частиц.The introduction of additional quarter-wave coaxial resonators into the design of the charged particle accelerator allows one to sequentially increase the energy of accelerated particles and obtain high-energy flows of charged particles at the output of the accelerator.
Обращенные друг к другу торцы центральной и боковых пролетных труб снабжены диафрагмами для того, чтобы силовые линии электрической компоненты ВЧ поля в зазорах между торцами пролетных труб были преимущественно параллельны оси труб и не имели существенных радиальных составляющих, оказывающих отрицательное влияние на взаимодействие ВЧ поля с потоком заряженных частиц. В этом случае существенно снижается или исключается радиальная расфокусировка потока заряженных частиц.The ends of the central and lateral span tubes facing each other are provided with diaphragms so that the power lines of the electric components of the HF field in the gaps between the ends of the span pipes are predominantly parallel to the axis of the pipes and do not have significant radial components that negatively affect the interaction of the HF field with the flow of charged particles. In this case, the radial defocusing of the flow of charged particles is substantially reduced or eliminated.
Наличие в конструкции ускорителя заряженных частиц двух ВЧ зазоров означает, что четвертьволновый резонатор в этом случае действует подобно полуволновому резонатору, но при этом он имеет почти в два раза меньшие продольные размеры.The presence of two RF gaps in the charged particle accelerator design means that the quarter-wave resonator in this case acts like a half-wave resonator, but at the same time it has almost two times smaller longitudinal dimensions.
Генератор высокочастотной мощности (ВЧ тетрод) охвачен цепью обратной связи и представляет собой автогенератор. При этом четвертьволновый коаксиальный резонатор является одновременно анодным резонатором ВЧ тетрода и ускоряющим резонатором ускорителя заряженных частиц.The high-frequency power generator (HF tetrode) is covered by a feedback circuit and is a self-oscillator. In this case, the quarter-wave coaxial resonator is simultaneously the anode resonator of the RF tetrode and the accelerating resonator of the charged particle accelerator.
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 изображена конструкция однорезонаторного ускорителя заряженных частиц.Figure 1 shows the design of a single resonator charged particle accelerator.
На фиг.2 изображена конструкция трехрезонаторного ускорителя заряженных частиц.Figure 2 shows the design of a three-cavity particle accelerator.
Ускоритель заряженных частиц, показанный на фиг.1, содержит следующие элементы:The charged particle accelerator shown in figure 1, contains the following elements:
1 - четвертьволновый коаксиальный резонатор,1 - quarter-wave coaxial resonator,
2 - внешний проводник коаксиального резонатора,2 - external conductor of the coaxial resonator,
3 - внутренний проводник коаксиального резонатора,3 - inner conductor of the coaxial resonator,
4, 5 - торцевые стенки коаксиального резонатора,4, 5 - end walls of the coaxial resonator,
6 - центральная пролетная труба,6 - Central span pipe
7 - отверстие в центральной пролетной трубе,7 - hole in the central span pipe,
8, 9 - боковые пролетные трубы для ввода и вывода заряженных частиц соответственно,8, 9 - side span pipes for input and output of charged particles, respectively,
10 - диафрагмы пролетных труб 6, 8, 9,10 -
11, 12 - фланцы боковых пролетных труб 8, 9 соответственно,11, 12 - flanges of the
13 - источник заряженных частиц,13 is a source of charged particles,
14 - электронная или ионная пушка,14 - electron or ion gun,
15 - устройство для приема заряженных частиц,15 is a device for receiving charged particles,
16 - мишень,16 - target
17, 18 - фланцы источника заряженных частиц и устройства для приема заряженных частиц соответственно,17, 18 - flanges of a source of charged particles and a device for receiving charged particles, respectively,
19, 20 - ускоряющие высокочастотные зазоры,19, 20 - accelerating high-frequency gaps,
21 - катодная ножка ВЧ тетрода,21 - cathode leg of the RF tetrode,
22 - подогреватель катода ВЧ тетрода,22 - cathode heater RF tetrode,
23 - катод ВЧ тетрода,23 - cathode of the RF tetrode,
24 - управляющая сетка ВЧ тетрода,24 - control grid RF tetrode,
25 - экранная сетка ВЧ тетрода,25 - screen grid RF tetrode,
26 - радиальный анод ВЧ тетрода,26 - radial anode of the RF tetrode,
27 - изолятор вывода анода ВЧ тетрода,27 - insulator output anode RF tetrode,
28 - торообразная насадка,28 - toroidal nozzle,
29 - отверстия в торообразной насадке,29 - holes in the toroidal nozzle,
30 - рубашки охлаждения,30 - cooling shirts,
31 - трубки для ввода/вывода охлаждающей жидкости,31 - tubes for input / output of coolant,
32 - опорный диэлектрический изолятор,32 - reference dielectric insulator,
33, 34 - фланцы внешнего проводника 2 коаксиального резонатора.33, 34 - flanges of the outer conductor 2 of the coaxial resonator.
Катодная ножка 21 ВЧ тетрода встроена в торцевую стенку 5 резонатора 1. На размещенной в вакуумной полости резонатора части катодной ножки закреплены электрически изолированные друг от друга с помощью диэлектрических изоляторов концентрично установленные подогреватель 22, катод 23, управляющая 24 и экранная 25 сетки ВЧ тетрода. При этом экранная сетка 25 электрически соединена с торцевой стенкой 5. В качестве катода инжектора может быть использован автокатод. Выступающая за пределы резонатора в атмосферу часть катодной ножки снабжена концентрично расположенными выводами подогревателя, катода и сеток ВЧ тетрода, что удобно для подсоединения к ним коаксиальных разъемов внешних устройств, в том числе разъемов источников питания и цепи обратной связи.The
Система охлаждения анода тетрода включает рубашки охлаждения 30 и трубки для ввода/вывода охлаждающей жидкости 31, которые используют одновременно и как вывод анода. При этом торообразная насадка 28 охватывает рубашки охлаждения 30. Для выравнивания давления внутри и снаружи насадки 28 в ней выполнены сквозные отверстия 29.The cooling system of the tetrode anode includes cooling jackets 30 and pipes for input / output of cooling liquid 31, which are used simultaneously and as the output of the anode. While toroidal nozzle 28 covers the cooling jacket 30. To equalize the pressure inside and outside the nozzle 28, through holes 29 are made in it.
Катодная ножка 21 ВЧ тетрода вакуумно-плотно закреплена (например, путем сварки или пайки) в торцевой стенке 5. Внутренний проводник 3 резонатора 1 и радиальный анод 26 с торообразной насадкой 28 жестко скреплены друг с другом и образуют единый узел, который с помощь опорного диэлектрического изолятора 32 жестко закреплен во внешнем проводнике 2 резонатора 1.The
Центральная пролетная труба 6 жестко прикреплена (например, путем сварки или пайки) к удаленному от ВЧ тетрода торцу внутреннего проводника 3 резонатора 1. Для выравнивания давления внутри и снаружи внутреннего проводника 3 резонатора 1 в центральной пролетной трубе 6 выполнено сквозное отверстие 7. Боковые пролетные трубы вакуумно-плотно соединены (например, путем сварки или пайки) с внешним проводником 2 резонатора 1. Обращенные в сторону высокочастотных зазоров 19, 20 торцы пролетных труб 6, 8, 9 снабжены диафрагмами 10.The
Источник заряженных частиц 13 содержит электронную или ионную пушку 14 (в случае ускорения электронов или ионов соответственно). Устройство для приема заряженных частиц 15 содержит мишень 16 в виде пластины или диска исследуемого материала. Фланец 17 источника заряженных частиц 13 и фланец 18 устройства для приема заряженных частиц 15 вакуумно-плотно соединены с фланцами 11 и 12 боковых пролетных труб 8 и 9 соответственно (например, путем сварки или пайки или с помощью стягивающих болтов).The source of charged
В случае необходимости вывода потока заряженных частиц (электронов или ионов) из резонатора в атмосферу вместо устройства для приема заряженных частиц могут быть использованы вакуумно-плотно соединенные с резонатором фольговое окно или выходная труба, содержащая систему дифференциальной откачки.If it is necessary to discharge a stream of charged particles (electrons or ions) from the resonator into the atmosphere, instead of a device for receiving charged particles, a foil window or an outlet pipe containing a differential pumping system can be vacuum-tightly connected to the resonator.
Диэлектрический изолятор 32 и элементы, соединяющие его с внутренним 3 и внешним 2 проводниками резонатора 1, разделяют объем резонатора на основную вакуумированную полость (в которой размещены внутренний проводник 3 резонатора и пролетные трубы 6, 8, 9) и дополнительную вакуумированную полость (в которой размещены ВЧ тетрод с торообразной насадкой 28). Вакуум в каждой полости может поддерживаться с помощью отдельного насоса, например с помощью миниатюрного встроенного насоса. Это позволяет сохранять вакуум в дополнительной полости и, таким образом, предотвратить отравление катода ВЧ тетрода при разгерметизации основной полости резонатора, например в случае необходимости замены источника заряженных частиц 13 или устройства для приема заряженных частиц 15. С помощью фланцев 33, 34 обеспечивается вакуумно-плотное соединение (например, путем сварки или пайки или с помощью стягивающих болтов) конструктивных узлов резонатора, образующих основную и дополнительную вакуумированные полости. При этом генератор возбуждает весь объем резонатора 1.The dielectric insulator 32 and the elements connecting it to the inner 3 and outer 2 conductors of the
В случае необходимости основная и дополнительная полости резонатора могут быть соединены друг с другом через сквозные отверстия в элементах, соединяющих диэлектрический изолятор с внутренним и внешним проводниками резонатора. В этом случае полости резонатора образуют единый вакуумный объем резонатора, требуемая величина вакуума в котором может поддерживаться, например, с помощью миниатюрного встроенного насоса.If necessary, the main and additional cavity of the resonator can be connected to each other through the through holes in the elements connecting the dielectric insulator with the internal and external conductors of the resonator. In this case, the cavity of the resonator forms a single vacuum volume of the resonator, the required amount of vacuum in which can be maintained, for example, using a miniature built-in pump.
Такая конструкция обеспечивает высокую механическую прочность и виброустойчивость ускорителя заряженных частиц.This design provides high mechanical strength and vibration resistance of the charged particle accelerator.
Ускоритель заряженных частиц, показанный на фиг.2, дополнительно содержит следующие элементы:The charged particle accelerator shown in FIG. 2 further comprises the following elements:
35, 36 - первый и второй дополнительные четвертьволновые коаксиальные резонаторы,35, 36 - the first and second additional quarter-wave coaxial resonators,
37 - внутренний проводник первого дополнительного резонатора 35,37 - the inner conductor of the first
38 - внутренний проводник второго дополнительного резонатора 36,38 - the inner conductor of the second
39 - катодная ножка ВЧ тетрода первого дополнительного резонатора 35,39 - cathode leg of the RF tetrode of the first
40 - катодная ножка ВЧ тетрода второго дополнительного резонатора 36,40 - cathode leg of the RF tetrode of the second
41 - центральная пролетная труба первого дополнительного резонатора 35,41 - Central span pipe of the first
42 - центральная пролетная труба второго дополнительного резонатора 36,42 - Central span pipe of the second
43, 44 - боковые пролетные трубы первого дополнительного резонатора 35,43, 44 - side span pipes of the first
45, 46 - боковые пролетные трубы второго дополнительного резонатора 36,45, 46 - side span tubes of the second
47, 48 - ускоряющие высокочастотные зазоры первого дополнительного резонатора 35,47, 48 - accelerating high-frequency gaps of the first
49, 50 - ускоряющие высокочастотные зазоры второго дополнительного резонатора 36,49, 50 - accelerating high-frequency gaps of the second
51 - магнитная линза.51 is a magnetic lens.
Такие многорезонаторные ускорители заряженных частиц (состоящие из двух или более одиночных ускорителей) могут быть использованы при создании мощных ускорителей с энергией до 1,5 ТэВ. При этом примерно в 30 раз могут быть уменьшены энергозатраты ускорителя и примерно в 100 раз могут быть уменьшены масса и стоимость оборудования и стройконструкций всего комплекса, содержащего такой мощный ускоритель.Such multicavity charged particle accelerators (consisting of two or more single accelerators) can be used to create powerful accelerators with energies up to 1.5 TeV. At the same time, the energy consumption of the accelerator can be reduced by about 30 times and the mass and cost of equipment and building structures of the entire complex containing such a powerful accelerator can be reduced by about 100 times.
Ускоритель заряженных частиц, изображенный на фиг.1, работает следующим образом.The accelerator of charged particles depicted in figure 1, operates as follows.
На подогреватель 22 катода ВЧ тетрода подают ток накала катода, на управляющую сетку 24 и анод 26 подают соответствующие сеточное и анодное напряжения. Катод 23 ВЧ тетрода эмитирует электроны, которые проходят через управляющую 24 и экранную 25 сетки и попадают на радиальный анод 26. При этом возбуждается автогенератор и на ускоряющих ВЧ зазорах 19, 20, образованных торцами центральной 6 и боковых 8, 9 пролетных труб, возникают напряжения высокочастотных колебаний. После включения ВЧ тетрода подают напряжение питания на электронную (ионную) пушку 14 источника заряженных частиц 13. Из источника заряженных частиц 13 электроны (ионы) поступают через боковую пролетную трубу 8 в ВЧ зазор 19, ускоряются в нем ВЧ полем, а затем поступают в центральную пролетную трубу 6. За время пролета электронов (ионов) в трубе 6 полярность напряжения ВЧ поля в зазорах 19 и 20 изменяется, и к моменту выхода электронов (ионов) из пролетной трубы 6 на ВЧ зазоре 20 появляется ускоряющее напряжение. Ускоренные в ВЧ зазоре 20 электроны (ионы) поступают через боковую пролетную трубу 9 в устройство для приема заряженных частиц 15 и бомбардируют размещенную в нем мишень 16, например, с целью определения спектров излучения атомов материала мишени.The cathode glow current is supplied to the cathode heater 22 of the RF tetrode, and the corresponding grid and anode voltages are supplied to the control grid 24 and the anode 26. The cathode 23 of the HF tetrode emits electrons that pass through the control 24 and the screen 25 of the grid and fall on the radial anode 26. In this case, the self-oscillator is excited and on the accelerating
Ускоритель заряженных частиц, изображенный на фиг.2, работает следующим образом.The accelerator of the charged particles depicted in figure 2, operates as follows.
Так же как в ускорителе заряженных частиц, показанном на фиг.1, четвертьволновый коаксиальный резонатор 1 возбуждают встроенным ВЧ тетродом. Электроны (ионы) из источника заряженных частиц 13 поступают в первый четвертьволновый коаксиальный резонатор 1, последовательно ускоряются в ВЧ зазорах 19, 20 и проходят через соединенные вместе боковую пролетную трубу 9 первого четвертьволнового коаксиального резонатора 1 и боковую пролетную трубу 43 первого дополнительного четвертьволнового коаксиального резонатора 35. Затем они ускоряются в ВЧ зазоре 47 резонатора 35, проходят через его центральную пролетную трубу 41, ускоряются в ВЧ зазоре 48 резонатора 35. Далее электроны (ионы) через соединенные вместе боковую пролетную трубу 44 первого дополнительного четвертьволнового коаксиального резонатора 35 и боковую пролетную трубу 45 второго дополнительного четвертьволнового коаксиального резонатора 36 попадают в ВЧ зазор 49 резонатора 36, где они ускоряются. Затем электроны (ионы) проходят через центральную пролетную трубу 42 резонатора 36, ускоряются в ВЧ зазоре 50 и через боковую пролетную трубу 46 резонатора 36 попадают в устройство для приема заряженных частиц 15 и бомбардируют размещенную в нем мишень 16. Для обеспечения фокусировки электронов (ионов) в многорезонаторном ускорителе заряженных частиц в промежутках между соседними резонаторами размещают магнитные линзы 51. Если после прохождения электронами нескольких резонаторов они набирают энергию ~6 МэВ, то дальнейшая фокусировка электронов не требуется.As in the charged particle accelerator shown in FIG. 1, a quarter-wave
Предлагаемая конструкция высокоэнергетичного ускорителя заряженных частиц позволяет сократить его габариты и массу, значительно повысить КПД, а также повысить электрическую прочность и надежность. Конструкция технологична в изготовлении и эксплуатации.The proposed design of a high-energy accelerator of charged particles allows to reduce its dimensions and mass, significantly increase efficiency, and also increase electric strength and reliability. The design is technologically advanced in manufacturing and operation.
Источники информацииInformation sources
1. Абрамян Е.А. «Промышленные ускорители электронов», М., Энергоиздат, 1986, с.112-113.1. Abrahamyan E.A. "Industrial electron accelerators", M., Energoizdat, 1986, p.112-113.
2. Абрамян Е.А., Альтеркоп Б.А., Кулешов Г.В. «Интенсивные электронные пучки», М., Энергоатомиздат, 1984, с.163-165.2. Abrahamyan E.A., Alterkop B.A., Kuleshov G.V. "Intense electron beams", M., Energoatomizdat, 1984, p.163-165.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006107307/06A RU2306685C1 (en) | 2006-03-10 | 2006-03-10 | Charged particle accelerator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006107307/06A RU2306685C1 (en) | 2006-03-10 | 2006-03-10 | Charged particle accelerator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2306685C1 true RU2306685C1 (en) | 2007-09-20 |
Family
ID=38695459
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006107307/06A RU2306685C1 (en) | 2006-03-10 | 2006-03-10 | Charged particle accelerator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2306685C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2467527C1 (en) * | 2011-07-15 | 2012-11-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Acceleration tube |
-
2006
- 2006-03-10 RU RU2006107307/06A patent/RU2306685C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2467527C1 (en) * | 2011-07-15 | 2012-11-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Acceleration tube |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102018014B1 (en) | Electron-coupled transformer | |
| JP6198211B2 (en) | Plasma source apparatus and method for generating a charged particle beam | |
| US8258725B2 (en) | Hollow beam electron gun for use in a klystron | |
| US4751429A (en) | High power microwave generator | |
| CN107591304A (en) | Novel cold cathode compact amplifier | |
| CN112424901B (en) | Low corrosion internal ion source for cyclotron | |
| US20030218430A1 (en) | Ion source with external RF antenna | |
| KR100876052B1 (en) | Neutralizer-type high frequency electron source | |
| US20100019139A1 (en) | Micro discharge device ionizer and method of fabricating the same | |
| RU2306685C1 (en) | Charged particle accelerator | |
| US7116051B2 (en) | Multibeam klystron | |
| US3436588A (en) | Electrostatically focused klystron having cavities with common wall structures and reentrant focusing lens housings | |
| RU2281621C1 (en) | Emitter of electrons | |
| US2651001A (en) | Electron-discharge system | |
| RU2349983C1 (en) | Microwave power emitter (versions) | |
| Zhao et al. | Experimental demonstration of a W-band sheet beam klystron | |
| RU2278439C1 (en) | Klystron | |
| RU2749668C1 (en) | Ion source | |
| JP7255952B2 (en) | ion beam source | |
| CN114156157B (en) | Plasma generating device | |
| KR101772148B1 (en) | Vacuum electronic device having ion pump | |
| RU2334302C2 (en) | Microwave crossed-field oscillator | |
| CN1397084A (en) | Collector | |
| RU2286615C1 (en) | X-ray emitter | |
| RU2290713C1 (en) | Beam-plasma microwave device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090311 |