RU2452143C2 - Method of generating deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for realising said method - Google Patents

Method of generating deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for realising said method Download PDF

Info

Publication number
RU2452143C2
RU2452143C2 RU2010127452/07A RU2010127452A RU2452143C2 RU 2452143 C2 RU2452143 C2 RU 2452143C2 RU 2010127452/07 A RU2010127452/07 A RU 2010127452/07A RU 2010127452 A RU2010127452 A RU 2010127452A RU 2452143 C2 RU2452143 C2 RU 2452143C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pulse
power
frequency
energy
source
Prior art date
Application number
RU2010127452/07A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2010127452A (en
Inventor
Олег Юрьевич Масленников (RU)
Олег Юрьевич Масленников
Анатолий Сергеевич Симонов (RU)
Анатолий Сергеевич Симонов
Александр Павлович Мусатов (RU)
Александр Павлович Мусатов
Виктор Васильевич Клементьев (RU)
Виктор Васильевич Клементьев
Сергей Владимирович Ламонов (RU)
Сергей Владимирович Ламонов
Василий Иванович Шведунов (RU)
Василий Иванович Шведунов
Николай Иванович Пахомов (RU)
Николай Иванович Пахомов
Андрей Николаевич Ермаков (RU)
Андрей Николаевич Ермаков
Андрей Николаевич Каманин (RU)
Андрей Николаевич Каманин
Иван Васильевич Шведунов (RU)
Иван Васильевич Шведунов
Original Assignee
Демидова Елена Викторовна
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Демидова Елена Викторовна filed Critical Демидова Елена Викторовна
Priority to RU2010127452/07A priority Critical patent/RU2452143C2/en
Priority to PCT/RU2011/000479 priority patent/WO2012005629A1/en
Priority to CN201180038971.XA priority patent/CN103314647B/en
Publication of RU2010127452A publication Critical patent/RU2010127452A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2452143C2 publication Critical patent/RU2452143C2/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H9/00Linear accelerators
    • H05H9/04Standing-wave linear accelerators
    • H05H9/048Lepton LINACS

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Particle Accelerators (AREA)
  • Radiation-Therapy Devices (AREA)
  • Apparatus For Disinfection Or Sterilisation (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention is a method of generating deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and a radiation source for an inspection system with a pulse-by-pulse energy switching system between two controlled values, with independent control of the dose rate for each energy. The source has local radiation protection, provides for each energy small beam diameter on the deceleration target, high percentage of particles captured in the acceleration mode and small width of the energy spectrum. The source is based on an accelerating structure with a standing wave, which is powered by a compact multibeam klystron with low beam voltage and focused by permanent magnets. Pulse-by-pulse switching of the value of the energy of the accelerated electron beam between two values at the same frequency is achieved by switching the value of input power of the klystron from pulse to pulse and, consequently, the output power of the klystron and amplitude of the field in the accelerating structure. The required dose rate is ensured by switching from pulse to pulse voltage of the control electrode of the electron gun and, consequently, the value of the current of the beam injected into the accelerating structure.
EFFECT: simple system, reduced dimensions and high reliability of the radiation source.
20 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области физики пучков заряженных частиц и ускорительной техники, в частности к технологии ускорения электронов в импульсном линейном ускорителе с регулируемой энергией пучка, более конкретно к способу генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии и к конструкции линейного ускорителя электронов, предназначенного для досмотровых комплексов.The invention relates to the field of physics of charged particle beams and accelerator technology, in particular to the technology of electron acceleration in a pulsed linear accelerator with adjustable beam energy, more specifically, to a method for generating bremsstrahlung with pulse-by-pulse energy switching and to the design of a linear electron accelerator designed for inspection complexes.

Импульсные линейные ускорители электронов широко применяются в таможенных досмотровых комплексах, предназначенных для контроля содержимого большегрузных контейнеров. Ускоренный пучок электронов фокусируется на тормозной мишени, установленной на выходе ускоряющей структуры, генерируемое тормозное излучение коллимируется, часть излучения, прошедшая досматриваемый объект, регистрируется линейкой детекторов. На основании сигналов детекторов реконструируется изображение содержимого объекта.Pulse linear electron accelerators are widely used in customs inspection complexes designed to control the contents of heavy containers. The accelerated electron beam is focused on the braking target mounted at the output of the accelerating structure, the generated bremsstrahlung is collimated, part of the radiation that has passed through the inspected object is detected by a line of detectors. Based on the signals of the detectors, the image of the object content is reconstructed.

В последнее десятилетие интенсивно развиваются досмотровые комплексы, основанные на ускорителях электронов с поимпульсным переключением энергии и тока ускоренного пучка. Потребность в источниках тормозного излучения с энергией, переключаемой от импульса к импульсу между двумя или более значениями, обусловлена возможностью оценки с их помощью элементного состава досматриваемого объекта, а следовательно, детектирования определенных, например делящихся, материалов [Ogorodnikov, S.; Petrunin, V. (2002). "Processing of interlaced images in 4-10 MeV dual energy customs system for material recognition". Physical Review Special Topics - Accelerators and Beams 5 (104701)].Inspection complexes based on electron accelerators with pulse-by-pulse switching of the energy and current of the accelerated beam have been intensively developing in the last decade. The need for bremsstrahlung sources with energy switched from pulse to pulse between two or more values is due to the possibility of using them to evaluate the elemental composition of the inspected object and, therefore, to detect certain, for example, fissile, materials [Ogorodnikov, S .; Petrunin, V. (2002). "Processing of interlaced images in 4-10 MeV dual energy customs system for material recognition." Physical Review Special Topics - Accelerators and Beams 5 (104701)].

Практически все действующие ускорители для досмотровых комплексов, в частности наиболее широко используемые ускорители фирмы Varian Medical Systems Inc., (США, Whittum, D.H., Trail, M.E., Meddaugh, G.E., State of the art in medical and industrial linear-accelerator systems, Vacuum Electronics Conference, 2008. IVEC 2008. IEEE International, Publication Date: 22-24 April 2008, p.8-11) и ускорители фирмы Nuctech (КНР, Ch.Tang, H.Chen, Y.Liu, X.Wang, Low-Energy Linacs and their Applications in Tsinghua University, Proceedings of LINAC 2006, Knoxville, Tennessee USA, p.256-258), построены с использованием магнетрона в качестве источника СВЧ-мощности, что позволяет удовлетворить ряд важных требований к таким ускорителям - компактность, мобильность, относительно невысокая стоимость.Almost all active accelerators for inspection systems, in particular the most widely used accelerators from Varian Medical Systems Inc., (USA, Whittum, DH, Trail, ME, Meddaugh, GE, State of the art in medical and industrial linear-accelerator systems, Vacuum Electronics Conference, 2008. IVEC 2008. IEEE International, Publication Date: 22-24 April 2008, p. 8-11) and Nuctech accelerators (China, Ch.Tang, H. Chen, Y. Liu, X. Wang, Low -Energy Linacs and their Applications in Tsinghua University, Proceedings of LINAC 2006, Knoxville, Tennessee USA, p. 256-258), are built using a magnetron as a source of microwave power, which allows to satisfy a number of important requirements for such accelerators - compact st, mobility and relatively low cost.

Важными требованиями к ускорителю для досмотрового комплекса, в том числе к ускорителю с поимпульсным переключением энергии, наряду с компактностью и малым весом являются низкий радиационный фон вне рабочей зоны, малый размер пучка на тормозной мишени, высокая стабильность энергии пучка и мощности дозы, возможность регулирования мощности дозы независимо для каждой энергии.Important requirements for the accelerator for the inspection complex, including the accelerator with pulse-by-pulse switching of energy, along with compactness and low weight are a low radiation background outside the working area, a small beam size on the braking target, high stability of the beam energy and dose rate, and the ability to control power doses are independent for each energy.

При реализации линейного ускорителя электронов с поимпульсным переключением энергии возникает ряд специфических проблем, обусловленных необходимостью изменения прироста энергии частиц по всей длине ускоряющей структуры или в ее части. В частности, возникают следующие проблемы.When implementing a linear electron accelerator with pulse-switching energy, a number of specific problems arise due to the need to change the increase in particle energy along the entire length of the accelerating structure or in its part. In particular, the following problems arise.

1. При поимпульсном изменении энергии ускоренного пучка за счет изменения уровня ускоряющего поля в линейном ускорителе, в котором в качестве источника высокочастотной энергии используется магнетрон, необходимо изменять уровень генерируемой им высокочастотной мощности, что достигается поимпульсным изменением амплитуды импульса высокого напряжения, подаваемого на катод магнетрона. При изменении амплитуды импульса высокого напряжения изменяется частота колебаний, генерируемых магнетроном, что требует принятия специальных мер для компенсации рассогласования частоты высокочастотного сигнала и резонансной частоты ускоряющей структуры. Помимо этого, если вместе с переключением амплитуды импульса высокого напряжения не осуществляется поимпульсное переключение уровня магнитного поля магнетрона, последний работает в неоптимальном режиме со значительно суженным диапазоном переключения высокочастотной мощности, а следовательно, и энергии ускоренного пучка, что отрицательно сказывается на чувствительности метода детектирования веществ.1. When changing the energy of the accelerated beam by a pulse by changing the level of the accelerating field in a linear accelerator, in which a magnetron is used as a high-frequency energy source, it is necessary to change the level of high-frequency power generated by it, which is achieved by a pulse-by-pulse change in the amplitude of the high voltage pulse supplied to the magnetron cathode. When the amplitude of the high-voltage pulse changes, the frequency of the oscillations generated by the magnetron changes, which requires special measures to compensate for the mismatch of the frequency of the high-frequency signal and the resonant frequency of the accelerating structure. In addition, if, together with the switching of the amplitude of the high-voltage pulse, pulse-by-layer switching of the magnetron magnetic field is not carried out, the latter operates in a non-optimal mode with a significantly narrowed switching range of high-frequency power and, consequently, the energy of the accelerated beam, which negatively affects the sensitivity of the detection method of substances.

2. При поимпульсном изменении энергии ускоренного пучка за счет изменения уровня ускоряющего поля в линейном ускорителе, в котором в качестве источника высокочастотной энергии используется клистрон, изменение уровня усиливаемой им высокочастотной мощности достигается поимпульсным изменением амплитуды маломощного входного высокочастотного сигнала, имеющего постоянную частоту, при постоянной амплитуде импульса высокого напряжения, подаваемого на катод клистрона. По сравнению с магнетроном это обеспечивает более широкий диапазон переключения энергии, большую стабильность энергии ускоренного пучка и мощности дозы тормозного излучения. Однако используемые в настоящее время однолучевые клистроны имеют большие габариты и массу из-за фокусирующего соленоида, работают при высоком напряжении, требующем масляной изоляции, что значительно увеличивает размеры и стоимость ускорителей электронов, созданных на их основе.2. In case of pulse-by-pulse change in the energy of the accelerated beam due to a change in the level of the accelerating field in a linear accelerator, in which a klystron is used as a source of high-frequency energy, a change in the level of the high-frequency power amplified by it is achieved by a pulse change in the amplitude of a low-power high-frequency input signal with a constant frequency at a constant amplitude high voltage pulse supplied to the klystron cathode. Compared to a magnetron, this provides a wider range of energy switching, greater stability of the accelerated beam energy and the dose rate of bremsstrahlung. However, the single-beam klystrons currently used have large dimensions and mass due to the focusing solenoid, operate at high voltage, requiring oil isolation, which significantly increases the size and cost of electron accelerators created on their basis.

Известен линейный ускоритель электронов, который может работать в режиме поимпульсного переключения энергии (RU 2282955 С2), содержащий источник электронов, сверхвысокочастотный генератор, устройства питания и управления, ускоряющую систему, которая содержит группирующую секцию со стоячей волной и ускоряющую секцию с бегущей волной, каждая из которых содержит связанные ячейки с трубками на оси для дрейфа пучка ускоряемых электронов и окнами на периферии для электромагнитной связи, при этом ускоритель содержит устройство ввода высокочастотной мощности, присоединенное к первой по ходу пучка ячейке ускоряющей секции, граничащей с последней ячейкой группирующей секции, и устройство вывода сверхвысокочастотной мощности, присоединенное к последней ячейке ускоряющей секции.A linear electron accelerator is known, which can operate in a pulse-by-pulse energy switching mode (RU 2282955 C2), comprising an electron source, a microwave generator, power and control devices, an accelerating system that contains a grouping section with a standing wave and an accelerating section with a traveling wave, each which contains connected cells with tubes on the axis for the drift of the beam of accelerated electrons and windows on the periphery for electromagnetic coupling, while the accelerator contains a high frequency input device hydrochloric power connected to the first cell along the beam accelerating section bordering the last cell of the grouping section, and microwave power output device, connected to the last cell of the accelerating section.

Поимпульсное регулирование энергии осуществляют посредством изменения тока ускоренных частиц, которое, предположительно, не должно влиять на амплитуду ускоряющего поля в группирующей части ускоряющей системы и за счет нагрузки током пучка уменьшать прирост энергии в ускоряющей части.Pulse-based energy regulation is carried out by changing the current of accelerated particles, which, presumably, should not affect the amplitude of the accelerating field in the grouping part of the accelerating system and, due to the load of the beam current, reduce the energy gain in the accelerating part.

Главным недостатком предлагаемого варианта поимпульсного регулирования энергии пучка является взаимосвязь мощности дозы и энергии пучка, не позволяющая осуществлять независимое регулирование мощности дозы для каждого уровня энергии в отдельности.The main disadvantage of the proposed option of pulse-by-pulse regulation of the beam energy is the interconnection of the dose rate and the beam energy, which does not allow for independent regulation of the dose rate for each energy level separately.

Известна также схема линейного ускорителя электронов с поимпульсным переключением энергии (US 7,208,889 В2), содержащего:There is also known a linear electron accelerator circuit with pulse-switching energy (US 7,208,889 B2), containing:

- источник мощности, генерирующий электромагнитные волны;- a power source generating electromagnetic waves;

- инжектор, производящий импульсы заряженных частиц;- an injector producing pulses of charged particles;

- первую ускоряющую секцию, приспособленную для получения указанных импульсов заряженных частиц, для получения указанных электромагнитных волн и для передачи их энергии указанным импульсам частиц;- the first accelerating section, adapted to receive these pulses of charged particles, to obtain the specified electromagnetic waves and to transfer their energy to the indicated momenta of the particles;

- вторую ускоряющую секцию, приспособленную для получения указанных импульсов заряженных частиц от указанной первой секции и для передачи энергии указанным импульсам заряженных частиц;- a second accelerating section adapted to receive said impulses of charged particles from said first section and to transfer energy to said impulses of charged particles;

- фазовращатель, установленный между указанным источником мощности и указанной второй ускоряющей секцией, приспособленный для попеременного изменения фазы указанных электромагнитных волн и для доставки указанных электромагнитных волн в указанную вторую ускоряющую секцию в требуемой фазе.- a phase shifter installed between the specified power source and the specified second accelerating section, adapted to alternately change the phase of these electromagnetic waves and for delivering these electromagnetic waves to the specified second accelerating section in the desired phase.

Известно, что разбиение ускоряющей структуры на две секции с отдельными высокочастотными трактами существенно усложняет систему СВЧ-питания и вакуумную систему, требует сложной системы контроля и подстройки частоты каждой из секций.It is known that dividing the accelerating structure into two sections with separate high-frequency paths significantly complicates the microwave power supply system and the vacuum system, requires a complex control system and frequency adjustment of each of the sections.

Известен ускоритель электронов для генерации высокоэнергетического тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии тормозного излучения между двумя значениями и с независимым регулированием мощности дозы для каждого значения энергии, включающий источник тормозного излучения, систему высокочастотного питания, модулятор управляющего электрода электронной пушки, обеспечивающий поимпульсное переключение тока пучка электронной пушки; систему высоковольтного питания, систему охлаждения, контроллер ускорителя, консоль управления и тормозную мишень (US 7,130,371 В2). В этом устройстве источник тормозного излучения содержит инжектор, приспособленный для генерирования электронного пучка от первого импульса напряжения или второго импульса напряжения и передачи его к ускоряющей секции, приспособленной для формирования и ускорения импульсов электронного пучка с помощью импульсов электромагнитного сигнала.Known electron accelerator for generating high-energy bremsstrahlung with pulse-by-pulse switching of the energy of bremsstrahlung between two values and with independent regulation of the dose rate for each energy value, including a source of bremsstrahlung, a high-frequency power system, a modulator of the control electrode of an electron gun, providing pulse-by-pulse switching of the electron gun beam current ; high-voltage power system, cooling system, accelerator controller, control console and brake target (US 7,130,371 B2). In this device, the bremsstrahlung source comprises an injector adapted to generate an electron beam from a first voltage pulse or a second voltage pulse and transmit it to an accelerating section adapted to generate and accelerate pulses of an electron beam by means of pulses of an electromagnetic signal.

Система высокочастотного питания включает, по крайней мере, два задающих генератора, приспособленных для производства импульсов первого электромагнитного сигнала первой частоты и импульсов второго электромагнитного сигнала второй частоты; коммутатор, приспособленный для передачи указанных импульсов электромагнитного сигнала первой частоты или указанных импульсов электромагнитного сигнала второй частоты, возбудитель и усилитель - клистрон для усиления амплитуды указанных импульсов электромагнитного сигнала.The high-frequency power system includes at least two master oscillators adapted to produce pulses of a first electromagnetic signal of a first frequency and pulses of a second electromagnetic signal of a second frequency; a switch adapted to transmit the indicated pulses of the electromagnetic signal of the first frequency or the indicated pulses of the electromagnetic signal of the second frequency, the pathogen and the amplifier is a klystron for amplifying the amplitude of these pulses of the electromagnetic signal.

Система высоковольтного питания содержит модулятор указанного усилителя, модулятор инжектора, приспособленный для генерации указанного первого импульса напряжения первой амплитуды и указанного второго импульса напряжения второй амплитуды и устройство синхронизации работы указанных модулятора инжектора и модулятора усилителя. Спектр излучения известного ускорителя пригоден для идентификации различных материалов.The high-voltage power system comprises a modulator of said amplifier, an injector modulator adapted to generate said first voltage pulse of a first amplitude and said second voltage pulse of a second amplitude, and a synchronization device of said injector modulator and amplifier modulator. The radiation spectrum of the known accelerator is suitable for identifying various materials.

Патент US 7,130,371 В2 защищает также способ, лежащий в основе указанного устройства.US 7,130,371 B2 also protects the method underlying this device.

Указанные устройство и способ позволяют от импульса к импульсу переключать уровень энергии ускоренного пучка и величину тока ускоренного пучка. В основе способа переключения энергии в указанном устройстве лежит зависимость фазовой скорости электромагнитной волны в ускоряющей структуре с бегущей волной от частоты электромагнитного сигнала. При увеличении частоты электромагнитного сигнала фазовая скорость электромагнитной волны и, следовательно, энергия ускоренного пучка уменьшаются.The indicated device and method allow switching the energy level of the accelerated beam and the current value of the accelerated beam from pulse to pulse. The method of switching energy in the specified device is based on the dependence of the phase velocity of the electromagnetic wave in an accelerating structure with a traveling wave on the frequency of the electromagnetic signal. As the frequency of the electromagnetic signal increases, the phase velocity of the electromagnetic wave and, therefore, the energy of the accelerated beam decrease.

В основе способа переключения тока ускоренного пучка лежит зависимость тока инжектора (трехэлектродной электронной пушки) от напряжения на управляющем электроде. При увеличении напряжения на управляющем электроде увеличивается ток пучка инжектируемого и ускоренного пучка.The method for switching the accelerated beam current is based on the dependence of the injector current (three-electrode electron gun) on the voltage at the control electrode. As the voltage at the control electrode increases, the beam current of the injected and accelerated beam increases.

Таким образом, переключая от импульса к импульсу одновременно частоту задающего генератора и величину напряжения на управляющем электроде, возможно обеспечить поимпульсное переключение верхней границы энергии излучения, генерируемого ускоренным электронным пучком на тормозной мишени, и обеспечить требуемую для данной энергии мощность дозы указанного излучения. Принципиальным для данного способа является использование ускоряющей структуры на бегущей волне и клистрона в качестве усилителя высокочастотного сигнала.Thus, switching from pulse to pulse at the same time the frequency of the master oscillator and the voltage at the control electrode, it is possible to provide pulse-by-pulse switching of the upper limit of the radiation energy generated by the accelerated electron beam on the braking target, and to provide the dose rate of this radiation required for this energy. Fundamental for this method is the use of an accelerating structure on a traveling wave and a klystron as an amplifier of a high-frequency signal.

Недостатки устройства и способа, описанных в US 7,130,371 В2, заключаются в следующем. Использование ускоряющей структуры на бегущей волне исключает возможность создания компактного ускорителя, поскольку известно, что для достижения одинаковой энергии ускоренного пучка при одинаковой мощности СВЧ-источника (клистрона, магнетрона) длина ускоряющей структуры на бегущей волне должна быть примерно вдвое больше длины ускоряющей структуры со стоячей волной. Кроме того, ускоряющая структура на бегущей волне требует установки поверх ее начальной части громоздкого и потребляющего большую мощность соленоида для удержания и фокусировки пучка. Поскольку величина поля соленоида не может переключаться от импульса к импульсу, данные устройство и метод не позволяют получать одинаково хорошо сфокусированный пучок при высокой и низкой энергиях.The disadvantages of the device and method described in US 7,130,371 B2 are as follows. The use of an accelerating structure on a traveling wave excludes the possibility of creating a compact accelerator, since it is known that to achieve the same energy of the accelerated beam at the same power of the microwave source (klystron, magnetron) the length of the accelerating structure on the traveling wave should be approximately twice the length of the accelerating structure with a standing wave . In addition, an accelerating structure on a traveling wave requires the installation of a solenoid that is bulky and consumes a lot of power over its initial part to hold and focus the beam. Since the magnitude of the solenoid field cannot switch from pulse to pulse, these devices and methods do not allow obtaining an equally well focused beam at high and low energies.

Ближайшим прототипом предлагаемого способа является способ генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии (US 2010/003856311), заключающийся в:The closest prototype of the proposed method is a method for generating bremsstrahlung with pulse switching energy (US 2010/003856311), which consists in:

- последовательном снабжении первой входной высокочастотной мощностью и второй входной высокочастотной мощностью клистрона, при этом вторая входная высокочастотная мощность отличается от первой;- sequentially supplying the first input high-frequency power and the second input high-frequency power klystron, while the second input high-frequency power is different from the first;

- последовательном усилении клистроном первых высокочастотных импульсов, имеющих первую мощность, и вторых высокочастотных импульсов, имеющих вторую мощность, отличную от первой мощности;- sequential amplification by the klystron of the first high-frequency pulses having a first power, and second high-frequency pulses having a second power different from the first power;

- последовательной передаче первых и вторых импульсов высокочастотной мощности резонаторам одного и того же ускорителя частиц;- sequential transmission of the first and second pulses of high-frequency power to the resonators of the same particle accelerator;

- питании клистрона первой электрической мощностью;- feeding the klystron with the first electric power;

- последовательном питании электронной пушки второй и третьей электрической мощностью, отличной от первой электрической мощности;- sequential power supply of the electron gun of the second and third electric power, different from the first electric power;

- создании и инжекции первого и второго пучков электронов в резонаторы ускорителя, при этом первый и второй пучки основаны, по крайней мере частично, на электрических мощностях, отличных от первой электрической мощности;- the creation and injection of the first and second electron beams into the resonators of the accelerator, while the first and second beams are based, at least in part, on electric powers other than the first electric power;

- последовательном ускорении инжектированных электронов до первой энергии и второй энергии, отличной от первой энергии, базирующихся, по крайней мере частично, на первом и втором импульсах высокочастотной мощности;- sequential acceleration of the injected electrons to the first energy and a second energy different from the first energy, based at least in part on the first and second pulses of high-frequency power;

- последовательном столкновении первых и вторых токов ускоренных частиц с тормозной мишенью для генерации излучения, имеющего первую и вторую различные энергии и первую и вторую различные соответствующие мощности дозы.- sequential collision of the first and second currents of accelerated particles with a brake target to generate radiation having first and second different energies and first and second different corresponding dose rates.

Ближайшим прототипом предлагаемого устройства является источник радиации (US 2010/003856311), включающий:The closest prototype of the proposed device is a radiation source (US 2010/003856311), including:

- ускоряющую структуру для ускорения электронов;- an accelerating structure for accelerating electrons;

- электронную пушку с возможностью переключения величины тока пучка от импульса к импульсу между двумя предустановленными значениями;- an electron gun with the ability to switch the magnitude of the beam current from pulse to pulse between two preset values;

- тормозную мишень, расположенную на выходе ускорителя, попадание ускоренных электронов на которую вызывает генерацию излучения;- a brake target located at the output of the accelerator, hit of accelerated electrons to which causes the generation of radiation;

- систему высоковольтного питания;- high voltage power system;

- систему высокочастотного питания, содержащую клистрон для выборочного снабжения ускорителя, по крайней мере, первыми и вторыми импульсами высокочастотной энергии, имеющими первую и вторую различные частоты и возбудитель, поставляющий высокочастотную мощность клистрону;- a high-frequency power system containing a klystron for selectively supplying the accelerator with at least first and second high-frequency energy pulses having first and second different frequencies and an exciter supplying high-frequency power to the klystron;

- контроллер ускорителя, включающий контроллер частоты;- accelerator controller, including a frequency controller;

- систему охлаждения.- cooling system.

В основном варианте известных способа и устройства использован магнетрон, частота генерируемых колебаний которого может изменяться от импульса к импульсу вследствие изменения напряжения питающей электрической мощности, для обеспечения точности установки частоты используют контролирующие и корректирующие устройства. Этот принцип работы устройства автоматически перенесен на вариант схемы с клистроном в качестве источника мощности, что делает его без дополнительных уточнений неработоспособным. Конструкция клистрона не описана.In the main embodiment of the known method and device, a magnetron is used, the frequency of the generated oscillations of which can vary from pulse to pulse due to changes in the voltage of the supplying electric power, to ensure the accuracy of the frequency setting, control and correction devices are used. This principle of operation of the device is automatically transferred to a variant of the circuit with a klystron as a power source, which makes it inoperative without additional clarifications. The design of the klystron is not described.

Недостатки известных способа генерации и источника радиации заключаются в необходимости переключения частоты источника ВЧ-мощности или использовании двух источников с различающимися частотами, что усложняет систему и снижает ее надежность, а использование обычного клистрона сопровождается применением соленоида и высоковольтного источника питания с напряжением свыше 100 кВ с соответствующим увеличением массы и габаритов устройства.The disadvantages of the known method of generation and radiation source are the need to switch the frequency of the RF power source or the use of two sources with different frequencies, which complicates the system and reduces its reliability, and the use of a conventional klystron is accompanied by the use of a solenoid and a high voltage power source with a voltage of over 100 kV with the corresponding an increase in the mass and dimensions of the device.

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в упрощении системы, уменьшении ее габаритов и повышении надежности работы источника радиации для досмотровых комплексов с поимпульсным переключением уровня энергии тормозного излучения между двумя значениями и с независимым регулированием мощности дозы для каждого значения энергии.The technical result of the proposed utility model is to simplify the system, reduce its dimensions and increase the reliability of the radiation source for inspection systems with pulse-by-pulse switching of the bremsstrahlung energy level between two values and with independent dose rate control for each energy value.

Указанный технический результат обеспечен благодаря тому, что в способе генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии, заключающемся в последовательном снабжении первой входной высокочастотной мощностью и второй входной высокочастотной мощностью клистрона, при этом вторая входная высокочастотная мощность отличается от первой, последовательном усилении клистроном первых высокочастотных импульсов, имеющих первую мощность, и вторых высокочастотных импульсов, имеющих вторую мощность, отличную от первой мощности, последовательной передаче первых и вторых импульсов высокочастотной мощности резонаторам одного и того же ускорителя частиц, питании клистрона первой электрической мощностью, последовательном питании управляющего электрода электронной пушки второй и третьей электрической мощностью, отличной от первой электрической мощности, создании и инжекции первого и второго пучков электронов в резонаторы ускорителя, при этом первый и второй пучки основаны, по крайней мере частично, на второй и третьей электрических мощностях, отличных от первой электрической мощности, последовательном ускорении инжектированных электронов до первой энергии и второй энергии, отличной от первой энергии, базирующихся, по крайней мере частично, на первом и втором импульсах высокочастотной мощности и последовательном столкновении первых и вторых пучков ускоренных частиц с тормозной мишенью для генерации излучения, имеющего первую и вторую различные энергии и первую и вторую различные соответствующие мощности дозы, передача первых и вторых импульсов высокочастотной мощности резонаторам одного и того же ускорителя осуществляется в виде близко расположенных во времени пар, регулирование энергии от импульса к импульсу осуществляют регулированием уровня ускоряющего поля за счет изменения уровня выходной мощности ВЧ-источника одновременно с регулированием уровней первого и второго токов электронного пучка, при этом как на низком, так и на высоком уровнях энергии ускоритель работает на одной и той же частоте, первый импульс высокочастотной мощности импульсного многолучевого клистрона совмещен по времени с первым импульсом тока электронного пучка, а второй импульс мощности совмещен со вторым импульсом тока, первая электрическая мощность, поставляемая клистрону и катоду электронной пушки от источника энергии, одинакова для первой входной высокочастотной мощности и для второй входной высокочастотной мощности, последовательное питание управляющего электрода электронной пушки осуществляют второй электрической мощностью и третьей электрической мощностью, отличными от первой электрической мощности, поставляемой клистрону и катоду электронной пушки, модуляцию скорости непрерывного электронного потока от электронной пушки осуществляют в первой ячейке ускоряющей структуры, во второй ячейке частично сгруппированный в сгустки поток подвергают ускорению, фокусировке и дальнейшей группировке, высокочастотное напряжение Ug (уровень ускоряющего поля) на зазоре первой ячейки выбрано из условия обеспечения максимальной амплитуды первой гармоники тока пучка в центре зазора второй ячейкиThe specified technical result is provided due to the fact that in the method of generating bremsstrahlung with pulse-by-pulse switching of energy, which consists in sequentially supplying the first input high-frequency power and the second input high-frequency power klystron, the second input high-frequency power being different from the first sequential klystron amplification of the first high-frequency pulses, having a first power and second high-frequency pulses having a second power different from the first power and, sequentially transmitting the first and second pulses of high-frequency power to the resonators of the same particle accelerator, feeding the klystron with the first electric power, sequentially supplying the control electrode of the electron gun with the second and third electric power, different from the first electric power, creating and injecting the first and second electron beams in the resonators of the accelerator, while the first and second beams are based, at least in part, on the second and third electric powers other than the first electrical power, sequentially accelerating the injected electrons to the first energy and a second energy different from the first energy, based at least in part on the first and second pulses of high-frequency power and the sequential collision of the first and second beams of accelerated particles with a stop target to generate radiation, having the first and second different energies and the first and second different corresponding dose rates, the transmission of the first and second pulses of high-frequency power to the resonators of one of the same accelerator is carried out in the form of pairs closely spaced in time, energy is regulated from pulse to pulse by adjusting the level of the accelerating field by changing the level of the output power of the RF source simultaneously with the regulation of the levels of the first and second currents of the electron beam, while at low, and at high energy levels, the accelerator operates at the same frequency, the first high-frequency pulse of a pulsed multipath klystron is aligned in time with the first current pulse electron beam, and the second power pulse is combined with the second current pulse, the first electric power supplied to the klystron and cathode of the electron gun from the energy source is the same for the first high-frequency input power and for the second high-frequency input power, the second electron power is supplied to the control electrode of the electron gun in series and a third electric power different from the first electric power supplied to the klystron and cathode of the electron gun, modulation the speed of the continuous electron flow from the electron gun is carried out in the first cell of the accelerating structure, in the second cell the flow is partially grouped into bunches, accelerated, focused and further grouped, the high-frequency voltage U g (level of the accelerating field) at the gap of the first cell is selected to ensure maximum amplitude the first harmonic of the beam current in the center of the gap of the second cell

Figure 00000001
Figure 00000001

где: U0 - напряжение источника электронов,where: U 0 is the voltage of the electron source,

n=1, 2, 3…;n = 1, 2, 3 ...;

при этом уровень ускоряющего поля третьей ячейки равен уровню поля последующих ячеек, а контроллер частоты управляет частотой СВЧ-сигнала формируемого синтезатором, входящим в состав возбудителя, на основании данных о режиме работы ускорителя и температуре охлаждающей жидкости.the level of the accelerating field of the third cell is equal to the field level of subsequent cells, and the frequency controller controls the frequency of the microwave signal generated by the synthesizer, which is part of the pathogen, based on data on the mode of operation of the accelerator and the temperature of the coolant.

Кроме того, осуществляют инжекцию первых электронов в резонаторы ускорителя при первом токе пучка, в то время как импульсы первой ВЧ-мощности передаются ускорителю, а инжекцию вторых электронов в резонаторы ускорителя, при втором токе пучка, отличном от первого тока пучка, в то время как импульсы второй ВЧ-мощности передаются ускорителю.In addition, the first electrons are injected into the accelerator resonators at the first beam current, while the first RF power pulses are transmitted to the accelerator, and the second electrons are injected into the accelerator cavities at the second beam current, different from the first beam current, while pulses of the second RF power are transmitted to the accelerator.

При этом снабжение первой электрической мощностью, второй электрической мощностью и третьей электрической мощностью производят от одного источника электрической мощности.In this case, the first electric power, the second electric power and the third electric power are supplied from one source of electric power.

Другим аспектом предлагаемого изобретения является источник радиации, включающий ускоряющую структуру для ускорения электронов, электронную пушку с возможностью переключения величины тока пучка от импульса к импульсу между двумя предустановленными значениями, тормозную мишень, расположенную на выходе ускорителя, систему высоковольтного питания, систему высокочастотного питания, содержащую клистрон для выборочного снабжения ускорителя, по крайней мере, первыми и вторыми импульсами высокочастотной энергии и возбудитель, поставляющий высокочастотную мощность клистрону, контроллер ускорителя, включающий контроллер частоты, и систему охлаждения, электронная пушка выполнена трехэлектродной и содержит катод, анод и управляющий электрод, источником высокочастотной энергии является импульсный многолучевой усилительный клистрон, возбудитель снабжен возможностью переключения мощности входного высокочастотного сигнала, поступающего на вход клистрона, между двумя предустановленными значениями от импульса к импульсу работы ускорителя при одинаковой частоте генерируемых колебаний для обоих значений энергии, указанная система высоковольтного питания содержит источник электрического напряжения управляющего электрода электронной пушки, обеспечивающий поимпульсное переключение тока пучка электронной пушки, и источник электрической мощности (модулятор) источника ВЧ-мощности, ускоряющая структура выполнена в виде структуры со стоячей волной.Another aspect of the invention is a radiation source, including an accelerating structure for accelerating electrons, an electron gun with the ability to switch the beam current from pulse to pulse between two preset values, a brake target located at the accelerator output, a high-voltage power system, and a high-frequency power system containing a klystron to selectively supply the accelerator with at least the first and second pulses of high-frequency energy and a pathogen, supplying high-frequency power to the klystron, the accelerator controller, including the frequency controller, and the cooling system, the electron gun is made of a three-electrode and contains a cathode, anode and a control electrode, the source of high-frequency energy is a pulsed multipath amplification klystron, the exciter is equipped with the ability to switch the power of the input high-frequency signal supplied to the input klystron, between two preset values from pulse to pulse of the accelerator at the same frequency proxy oscillations for both said high voltage power system energy values comprises a source of electric voltage of the control electrode of the electron gun, providing poimpulsnoe switching beam electron gun current and the source of electrical power (modulator) a source of RF power, the accelerating structure is a structure with a standing wave.

Кроме того, ускоряющая структура содержит первую (группирующую) ячейку с низким уровнем ускоряющего поля, вторую ячейку (ускоряющую и фокусирующую) с высоким уровнем поля, третью и последующие (ускоряющие и фокусирующие) с самым высоким уровнем ускоряющего поля, а расстояние между центрами зазоров первой и второй ячеек обеспечивает попадание центра ускоряемого сгустка в максимум ускоряющего поля второй ячейки при сдвиге фазы поля между ячейками 180°.In addition, the accelerating structure contains a first (grouping) cell with a low level of the accelerating field, a second cell (accelerating and focusing) with a high field level, a third and subsequent (accelerating and focusing) cells with the highest level of the accelerating field, and the distance between the centers of the gaps of the first and the second cell ensures that the center of the accelerated bunch gets into the maximum of the accelerating field of the second cell with a phase shift between the cells of 180 °.

При этом расстояние Lg между центрами зазоров первой и второй ячеек определяется соотношениемThe distance L g between the centers of the gaps of the first and second cells is determined by the ratio

Figure 00000002
Figure 00000002

где: β00/с,where: β 0 = ν 0 / s,

ν0 - величина скорости электронного потока на входе в группирующую ячейку,ν 0 - the value of the velocity of the electron beam at the entrance to the grouping cell,

λ - длина волны СВЧ-поля источника высокочастотной мощности в свободном пространстве,λ is the wavelength of the microwave field of the source of high-frequency power in free space,

с - скорость света,c is the speed of light

n=1, 2, 3…n = 1, 2, 3 ...

Кроме того, фокусирующая система клистрона выполнена на постоянных магнитах, указанный возбудитель состоит из синтезатора, твердотельного СВЧ-усилителя и электронного аттенюатора на p-i-n диодах, а указанная ускоряющая структура и указанная электронная пушка помещены в магнитный экран.In addition, the klystron focusing system is made with permanent magnets, the specified pathogen consists of a synthesizer, a solid-state microwave amplifier and an electronic attenuator on p-i-n diodes, and the specified accelerating structure and the indicated electron gun are placed in a magnetic screen.

Кроме того, тормозная мишень установлена на электронопроводе малого диаметра, после указанной тормозной мишени установлена ионизационная камера, указанные электронная пушка, ускоряющая структура с магнитным экраном, тормозной мишенью и ионизационной камерой установлены внутри локальной радиационной защиты, в которой расположена прорезь.In addition, the brake target is mounted on a small diameter electron wire, an ionization chamber is installed after the brake target, the indicated electron gun, an accelerating structure with a magnetic screen, a brake target and an ionization chamber are installed inside the local radiation protection in which the slot is located.

Кроме того, в стенке ускоряющей структуры установлена петля связи, указанные электронная пушка, ускоряющая структура и электронопровод с тормозной мишенью образуют единый вакуумный объем, изолированный от атмосферы с помощью высокочастотного вакуумного окна, установленного в волноводе, через который поступает высокочастотная мощность в указанную ускоряющую структуру, на указанном волноводе установлен геттерный насос, не требующий источника питания и подключенный к указанному объему через прорези в узкой стенке волновода, а также электроразрядный насос, величина тока которого определяется уровнем вакуума в указанном объеме, соединенный с указанным вакуумным объемом через прорези в узкой стенке указанного волновода.In addition, a coupling loop is installed in the wall of the accelerating structure, these electron guns, the accelerating structure, and the electron wire with the brake target form a single vacuum volume isolated from the atmosphere by means of a high-frequency vacuum window installed in the waveguide, through which high-frequency power enters the specified accelerating structure, a getter pump is installed on the specified waveguide, which does not require a power source and is connected to the indicated volume through slots in the narrow waveguide wall, as well as ktrorazryadny pump, whose current value is determined by the level of vacuum in said screen coupled to said vacuum volume through slots in the narrow wall of said waveguide.

Кроме того, модулятор выполнен с возможностью питания клистрона и электронной пушки первой электрической мощностью для генерации клистроном обоих импульсов высокочастотной мощности и снабжения пушкой ускоряющей структуры электронными пучками с обоими токами, при этом модулятором является твердотельный модулятор. Кроме того, устройство может содержать источник электрической мощности, отдельный от модулятора, присоединенный к управляющему электроду электронной пушки с возможностью выборочно подавать, по крайней мере, второе и третье различные напряжения на управляющий электрод.In addition, the modulator is configured to supply the klystron and the electron gun with the first electric power to generate both high-frequency power pulses by the klystron and to supply the accelerating structure with electron beams with both currents, the modulator being a solid-state modulator. In addition, the device may contain an electric power source separate from the modulator, attached to the control electrode of the electron gun with the ability to selectively apply at least the second and third different voltages to the control electrode.

Устройство и работа ускорителя иллюстрируются на фиг.1-4.The device and operation of the accelerator are illustrated in figures 1-4.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого ускорителя.Figure 1 presents a block diagram of the proposed accelerator.

На фиг.2 представлена временная диаграмма работы ускорителя.Figure 2 presents the timing diagram of the accelerator.

На фиг.3 представлена фотография общего вида ускорителя.Figure 3 presents a photograph of a General view of the accelerator.

На фиг.4 представлен энергетический спектр ускоренного пучка в режиме поимпульсного переключения энергии.Figure 4 presents the energy spectrum of the accelerated beam in the mode of pulse-switching energy.

На фиг.5 представлены поимпульсные изображения пучка в режиме переключения энергии и масштабная сетка с шагом 1 мм.Figure 5 presents the pulse images of the beam in the energy switching mode and a scale grid with a pitch of 1 mm.

Изобретение представляет собой компактный ускоритель электронов для досмотровых комплексов с поимпульсным переключением уровня энергии тормозного излучения между двумя регулируемыми значениями с независимым регулированием мощности дозы для каждой энергии.The invention is a compact electron accelerator for inspection systems with pulse-by-pulse switching of the energy level of bremsstrahlung between two adjustable values with independent regulation of the dose rate for each energy.

Ускоритель содержит источник радиации 1, систему высокочастотного питания 2, систему высоковольтного питания 3, систему охлаждения 4, контроллер ускорителя 5, консоль управления 6.The accelerator contains a radiation source 1, a high-frequency power system 2, a high-voltage power system 3, a cooling system 4, an accelerator controller 5, a control console 6.

Указанный источник радиации включает электронную пушку 7 с катодом 8 и управляющим электродом 9, присоединенную через керамический изолятор к ускоряющей структуре 10 со стоячей волной, предназначенной для ускорения пучка электронов 11 от указанной электронной пушки 2 до различной конечной энергии и его фокусировки на тормозной мишени 12, установленной на электронопроводе 13 и предназначенной для генерации тормозного излучения 14.The specified radiation source includes an electron gun 7 with a cathode 8 and a control electrode 9, connected through a ceramic insulator to an accelerating structure 10 with a standing wave, designed to accelerate the electron beam 11 from the specified electron gun 2 to various final energy and focus it on the brake target 12, installed on the electric wire 13 and designed to generate bremsstrahlung 14.

Указанная электронная пушка 7 и указанная ускоряющая структура 10 окружены магнитным экраном 15. Поверх структуры 10 при необходимости могут быть размещены корректирующие катушки 16. Указанные электронная пушка 7, ускоряющая структура 10, корректирующие катушки 16 и магнитный экран 15 окружены радиационной защитой 17, в которой имеется прорезь 18 для формирования пространственного распределения указанного тормозного излучения. Ионизационная камера 19 установлена после указанной тормозной мишени 12. В одной из ускоряющих ячеек структуры 10 установлена петля связи 20 (высокочастотная антенна).The specified electron gun 7 and the specified accelerating structure 10 are surrounded by a magnetic shield 15. On top of the structure 10, correction coils 16 can be placed if necessary. These electron gun 7, the accelerating structure 10, the correcting coils 16 and the magnetic screen 15 are surrounded by radiation protection 17, in which a slot 18 for forming a spatial distribution of said bremsstrahlung. The ionization chamber 19 is installed after the indicated brake target 12. In one of the accelerating cells of the structure 10, a communication loop 20 (high-frequency antenna) is installed.

Ускоряющая структура 10 содержит первую (группирующую) ячейку с низким уровнем ускоряющего поля, вторую ячейку (ускоряющую и фокусирующую) с высоким уровнем поля, третью и последующие (ускоряющую и фокусирующую) с самым высоким уровнем ускоряющего поля, при этом расстояние между центрами зазоров первой и второй ячеек обеспечивает попадание центра ускоряемого сгустка в максимум ускоряющего поля второй ячейки при сдвиге фазы поля между ячейками 180°.The accelerating structure 10 comprises a first (grouping) cell with a low level of the accelerating field, a second cell (accelerating and focusing) with a high field level, a third and subsequent (accelerating and focusing) cells with the highest level of the accelerating field, while the distance between the centers of the gaps of the first and the second cell ensures that the center of the accelerated bunch gets into the maximum of the accelerating field of the second cell with a phase shift between the cells of 180 °.

В одном из частных случаев расстояние Lg между центрами зазоров первой и второй ячеек определяется соотношениемIn one particular case, the distance L g between the centers of the gaps of the first and second cells is determined by the relation

Figure 00000003
Figure 00000003

где: β00/c,where: β 0 = ν 0 / c,

ν0 - величина скорости электронного потока на входе в группирующую ячейку,ν 0 - the value of the velocity of the electron beam at the entrance to the grouping cell,

λ - длина электромагнитной волны источника высокочастотной мощности в свободном пространстве,λ is the electromagnetic wavelength of the source of high-frequency power in free space,

с - скорость света,c is the speed of light

n=1, 2, 3…n = 1, 2, 3 ...

Указанная система высокочастотного питания содержит волновод 21 с системой откачки 22 и разделительным вакуумным окном 23, размешенный между ускоряющей структурой 10 и волноводным трактом 24, подсоединенным к клистрону 25 через ферритовое развязывающее устройство 26, возбудитель 27, систему подачи изолирующего газа 28 и датчик разряда 29.The specified high-frequency power system contains a waveguide 21 with a pumping system 22 and a dividing vacuum window 23, placed between the accelerating structure 10 and the waveguide path 24 connected to the klystron 25 through a ferrite decoupling device 26, a pathogen 27, an insulating gas supply system 28 and a discharge sensor 29.

Импульсный усилительный клистрон 25, работающий при низком напряжении питания за счет использования многолучевой конструкции, выполнен компактным благодаря использованию фокусирующей системы на постоянных магнитах и обеспечивает возбуждение СВЧ-поля ускоряющей структуры 10. Однако возможность использования низковольтного, следовательно малогабаритного, модулятора для клистрона позволяет существенно сократить габариты конструкции даже при создании магнитного поля соленоидом.The pulse amplifying klystron 25, operating at a low voltage due to the use of a multi-beam design, is compact due to the use of a focusing system with permanent magnets and provides excitation of the microwave field of the accelerating structure 10. However, the possibility of using a low-voltage, therefore small-sized, modulator for the klystron can significantly reduce the size design even when creating a magnetic field by a solenoid.

Клистрон 25 обладает большим коэффициентом усиления, что позволяет использовать возбудитель 27 с низкой выходной мощностью, обеспечивающей возможность поддержания высокой стабильности частоты; при этом величина его выходной мощности может переключаться от импульса к импульсу с требуемой частотой повторения. В качестве источника высокочастотной мощности для ускоряющей структуры может быть использован малогабаритный многолучевой клистрон, аналогичный, например, клистрону КИУ-147А, описанному в [Multy-beam klystrons with reverse permanent magnet focusing system as the universal rf power sources for the compact electron accelerators, I.A.Frejdovich, P.V.Nevsky, V.P.Sakharov et al., in Proceedings of RuPAC 2006, Novosibirsk, Russia, p.100]. Клистрон работает при низком напряжении, что позволяет использовать малогабаритный модулятор, электронные пучки создают с помощью многолучевой электронной пушки и пропускают их через резонаторы клистрона и трубки дрейфа в магнитном поле, созданном постоянными магнитами. Такая конструкция клистрона позволяет, а вместе с устройствами контроля частоты возбудителя обеспечивает точность совпадения генерируемой частоты с резонансной частотой ускоряющей структуры при резком сокращении массы и габаритов источника радиации.The klystron 25 has a large gain, which allows the use of a pathogen 27 with a low output power, providing the ability to maintain high frequency stability; while the value of its output power can be switched from pulse to pulse with the desired repetition rate. As a source of high-frequency power for the accelerating structure, a small-sized multipath klystron can be used, similar, for example, to the KIU-147A klystron described in [Multy-beam klystrons with reverse permanent magnet focusing system as the universal rf power sources for the compact electron accelerators, IA Frejdovich, PVNevsky, VPSakharov et al., In Proceedings of RuPAC 2006, Novosibirsk, Russia, p. 100]. The klystron operates at low voltage, which allows the use of a small-sized modulator, electron beams are created using a multipath electron gun and pass them through the klystron resonators and drift tubes in a magnetic field created by permanent magnets. This design of the klystron allows, and together with devices to control the frequency of the pathogen, ensures the accuracy of matching the generated frequency with the resonant frequency of the accelerating structure with a sharp reduction in the mass and dimensions of the radiation source.

Указанная система высоковольтного питания содержит высоковольтный модулятор 30 клистрона и катода пушки 7 и источник электрической мощности 31 управляющего электрода 9 пушки 7.The specified high-voltage power system contains a high-voltage modulator 30 of the klystron and the cathode of the gun 7 and an electric power source 31 of the control electrode 9 of the gun 7.

Указанная система охлаждения содержит устройство охлаждения 32 и систему датчиков 33 для измерения температуры и расхода жидкости.The specified cooling system includes a cooling device 32 and a system of sensors 33 for measuring temperature and fluid flow.

Поимпульсное переключение величины тока пучка обеспечено переключением величины напряжения на управляющем электроде 9 электронной пушки 7 с помощью источника электрической мощности 31. Изменение конечной энергии пучка достигается за счет изменения уровня высокочастотной мощности, поступающей на вход ускоряющей структуры, отношение максимально возможной и минимально возможной энергий ускоренного пучка не менее двух, а диаметр пучка на тормозной мишени во всем диапазоне изменения энергии не более 2 мм.The pulse current switching of the beam current is ensured by switching the voltage at the control electrode 9 of the electron gun 7 using the electric power source 31. The change in the final beam energy is achieved by changing the level of high-frequency power supplied to the input of the accelerating structure, the ratio of the maximum possible and minimum possible energies of the accelerated beam not less than two, and the beam diameter on the brake target in the entire range of energy changes is not more than 2 mm.

Возбудитель 27 состоит из синтезатора, твердотельного СВЧ-усилителя и электронного аттенюатора на p-i-n диодах. Аттенюатор используется для переключения уровня выходного сигнала возбудителя от импульса к импульсу. Все эти устройства имеют стандартное исполнение.Pathogen 27 consists of a synthesizer, a solid-state microwave amplifier, and an electronic attenuator with p-i-n diodes. The attenuator is used to switch the output level of the pathogen from pulse to pulse. All of these devices are standard.

Петля связи 20 в одной из ускоряющих ячеек указанной ускоряющей структуры 10 установлена для контроля уровня высокочастотных потерь в стенках ускоряющей структуры и, следовательно, для контроля уровня ускоряющего поля и энергии ускоренного пучка.The communication loop 20 in one of the accelerating cells of the specified accelerating structure 10 is installed to control the level of high-frequency losses in the walls of the accelerating structure and, therefore, to control the level of the accelerating field and the energy of the accelerated beam.

Для генерации тормозного излучения используется тормозная мишень 12, расположенная в конце электронопровода 13, установленного на выходе ускоряющей структуры 10 и имеющего малый диаметр, что снижает размеры и вес радиационной защиты. Попадание ускоренного пучка в центр тормозной мишени 12 обеспечено магнитным экраном 15, расположенным вокруг электронной пушки 2 и ускоряющей структуры 10; для контроля мощности дозы тормозного излучения после тормозной мишени 12 установлена ионизационная камера 19. Для снижения мощности дозы паразитного тормозного излучения электронная пушка 2, ускоряющая структура 10 с магнитным экраном 15, тормозной мишенью 12 и ионизационной камерой 19 установлены внутри локальной радиационной защиты 17, обеспечивающей также формирование требуемого распределения тормозного излучения на досматриваемом объекте. Электронная пушка 2, ускоряющая структура 10 и электронопровод 13 с тормозной мишенью 12 образуют единый вакуумный объем, изолированный от атмосферы с помощью высокочастотного вакуумного окна 23, установленного между волноводами 21 и 24, через которые поступает высокочастотная мощность в ускоряющую структуру 10. Для поддержания высокого уровня вакуума в вакуумном объеме на волноводе 21 установлен геттерный насос 22, не требующий источника питания и откачивающий указанный объем через прорези в узкой стенке волновода 21. Для контроля уровня вакуума и выработки сигналов блокировки при ухудшении вакуума на волноводе 21 установлен также электроразрядный насос (не показан), соединенный с вакуумным объемом через прорези в узкой стенке.To generate bremsstrahlung, a braking target 12 is used, which is located at the end of the electron line 13, which is installed at the output of the accelerating structure 10 and has a small diameter, which reduces the size and weight of radiation protection. The accelerated beam entering the center of the brake target 12 is provided with a magnetic screen 15 located around the electron gun 2 and the accelerating structure 10; to control the dose rate of bremsstrahlung after the brake target 12, an ionization chamber 19 is installed. To reduce the dose rate of spurious bremsstrahlung, an electron gun 2, an accelerating structure 10 with a magnetic shield 15, a brake target 12 and an ionization chamber 19 are installed inside the local radiation protection 17, which also provides formation of the required distribution of bremsstrahlung at the inspected object. The electron gun 2, the accelerating structure 10 and the electron wire 13 with the brake target 12 form a single vacuum volume isolated from the atmosphere by means of a high-frequency vacuum window 23 mounted between the waveguides 21 and 24, through which high-frequency power is supplied to the accelerating structure 10. To maintain a high level getter pump 22 is installed in the vacuum volume on the waveguide 21, which does not require a power source and pumps out the specified volume through the slots in the narrow wall of the waveguide 21. To control the level of vacuum and generation of blocking signals when the vacuum deteriorates, an electric discharge pump (not shown) is also installed on waveguide 21, connected to the vacuum volume through slots in a narrow wall.

Контроллер 5 осуществляет синхронизацию работы систем ускорителя и коммутацию сигналов блокировки между системами аналогично прототипу, но контроллер частоты, получая информацию от датчиков, подстраивает при необходимости возбудитель, формирующий сигнал лишь на одной частоте, в отличие от прототипа. Консоль управления 6 обеспечивает установку режимов работы и контроль за работой систем ускорителя аналогично прототипу.Controller 5 synchronizes the operation of the accelerator systems and switches the blocking signals between the systems similarly to the prototype, but the frequency controller, receiving information from the sensors, adjusts, if necessary, the exciter that generates the signal at only one frequency, unlike the prototype. The management console 6 provides the installation of operating modes and monitoring the operation of the accelerator systems similarly to the prototype.

Временная диаграмма работы источника радиации показана на фиг.2, где τ - длительность импульса, Т1 - расстояние между импульсами в паре импульсов, T2 - расстояние между парами импульсов. Функционирование источника синхронизируется сигналами запуска и энергии, поступающими от контроллера ускорителя 5 (фиг.1). Источник радиации работает следующим образом. Импульс высокого напряжения, вырабатываемый модулятором 30 по приходу сигнала синхронизации, поступает на клистрон 25 для последовательного питания клистрона первой электрической мощностью и на катод электронной пушки 8 для питания пушки первой электрической мощностью, а от источника электрической мощности 31 импульс высокого напряжения поступает на управляющий электрод электронной пушки 9 для последовательного питания управляющего электрода второй электрической мощностью и третьей электрической мощностью, отличными от первой электрической мощности, поставляемой клистрону и катоду электронной пушки, обеспечивая условия для формирования пучка электронной пушкой 7 и инжекции первого и второго пучков электронов в резонаторы ускорителя, при этом первый и второй пучки основаны, по крайней мере частично, на второй и третьей электрических мощностях, отличных от первой электрической мощности, при этом первая электрическая мощность, поставляемая клистрону и катоду электронной пушки от источника электрической энергии, одинакова для первой входной высокочастотной мощности и для второй входной высокочастотной мощности.The timing diagram of the radiation source is shown in figure 2, where τ is the pulse duration, T 1 - the distance between pulses in a pair of pulses, T 2 - the distance between pairs of pulses. The functioning of the source is synchronized by the start and energy signals coming from the accelerator controller 5 (Fig. 1). The radiation source works as follows. The high voltage pulse generated by the modulator 30 upon arrival of the synchronization signal is supplied to the klystron 25 for sequential power supply of the klystron with the first electric power and to the cathode of the electron gun 8 for powering the gun with the first electric power, and from the electric power source 31 the high voltage pulse is supplied to the electronic control electrode guns 9 for sequentially supplying the control electrode with a second electric power and a third electric power different from the first electric power supplied to the klystron and cathode of the electron gun, providing conditions for the formation of a beam by an electron gun 7 and injection of the first and second electron beams into the accelerator resonators, while the first and second beams are based, at least in part, on the second and third electric powers, excellent from the first electric power, while the first electric power supplied to the klystron and cathode of the electron gun from the source of electric energy is the same for the first input high-frequency power and for the second input high-frequency power.

В процессе формирования первого и второго пучков электронов подводимая к клистрону 25 электрическая мощность остается неизменной.During the formation of the first and second electron beams, the electric power supplied to the klystron 25 remains unchanged.

Вследствие этого на выходе электронной пушки 7 формируется электронный пучок с энергией, равной напряжению высоковольтного модулятора клистрона 30, и с током, определяемым напряжением источника электрической мощности 31, соединенного с управляющим электродом 9, поступающим на вход ускоряющей структуры 10.As a result, an electron beam is formed at the output of the electron gun 7 with an energy equal to the voltage of the high-voltage modulator klystron 30, and with a current determined by the voltage of the electric power source 31 connected to the control electrode 9, which is input to the accelerating structure 10.

Клистрон 25 последовательно снабжают первой входной высокочастотной мощностью и второй входной высокочастотной мощностью от возбудителя 27, при этом вторая входная высокочастотная мощность отличается от первой, далее клистрон последовательно усиливает первые высокочастотные импульсы, имеющие первую мощность, и вторые высокочастотные импульсы, имеющие вторую мощность, отличную от первой мощности, при этом передача первых и вторых импульсов высокочастотной мощности резонаторам одного и того же ускорителя осуществляется в виде близко расположенных во времени пар, например, задержка во времени между импульсами (Т1 на фиг.2) может составлять 500 мкс.The klystron 25 sequentially supplies the first input high-frequency power and the second input high-frequency power from the pathogen 27, while the second input high-frequency power is different from the first, then the klystron sequentially amplifies the first high-frequency pulses having the first power, and the second high-frequency pulses having a second power other than first power, while the transmission of the first and second pulses of high-frequency power to the resonators of the same accelerator is carried out in the form of close p time-based pairs, for example, the time delay between pulses (T 1 in FIG. 2) can be 500 μs.

В процессе усиления клистроном 25 различающихся первой и второй высокочастотных мощностей подводимая к нему электрическая мощность не меняется.In the process of amplification by a klystron of 25 different first and second high-frequency powers, the electric power supplied to it does not change.

Регулирование энергии от импульса к импульсу осуществляют регулированием уровня ускоряющего поля за счет изменения уровня выходной мощности ВЧ-источника одновременно с регулированием уровней первого и второго токов электронного пучка, при этом как на низком, так и на высоком уровнях энергии ускоритель работает на одной и той же частоте, первый импульс высокочастотной мощности импульсного многолучевого клистрона совмещен по времени с первым импульсом тока электронного пучка, а второй импульс мощности совмещен со вторым импульсом тока.The energy from pulse to pulse is controlled by adjusting the level of the accelerating field by changing the level of the output power of the RF source simultaneously with the regulation of the levels of the first and second currents of the electron beam, while the accelerator operates at the same and low energy levels frequency, the first high-frequency power pulse of the pulsed multipath klystron is time aligned with the first current pulse of the electron beam, and the second power pulse is combined with the second current pulse .

Затем через ферритовое развязывающее устройство 26 вакуумное окно 23 и отрезки волноводного тракта 24, 21 последовательно передают первые и вторые импульсы высокочастотной мощности на вход резонаторов ускоряющей структуры 10 одного и того же ускорителя частиц, возбуждая в ней ускоряющее поле.Then, through the ferrite decoupling device 26, the vacuum window 23 and the segments of the waveguide path 24, 21 sequentially transmit the first and second high-frequency power pulses to the input of the resonators of the accelerating structure 10 of the same particle accelerator, exciting an accelerating field in it.

Инжектированные электроны последовательно ускоряются до первой энергии и второй энергии, отличной от первой энергии, базирующихся, по крайней мере частично, на первом и втором импульсах высокочастотной мощности. Модуляцию скорости непрерывного электронного потока от электронной пушки осуществляют в первой ячейке ускоряющей структуры, во второй ячейке частично сгруппированный в сгустки поток подвергают ускорению, фокусировке и дальнейшей группировке, при этом высокочастотное напряжение Ug (уровень ускоряющего поля) на зазоре первой ячейки выбрано из условия обеспечения максимальной амплитуды первой гармоники тока пучка в центре зазора второй ячейкиThe injected electrons are sequentially accelerated to a first energy and a second energy different from the first energy, based at least in part on the first and second pulses of high-frequency power. The modulation of the speed of the continuous electron beam from the electron gun is carried out in the first cell of the accelerating structure, in the second cell the stream partially grouped into bunches is accelerated, focused and further grouped, while the high-frequency voltage U g (level of the accelerating field) in the gap of the first cell is selected from the condition the maximum amplitude of the first harmonic of the beam current in the center of the gap of the second cell

Figure 00000001
Figure 00000001

где: U0 - напряжение источника электронов,where: U 0 is the voltage of the electron source,

n=1, 2, 3…n = 1, 2, 3 ...

Уровень ускоряющего поля третьей ячейки равен уровню поля последующих ячеек.The level of the accelerating field of the third cell is equal to the level of the field of subsequent cells.

Контроллер частоты управляет частотой СВЧ-сигнала, формируемого синтезатором, входящим в состав возбудителя, на основании данных о режиме работы ускорителя и температуры охлаждающей жидкости.The frequency controller controls the frequency of the microwave signal generated by the synthesizer, which is part of the pathogen, based on data on the mode of operation of the accelerator and the temperature of the coolant.

Указанный электронный пучок электронной пушки 7, проходя через ускоряющую структуру, взаимодействует с указанным ускоряющим полем, формируется в сгустки, фокусируется и ускоряется до энергии, величина которой определяется уровнем указанного ускоряющего поля. Затем первые и вторые пучки ускоренных электронов последовательно сталкиваются с тормозной мишенью 12, установленной на электронопроводе 13, в результате чего происходит генерация тормозного излучения 14, имеющего первую и вторую различные энергии и первую и вторую соответствующие мощности дозы. Подбором величин второй и третьей электрических мощностей на управляющем электроде 9 добиваются близких значений мощности дозы при первой и второй энергиях пучка.The specified electron beam of the electron gun 7, passing through the accelerating structure, interacts with the specified accelerating field, forms in clumps, focuses and accelerates to an energy whose value is determined by the level of the specified accelerating field. Then, the first and second beams of accelerated electrons sequentially collide with the stop target 12 mounted on the electron wire 13, resulting in the generation of stop radiation 14 having the first and second different energies and the first and second corresponding dose rates. By selecting the values of the second and third electric powers at the control electrode 9, close values of the dose rate are achieved at the first and second beam energies.

В одном из частных вариантов изобретения осуществляют инжекцию первых электронов в резонаторы ускорителя при первом токе пучка, в то время как импульсы первой ВЧ-мощности передаются ускорителю, и инжекцию вторых электронов в резонаторы ускорителя при втором токе пучка, отличном от первого тока пучка, в то время как импульсы второй ВЧ-мощности передаются ускорителю.In one particular embodiment of the invention, the first electrons are injected into the accelerator resonators at the first beam current, while the first RF power pulses are transmitted to the accelerator, and the second electrons are injected into the accelerator resonators at the second beam current other than the first beam current, while while the pulses of the second RF power are transmitted to the accelerator.

В другом частном варианте способа снабжают потребителей первой электрической мощностью, второй электрической мощностью и третьей электрической мощностью от одного источника электрической мощности.In another particular embodiment of the method, consumers are supplied with first electric power, second electric power and third electric power from one electric power source.

Поимпульсное переключение энергии и мощности дозы тормозного излучения происходит следующим образом. Сигнал энергии (фиг.2) контроллера 5 для каждого импульса работы ускорителя определяет величину мощности высокочастотного сигнала, генерируемого возбудителем, и таким образом определяет амплитуду ускоряющего поля в ускоряющей структуре 10, энергию ускоренного пучка 11 и верхнюю границу спектра тормозного излучения 14. Кроме того, для каждого импульса работы ускорителя сигнал энергии контроллера 5 определяет величину напряжения на управляющем электроде 9 и, таким образом, величину тока электронной пушки 7, величину тока ускоренного пучка 11 и мощность дозы тормозного излучения 14. Контроль уровня ускоряющего поля осуществляется с помощью антенны 20, установленной в одной из ускоряющих ячеек ускоряющей структуры 10. Контроль мощности дозы тормозного излучения 14 производится с помощью ионизационной камеры 19, установленной после тормозной мишени 12.Pulse-switched energy and dose rate of bremsstrahlung is as follows. The energy signal (figure 2) of the controller 5 for each pulse of the accelerator determines the power of the high-frequency signal generated by the pathogen, and thus determines the amplitude of the accelerating field in the accelerating structure 10, the energy of the accelerated beam 11 and the upper limit of the spectrum of bremsstrahlung 14. In addition, for each pulse of the accelerator, the energy signal of the controller 5 determines the voltage on the control electrode 9 and, thus, the magnitude of the current of the electron gun 7, the magnitude of the current of the accelerated beam 11 and dose rate of bremsstrahlung 14. The level of the accelerating field is monitored using an antenna 20 installed in one of the accelerating cells of the accelerating structure 10. The dose rate of the bremsstrahlung 14 is controlled using an ionization chamber 19 installed after the brake target 12.

Для обеспечения попадания ускоренного пучка электронов 11 в центр тормозной мишени 12 паразитные магнитные поля в электронной пушке 7 и ускоряющей структуре 10 снижаются до уровня, не превышающего уровень магнитного поля Земли, с помощью магнитного экрана 15. Подстройка положения пучка 11 на тормозной мишени 12 может осуществляться с помощью корректирующих катушек 16.To ensure that the accelerated electron beam 11 enters the center of the brake target 12, the parasitic magnetic fields in the electron gun 7 and the accelerating structure 10 are reduced to a level not exceeding the Earth’s magnetic field using a magnetic shield 15. The beam 11 can be adjusted to the brake target 12 using corrective coils 16.

Уровень тормозного излучения во всей области вокруг тормозной мишени 12 за исключением рабочей зоны снижается до установленного значения с помощью радиационной защиты 17. Для снижения размера и массы радиационной защиты 17 тормозная мишень 12 устанавливается на конце электронопровода 13, имеющего диаметр, существенно меньший диаметра ускоряющей структуры. Формирование пространственного распределения тормозного излучения 14 в рабочей зоне осуществляется с помощью прорези 18 в радиационной защите 17.The level of bremsstrahlung in the entire area around the brake target 12, with the exception of the working area, is reduced to a set value using radiation protection 17. To reduce the size and mass of radiation protection 17, the brake target 12 is mounted at the end of the electrical circuit 13 having a diameter substantially smaller than the diameter of the accelerating structure. The spatial distribution of the bremsstrahlung 14 in the working area is formed using the slot 18 in the radiation protection 17.

Рабочий вакуум в вакуумном объеме, образованном электронной пушкой 7, ускоряющей структурой 10, отрезком волновода 21 с вакуумным окном 23 и электронопроводом 13 с тормозной мишенью 12, поддерживается вакуумной системой 22, состоящей из геттерного и электроразрядного насосов, причем откачка указанного вакуумного объема в готовом устройстве осуществляется, главным образом, указанным геттерным насосом, а указанный электроразрядный насос используется для контроля уровня вакуума. Это позволяет быстро ввести источник в рабочий режим после длительного хранения, гарантирует стабильность параметров и надежность работы.The working vacuum in a vacuum volume formed by an electron gun 7, an accelerating structure 10, a segment of a waveguide 21 with a vacuum window 23 and an electric wire 13 with a brake target 12, is supported by a vacuum system 22 consisting of getter and electric discharge pumps, and the evacuation of the indicated vacuum volume in the finished device carried out mainly by the specified getter pump, and the specified electric discharge pump is used to control the level of vacuum. This allows you to quickly enter the source into operating mode after prolonged storage, guarantees stability of parameters and reliable operation.

Охлаждение ускоряющей структуры 10, тормозной мишени 12, высоковольтного модулятора 30 и клистрона 25 осуществляется жидкостью с постоянной температурой, поступающей из устройства охлаждения 32. Температура и расход жидкости на входе и на выходе ускоряющей структуры 10 контролируется с помощью датчиков температуры и расхода 33.The cooling of the accelerating structure 10, the brake target 12, the high-voltage modulator 30 and the klystron 25 is carried out by a liquid with a constant temperature coming from the cooling device 32. The temperature and flow rate of the liquid at the inlet and outlet of the accelerating structure 10 is monitored using temperature and flow sensors 33.

Для предотвращения высокочастотных пробоев указанный тракт 24 и ферритовое развязывающее устройство 26 заполняются изолирующим газом с помощью системы подачи газа 28. В случае возникновения разряда на вакуумном окне 23, в волноводном тракте 24 или ферритовом развязывающем устройстве 26 датчик разряда 29 вырабатывает сигнал блокировки, отключающий выработку высокочастотного сигнала возбудителем 27.To prevent high-frequency breakdowns, the indicated path 24 and the ferrite decoupling device 26 are filled with insulating gas using a gas supply system 28. In the event of a discharge on the vacuum window 23, in the waveguide path 24 or ferrite decoupling device 26, the discharge sensor 29 generates a blocking signal that disables the generation of high-frequency pathogen signal 27.

Общий вид источника радиации показан на фиг.3. На фиг.4 показаны результаты измерения энергетического спектра ускоренного пучка с помощью магнитного спектрометра в режиме поимпульсного переключения энергии. На фиг.5 показаны поимпульсные изображения пучка в режиме переключения энергии, полученные с помощью CCD-камеры, работа которой была синхронизировна с работой ускорителя, показана также масштабная сетка, шаг которой составляет 1 мм.A general view of the radiation source is shown in FIG. 3. Figure 4 shows the results of measuring the energy spectrum of the accelerated beam using a magnetic spectrometer in the mode of pulse-switching energy. Figure 5 shows the pulse images of the beam in the energy switching mode obtained using a CCD camera, the operation of which was synchronized with the operation of the accelerator, also shows a large-scale grid, the step of which is 1 mm.

Промышленная применимость заявленного изобретения гарантирована применимостью входящих в ее состав элементов и узлов в известных конструкциях с обеспечением используемых в настоящем изобретении их свойств и характеристик и основана на результатах испытаний опытного образца, построенного в соответствии с приведенным описанием.The industrial applicability of the claimed invention is guaranteed by the applicability of its constituent elements and assemblies in known structures with the provision of their properties and characteristics used in the present invention and is based on the test results of a prototype constructed in accordance with the above description.

Описание предлагаемой конструкции нигде не опубликовано.Description of the proposed design is not published anywhere.

Claims (20)

1. Способ генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии, заключающийся в:
последовательном снабжении первой входной высокочастотной мощностью и второй входной высокочастотной мощностью клистрона, при этом вторая входная высокочастотная мощность отличается от первой;
последовательном усилении клистроном первых высокочастотных импульсов, имеющих первую мощность и вторых высокочастотных импульсов, имеющих вторую мощность, отличную от первой мощности;
последовательной передаче первых и вторых импульсов высокочастотной мощности резонаторам одного и того же ускорителя частиц;
питании клистрона первой электрической мощностью;
последовательном питании управляющего электрода электронной пушки второй и третьей электрической мощностью, отличной от первой электрической мощности;
инжекции первого и второго пучков электронов в резонаторы ускорителя, при этом первый и второй пучки основаны, по крайней мере, частично на второй и третьей электрических мощностях, отличных от первой электрической мощности;
последовательном ускорении инжектированных электронов до первой энергии и второй энергии, отличной от первой энергии, базирующихся, по крайней мере, частично на первом и втором импульсах высокочастотной мощности; и
последовательном столкновении первых и вторых токов ускоренных частиц с тормозной мишенью для генерации излучения, имеющего первую и вторую различные энергии и первую и вторую различные соответствующие мощности дозы, отличающийся тем, что
передача первых и вторых импульсов высокочастотной мощности резонаторам одного и того же ускорителя осуществляется в виде близко расположенных во времени пар;
регулирование энергии от импульса к импульсу осуществляется регулированием уровня ускоряющего поля за счет изменения уровня выходной мощности ВЧ источника одновременно с регулированием уровней первого и второго токов электронного пучка;
при этом как на низком, так и на высоком уровнях энергии ускоритель работает на одной и той же частоте;
первый импульс высокочастотной мощности импульсного многолучевого клистрона совмещен по времени с первым импульсом тока электронного пучка, а второй импульс мощности совмещен со вторым импульсом тока;
первая электрическая мощность, поставляемая клистрону и катоду электронной пушки от источника энергии, одинакова для первой входной высокочастотной мощности и для второй входной высокочастотной мощности;
последовательное питание управляющего электрода электронной пушки осуществляют второй электрической мощностью и третьей электрической мощностью, отличными от первой электрической мощности, поставляемой клистрону и катоду электронной пушки;
модуляцию скорости непрерывного электронного потока от электронной пушки осуществляют в первой ячейке ускоряющей структуры, во второй ячейке частично сгруппированный в сгустки поток подвергают ускорению, фокусировке и дальнейшей группировке, при этом высокочастотное напряжение Ug (уровень ускоряющего поля) на зазоре первой ячейки выбрано из условия обеспечения максимальной амплитуды первой гармоники тока пучка в центре зазора второй ячейки
Figure 00000004

где U0 - напряжение источника электронов;
n=1, 2, 3,…;
уровень ускоряющего поля третьей ячейки равен уровню поля последующих ячеек;
контроллер частоты управляет частотой СВЧ сигнала, формируемого синтезатором, входящим в состав возбудителя, на основании данных о режиме работы ускорителя и температуре охлаждающей жидкости.
1. A method of generating bremsstrahlung with pulse-by-pulse switching of energy, which consists in:
sequentially supplying the first input high-frequency power and the second input high-frequency power klystron, while the second input high-frequency power is different from the first;
the klystron sequentially amplifies the first high-frequency pulses having a first power and the second high-frequency pulses having a second power different from the first power;
sequential transmission of the first and second pulses of high-frequency power to the resonators of the same particle accelerator;
feeding the klystron with the first electric power;
sequentially supplying the control electrode of the electron gun with a second and third electric power different from the first electric power;
injection of the first and second electron beams into the accelerator resonators, wherein the first and second beams are based at least in part on the second and third electric powers other than the first electric power;
sequentially accelerating the injected electrons to the first energy and a second energy different from the first energy, based at least in part on the first and second pulses of high-frequency power; and
sequential collision of the first and second currents of accelerated particles with a brake target to generate radiation having first and second different energies and first and second different corresponding dose rates, characterized in that
first and second pulses of high-frequency power are transmitted to the resonators of the same accelerator in the form of pairs closely spaced in time;
energy from pulse to pulse is controlled by adjusting the level of the accelerating field by changing the level of the output power of the RF source simultaneously with the regulation of the levels of the first and second currents of the electron beam;
at the same time, both at low and at high energy levels, the accelerator operates at the same frequency;
the first high-frequency power pulse of the pulsed multipath klystron is aligned in time with the first current pulse of the electron beam, and the second power pulse is combined with the second current pulse;
the first electric power supplied to the klystron and cathode of the electron gun from the energy source is the same for the first input high-frequency power and for the second input high-frequency power;
serial power supply to the control electrode of the electron gun is carried out by a second electric power and a third electric power different from the first electric power supplied to the klystron and the cathode of the electron gun;
the modulation of the speed of the continuous electron flow from the electron gun is carried out in the first cell of the accelerating structure, in the second cell the stream partially grouped into bunches is accelerated, focused and further grouped, while the high-frequency voltage U g (level of the accelerating field) at the gap of the first cell is selected from the condition the maximum amplitude of the first harmonic of the beam current in the center of the gap of the second cell
Figure 00000004

where U 0 is the voltage of the electron source;
n = 1, 2, 3, ...;
the level of the accelerating field of the third cell is equal to the field level of subsequent cells;
the frequency controller controls the frequency of the microwave signal generated by the synthesizer, which is part of the pathogen, based on data on the mode of operation of the accelerator and the temperature of the coolant.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют инжекцию первых электронов в резонаторы ускорителя при первом токе пучка, в то время как импульсы первой ВЧ мощности передаются ускорителю, и инжекцию вторых электронов в резонаторы ускорителя при втором токе пучка, отличном от первого тока пучка, в то время как импульсы второй ВЧ мощности передаются ускорителю.2. The method according to claim 1, characterized in that the first electrons are injected into the accelerator resonators at the first beam current, while the first RF power pulses are transmitted to the accelerator, and the second electrons are injected into the accelerator resonators at the second beam current, different from the first beam current, while pulses of the second RF power are transmitted to the accelerator. 3. Способ по п.1, заключающийся в снабжении первой электрической мощностью, второй электрической мощностью и третьей электрической мощностью от одного источника электрической мощности.3. The method according to claim 1, which consists in supplying a first electric power, a second electric power and a third electric power from a single electric power source. 4. Источник радиации для осуществления способа генерации излучения, включающий:
ускоряющую структуру для ускорения электронов;
электронную пушку с возможностью переключения величины тока пучка от импульса к импульсу между двумя предустановленными значениями;
тормозную мишень, расположенную на выходе ускорителя, попадание ускоренных электронов на которую вызывает генерацию излучения;
систему высоковольтного питания;
систему высокочастотного питания, содержащую клистрон для выборочного снабжения ускорителя, по крайней мере, первыми и вторыми импульсами высокочастотной энергии и возбудитель, поставляющий высокочастотную мощность клистрону,
контроллер ускорителя, включающий контроллер частоты;
систему охлаждения, отличающийся тем, что
электронная пушка выполнена трехэлектродной и содержит катод, анод и управляющий электрод;
источником высокочастотной энергии является импульсный многолучевой усилительный клистрон;
возбудитель снабжен возможностью переключения мощности входного высокочастотного сигнала, поступающего на вход клистрона, между двумя предустановленными значениями от импульса к импульсу работы ускорителя, при одинаковой частоте генерируемых колебаний для обоих значений энергии;
указанная система высоковольтного питания содержит источник электрического напряжения управляющего электрода электронной пушки, обеспечивающий поимпульсное переключение тока пучка электронной пушки, и источник электрической мощности (модулятор) источника ВЧ мощности - ускоряющая структура выполнена в виде структуры со стоячей волной.
4. A radiation source for implementing a method of generating radiation, including:
accelerating structure for accelerating electrons;
an electronic gun with the ability to switch the magnitude of the beam current from pulse to pulse between two preset values;
a brake target located at the output of the accelerator, hit of accelerated electrons on which causes the generation of radiation;
high voltage power system;
a high-frequency power system containing a klystron for selectively supplying the accelerator with at least first and second pulses of high-frequency energy and a pathogen supplying high-frequency power to the klystron,
an accelerator controller including a frequency controller;
cooling system, characterized in that
the electron gun is made of a three-electrode and contains a cathode, anode and a control electrode;
a source of high-frequency energy is a pulsed multipath amplification klystron;
the pathogen is equipped with the ability to switch the power of the input high-frequency signal supplied to the klystron input between two preset values from pulse to pulse of the accelerator, at the same frequency of generated oscillations for both energy values;
the specified high-voltage power system contains an electric voltage source of the control electrode of the electron gun, providing pulse-by-pulse switching of the electron gun beam current, and an electric power source (modulator) of the RF power source — the accelerating structure is made in the form of a standing wave structure.
5. Источник по п.4, отличающийся тем, что ускоряющая структура содержит первую (группирующую) ячейку с низким уровнем ускоряющего поля, вторую ячейку (ускоряющую и фокусирующую) с высоким уровнем поля, третью и последующие (ускоряющую и фокусирующую) с самым высоким уровнем ускоряющего поля, при этом расстояние между центрами зазоров первой и второй ячеек обеспечивает попадание центра ускоряемого сгустка в максимум ускоряющего поля второй ячейки при сдвиге фазы поля между ячейками 180°.5. The source according to claim 4, characterized in that the accelerating structure contains a first (grouping) cell with a low level of the accelerating field, a second cell (accelerating and focusing) with a high field level, a third and subsequent (accelerating and focusing) with the highest level accelerating field, while the distance between the centers of the gaps of the first and second cells ensures that the center of the accelerated bunch hits the maximum of the accelerating field of the second cell when the field phase between the cells is shifted 180 °. 6. Источник по п.5, отличающийся тем, что расстояние Lg между центрами зазоров первой и второй ячеек определяется соотношением
Figure 00000005

где β00/c;
ν0 - величина скорости электронного потока на входе в группирующую ячейку;
λ - длина электромагнитной волны источника высокочастотной мощности в свободном пространстве;
с - скорость света;
n=1, 2, 3,…
6. The source according to claim 5, characterized in that the distance L g between the centers of the gaps of the first and second cells is determined by the ratio
Figure 00000005

where β 0 = ν 0 / c;
ν 0 is the value of the velocity of the electron beam at the entrance to the grouping cell;
λ is the electromagnetic wavelength of the high-frequency power source in free space;
c is the speed of light;
n = 1, 2, 3, ...
7. Источник по п.4, отличающийся тем, что фокусирующая система клистрона выполнена на постоянных магнитах.7. The source according to claim 4, characterized in that the klystron focusing system is made with permanent magnets. 8. Источник по п.4, отличающийся тем, что указанный возбудитель состоит из синтезатора, твердотельного СВЧ усилителя и электронного аттенюатора на p-i-n диодах.8. The source according to claim 4, characterized in that said pathogen consists of a synthesizer, a solid-state microwave amplifier and an electronic attenuator with p-i-n diodes. 9. Источник по п.4, отличающийся тем, что указанная ускоряющая структура и указанная электронная пушка помещены в магнитный экран.9. The source according to claim 4, characterized in that said accelerating structure and said electron gun are placed in a magnetic screen. 10. Источник по п.4, отличающийся тем, что тормозная мишень установлена на электронопроводе малого диаметра.10. The source according to claim 4, characterized in that the brake target is mounted on a small diameter electric wire. 11. Источник по п.4, отличающийся тем, что после указанной тормозной мишени установлена ионизационная камера.11. The source according to claim 4, characterized in that an ionization chamber is installed after said inhibitory target. 12. Источник по любому из пп.4, 9, 11, отличающийся тем, что указанная электронная пушка, указанная ускоряющая структура с указанным магнитным экраном, указанной тормозной мишенью и указанной ионизационной камерой установлены внутри локальной радиационной защиты.12. A source according to any one of claims 4, 9, 11, characterized in that said electron gun, said accelerating structure with said magnetic shield, said brake target and said ionization chamber are installed inside the local radiation protection. 13. Источник по п.12, отличающийся тем, что в указанной локальной радиационной защите расположена прорезь.13. The source according to p. 12, characterized in that in the specified local radiation protection is located slot. 14. Источник по п.4, отличающийся тем, что в стенке ускоряющей структуры установлена петля связи.14. The source according to claim 4, characterized in that a communication loop is installed in the wall of the accelerating structure. 15. Источник по п.4, отличающийся тем, что указанные электронная пушка, указанная ускоряющая структура и указанный электронопровод с указанной тормозной мишенью образуют единый вакуумный объем, изолированный от атмосферы с помощью высокочастотного вакуумного окна, установленного в волноводе, через который поступает высокочастотная мощность в указанную ускоряющую структуру.15. The source according to claim 4, characterized in that said electron gun, said accelerating structure, and said electric wire with said brake target form a single vacuum volume isolated from the atmosphere by means of a high-frequency vacuum window installed in a waveguide through which high-frequency power is supplied to specified accelerating structure. 16. Источник по п.15, отличающийся тем, что для поддержания высокого уровня вакуума в указанном вакуумном объеме в течение срока эксплуатации ускорителя на указанном волноводе установлен геттерный насос, не требующий источника питания и подключенный к указанному объему через прорези в узкой стенке волновода.16. The source of claim 15, wherein in order to maintain a high level of vacuum in the indicated vacuum volume during the life of the accelerator, a getter pump is installed on the specified waveguide, which does not require a power source and is connected to the specified volume through slots in the narrow waveguide wall. 17. Источник по любому из пп.15 и 16, отличающийся тем, что на указанном волноводе установлен электроразрядный насос, величина тока которого определяется уровнем вакуума в указанном объеме, соединенный с указанным вакуумным объемом через прорези в узкой стенке указанного волновода.17. A source according to any one of paragraphs.15 and 16, characterized in that an electric discharge pump is installed on said waveguide, the current value of which is determined by the level of vacuum in said volume, connected to said vacuum volume through slots in the narrow wall of said waveguide. 18. Источник по п.4, отличающийся тем, что модулятор выполнен с возможностью питания клистрона первой электрической мощностью для генерации клистроном обоих импульсов высокочастотной мощности.18. The source according to claim 4, characterized in that the modulator is configured to power the klystron with first electric power to generate both high-frequency power pulses by the klystron. 19. Источник по п.4, отличающийся тем, что содержит источник электрической мощности, отдельный от модулятора, присоединенный к электронной пушке, с возможностью выборочно подавать, по крайней мере, второе и третье различные напряжения на управляющий электрод электронной пушки.19. The source according to claim 4, characterized in that it contains a source of electrical power, separate from the modulator, attached to the electron gun, with the ability to selectively apply at least the second and third different voltages to the control electrode of the electron gun. 20. Источник по п.18, отличающийся тем, что модулятором является твердотельный модулятор. 20. The source according to p, characterized in that the modulator is a solid-state modulator.
RU2010127452/07A 2010-07-05 2010-07-05 Method of generating deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for realising said method RU2452143C2 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010127452/07A RU2452143C2 (en) 2010-07-05 2010-07-05 Method of generating deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for realising said method
PCT/RU2011/000479 WO2012005629A1 (en) 2010-07-05 2011-07-04 Method and device for generating bremsstrahlung
CN201180038971.XA CN103314647B (en) 2010-07-05 2011-07-04 With the method and apparatus of pulses generation pulse bremstrahlen adjustable between two energy levels

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010127452/07A RU2452143C2 (en) 2010-07-05 2010-07-05 Method of generating deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for realising said method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010127452A RU2010127452A (en) 2012-01-10
RU2452143C2 true RU2452143C2 (en) 2012-05-27

Family

ID=45441406

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010127452/07A RU2452143C2 (en) 2010-07-05 2010-07-05 Method of generating deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for realising said method

Country Status (3)

Country Link
CN (1) CN103314647B (en)
RU (1) RU2452143C2 (en)
WO (1) WO2012005629A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2566468C1 (en) * 2014-07-10 2015-10-27 Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория Скантроник" Introscopic scanning system of inspection system and method implemented in said system
RU2610712C1 (en) * 2015-09-30 2017-02-15 Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория электронных ускорителей МГУ" Method for generation of deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for implementation thereof

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10143076B2 (en) * 2016-04-12 2018-11-27 Varian Medical Systems, Inc. Shielding structures for linear accelerators
CN106540505A (en) * 2017-02-03 2017-03-29 盐城工学院 Electron irradiation pipe and VOC emission-control equipments
CN107884425A (en) * 2017-12-26 2018-04-06 同方威视技术股份有限公司 System and method for mineral products constituent analysis
CN107979911B (en) 2017-12-26 2024-06-14 同方威视技术股份有限公司 Pull-out support for an accelerator and accelerator cabin structure
CN110113859A (en) * 2019-06-12 2019-08-09 中广核中科海维科技发展有限公司 A kind of low energy irradiation linear accelerator

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2246719C1 (en) * 2003-07-04 2005-02-20 Общество с ограниченной ответственностью "Интроскан" Method and device for irradiating conversion target with accelerated electrons current pulses
US7130371B2 (en) * 2002-09-27 2006-10-31 Scantech Holdings, Llc System for alternately pulsing energy of accelerated electrons bombarding a conversion target
US7208889B2 (en) * 2002-09-27 2007-04-24 Scan Tech Holdings, Llc Particle accelerator having wide energy control range
WO2008121820A2 (en) * 2007-03-29 2008-10-09 American Science And Engineering, Inc. Pulse-to-pulse-switchable multiple-energy linear accelerators based on fast rf power switching
US20100038563A1 (en) * 2008-08-12 2010-02-18 Varian Medicals Systems, Inc. Interlaced multi-energy radiation sources

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080211431A1 (en) * 2000-02-10 2008-09-04 American Science And Engineering, Inc. Pulse-to-Pulse-Switchable Multiple-Energy Linear Accelerators Based on Fast RF Power Switching
CN101076218B (en) * 2006-05-19 2011-05-11 清华大学 Apparatus and method for generating different-energy X-ray and system for discriminating materials

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7130371B2 (en) * 2002-09-27 2006-10-31 Scantech Holdings, Llc System for alternately pulsing energy of accelerated electrons bombarding a conversion target
US7208889B2 (en) * 2002-09-27 2007-04-24 Scan Tech Holdings, Llc Particle accelerator having wide energy control range
RU2246719C1 (en) * 2003-07-04 2005-02-20 Общество с ограниченной ответственностью "Интроскан" Method and device for irradiating conversion target with accelerated electrons current pulses
WO2008121820A2 (en) * 2007-03-29 2008-10-09 American Science And Engineering, Inc. Pulse-to-pulse-switchable multiple-energy linear accelerators based on fast rf power switching
US20100038563A1 (en) * 2008-08-12 2010-02-18 Varian Medicals Systems, Inc. Interlaced multi-energy radiation sources

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2566468C1 (en) * 2014-07-10 2015-10-27 Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория Скантроник" Introscopic scanning system of inspection system and method implemented in said system
RU2610712C1 (en) * 2015-09-30 2017-02-15 Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория электронных ускорителей МГУ" Method for generation of deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for implementation thereof
RU2610712C9 (en) * 2015-09-30 2017-04-27 Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория электронных ускорителей МГУ" Method for generation of deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for implementation thereof

Also Published As

Publication number Publication date
CN103314647A (en) 2013-09-18
WO2012005629A1 (en) 2012-01-12
WO2012005629A9 (en) 2012-03-15
RU2010127452A (en) 2012-01-10
CN103314647B (en) 2015-11-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2452143C2 (en) Method of generating deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for realising said method
US9031200B2 (en) Interleaving multi-energy x-ray energy operation of a standing wave linear accelerator
CN102577633B (en) Interleaving multi-energy X-ray energy operation of a standing wave linear accelerator using electronic switches
WO2017156452A1 (en) Hybrid standing wave/traveling linear accelerators for providing accelerated charged particles or radiation beams
CN102918933A (en) Magnetron powered linear accelerator for interleaved multi-energy operation
Choi et al. High-power microwave generation from an axially extracted virtual cathode oscillator
Hoeberling et al. Advances in virtual cathode microwave sources
Singh et al. Gyrotron and its electron beam source: A review
Hirshfield et al. Multimegawatt cyclotron autoresonance accelerator
Sung et al. Influence of anode-cathode gap distance on output characteristics of high-power microwave from coaxial virtual cathode oscillator
Whittum et al. Experimental studies of microwave amplification in the ion-focused regime
Leggieri et al. A novel harmonic klystron configuration for high power microwave frequency conversion
Condron et al. Linear accelerator x-ray sources with high duty cycle
Andrade et al. Energy calibration of a 5.5 MV Van de Graaff accelerator using a time-of-flight technique
RU2610712C9 (en) Method for generation of deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for implementation thereof
Belugin et al. Self-shielded electron linear accelerators designed for radiation technologies
Bruner et al. Excitation of voltage oscillations in an induction voltage adder
RU2392782C1 (en) Linear electron accelerator
van der Geer et al. A low-energy-spread rf accelerator for a far-infrared free electron laser
Pasour et al. Plasma wakefield klystron
Chupikov et al. Vircator efficiency enhancement assisted by plasma
Manheimer et al. Electron and ion noise in microwave tubes
Ikram Radio-frequency generation of an electron plasma in a Malmberg-Penning trap and its interaction with a stationary or pulsed electron beam.
Antonov et al. Features of behavior of electrons of plasma in open trap in condition of transverse input of powerful microwave pulses at ECR
PATERSON et al. MA ALLEN, RS CALLIN, H. DERUYTER, KR EPPLEY, WR FOWKES, WB HERRMANNSFELDT, T. HIGO; HA HOAG, TL LAVINE, TG LEE, GA LOEW, RH MILLER, PL MORTON, RB PALMER

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20130706

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20151010

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170706

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20190516