RU2610712C1 - Method for generation of deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for implementation thereof - Google Patents
Method for generation of deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for implementation thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2610712C1 RU2610712C1 RU2015141366A RU2015141366A RU2610712C1 RU 2610712 C1 RU2610712 C1 RU 2610712C1 RU 2015141366 A RU2015141366 A RU 2015141366A RU 2015141366 A RU2015141366 A RU 2015141366A RU 2610712 C1 RU2610712 C1 RU 2610712C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- klystron
- pulse
- voltage
- frequency
- pulses
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
- G01N23/02—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material
- G01N23/04—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Radiation-Therapy Devices (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к области физики пучков заряженных частиц и ускорительной техники и, более конкретно, к способу генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии и источнику излучения для его осуществления с независимым регулированием мощности дозы для каждой энергии.The invention relates to the field of physics of charged particle beams and accelerator technology and, more specifically, to a method for generating bremsstrahlung with pulse-by-pulse switching of energy and a radiation source for its implementation with independent control of the dose rate for each energy.
Уровень техникиState of the art
Одно из направлений интенсивного развития ускорительной техники связано с созданием источников излучения на основе линейных ускорителей электронов с поимпульсным переключением энергии и тока ускоренного пучка, которые особенно необходимы в таможенных досмотровых комплексах. Применение в досмотровых комплексах источника излучения с переключением энергии от импульса к импульсу между двумя или более значениями обеспечивает возможность оценки материалов в составе досматриваемого объекта, разделения их по критерию органика-неорганика, а также распознавания групп материалов по эффективному атомному номеру. Подобными комплексами активно оснащаются границы, порты, критическая инфраструктура в различных странах мира.One of the areas of intensive development of accelerator technology is associated with the creation of radiation sources based on linear electron accelerators with pulse-by-pulse switching of the energy and current of the accelerated beam, which are especially necessary in customs inspection complexes. The use of a radiation source in inspection complexes with switching energy from pulse to pulse between two or more values makes it possible to evaluate materials in the inspected object, to separate them according to the organic-inorganic criterion, and also to recognize groups of materials by the effective atomic number. Borders, ports, critical infrastructure in various countries of the world are actively equipped with such complexes.
Из уровня техники известны способ генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии и источник радиации для осуществления указанного способа генерации излучения, описанные в патенте RU 2452143 (С2), опубликованном 27.05.2012 г., большинство авторов которого также являются авторами настоящего изобретения.The prior art method for generating bremsstrahlung with pulse-by-pulse switching of energy and a radiation source for implementing this method of generating radiation are described in patent RU 2452143 (C2), published May 27, 2012, most of which are also the authors of the present invention.
Указанный известный способ генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии, заключается в:The specified known method of generating bremsstrahlung with pulse-by-pulse switching of energy is:
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;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;
последовательной передаче первых и вторых импульсов высокочастотной мощности резонаторам одного и того же ускорителя частиц в виде близко расположенных во времени пар;sequential transmission of the first and second high-frequency power pulses to the resonators of the same particle accelerator in the form of pairs closely spaced in time;
питании клистрона и катода электронной пушки первой электрической мощностью, одинаковой для первой входной высокочастотной мощности и для второй входной высокочастотной мощности;feeding the klystron and cathode of the electron gun with a first electric power identical for the first input high-frequency power and for the second input high-frequency power;
последовательном питании управляющего электрода электронной пушки второй и третьей электрической мощностью, отличной от первой электрической мощности;sequentially supplying the control electrode of the electron gun with a second and third electric power different from the first electric power;
инжекции первого и второго пучков электронов в резонаторы ускорителя, при этом первый и второй пучки основаны, по меньшей мере, частично на второй и третьей электрических мощностях, отличных от первой электрической мощности;injecting the first and second electron beams into the accelerator cavities, 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;
последовательном ускорении инжектированных электронов до первой энергии и второй энергии, отличной от первой энергии, базирующихся, по меньшей мере, частично на первом и втором импульсах высокочастотной мощности; иsequentially accelerating the injected electrons to a first energy and a second energy different from the first energy, based at least in part on the first and second high-frequency power pulses; and
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,
причем регулирование энергии от импульса к импульсу осуществляется регулированием уровня ускоряющего поля за счет изменения уровня выходной мощности высокочастотного источника одновременно с регулированием уровней первого и второго токов электронного пучка;moreover, the regulation of energy from pulse to pulse is carried out by adjusting the level of the accelerating field by changing the level of output power of the high-frequency source simultaneously with the regulation of the levels of the first and second currents of the electron beam;
на низком и высоком уровнях энергии работа ускорителя осуществляется на одной и той же частоте;at low and high energy levels, the accelerator operates at the same frequency;
в первой ячейке ускоряющей структуры осуществляют модуляцию скорости непрерывного электронного потока от электронной пушки, ускорение, фокусировку и дальнейшую группировку частично сгруппированного в сгустки потока осуществляют во второй ячейке;in the first cell of the accelerating structure, modulation of the speed of the continuous electron beam from the electron gun is carried out, acceleration, focusing and further grouping of the stream partially grouped into bunches is carried out in the second cell;
высокочастотное напряжение Ug (уровня ускоряющего поля) на зазоре первой ячейки выбрано из условия обеспечения максимальной амплитуды первой гармоники тока пучка в центре зазора второй ячейкиthe high-frequency voltage U g (accelerating field level) at the gap of the first cell is selected from the condition of ensuring the maximum amplitude of the first harmonic of the beam current in the center of the gap of the second cell
где U0 - напряжение электрической мощности питания клистрона и катода электронной пушки и n=1, 2, 3, …;where U 0 is the voltage of the electric power supply of the klystron and the cathode of the electron gun and n = 1, 2, 3, ...;
уровень ускоряющего поля третьей ячейки равен уровню ускоряющего поля последующих ячеек; иthe level of the accelerating field of the third cell is equal to the level of the accelerating field of subsequent cells; and
контроллер частоты управляет частотой СВЧ сигнала, формируемого синтезатором, входящим в состав возбудителя, на основании данных о режиме работы ускорителя и температуре 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.
Известный источник радиации для осуществления описанного выше способа генерации тормозного излучения включает в себя:A known radiation source for implementing the above method of generating bremsstrahlung includes:
ускоряющую структуру со стоячей волной для ускорения электронов;accelerating structure with a standing wave to accelerate electrons;
трехэлектродную электронную пушку, содержащую катод, анод и управляющий электрод, с возможностью переключения величины тока пучка от импульса к импульсу между двумя предустановленными значениями;a three-electrode electron gun containing a cathode, anode and a control electrode, 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 on which causes the generation of radiation;
систему высоковольтного питания, содержащую источник электрического напряжения управляющего электрода электронной пушки, обеспечивающий поимпульсное переключение тока пучка электронной пушки, и источник электрической мощности (модулятор) источника высокочастотной мощности;a high-voltage power system containing an electric voltage source of an electron gun control electrode, providing pulse-by-pulse switching of the electron gun beam current, and an electric power source (modulator) of a high-frequency power source;
систему высокочастотного питания, содержащую импульсный многолучевой усилительный клистрон для выборочного снабжения ускорителя, по меньшей мере, первыми и вторыми импульсами высокочастотной энергии, и возбудитель, поставляющий высокочастотную мощность клистрону и выполненный с возможностью переключения подаваемой мощности между двумя предустановленными значениями, от импульса к импульсу работы ускорителя, при одинаковой частоте генерируемых колебаний для обоих значений энергии;a high-frequency power system containing a pulsed multipath amplification klystron for selectively supplying the accelerator with at least first and second high-frequency energy pulses, and a pathogen supplying a high-frequency power to the klystron and configured to switch the supplied power between two preset values, from pulse to pulse of the accelerator , at the same frequency of generated oscillations for both energy values;
контроллер ускорителя, включающий контроллер частоты; иan accelerator controller including a frequency controller; and
систему охлаждения.cooling system.
Указанные известные способ генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии и источник радиации для его осуществления обладают целым рядом преимуществ перед аналогами, указанными в патенте RU 2452143 (С2). Известный источник на основе ускоряющей структуры со стоячей волной, питаемой компактным многолучевым клистроном с низким напряжением луча и фокусировкой постоянными магнитами, имеет локальную радиационную защиту и обеспечивает для каждой энергии малый диаметр пучка на тормозной мишени, высокий процент частиц, захваченных в режим ускорения, и малую ширину энергетического спектра. При этом, поимпульсное переключение величины энергии ускоренного пучка электронов между двумя значениями на одной и той же частоте достигается за счет переключения величины входной мощности клистрона от импульса к импульсу и, следовательно, выходной мощности клистрона и амплитуды поля в ускоряющей структуре. Тогда как обеспечение требуемой мощности дозы осуществляется посредством переключения от импульса к импульсу напряжения управляющего электрода электронной пушки и, следовательно, величины тока пучка, инжектированного в ускоряющую структуру. Таким образом, известные решения позволяют добиться упрощения и уменьшение габаритов источника радиации с поимпульсным переключением энергии, при повышении надежности его работы.The indicated known method of generating bremsstrahlung with pulse-by-pulse switching of energy and a radiation source for its implementation have a number of advantages over analogues described in patent RU 2452143 (C2). A well-known source based on an accelerating structure with a standing wave fed by a compact multi-beam klystron with a low beam voltage and focusing by permanent magnets has local radiation protection and provides for each energy a small beam diameter on the braking target, a high percentage of particles trapped in the acceleration mode, and a small the width of the energy spectrum. Moreover, the pulse-by-pulse switching of the energy of an accelerated electron beam between two values at the same frequency is achieved by switching the input klystron power from pulse to pulse and, therefore, the output power of the klystron and field amplitude in the accelerating structure. Whereas the required dose rate is provided by switching from pulse to voltage pulse of the control electrode of the electron gun and, therefore, the magnitude of the beam current injected into the accelerating structure. Thus, the known solutions make it possible to simplify and reduce the size of the radiation source with pulse-by-pulse switching of energy, while increasing the reliability of its operation.
Вместе с тем, в указанных известных решениях были выявлены существенные недостатки, заключающиеся в реализованном здесь способе регулирования (переключения) энергии ускоренного пучка между двумя значениями. Как отмечено выше, в известных решениях регулирование энергии ускоренного пучка осуществляют посредством регулирования уровня выходной высокочастотной мощности клистрона, поставляемой ускоряющей структуре, за счет последовательного снабжения клистрона первой входной высокочастотной мощностью и второй входной высокочастотной мощностью, отличной от первой входной высокочастотной мощности. При этом первая электрическая мощность, поставляемая клистрону и катоду электронной пушки от источника энергии (модулятора), одинакова как для первой входной высокочастотной мощности, так и для второй входной высокочастотной мощности.At the same time, in these known solutions, significant shortcomings were identified, consisting in the method for regulating (switching) the energy of the accelerated beam between two values realized here. As noted above, in known solutions, the accelerated beam energy is controlled by adjusting the level of the high-frequency output of the klystron supplied to the accelerating structure by sequentially supplying the klystron with the first high-frequency input power and a second high-frequency input power different from the first high-frequency input power. In this case, the first electric power supplied to the klystron and cathode of the electron gun from the energy source (modulator) is the same for both the first high-frequency input power and the second high-frequency input power.
Сущность указанных недостатков заключается в следующем. Во-первых, электрическая мощность питания клистрона, т.е. первая электрическая мощность, одинаковая для обеих энергий ускоренного пучка электронов, выбирается таким образом, чтобы получить наибольшую выходную высокочастотную мощность клистрона, требуемую для ускорения пучка электронов до большей энергии из двух энергий ускоренного пучка. При этом указанная первая электрическая мощность оказывается избыточной для меньшей энергии ускоренного пучка и неизрасходованная часть электрической энергии бесполезно рассеивается в коллекторе клистрона, что приводит как к излишним затратам энергии, так и к снижению срока службы клистрона из-за излишнего отбора тока катода и излишней тепловой нагрузки коллектора. В таком режиме работы рабочая точка клистрона для меньшей энергии, из двух энергий ускоренного пучка, располагается на линейном участке его амплитудной характеристики, характеризующемся сильной зависимостью выходной высокочастотной мощности клистрона от входной высокочастотной мощности, как можно видеть на фиг. 1. Последнее обстоятельство снижает стабильность энергии ускоренного пучка и мощности дозы генерируемого тормозного излучения для импульса с низкой энергией.The essence of these disadvantages is as follows. Firstly, the electrical power of the klystron, i.e. the first electric power, the same for both energies of the accelerated electron beam, is selected so as to obtain the highest output high-frequency klystron power required to accelerate the electron beam to a higher energy from the two energies of the accelerated beam. At the same time, the indicated first electric power turns out to be excessive for less energy of the accelerated beam and the unspent part of the electric energy is uselessly dissipated in the klystron collector, which leads both to excessive energy consumption and to a decrease in the life of the klystron due to excessive selection of the cathode current and excessive heat load collector. In this mode of operation, the working point of the klystron for the lower energy, of the two energies of the accelerated beam, is located on a linear portion of its amplitude characteristic, characterized by a strong dependence of the output high-frequency power of the klystron on the input high-frequency power, as can be seen in FIG. 1. The latter circumstance reduces the stability of the energy of the accelerated beam and the dose rate of the generated bremsstrahlung for a low-energy pulse.
Во-вторых, подача на катод электронной пушки импульсов неизменной первой электрической мощности означает, что величина высокого напряжения U0 питания катода электронной пушки в формуле оптимального группирования частиц первой ускоряющей ячейкойSecondly, the supply to the cathode of the electron gun of pulses of an unchanged first electric power means that the high voltage value U 0 of the cathode supply of the electron gun in the formula for optimal particle grouping by the first accelerating cell
является неизменной для получения и первого, и второго уровня ускоряющего поля (для первой и второй энергий ускоренного пучка), в то время как величина высокочастотного напряжения Ug на зазоре первой ячейки изменяется. Таким образом, условия оптимального группирования не выполняются в известных решениях либо для первой, либо для второй, либо для обеих энергий ускоренного пучка.is unchanged to obtain both the first and second levels of the accelerating field (for the first and second energies of the accelerated beam), while the magnitude of the high-frequency voltage U g at the gap of the first cell changes. Thus, the conditions for optimal grouping are not satisfied in the known solutions for either the first, the second, or both energies of the accelerated beam.
Необходимость устранения указанных выше недостатков решений предшествующего уровня техники легла в основу создания настоящей группы изобретений. При этом известные из патента RU 2452143 (С2) способ генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии и источник радиации для его осуществления являются наиболее близкими аналогами заявляемых изобретений и выбраны в качестве их прототипов.The need to address the above disadvantages of the solutions of the prior art formed the basis for the creation of this group of inventions. Moreover, the method for generating bremsstrahlung with pulse-by-pulse switching of energy and the radiation source for its implementation, known from patent RU 2452143 (C2), are the closest analogues of the claimed inventions and are selected as their prototypes.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей настоящего изобретения стало создание способа генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии и источника излучения для его осуществления на основе нового способа регулирования (переключения) энергии ускоренного пучка электронов между двумя значениями с устранением недостатков предшествующего уровня техники. А именно, задачей настоящего изобретения стало создание способа регулирования (переключения) энергии ускоренного пучка между двумя значениями с обеспечением оптимального для каждого значения энергии режима работы клистрона и увеличением, таким образом, стабильности параметров ускоренных пучков электронов для каждого значения энергии.The present invention was the creation of a method for generating bremsstrahlung with pulse-by-pulse switching of energy and a radiation source for its implementation on the basis of a new method of regulating (switching) the energy of an accelerated electron beam between two values, eliminating the disadvantages of the prior art. Namely, the object of the present invention was to provide a method for controlling (switching) the energy of an accelerated beam between two values, ensuring that the klystron operating mode is optimal for each energy value and, thus, increasing the stability of parameters of accelerated electron beams for each energy value.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в увеличении срока службы клистрона, повышении стабильности параметров ускоренного пучка электронов для каждой энергии и снижении энергопотребления ускорителя частиц.The technical result achieved by the implementation of the invention is to increase the life of the klystron, increasing the stability of the parameters of the accelerated electron beam for each energy and reducing the energy consumption of the particle accelerator.
Поставленная в изобретении задача решается за счет того, что поимпульсное переключение энергии ускоренного пучка электронов между двумя значениями осуществляется посредством переключения амплитуды импульса высокого напряжения, питающего клистрон от импульса к импульсу. При этом импульсы входной высокочастотной мощности клистрона для низкой и высокой энергии генерируются на одинаковой частоте, изменяющейся в соответствии с изменением резонансной частоты ускоряющейся структуры, а обеспечение требуемой мощности дозы тормозного излучения осуществляется посредством переключения от импульса к импульсу напряжения управляющего электрода электронной пушки.The problem stated in the invention is solved due to the fact that the pulse-by-pulse switching of the energy of an accelerated electron beam between two values is carried out by switching the amplitude of a high voltage pulse supplying a klystron from pulse to pulse. In this case, the pulses of the input high-frequency power of the klystron for low and high energy are generated at the same frequency, changing in accordance with the change in the resonant frequency of the accelerating structure, and the required dose rate of bremsstrahlung is provided by switching from the pulse to the voltage pulse of the control electrode of the electron gun.
Предложенный новый способ поимпульсного переключения энергии ускоренного пучка электронов между двумя значениями за счет переключения амплитуды импульса высокого напряжения, питающего клистрон, позволяет обеспечить работу клистрона в оптимальном режиме для обоих указанных значений энергии. Таким образом, рабочая точка клистрона для обоих значений энергии располагается в области максимума амплитудной характеристики клистрона, как показано на фиг. 2, что повышает стабильность энергии ускоренного пучка и мощности дозы излучения при обоих значениях энергии. Выбор оптимальной электрической мощности питания клистрона для обоих значений энергии позволяет уменьшить затраты энергии, устраняя проблему подачи на клистрон избыточной части питания для меньшего значения энергии ускоренного пучка, ее рассеивания в коллекторе клистрона и соответствующего снижения срока службы клистрона. Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает выполнение условий оптимального группирования частиц первой ускоряющей ячейкой ускорителя для обоих значений энергии ускоренного пучка электронов. Таким образом, совокупность признаков изобретения в каждом из вариантов его осуществления, раскрытых ниже и представленных в пунктах формулы изобретения, обеспечивает решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата.The proposed new method of pulse-by-pulse switching the energy of an accelerated electron beam between two values by switching the amplitude of a high-voltage pulse supplying a klystron allows the klystron to operate in the optimal mode for both of these energy values. Thus, the klystron operating point for both energy values is located in the region of the maximum amplitude characteristic of the klystron, as shown in FIG. 2, which increases the stability of the energy of the accelerated beam and the radiation dose rate at both energy values. The choice of the optimal electric power of the klystron power supply for both energy values allows reducing energy costs, eliminating the problem of supplying an excess part of the power supply to the klystron for a lower value of the accelerated beam energy, its dissipation in the klystron collector and a corresponding decrease in the life of the klystron. In addition, the present invention provides the fulfillment of conditions for optimal grouping of particles by the first accelerating cell of the accelerator for both values of the energy of the accelerated electron beam. Thus, the totality of the features of the invention in each of the options for its implementation, disclosed below and presented in the claims, provides a solution to the problem and the achievement of the claimed technical result.
Более конкретно, поставленная в изобретении задача решается за счет нового способа генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии, заключающегося в:More specifically, the objective of the invention is solved by a new method for generating bremsstrahlung with pulse-by-pulse switching of energy, which consists in:
последовательной подаче первых и вторых импульсов входной высокочастотной мощности от возбудителя на клистрон, питаемый электрической мощностью от системы высоковольтного питания;sequentially supplying the first and second pulses of the input high-frequency power from the pathogen to the klystron fed by electric power from the high-voltage power system;
последовательном усилении клистроном первых и вторых импульсов входной высокочастотной мощности с получением первых и вторых импульсов выходной высокочастотной мощности;the klystron sequentially amplifies the first and second pulses of the input high-frequency power to obtain the first and second pulses of the output high-frequency power;
последовательной передаче первых и вторых импульсов выходной высокочастотной мощности клистрона резонаторам одного и того же ускорителя частиц в виде пар близко расположенных во времени импульсов;sequential transmission of the first and second pulses of the high-frequency output of the klystron to the resonators of the same particle accelerator in the form of pairs of pulses closely spaced in time;
последовательном питании, с помощью системы высоковольтного питания, управляющего электрода электронной пушки ускорителя первой и второй электрической мощностью питания управляющего электрода, отличной от электрической мощности питания клистрона, при этом питание катода электронной пушки осуществляют электрической мощностью питания клистрона;serial power, using the high-voltage power supply system, the control electrode of the accelerator’s electron gun, the first and second electric power of the control electrode, different from the electric power of the klystron, while the cathode of the electron gun is supplied with electric power of the klystron;
инжекции в резонаторы ускорителя первого и второго пучков электронов, основанных, по меньшей мере, частично на первой и второй электрических мощностях питания управляющего электрода;injection into the resonator of the accelerator of the first and second electron beams based at least in part on the first and second electric power supply of the control electrode;
последовательном ускорении инжектированных пучков электронов ускорителем, работающим на одной и той же частоте, до первой энергии и второй энергии, отличной от первой энергии, основанных, по меньшей мере, частично на первом и втором импульсах выходной высокочастотной мощности клистрона; иsequentially accelerating injected electron beams by an accelerator operating at the same frequency 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 the high-frequency output power of the klystron; and
последовательном столкновении первых и вторых токов ускоренных пучков электронов с тормозной мишенью для генерации импульсов излучения, имеющих первую и вторую различные энергии и первую и вторую мощности дозы;successive collisions of the first and second currents of accelerated electron beams with a stop target to generate radiation pulses having first and second different energies and first and second dose rates;
причем модуляцию скорости непрерывного электронного потока от электронной пушки ускорителя 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 выбирают из условия обеспечения максимальной амплитуды первой гармоники тока пучка электронов в центре зазора второй ячейкиmoreover, the modulation of the speed of the continuous electron stream from the electron gun of the accelerator 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, the high-frequency voltage U g (level of the accelerating field) at the gap of the first cell is selected from the condition of the maximum amplitude of the first harmonic of the electron beam current in the center of the gap of the second cell
где U0 - напряжение электрической мощности питания клистрона и катода электронной пушки и n=1, 2, 3, …;where U 0 is the voltage of the electric power supply of the klystron and the cathode of the electron gun and n = 1, 2, 3, ...;
уровень ускоряющего поля третьей ячейки равен уровню ускоряющего поля последующих ячеек; иthe level of the accelerating field of the third cell is equal to the level of the accelerating field of subsequent cells; and
частотой сигнала входной высокочастотной мощности от возбудителя управляют с помощью контроллера частоты на основании данных о режиме работы ускорителя и температуре охлаждающей жидкости,the frequency of the input high-frequency power signal from the pathogen is controlled using a frequency controller based on data on the accelerator operating mode and coolant temperature,
и отличающегося тем, чтоand characterized in that
напряжение электрической мощности питания клистрона и катода электронной пушки (U0) переключают от импульса к импульсу между первым значением, подаваемым на клистрон одновременно с первым импульсом входной высокочастотной мощности, и вторым значением, подаваемым на клистрон одновременно со вторым импульсом входной высокочастотной мощности;the voltage of the electric power supply of the klystron and the cathode of the electron gun (U 0 ) is switched from pulse to pulse between the first value supplied to the klystron simultaneously with the first pulse of the input high-frequency power and the second value supplied to the klystron simultaneously with the second pulse of the input high-frequency power;
причем указанные первое и второе значения напряжения электрической мощности питания клистрона и катода (U0) выбирают таким образом, что при заданных первой и второй энергиях генерируемых импульсов излучения рабочая точка клистрона находится в области максимума амплитудной характеристики, как для первой, так и для второй энергий ускоренных пучков электронов, и напряжение на зазоре первой ускоряющей ячейки Ug дополнительно выбирают таким образом, что отношение U0/Ug остается по существу постоянным.moreover, the indicated first and second values of the voltage of the electric power supply of the klystron and the cathode (U 0 ) are selected so that for given first and second energies of the generated radiation pulses, the operating point of the klystron is in the region of the maximum amplitude characteristic for both the first and second energies accelerated electron beams, and the voltage at the gap of the first accelerating cell U g is additionally chosen so that the ratio U 0 / U g remains essentially constant.
В предпочтительном варианте осуществления, переключение напряжения электрической мощности питания клистрона и катода электронной пушки от импульса к импульсу осуществляют посредством подачи на клистрон и катод пар близкорасположенных во времени импульсов высокого напряжения различной амплитуды, получаемых с использованием модулятора и одного высоковольтного источника электрического напряжения. В этом случае, необходимое соотношение амплитуд импульсов в указанных парах может быть получено посредством регулирования временного интервала между импульсами, определяющего степень компенсации разряда накопительных конденсаторов высоковольтным источником электрического напряжения.In a preferred embodiment, switching the voltage of the electric power supply of the klystron and the cathode of the electron gun from pulse to pulse is carried out by applying to the klystron and cathode pairs of closely spaced high-voltage pulses of different amplitudes obtained using a modulator and one high-voltage source of electric voltage. In this case, the necessary ratio of the amplitudes of the pulses in these pairs can be obtained by adjusting the time interval between the pulses, which determines the degree of compensation of the discharge of the storage capacitors by a high-voltage source of electrical voltage.
В другом варианте осуществления переключение напряжения электрической мощности питания клистрона и катода электронной пушки от импульса к импульсу осуществляют посредством подачи на клистрон и катод пар близкорасположенных во времени импульсов высокого напряжения различной амплитуды, получаемых с использованием модулятора и двух высоковольтных источников электрического напряжения. Соответственно, для обеспечения необходимого соотношения амплитуд импульсов в указанных парах осуществляется регулировка величины напряжения на источниках.In another embodiment, switching the voltage of the electric power supply of the klystron and the cathode of the electron gun from pulse to pulse is carried out by applying to the klystron and cathode pairs of closely spaced high-voltage pulses of various amplitudes obtained using a modulator and two high-voltage sources of electric voltage. Accordingly, to ensure the necessary ratio of the amplitudes of the pulses in these pairs, the voltage at the sources is adjusted.
Кроме того, поставленная в изобретении задача решается за счет нового источника для осуществления описанного способа генерации тормозного излучения. Указанный источник содержит:In addition, the task of the invention is solved by a new source for implementing the described method for generating bremsstrahlung. The specified source contains:
ускоритель частиц, содержащий ускоряющую структуру со стоячей волной для ускорения электронов;particle accelerator containing an accelerating structure with a standing wave to accelerate electrons;
трехэлектродную электронную пушку на входе ускоряющей структуры, содержащую катод, анод и управляющий электрод и выполненную с возможностью переключения величины тока пучка электронов от импульса к импульсу между двумя заданными значениями;a three-electrode electron gun at the input of the accelerating structure, comprising a cathode, anode, and a control electrode and configured to switch the current of the electron beam from pulse to pulse between two predetermined values;
тормозную мишень для генерации излучения, расположенную на выходе ускоряющей структуры;a brake target for generating radiation located at the output of the accelerating structure;
систему высоковольтного питания, содержащую, по меньшей мере, один источник электрического напряжения и модулятор, для выборочно питания клистрона и катода электронной пушки электрической мощностью питания клистрона, и выборочного питания управляющего электрода электронной пушки ускорителя первой и второй электрической мощностью питания управляющего электрода, отличной от электрической мощности питания клистрона;a high-voltage power system comprising at least one electric voltage source and a modulator for selectively supplying the klystron and cathode of the electron gun with an electric power supply of the klystron, and selectively supplying the control electrode of the electron gun of the accelerator with the first and second electric power supply of the control electrode other than the electric klystron power supply;
систему высокочастотного питания, содержащую импульсный многолучевой усилительный клистрон для выборочного снабжения ускорителя, по меньшей мере, первыми и вторыми импульсами выходной высокочастотной мощности, и возбудитель для подачи, по меньшей мере, первых и вторых импульсов входной высокочастотной мощности клистрону при одинаковой частоте генерируемых колебаний;a high-frequency power system containing a pulsed multipath amplification klystron for selectively supplying the accelerator with at least first and second pulses of the output high-frequency power, and a pathogen for supplying at least the first and second pulses of the input high-frequency power to the klystron at the same frequency of generated oscillations;
контроллер ускорителя, содержащий контроллер частоты для управления частотой входной высокочастотной мощности от возбудителя на основании данных о режиме работы ускорителя и температуре охлаждающей жидкости; иan accelerator controller comprising a frequency controller for controlling the frequency of the input high-frequency power from the pathogen based on data on the accelerator operating mode and coolant temperature; and
систему охлаждения,cooling system
и отличается тем, чтоand differs in that
возбудитель системы высокочастотного питания выполнен с возможностью подачи клистрону первых и вторых импульсов входной высокочастотной мощности с одинаковым уровнем мощности;the exciter of the high-frequency power system is configured to supply the first and second pulses of the input high-frequency power with the same power level to the klystron;
и тем, что система высоковольтного питания выполнена с возможностью переключения от импульса к импульсу напряжения электрической мощности питания клистрона и катода электронной пушки между первым значением, подаваемым на клистрон одновременно с первым импульсом входной высокочастотной мощности, и вторым значением, подаваемым на клистрон одновременно со вторым импульсом входной высокочастотной мощности.and the fact that the high-voltage power system is configured to switch from a pulse to a voltage pulse of the electric power supply of the klystron and the cathode of the electron gun between the first value supplied to the klystron simultaneously with the first pulse of the input high-frequency power and the second value supplied to the klystron simultaneously with the second pulse input high-frequency power.
В предпочтительном варианте осуществления упомянутая система высоковольтного питания содержит модулятор и по меньшей мере один высоковольтный источник электрического напряжения, выполненные с возможностью формирования пар близкорасположенных во времени импульсов высокого напряжения различной амплитуды и регулирования временного интервала между указанными импульсами для обеспечения необходимого соотношения амплитуд импульсов в парах.In a preferred embodiment, said high-voltage power supply system comprises a modulator and at least one high-voltage source of electrical voltage, configured to form pairs of closely spaced high voltage pulses of various amplitudes and to control the time interval between these pulses to provide the necessary ratio of pulse amplitudes in pairs.
В другом варианте осуществления, система высоковольтного питания содержит модулятор и по меньшей мере два высоковольтных источника электрического напряжения, выполненные с возможностью формирования пар близкорасположенных во времени импульсов высокого напряжения различной амплитуды. Упомянутый модулятор предпочтительно является твердотельным модулятором.In another embodiment, the high-voltage power system comprises a modulator and at least two high-voltage sources of electrical voltage, configured to form pairs of closely spaced high-voltage pulses of various amplitudes. Said modulator is preferably a solid state modulator.
Далее, в предпочтительном варианте осуществления, ускоряющая структура содержит первую (группирующую) ячейку с низким уровнем ускоряющего поля, вторую ячейку (ускоряющую и фокусирующую) с высоким уровнем поля и третью и последующие (ускоряющие и фокусирующие) 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°.Further, in a preferred embodiment, the accelerating structure comprises a first (grouping) cell with a low level of the accelerating field, a second cell (accelerating and focusing) with a high field level and a third and subsequent (accelerating and focusing) cells with the highest level of the accelerating field. In this case, the distance between the centers of the gaps of the first and second cells ensures that the center of the accelerated bunch gets into the maximum of the accelerating field of the second cell with a phase shift of the field between the cells of 180 °.
Дополнительно, в этом варианте осуществления расстояние Lg между центрами зазоров первой и второй ячеек ускоряющей структуры определяется соотношениемAdditionally, in this embodiment, the distance L g between the gap centers of the first and second cells of the accelerating structure is determined by the ratio
где β0=ν0/c, ν0 - величина скорости электронного потока на входе в группирующую ячейку, λ - длина электромагнитной волны источника высокочастотной мощности в свободном пространстве, c - скорость света и n=1, 2, 3, …where β 0 = ν 0 / c, ν 0 is the velocity of the electron flux 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 and n = 1, 2, 3, ...
Предпочтительно, чтобы фокусирующая система клистрона была выполнена на постоянных магнитах, а возбудитель состоял из синтезатора, твердотельного СВЧ усилителя и электронного аттенюатора на p-i-n диодах. Кроме того, ускоряющая структура и электронная пушка помещены в магнитный экран.Preferably, the klystron focusing system was made with permanent magnets, and the pathogen consisted of a synthesizer, a solid-state microwave amplifier, and an electronic attenuator with p-i-n diodes. In addition, the accelerating structure and the electron gun are placed in a magnetic screen.
Согласно различным вариантам осуществления тормозная мишень может быть установлена на электронопроводе малого диаметра, а после нее может быть установлена ионизационная камера. Электронная пушка, ускоряющая структура с магнитным экраном, тормозной мишенью и ионизационной камерой предпочтительно устанавливаются внутри локальной радиационной защиты, которая может быть снабжена прорезью. В ускоряющей структуре может быть установлена петля связи.According to various embodiments, the brake target can be mounted on a small diameter electron wire, and an ionization chamber can be installed after it. An electron gun, an accelerating structure with a magnetic screen, a brake target, and an ionization chamber are preferably mounted inside a local radiation shield, which can be provided with a slot. In the accelerating structure, a communication loop can be established.
Также в предпочтительном варианте осуществления, 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 в ускоряющую структуру подают высокочастотную мощность. При этом, для поддержания высокого уровня вакуума в указанном вакуумном объеме в течение срока эксплуатации ускорителя на указанном волноводе может быть установлен геттерный насос, не требующий источника питания и подключенный к указанному объему через прорези в узкой стенке волновода.Also in a preferred embodiment, the electron gun, 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 mounted in a waveguide through which high-frequency power is supplied to the accelerating structure. In this case, to maintain a high vacuum level in the indicated vacuum volume during the life of the accelerator, a getter pump can be 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.
Альтернативно или дополнительно, на волноводе может быть установлен электроразрядный насос, величина тока которого определяется уровнем вакуума в указанном объеме, который может быть соединен с указанным вакуумным объемом через прорези в узкой стенке волновода.Alternatively or additionally, an electric discharge pump may be installed on the waveguide, the current value of which is determined by the level of vacuum in the indicated volume, which can be connected to the indicated vacuum volume through slots in the narrow wall of the waveguide.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Преимущества настоящего изобретения раскрываются ниже в подробном описании предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:The advantages of the present invention are disclosed below in the detailed description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings, in which:
- на фиг. 1 представлена зависимость выходной высокочастотной мощности клистрона от входной высокочастотной мощности при постоянной амплитуде импульса высокого напряжения, питающего клистрон;- in FIG. 1 shows the dependence of the output high-frequency power of the klystron on the input high-frequency power at a constant amplitude of the high voltage pulse supplying the klystron;
- на фиг. 2 проиллюстрировано изменение зависимости выходной высокочастотной мощности клистрона от входной высокочастотной мощности при изменении амплитуды импульса высокого напряжения, питающего клистрон;- in FIG. 2 illustrates a change in the dependence of the output high-frequency power of the klystron on the input high-frequency power when changing the amplitude of the high voltage pulse supplying the klystron;
- на фиг. 3 представлена блок-схема источника излучения согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения; и- in FIG. 3 is a block diagram of a radiation source according to a preferred embodiment of the invention; and
- на фиг. 4 представлена временная диаграмма работы источника излучения согласно варианту осуществления изобретения.- in FIG. 4 is a timing diagram of an operation of a radiation source according to an embodiment of the invention.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Далее описан предпочтительный вариант осуществления изобретения в источнике излучения на основе компактного ускорителя электронов для досмотровых комплексов с поимпульсным переключением уровня энергии тормозного излучения между двумя регулируемыми значениями и независимым регулированием мощности дозы для каждого значения энергии, блок-схема которого показана на фиг. 3. Большая часть компонентов описываемого источника излучения аналогична или по существу аналогична таковым в источнике радиации прототипа, поэтому для краткости такие компоненты описываются сокращенно, на функциональном уровне.The following describes a preferred embodiment of the invention in a radiation source based on a compact electron accelerator for inspection complexes with pulse-by-pulse switching of the energy of bremsstrahlung between two adjustable values and independent regulation of the dose rate for each energy value, the block diagram of which is shown in FIG. 3. Most of the components of the described radiation source are similar or essentially similar to those in the radiation source of the prototype, therefore, for brevity, such components are described in abbreviated form, at the functional level.
Как показано на фиг. 3, источник излучения содержит ускоритель частиц 1, систему высокочастотного питания 2, систему высоковольтного питания 3, систему охлаждения 4, контроллер ускорителя 5 и консоль управления 6.As shown in FIG. 3, the radiation source comprises a
Ускоритель частиц 1 включает в себя трехэлектродную электронную пушку 7 с катодом 8, анодом и управляющим электродом 9, соединенную через керамический изолятор с ускоряющей структурой 10 со стоячей волной. Ускоряющая структура 10 выполнена с возможностью ускорения пучка электронов 11 от электронной пушки 7 до определенной конечной энергии и фокусировки ускоренного пучка на тормозной мишени 12 для генерации тормозного излучения 14.The
Как показано на фиг. 3, тормозная мишень 12 расположена в конце электронопровода 13, установленного на выходе ускоряющей структуры 10 и имеющего малый диаметр, существенно меньший диаметра ускоряющей структуры 10, что позволяет снизить размеры и вес радиационной защиты 17 ускорителя 1. Попадание ускоренного пучка 11 в центр тормозной мишени 12 обеспечено магнитным экраном 15, расположенным вокруг электронной пушки 2 и ускоряющей структуры 10, который снижает паразитные магнитные поля в электронной пушке 7 и ускоряющей структуре 10 до уровня, не превышающего уровень магнитного поля Земли. Дополнительно, поверх ускоряющей структуры 10 могут быть размещены корректирующие катушки 16 для подстройки положения пучка 11 на тормозной мишени 12. Для контроля мощности дозы тормозного излучения после тормозной мишени 12 установлена ионизационная камера 19. Уровень тормозного излучения во всей области вокруг тормозной мишени 12 за исключением рабочей зоны снижается до установленного значения с помощью радиационной защиты 17. Формирование пространственного распределения тормозного излучения 14 в рабочей зоне осуществляется с помощью прорези 18 в радиационной защите 17.As shown in FIG. 3, the
Ускоряющая структура 10 содержит первую (группирующую) ячейку с низким уровнем ускоряющего поля, вторую ячейку (ускоряющую и фокусирующую) с высоким уровнем поля, и третью и последующие ячейки (ускоряющие и фокусирующие) с самым высоким уровнем ускоряющего поля. В одной из ускоряющих ячеек структуры 10 установлена петля связи 20, предпочтительно, высокочастотная антенна, для контроля уровня высокочастотных потерь в стенках ускоряющей структуры 10 и, следовательно, для контроля уровня ускоряющего поля и энергии ускоренного пучка электронов. 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, and a third and subsequent cells (accelerating and focusing) with the highest level of the accelerating field. In one of the accelerating cells of structure 10, a
В частности, расстояние Lg между центрами зазоров первой и второй ячеек может определяться следующим соотношением:In particular, the distance L g between the centers of the gaps of the first and second cells can be determined by the following relation:
где β0=ν0/c, ν0 - величина скорости электронного потока на входе в группирующую ячейку, λ - длина электромагнитной волны источника высокочастотной мощности в свободном пространстве, c - скорость света и n=1, 2, 3, …where β 0 = ν 0 / c, ν 0 is the velocity of the electron flux 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 and n = 1, 2, 3, ...
Основным элементом системы высокочастотного питания 2 является импульсный многолучевой усилительный клистрон 25, обеспечивающий возбуждение СВЧ поля ускоряющей структуры 10 посредством выборочного снабжения ее, по меньшей мере, первыми и вторыми импульсами выходной высокочастотной мощности клистрона. Возбудитель 27, в свою очередь, предназначен для подачи на клистрон 25, по меньшей мере, первых и вторых импульсов входной высокочастотной мощности, которые имеют одинаковую амплитуду и одинаковую частоту колебаний. Кроме того, система высокочастотного питания 2 содержит волновод 21 с системой откачки 22 и разделительным вакуумным окном 23, размешенный между ускоряющей структурой 10 и волноводом 24, подсоединенным к клистрону 25 через ферритовое развязывающее устройство 26, систему подачи изолирующего газа 28 и датчик разряда 29.The main element of the high-frequency power supply system 2 is a pulsed
Клистрон 25 предпочтительно работает с низким напряжением питания за счет использования многолучевой конструкции и выполнен компактным благодаря использованию фокусирующей системы на постоянных магнитах. Также клистрон 25 характеризуется большим коэффициентом усиления, что позволяет использовать возбудитель 27 со сравнительно низкой выходной мощностью, обеспечивающей возможность поддержания высокой стабильности частоты выходного сигнала. Величина выходной высокочастотной мощности клистрона 25 переключается от импульса к импульсу с требуемой частотой повторения, как описано ниже. Возбудитель 27 предпочтительно состоит из синтезатора, твердотельного СВЧ усилителя и электронного аттенюатора на p-i-n диодах.The
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 в ускоряющую структуру 10 поступают импульсы выходной высокочастотной мощности клистрона 25. Для поддержания высокого уровня вакуума в вакуумном объеме на волноводе 21 установлен геттерный насос, не требующий источника питания и осуществляющий откачивание указанного объема через прорези в узкой стенке волновода 21. Для контроля уровня вакуума и выработки сигналов блокировки при ухудшении вакуума на волноводе 21 также установлен электроразрядный насос, соединенный с вакуумным объемом через прорези в узкой стенке. Вместе, геттерный и электроразрядный насосы составляют систему откачки 22 поддерживающую рабочий вакуум в указанном вакуумном объеме, причем откачка вакуумного объема осуществляется, главным образом, геттерным насосом, тогда как электроразрядный насос используется для контроля уровня вакуума. Это позволяет быстро ввести источник излучения 1 в рабочий режим после длительного хранения, гарантирует стабильность параметров и надежность работы.The electron gun 2, the accelerating structure 10, and the
Для предотвращения высокочастотных пробоев волновод 24 и ферритовое развязывающее устройство 26 заполняются изолирующим газом с помощью системы подачи газа 28. В случае возникновения разряда на вакуумном окне 23, в волноводе 24 или ферритовом развязывающем устройстве 26 датчик разряда 29 вырабатывает сигнал блокировки, отключающий генерацию сигнала входной высокочастотной мощности возбудителем 27.To prevent high-frequency breakdowns, the
Охлаждение ускоряющей структуры 10, тормозной мишени 12, модулятора 30 и клистрона 25 осуществляется жидкостью с постоянной температурой, поступающей из устройства охлаждения 32 системы охлаждения 4. Температура и расход жидкости на входе и на выходе ускоряющей структуры 10 контролируется с помощью системы датчиков температуры и расхода жидкости 33.The cooling of the accelerating structure 10, the
Система высоковольтного питания 3 содержит высоковольтный модулятор 30 для питания клистрона 25 и катода 8 электронной пушки 7, а также источник электрической мощности 31 для питания управляющего электрода 9 электронной пушки 7. Кроме того, в разных вариантах осуществления, модулятор 30 дополнен одним или двумя высоковольтными источниками электрического напряжения (не показаны на чертежах).The high-voltage
Модулятор 30 с помощью, по меньшей мере, одного высоковольтного источника электрического напряжения, формирует сигнал электрической мощности питания клистрона 25 и катода 8 электронной пушки в виде пары близко расположенных во времени импульсов высокого напряжения с разной амплитудой. Таким образом, система высоковольтного питания 3 обеспечивает переключение напряжения электрической мощности питания клистрона 28 и катода 8 электронной пушки 7 от импульса к импульсу между первым и вторым значениями, соответствующими амплитудам указанных парных импульсов высокого напряжения.The
В предпочтительном варианте осуществления изобретения указанные пары импульсов высокого напряжения получают с использованием модулятора 30 и одного высоковольтного источника электрического напряжения. В этом случае необходимое соотношение амплитуд импульсов получают посредством регулирования временного интервала между импульсами в парах, определяющего степень компенсации разряда накопительных конденсаторов высоковольтным источником электрического напряжения.In a preferred embodiment of the invention, said pairs of high voltage pulses are obtained using a
В другом варианте осуществления указанные пары импульсов высокого напряжения получают с использованием модулятора 30 и двух высоковольтных источников электрического напряжения, величины напряжения на которых регулируют для обеспечения необходимого соотношения амплитуд импульсов в указанных парах. Оба указанных варианта осуществления в равной степени обеспечивают достижение преимуществ заявленного изобретения.In another embodiment, said pairs of high voltage pulses are obtained using a
Источник электрической мощности 31 осуществляет последовательное питание управляющего электрода 9 электронной пушки 7 первой и второй электрической мощностью питания управляющего электрода, обеспечивая, таким образом, переключение величины напряжения на управляющем электроде 9 и, соответственно, поимпульсное переключение величины тока пучка электронов 11.The
Изменение конечной энергии ускоренного пучка электронов 11 достигается регулировкой уровня ускоряющего поля в ускоряющей структуре 10 за счет изменения выходной высокочастотной мощности клистрона 25 посредством переключения напряжения электрической мощности питания клистрона 25 от импульса к импульсу, как описано выше. Предпочтительно, отношение максимально возможной и минимально возможной энергий ускоренного пучка электронов составляет не менее двух, а диаметр пучка на тормозной мишени 12 во всем диапазоне изменения энергии - не более 2 мм.The change in the final energy of the accelerated electron beam 11 is achieved by adjusting the level of the accelerating field in the accelerating structure 10 by changing the output high-frequency power of the
Контроллер ускорителя 5 осуществляет синхронизацию работы систем ускорителя частиц 1 и коммутацию сигналов блокировки между системами аналогично прототипу. В частности, контроллер ускорителя 5 содержит контроллер частоты для управления частотой сигнала выходной высокочастотной мощности возбудителя 27 на основании данных о режиме работы ускорителя 1 и температуре охлаждающей жидкости, получаемых от датчиков 33. Консоль управления 6 обеспечивает установку режимов работы и контроль работы систем источника излучения аналогично прототипу.The
Описанный источник излучения предназначен для осуществления способа генерации тормозного излучения с поимпульсным переключением энергии согласно заявленному изобретению. Временная диаграмма работы данного источника излучения показана на фиг. 4, где τ - длительность импульса, T1 - расстояние между импульсами в паре импульсов, T2 - расстояние между парами импульсов. Функционирование данного источника излучения во многом аналогично работе источника радиации-прототипа, поэтому описано ниже кратко, с выделением отличительных особенностей способа генерации излучения согласно настоящему изобретению.The described radiation source is intended to implement a method of generating bremsstrahlung with pulse-by-pulse switching of energy according to the claimed invention. A timing diagram of the operation of this radiation source is shown in FIG. 4, where τ is the pulse duration, T 1 is the distance between pulses in a pair of pulses, T 2 is the distance between pairs of pulses. The functioning of this radiation source is largely similar to the radiation source of the prototype, therefore, is described below briefly, highlighting the distinctive features of the radiation generation method according to the present invention.
Показанные на фиг. 4 сигналы запуска и энергии формируются контроллером 5 ускорителя частиц 1 для синхронизации работы источника излучения и подаются в ускоритель частиц 1, систему высокочастотного питания 2 и систему высоковольтного питания 3, соответственно.Shown in FIG. 4, the start and energy signals are generated by the
При приеме сигналов энергии и запуска в системе высоковольтного питания 3, модулятор 30 формирует сигнал электрической мощности питания клистрона 25 и катода 8 электронной пушки 7 в виде пары близко расположенных во времени импульсов высокого напряжения, амплитуды которых задаются принятым сигналом энергии. Таким образом, обеспечивается переключение напряжения электрической мощности (U0) питания клистрона 25 и катода 8 электронной пушки 7 от импульса к импульсу между первым и вторым значениями. На фиг. 4 сигнал электрической мощности питания клистрона и катода электронной пушки обозначен как «импульс модулятора».When receiving energy signals and triggering in the high-voltage
Синхронно с этим источник электрической мощности 31 формирует первый и второй импульсы электрической мощности питания управляющего электрода 9 электронной пушки, отличающиеся от указанных парных импульсов электрической мощности питания клистрона 25 и катода 8 электронной пушки 7. На фиг. 4 импульсы электрической мощности питания управляющего электрода обозначены как «напряжение управляющего электрода».Synchronously with this, the
В системе высокочастотного питания 2, в ответ на прием сигналов энергии и запуска, возбудитель 27 генерирует, на одной и той же частоте, первый и второй импульсы входной высокочастотной мощности клистрона одинаковой амплитуды, которыми последовательно снабжает клистрон 25, питаемый, как описано выше, парными импульсами электрической мощности от модулятора 30. На фиг. 4 импульсы входной высокочастотной мощности клистрона обозначены как «входной сигнал клистрона».In the high-frequency power supply system 2, in response to receiving energy and triggering signals, the
Таким образом, в отличие от прототипа, в настоящем изобретении подаваемая на клистрон 25 входная высокочастотная мощность остается неизменной по уровню, однако от импульса к импульсу меняется напряжения электрической мощности питания клистрона 25. Соответственно, клистрон 25 последовательно усиливает первые и вторые импульсы входной высокочастотной мощности с получением первых и вторых импульсов выходной высокочастотной мощности клистрона («выходной сигнал клистрона» на фиг. 4), различие амплитуд которых основано на переключении от импульса к импульсу напряжения электрической мощности питания клистрона 25 между первым значением, подаваемым на клистрон 25 одновременно с первым импульсом входной высокочастотной мощности, и вторым значением, подаваемым на клистрон 25 одновременно со вторым импульсом входной высокочастотной мощности. Далее, первые и вторые импульсы выходной высокочастотной мощности клистрона 25 последовательно передаются, через ферритовое развязывающее устройство 26, волновод 24, вакуумное окно 23 и волновод 21, резонаторам ускоряющей структуры 10 в виде пар близко расположенных во времени импульсов, возбуждая в структуре 10 ускоряющее поле. Малая задержка во времени между указанными импульсами (T1 на фиг. 4) может составлять, например, 500 мкс.Thus, unlike the prototype, in the present invention, the input high-frequency power supplied to the
Одновременно с описанными операциями, при приеме сигналов энергии и запуска в ускорителе частиц 1, электронная пушка 7 формирует первый и второй пучки электронов и инжектирует их в резонаторы. Указанные первый и второй пучки электронов имеют отличающиеся уровни тока, которые задаются амплитудами первого и второго импульсов электрической мощности питания управляющего электрода, подаваемыми от источника электрической мощности 31. Инжектированные пучки электронов последовательно ускоряются до первой энергии и второй энергии, отличной от первой энергии, основанных, по меньшей мере, частично на первом и втором импульсах выходной высокочастотной мощности клистрона 25.Simultaneously with the described operations, when receiving energy signals and triggering in the
Более подробно, пучок электронов, проходя через ускоряющую структуру 10, взаимодействует с созданным в ней ускоряющим полем, формируется в сгустки, фокусируется и ускоряется до энергии, величина которой определяется уровнем ускоряющего поля. Уровень ускоряющего поля определяется импульсами подаваемой в ускоритель 1 выходной высокочастотной мощности клистрона 25, регулируемой за счет переключения напряжения электрической мощности питания клистрона, как описано выше. Первый импульс выходной высокочастотной мощности клистрона 25 совмещен по времени с первым импульсом тока пучка электронов электронной пушки 7, а второй импульс выходной высокочастотной мощности клистрона 25 совмещен со вторым импульсом тока пучка электронов электронной пушки 7.In more detail, the electron beam passing through the accelerating structure 10 interacts with the accelerating field created in it, forms into bunches, focuses and accelerates to an energy whose value is determined by the level of the accelerating field. The level of the accelerating field is determined by the pulses supplied to the
Модуляцию скорости непрерывного электронного потока от электронной пушки осуществляют в первой ячейке ускоряющей структуры 10, 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 выбирают из условия обеспечения максимальной амплитуды первой гармоники тока пучка в центре зазора второй ячейки: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 10, in the second cell the stream partially clustered into clusters is subjected to acceleration, focusing and further grouping, while the high-frequency voltage U g (level of the accelerating field) in the gap of the first cell is selected from the condition ensuring the maximum amplitude of the first harmonic of the beam current in the center of the gap of the second cell:
где U0 - напряжение электрической мощности питания клистрона и катода электронной пушки и n=1, 2, 3, …where U 0 is the voltage of the electric power supply of the klystron and the cathode of the electron gun and n = 1, 2, 3, ...
Уровень ускоряющего поля третьей ячейки равен уровню поля последующих ячеек. При этом как на низком, так и на высоком уровне энергии ускоритель частиц 1 работает на одной и той же частоте, регулировку которой осуществляет контроллер частоты, посредством управления частотой сигнала входной высокочастотной мощности от возбудителя 27, как описано выше.The level of the accelerating field of the third cell is equal to the field level of subsequent cells. At the same time, both at a low and a high energy level, the
Ускоренные первые и вторые пучки электронов последовательно сталкиваются с тормозной мишенью 12, установленной на электронопроводе 13, в результате чего происходит генерация импульсов тормозного излучения 14, имеющих первую и вторую различные энергии и первую и вторую соответствующие мощности дозы.Accelerated first and second electron beams sequentially collide with the
Выбор первой и второй электрических мощностей питания управляющего электрода 9 и соответственно тока электронной пушки 7 обеспечивает по существу равные значения мощности дозы тормозного излучения для обеих энергий ускоренного пучка электронов, как показано на фиг. 4.The selection of the first and second electric power supply of the
Выбор первого и второго значений напряжения электрической мощности (U0) питания клистрона 25 и катода 8 электронной пушки 7 осуществляют таким образом, что при заданных энергиях излучения рабочая точка клистрона 25 находится в области максимума амплитудной характеристики для обоих значений энергии ускоренного пучка электронов, например, как изображено на фиг. 2. Напряжение на зазоре первой ускоряющей ячейки Ug дополнительно выбирают таким образом, что отношение U0/Ug остается по существу постоянным.The selection of the first and second values of the voltage of the electric power (U 0 ) of the power supply of the
Таким образом, при осуществлении способа генерации тормозного излучения согласно изобретению в предложенном источнике излучения обеспечивается поимпульсное переключение энергии ускоренных электронов и мощности дозы тормозного излучения, причем для обоих значений энергии обеспечивается оптимальный режим работы клистрона и выполнение условий оптимального группирования частиц первой ускоряющей ячейкой ускорителя.Thus, when implementing the method of generating bremsstrahlung according to the invention, the proposed radiation source provides pulse-by-pulse switching of the energy of accelerated electrons and the dose rate of bremsstrahlung, moreover, for both energy values, the optimal operation mode of the klystron and the fulfillment of the conditions for the optimal grouping of particles by the first accelerating cell of the accelerator are ensured.
Необходимо понимать, что описанные выше для примера варианты осуществления изобретения, хотя и являются предпочтительными, не ограничивают объем изобретения. После ознакомления с настоящим описанием специалисты в данной области техники могут предложить множество изменений и дополнений к описанным вариантам осуществления, все из которых попадают в объем патентной защиты изобретения, определяемый нижеследующей формулой изобретения.You must understand that the above-described examples of embodiments of the invention, although they are preferred, do not limit the scope of the invention. After reviewing the present description, those skilled in the art can propose many changes and additions to the described embodiments, all of which fall within the scope of patent protection of the invention defined by the following claims.
Claims (48)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015141366A RU2610712C9 (en) | 2015-09-30 | 2015-09-30 | Method for generation of deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for implementation thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015141366A RU2610712C9 (en) | 2015-09-30 | 2015-09-30 | Method for generation of deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for implementation thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2610712C1 true RU2610712C1 (en) | 2017-02-15 |
RU2610712C9 RU2610712C9 (en) | 2017-04-27 |
Family
ID=58458701
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015141366A RU2610712C9 (en) | 2015-09-30 | 2015-09-30 | Method for generation of deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for implementation thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2610712C9 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2004030162A2 (en) * | 2002-09-27 | 2004-04-08 | Scantech Holdings, Llc | System for alternately pulsing energy of accelerated electrons bombarding a conversion target |
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 |
US20100038563A1 (en) * | 2008-08-12 | 2010-02-18 | Varian Medicals Systems, Inc. | Interlaced multi-energy radiation sources |
RU2452143C2 (en) * | 2010-07-05 | 2012-05-27 | Демидова Елена Викторовна | Method of generating deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for realising said method |
-
2015
- 2015-09-30 RU RU2015141366A patent/RU2610712C9/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2004030162A2 (en) * | 2002-09-27 | 2004-04-08 | Scantech Holdings, Llc | System for alternately pulsing energy of accelerated electrons bombarding a conversion target |
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 |
US20100038563A1 (en) * | 2008-08-12 | 2010-02-18 | Varian Medicals Systems, Inc. | Interlaced multi-energy radiation sources |
RU2452143C2 (en) * | 2010-07-05 | 2012-05-27 | Демидова Елена Викторовна | Method of generating deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for realising said method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2610712C9 (en) | 2017-04-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108781501B (en) | Hybrid standing/traveling wave linear accelerator for providing accelerated charged particles or radiation beams | |
US9031200B2 (en) | Interleaving multi-energy x-ray energy operation of a standing wave linear accelerator | |
EP2452545B1 (en) | Interleaving multi-energy x-ray energy operation of a standing wave linear accelerator using electronic switches | |
Clark et al. | Magnetically insulated transmission line oscillator | |
EP2529603B1 (en) | Magnetron powered linear accelerator for interleaved multi-energy operation | |
US20120081041A1 (en) | Traveling wave linear accelerator based x-ray source using pulse width to modulate pulse-to-pulse dosage | |
US20120126727A1 (en) | Sub-Nanosecond Beam Pulse Radio Frequency Quadrupole (RFQ) Linear Accelerator System | |
RU2452143C2 (en) | Method of generating deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for realising said method | |
US4888776A (en) | Ribbon beam free electron laser | |
JPH03500221A (en) | Improved plasma wave tube | |
WO2022155315A1 (en) | Flash radiotherapy accelerator system | |
Chen | Excitation of large amplitude plasma waves | |
RU2610712C9 (en) | Method for generation of deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for implementation thereof | |
Thumm | Present developments and status of electron sources for high power gyrotron tubes and free electron masers | |
Abramovich et al. | Lasing and radiation-mode dynamics in a Van de Graaff accelerator–free-electron laser with an internal cavity | |
US4721891A (en) | Axial flow plasma shutter | |
Pasour et al. | Plasma wakefield klystron | |
US4412150A (en) | Maser | |
Belugin et al. | Self-shielded electron linear accelerators designed for radiation technologies | |
Antonov et al. | Features of behavior of electrons of plasma in open trap in condition of transverse input of powerful microwave pulses at ECR | |
Zherlitsyn et al. | Experimental study of the plasma effect on the generation of microwave radiation in systems with a virtual cathode | |
Chernousov et al. | New experimental results on RF accelerator with parallel-coupled structure and RF controlled gun | |
Nallasamy | Design Optimization and Experimental Evaluation of S-Band MILO for Performance Improvement | |
Schmitz et al. | First tests at injector for the S-Band test facility at DESY | |
Faillon et al. | Very long pulse high power klystrons for FEL and their generating conditions |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TH4A | Reissue of patent specification |