RU2793307C2 - Device for operational regulation of communication of cyclotron resonant system with high-frequency power supply system - Google Patents

Device for operational regulation of communication of cyclotron resonant system with high-frequency power supply system Download PDF

Info

Publication number
RU2793307C2
RU2793307C2 RU2022107787A RU2022107787A RU2793307C2 RU 2793307 C2 RU2793307 C2 RU 2793307C2 RU 2022107787 A RU2022107787 A RU 2022107787A RU 2022107787 A RU2022107787 A RU 2022107787A RU 2793307 C2 RU2793307 C2 RU 2793307C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency power
power supply
cyclotron
loop
supply system
Prior art date
Application number
RU2022107787A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2022107787A (en
Inventor
Виктор Галикович Мудролюбов
Кирилл Евгеньевич Смирнов
Original Assignee
Акционерное Общество "Наука И Инновации"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное Общество "Наука И Инновации" filed Critical Акционерное Общество "Наука И Инновации"
Publication of RU2022107787A publication Critical patent/RU2022107787A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2793307C2 publication Critical patent/RU2793307C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: accelerator technology.
SUBSTANCE: devices for inductive excitation of resonant systems of cyclotrons. The device contains a communication loop and a U-shaped copper plate. The communication loop is located between the side parts of the U-shaped plate and is oriented parallel to its side parts and is fully placed inside the vacuum chamber of the cyclotron, with one end fixed on the central conductor of the coaxial line connector of the high-frequency power supply system, and with the other end on its outer conductor. The device provides the ability to control the input resistance of the cyclotron resonant system by reducing the effective area of the communication loop by shielding part of the loop with a U-shaped plate. The effective area of the loop is regulated by moving the U-shaped plate relative to the loop along the axis of the coaxial line of the high-frequency power supply system.
EFFECT: increased efficiency of regulation of the connection of the cyclotron resonant system with the high-frequency power supply system and the simplification of the cyclotron operation.
1 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое техническое решение относится к области ускорительной техники, в частности к устройствам индуктивного возбуждения резонансных систем циклотронов, и позволит сократить время настройки циклотрона, повысить удобство его обслуживания и снизить эксплуатационные расходы.The proposed technical solution relates to the field of accelerator technology, in particular to devices for inductive excitation of resonant systems of cyclotrons, and will reduce the time for setting up the cyclotron, increase the convenience of its maintenance and reduce operating costs.

Известен циклотрон с энергией ионов водорода 12 МэВ (Патент на полезную модель RU 142220, заявл. 10.12.2013, опубл. 20.06.14, МПК: Н05Н 7/00). Резонансная система известного циклотрона состоит из двух коаксиальных четвертьволновых резонаторов и полностью размещена внутри вакуумной камеры циклотрона в неподвижной части магнита. Известное устройство позволяет обеспечить снижение радиационной нагрузки на обслуживающий персонал, и уменьшить эксплуатационные расходы в процессе эксплуатации циклотрона за счет совершенствования конструкции электромагнита, однако не позволяет обеспечить согласование входного сопротивления резонансной системы с волновым сопротивлением коаксиальной линии системы высокочастотного питания без нарушения вакуума, что усложняет эксплуатацию циклотрона.A cyclotron with an energy of hydrogen ions of 12 MeV is known (Utility Model Patent RU 142220, Appl. 10.12.2013, publ. 20.06.14, IPC: H05N 7/00). The resonant system of the known cyclotron consists of two coaxial quarter-wave resonators and is completely placed inside the vacuum chamber of the cyclotron in the stationary part of the magnet. The known device makes it possible to reduce the radiation load on the operating personnel and reduce operating costs during the operation of the cyclotron by improving the design of the electromagnet, however, it does not allow matching the input impedance of the resonant system with the wave impedance of the coaxial line of the high-frequency power supply system without breaking the vacuum, which complicates the operation of the cyclotron .

В СВЧ технике часто используется петлевая связь резонатора с коаксиальной линией (Alexander Gamp «Веаш Cavity Interaction I, II - CERN CAS «RF for Accelerators» Accelerator School, Ebeltoft, June 10th, 2010).In microwave technology, a loop connection of the resonator with a coaxial line is often used (Alexander Gamp "Beam Cavity Interaction I, II - CERN CAS "RF for Accelerators" Accelerator School, Ebeltoft, June 10th, 2010).

Известно также использование петлевой связи резонансной системы с коаксиальной линией системы высокочастотного питания циклотрона (Описание изобретения к авторскому свидетельству №195507, заявл. 14.05.1966, опубл. 04.05.1967, МПК: Н01Р). Известное устройство позволяет регулировать связь резонансной системы с системой высокочастотного питания. Для этого в разрыв одной из сторон петли впаяна П-образная металлическая пластина. Регулирование связи, в случае использования известного устройства, может быть получено путем подбора и замены размеров П-образной пластины, которая припаивается в разрыв одной из сторон петли. Изменение высоты и ширины пластины приводит к изменению площади петли и соответствующему изменению входного сопротивления резонансной системы. Таким способом можно регулировать и обеспечить согласование параметров резонансной системы с волновым сопротивлением коаксиальной линии системы высокочастотного питания, в том числе и при изменении рабочей частоты. При использовании такого устройства, также как и в случае использования устройства, рассмотренного выше, в случае необходимости изменения входного сопротивления резонансной системы требуется нарушение вакуума.It is also known to use a loop connection of the resonant system with the coaxial line of the high-frequency power supply system of the cyclotron (Description of the invention to the author's certificate No. 195507, declared 05/14/1966, publ. 05/04/1967, IPC: H01P). The known device allows you to adjust the connection of the resonant system with the high-frequency power supply. To do this, a U-shaped metal plate is soldered into the gap of one of the sides of the loop. Communication regulation, in the case of using a known device, can be obtained by selecting and replacing the dimensions of the U-shaped plate, which is soldered into the gap of one of the sides of the loop. Changing the height and width of the plate leads to a change in the area of the loop and a corresponding change in the input impedance of the resonant system. In this way, it is possible to regulate and ensure the coordination of the parameters of the resonant system with the wave impedance of the coaxial line of the high-frequency power system, including when the operating frequency changes. When using such a device, as well as in the case of using the device discussed above, if it is necessary to change the input resistance of the resonant system, a violation of the vacuum is required.

В различных режимах работы циклотрона мощность ускоряемого пучка может существенно изменяться, что приводит к изменению входного сопротивления резонансной системы и нарушению условий его согласования с волновым сопротивлением коаксиальной линии системы высокочастотного питания. При этом часть мощности, поступающей в резонансную систему, отражается, и уровень отраженной мощности может оказаться опасным для ВЧ-генератора.In various operating modes of the cyclotron, the power of the accelerated beam can change significantly, which leads to a change in the input impedance of the resonant system and a violation of the conditions for its matching with the wave impedance of the coaxial line of the high-frequency power supply system. In this case, part of the power entering the resonant system is reflected, and the level of reflected power can be dangerous for the RF generator.

Для уменьшения величины отраженной мощности входное сопротивление резонансной системы необходимо регулировать оперативно, в соответствии с изменением мощности ускоряемого пучка.To reduce the value of the reflected power, the input impedance of the resonant system must be adjusted promptly, in accordance with the change in the power of the accelerated beam.

Способы регулирования, используемые в известных аналогах, не позволяют обеспечить оперативное регулирование связи резонансной системы циклотрона с системой высокочастотного питания, поскольку регулирование осуществляется при атмосферном давлении с последующими затратами времени на получение рабочего давления.The control methods used in known analogues do not allow for operational control of the connection of the resonant system of the cyclotron with the high-frequency power supply system, since the control is carried out at atmospheric pressure, followed by time spent to obtain the operating pressure.

Задачей создания предлагаемого технического решения является упрощение эксплуатации циклотрона за счет обеспечения возможности дистанционного регулирования входного сопротивления резонансной системы.The task of creating the proposed technical solution is to simplify the operation of the cyclotron by providing the possibility of remote control of the input resistance of the resonant system.

Технический результат полезной модели изобретения заключается в повышении эффективности регулирования связи резонансной системы циклотрона с системой высокочастотного питания.The technical result of the utility model of the invention is to increase the efficiency of regulating the connection of the resonant system of the cyclotron with the high-frequency power supply system.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве оперативного регулирования связи резонансной системы циклотрона с системой высокочастотного питания, содержащем петлю связи и П-образную медную пластину, петля связи полностью размещена внутри вакуумной камеры циклотрона, одним концом закреплена на центральном проводнике коннектора коаксиальной линии системы высокочастотного питания, а вторым - на его внешнем проводнике, и расположена между боковыми частями П-образной пластины, а также ориентирована параллельно боковым частям П-образной пластины, которые выполнены полностью перекрывающими поверхность петли связи, при этом П-образная пластина установлена с возможностью бесконтактного перемещения относительно петли связи вдоль оси коаксиальной линии системы высокочастотного питания.The problem is solved due to the fact that in the device for operational control of the connection of the resonant system of the cyclotron with the high-frequency power supply system, containing a communication loop and a U-shaped copper plate, the communication loop is completely located inside the vacuum chamber of the cyclotron, with one end fixed to the central conductor of the connector of the coaxial line of the system high-frequency power supply, and the second - on its outer conductor, and is located between the side parts of the U-shaped plate, and is also oriented parallel to the side parts of the U-shaped plate, which are made completely overlapping the surface of the communication loop, while the U-shaped plate is installed with the possibility of non-contact displacement relative to the communication loop along the axis of the coaxial line of the high-frequency power system.

В большинстве современных циклотронов высокочастотное поле возбуждается высокочастотной мощностью, создаваемой системой высокочастотного питания, передаваемой через коаксиальную линию и поступающей в резонансную систему через коннектор, который устанавливается на закорачивающем фланце резонансной системы или на боковой стенке вблизи закорачивающего фланца. Параметром, характеризующим эффективность связи резонансной системы с системой высокочастотного питания, является коэффициент стоячей волны (КСВ).In most modern cyclotrons, the RF field is excited by RF power generated by the RF power system, transmitted through a coaxial line and fed into the resonant system through a connector that is mounted on the shorting flange of the resonant system or on the side wall near the shorting flange. The parameter characterizing the efficiency of the connection of the resonant system with the high-frequency power supply system is the standing wave ratio (SWR).

Figure 00000001
Figure 00000001

где Рпад - мощность, поступающая в резонансную систему,where P pad is the power supplied to the resonant system,

Ротр - отраженная мощность.P neg - reflected power.

При идеальном согласовании КСВ=1, Ротр=0, а входное сопротивление резонансной системы R8X равно волновому сопротивлению коаксиальной линии системы высокочастотного питания.With perfect matching, SWR = 1, P neg = 0, and the input impedance of the resonant system R 8X is equal to the wave impedance of the coaxial line of the high-frequency power supply system.

Figure 00000002
Figure 00000002

где Ucв - напряжение на петле связи,where U cv - voltage on the communication loop,

Ррез - мощность активных потерь в резонансной системе, необходимая для возбуждения высокочастотного поля с заданной амплитудой напряжения на ускоряющих зазорах, Рres is the power of active losses in the resonant system, necessary to excite a high-frequency field with a given voltage amplitude at the accelerating gaps,

Рпучка - мощность ускоряемого пучка,P beam is the power of the accelerated beam,

Рпад - мощность, поступающая в резонансную систему, R pad - power supplied to the resonant system,

ρ - волновое сопротивление коаксиальной линии системы высокочастотного питания.ρ - wave impedance of the coaxial line of the high-frequency power supply system.

При изменении мощности ускоряемого пучка входное сопротивление резонансной системы изменяется, что приведет к увеличению отраженной мощности.When the power of the accelerated beam changes, the input impedance of the resonant system changes, which will lead to an increase in the reflected power.

Уменьшение величины отраженной мощности в предлагаемом техническом решении обеспечивается регулированием входного сопротивления резонансной системы в соответствии с изменением мощности ускоряемого пучка путем соответствующего изменения напряжения на петле связи за счет регулирования эффективной площади петли связи и фиксации ее конкретного значения.The decrease in the value of the reflected power in the proposed technical solution is provided by adjusting the input impedance of the resonant system in accordance with the change in the power of the accelerated beam by changing the voltage on the communication loop by adjusting the effective area of the communication loop and fixing its specific value.

Петля связи одним концом закреплена на центральном проводнике коннектора, а вторым на его внешнем проводнике, и полностью находится в объеме резонатора. Петля связи ориентирована так, что ее плоскость перпендикулярна силовым линиям высокочастотного магнитного поля, а площадь петли связи рассчитывается из условия получения напряжения Uсв, удовлетворяющего выражению (2) при максимальной мощности ускоряемого пучка. Полученное значение площади петли проверяется и при необходимости корректируется в процессе наладки резонансной системы путем измерения коэффициента трансформации N, то есть отношения амплитуд напряжений на ускоряющих зазорах резонансной системы и петле связи Uсв.The communication loop is fixed at one end on the central conductor of the connector, and at its other end on its outer conductor, and is completely located in the volume of the resonator. The communication loop is oriented so that its plane is perpendicular to the lines of force of the high-frequency magnetic field, and the area of the communication loop is calculated from the condition for obtaining a voltage U St that satisfies expression (2) at the maximum power of the accelerated beam. The obtained value of the loop area is checked and, if necessary, corrected in the process of adjusting the resonant system by measuring the transformation ratio N, that is, the ratio of the voltage amplitudes at the accelerating gaps of the resonant system and the communication loop U St.

Для изменения эффективной площади петли при уменьшении мощности ускоряемого пучка устройство содержит П-образную медную пластину, установленную таким образом, чтобы петля связи располагалась между боковыми частями пластины, параллельно ее боковым частям.To change the effective area of the loop with a decrease in the power of the accelerated beam, the device contains a U-shaped copper plate installed in such a way that the coupling loop is located between the side parts of the plate, parallel to its side parts.

Боковые части П-образной пластины выполнены полностью перекрывающими поверхность петли связи для обеспечения возможности регулирования во всем диапазоне при любых значениях мощности ускоряемого пучка.The side parts of the U-shaped plate are made completely overlapping the surface of the communication loop to provide the possibility of regulation over the entire range at any power of the accelerated beam.

П-образная медная пластина оснащена механизмом, обеспечивающим ее бесконтактное относительно петли связи перемещение вдоль оси коаксиальной линии системы высокочастотного питания. При максимальной мощности ускоряемого пучка П-образная пластина находится в нейтральном положении (петля полностью открыта). При уменьшении мощности ускоряемого пучка П-образная пластина перемещается в положение, при котором боковые части пластины экранируют петлю связи, уменьшая ее эффективную площадь и, следовательно, магнитный поток резонансной системы, пронизывающий петлю связи. Фиксация правильного положения П-образной пластины осуществляется при значении КСВ 1. Измерения КСВ осуществляются с помощью рефлектометра, входящего в состав системы высокочастотного питания.The U-shaped copper plate is equipped with a mechanism that ensures its non-contact movement relative to the communication loop along the axis of the coaxial line of the high-frequency power supply system. At the maximum power of the accelerated beam, the U-shaped plate is in the neutral position (the loop is fully open). As the power of the accelerated beam decreases, the U-shaped plate moves to a position in which the side parts of the plate shield the communication loop, reducing its effective area and, consequently, the magnetic flux of the resonant system penetrating the communication loop. Fixing the correct position of the U-shaped plate is carried out at an SWR value of 1. SWR measurements are carried out using a reflectometer, which is part of the high-frequency power supply system.

Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами:The present invention is illustrated by graphic materials:

Фиг. 1 - Устройство оперативного регулирования связи резонансной системы циклотрона с системой высокочастотного питания, в котором П-образная медная пластина установлена в нейтральном положении (петля полностью открыта);Fig. 1 - Device for operational control of the connection of the resonant system of the cyclotron with the high-frequency power supply system, in which the U-shaped copper plate is installed in the neutral position (the loop is fully open);

Фиг. 2 - Устройство оперативного регулирования связи резонансной системы циклотрона с системой высокочастотного питания, в котором П-образная медная пластина частично экранирует петлю связи.Fig. 2 - Device for operational control of the connection of the resonant system of the cyclotron with the high-frequency power supply system, in which the U-shaped copper plate partially shields the communication loop.

Устройство оперативного регулирования связи резонансной системы циклотрона с системой высокочастотного питания содержит коннектор коаксиальной линии системы высокочастотного питания 1, установленный на закорачивающем фланце резонансной системы 2, вблизи дуантного штока 3, а также петлю связи 4 и П-образную медную пластину 5.The device for operational control of the connection of the resonant system of the cyclotron with the high-frequency power supply system contains a connector of the coaxial line of the high-frequency power supply system 1, installed on the shorting flange of the resonant system 2, near the dee rod 3, as well as a communication loop 4 and a U-shaped copper plate 5.

Устройство оперативного регулирования связи резонансной системы циклотрона с системой высокочастотного питания было опробовано на экспериментальном макете циклотрона в импульсном режиме. Мощность активных потерь в резонансной системе составляла 12 кВт, мощность ускоряемого пучка 6 кВт. Площадь петли связи 4 составляла 4×5 см2 и была рассчитана на получение КСВ=1 при ВЧ - мощности, поступающей в резонансную систему 18 кВт. При отсутствии пучка КСВ=2. П-образная медная пластина 5 была выполнена с боковыми частями размером 5×5 см2.The device for operational control of the connection between the resonant system of the cyclotron and the high-frequency power supply system was tested on an experimental model of the cyclotron in a pulsed mode. The power of active losses in the resonant system was 12 kW, the power of the accelerated beam was 6 kW. The area of the communication loop 4 was 4×5 cm 2 and was designed to obtain SWR=1 at RF power supplied to the resonant system of 18 kW. In the absence of a beam, SWR = 2. U-shaped copper plate 5 was made with side parts 5×5 cm 2 in size.

Регулирование входного сопротивления резонансной системы циклотрона осуществлялось уменьшением эффективной площади петли связи 4 за счет экранирования части петли связи 4 с помощью П-образной пластины 5. П-образную пластину 5 перемещали относительно петли связи 4 вдоль оси коаксиальной линии системы высокочастотного питания 1 с использованием электромеханического привода. В результате эффективная площадь петли связи была уменьшена до значения 4×4 см2, при этом измеренное значение КСВ=1,03, что соответствует безопасной величине отраженной мощности (Ротр менее 200 Вт).The input resistance of the resonant system of the cyclotron was controlled by reducing the effective area of the communication loop 4 by shielding part of the communication loop 4 using a U-shaped plate 5. The U-shaped plate 5 was moved relative to the communication loop 4 along the axis of the coaxial line of the high-frequency power supply system 1 using an electromechanical drive . As a result, the effective area of the communication loop was reduced to a value of 4×4 cm 2 , while the measured value of SWR=1.03, which corresponds to a safe value of the reflected power (P neg less than 200 W).

Claims (1)

Устройство оперативного регулирования связи резонансной системы циклотрона с системой высокочастотного питания, содержащее петлю связи и П-образную медную пластину, отличающееся тем, что петля связи полностью размещена внутри вакуумной камеры циклотрона, одним концом закреплена на центральном проводнике коннектора коаксиальной линии системы высокочастотного питания, а вторым - на его внешнем проводнике, и расположена между боковыми частями П-образной пластины, а также ориентирована параллельно боковым частям П-образной пластины, которые выполнены полностью перекрывающими поверхность петли связи, при этом П-образная пластина установлена с возможностью бесконтактного перемещения относительно петли связи вдоль оси коаксиальной линии системы высокочастотного питания.A device for operational control of the connection of the resonant system of the cyclotron with the high-frequency power supply system, containing a communication loop and a U-shaped copper plate, characterized in that the communication loop is completely located inside the vacuum chamber of the cyclotron, with one end fixed to the central conductor of the connector of the coaxial line of the high-frequency power supply system, and the other - on its outer conductor, and is located between the side parts of the U-shaped plate, and is also oriented parallel to the side parts of the U-shaped plate, which are made completely overlapping the surface of the communication loop, while the U-shaped plate is installed with the possibility of non-contact movement relative to the communication loop along axis of the coaxial line of the high-frequency power system.
RU2022107787A 2021-09-17 Device for operational regulation of communication of cyclotron resonant system with high-frequency power supply system RU2793307C2 (en)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2022107787A RU2022107787A (en) 2023-03-17
RU2793307C2 true RU2793307C2 (en) 2023-03-31

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU195507A1 (en) * Н. Г. Касумова , Л. М. Борисов DEVICE OF COMMUNICATION OF A RESONATOR WITH A COAXIAL LINE
EP0265797A2 (en) * 1986-10-29 1988-05-04 Siemens Aktiengesellschaft Synchrotron
WO2009036410A1 (en) * 2007-09-14 2009-03-19 Services Petroliers Schlumberger Particle acceleration devices and methods thereof
RU142220U1 (en) * 2013-12-10 2014-06-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" CYCLOTRON WITH ENERGY OF HYDROGEN IONS 12 MEV
RU2749453C1 (en) * 2020-11-12 2021-06-11 Акционерное общество "Плутон" Broadband klystron

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU195507A1 (en) * Н. Г. Касумова , Л. М. Борисов DEVICE OF COMMUNICATION OF A RESONATOR WITH A COAXIAL LINE
EP0265797A2 (en) * 1986-10-29 1988-05-04 Siemens Aktiengesellschaft Synchrotron
WO2009036410A1 (en) * 2007-09-14 2009-03-19 Services Petroliers Schlumberger Particle acceleration devices and methods thereof
US8610352B2 (en) * 2007-09-14 2013-12-17 Schlumberger Technology Corporation Particle acceleration devices and methods thereof
RU142220U1 (en) * 2013-12-10 2014-06-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" CYCLOTRON WITH ENERGY OF HYDROGEN IONS 12 MEV
RU2749453C1 (en) * 2020-11-12 2021-06-11 Акционерное общество "Плутон" Broadband klystron

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100638716B1 (en) Plasma Processor And Plasma Processing Method
Rumolo Beam instabilities
Fazio et al. A 500 MW, 1/spl mu/s pulse length, high current relativistic klystron
Ling et al. A Ku-band coaxial relativistic transit-time oscillator with low guiding magnetic field
RU2793307C2 (en) Device for operational regulation of communication of cyclotron resonant system with high-frequency power supply system
Deng et al. Preliminary research of a V-band coaxial relativistic transit-time oscillator with traveling wave output structure
Tax et al. Experimental study of the start-up scenario of a 1.5-MW, 110-GHz gyrotron
CN107946156A (en) Electronic collector of coaxial transit time oscillator capable of working in long pulse state
Xiao Design and simulation of a C-band SLED with mode converter
Sayapin et al. Transient operation of the relativistic S-band magnetron with radial output
Gammino et al. Tests of the Versatile Ion Source (VIS) for high power proton beam production
Chen et al. Preliminary design of RF system for SC200 superconducting cyclotron
Wu et al. A long pulse relativistic klystron amplifier driven by low RF power
Luybutin et al. Nanosecond hybrid modulator for the fast-repetitive driving of X-band, gigawatt-power microwave source
Surducan et al. Microwave generator for scientific and medical applications
Teng et al. Theoretical research on properties of spatial harmonics in corrugated waveguide
Proyavin et al. Highly efficient technological gyrotron system with magnetically shielded solenoid
RU118154U1 (en) LINEAR RESONANCE ELECTRON ACCELERATOR
Popovic et al. Impedance Analysis of New PS Internal Dump Design
RU118152U1 (en) LINEAR RESONANCE ELECTRON ACCELERATOR
Maimone et al. Status of the versatile ion source VIS
Sayapin et al. Numerical simulation of the magnetron operation with resonance load
Popovic et al. JACoW: Impedance Analysis of New PS Internal Dump Design
Pasour et al. Plasma wakefield klystron
Nezhevenko et al. 34 GHz, 45 MW pulsed magnicon: first results