SU1081817A1

SU1081817A1 - Accelerating system

Info

Publication number: SU1081817A1
Application number: SU823512492A
Authority: SU
Inventors: Александр Николаевич Филатов; Владимир Кузьмич Шилов
Original assignee: Московский Ордена Трудового Красного Знамени Инженерно-Физический Институт
Priority date: 1982-11-19
Filing date: 1982-11-19
Publication date: 1984-03-23

Abstract

УСКОРЯЮЩАЯ- СИСТЕМА ускорител со сто чей волной, состо ща из набора ускор ющих чеек св зи, расположенных через одну друг за дру CiCpW3H«j 13 «Аш,шТ :ХЧЙЧЙ|:кдЯ «ЯБЛЙПТЕК гом и имеющих щели св зи в общих стенках, причем на концах системы помещены ускор ющие чейки, и, кроме того, к одной из ускор ющих чеек подведен волновод, отличающ а с тем, что, с целью расширени диапазона регулировани энергии ускор емых частиц на выходе установки и уменьшени ее габаритрв, перва чейка св зи выполнена в виде закороченного с двух сторон подй:ижными дроссельными поршн ми пр моугольного волновода и имеет с первой ускор ющей чейкой общую щель св зи, расположенную в широкой центре стен§ ки волновода поперек его продольного направлени вблизи боковой стен (Л ки этой ускор ющей чейки, а с второй ускор ющей Ячейкой - две щели с: св зи в широкой стенке волновода, расположейные симметрично относи|Тельно оси симметрии ускор ющей чейки вдоль направлени волновода вблизи его узких стенок.ACCELERATING - A standing-wave accelerator system consisting of a set of accelerating communication cells located one behind the other CiCpW3H "j 13" Ash, WT: HYHYY |: KDYA YABLIPTEK and having communication gaps in common walls, moreover, accelerating cells are placed at the ends of the system, and, in addition, a waveguide is connected to one of the accelerating cells, which differs in that, in order to expand the range of energy regulation of the accelerated particles at the output of the installation and reduce its dimensions, the first zi made in the form of a shorted from two sides go: izhny and throttle pistons of a rectangular waveguide and has, with the first accelerating cell, a common communication gap located in the wide center of the wall of the waveguide transversely to its longitudinal direction near the side wall (L of this accelerating cell, and with the second accelerating cell - two slits c: connections in the wide wall of the waveguide, symmetrically relative to the axis of symmetry of the accelerating cell along the direction of the waveguide near its narrow walls.

Description

Изобретение относитс к ускорительной технике, а точнее к устройству ускор ющих систем ускорителей со сто чей волной, предназначенных дл научных исследований и наход щих применение в различных о;бласт х народного хоз йства, где требуютс экономичные и простые в эксплуатации мощные источники ионизирующих излу чений, например дефектоскопи толстостенных металлических изделий, радиационна терапи злокачественных опухолей, радиационна хими и т.д.The invention relates to accelerator technology, and more specifically to the device of accelerating systems with accelerating waves with a wave designed for scientific research and used in various fields of national economy, where cost-effective and easy-to-use powerful sources of ionizing radiation are required, for example, defectoscopy of thick-walled metal products, radiation therapy for malignant tumors, radiation chemistry, etc.

Известны ускорители со сто чей волной на небольшую энергию, в которых производитс регулировка выходной энергии ускор емых частиц, что существенно расшир ет диапазон применени таких установок, за счет варьировани величины мощности, поступающей в ускор ющие резонаторные секции l j .Accelerators with a low energy wave are known, in which the output energy of the accelerated particles is adjusted, which significantly expands the range of application of such facilities by varying the amount of power supplied to the accelerating resonator sections l j.

Однако в таких установках, выполненных по одно- или двухсекционной схеме, диапазон регулировки энергии составл ет всего (1коло 35% от номинального значени . Это св зано с тем, что при сильном изменении величин ускор ющих полей в группирователе одновременно с ускор ющими секци ми нарушаетс динамика пучка электронов и он выпадает из процесса ускорени . Кроме того, в режимах, отличных от номинального, существенно ухудшаютс выходные спектральные характеристики ускорителей.However, in such installations, made according to a single or two-section scheme, the energy adjustment range is only (about 35% of the nominal value. This is due to the fact that when the values of the accelerating fields change dramatically, the buncher simultaneously with the accelerating sections breaks the dynamics of the electron beam and it drops out of the acceleration process.In addition, in modes other than the nominal one, the output spectral characteristics of the accelerators are significantly impaired.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности вл етс ускор юща система, состо ща из набора ускор ющих чеек и чеек св зи,расположенных через одну друг за другом и имеющих щели св зи в общих стенках , причем на концах системы помещены ускор ющие чейки, и, кроме того, к одной из ускор ющих чеек подведен волновод 2j .Closest to the invention to the technical essence is an accelerating system consisting of a set of accelerating cells and communication cells arranged one behind the other and having communication slots in common walls, with accelerating cells placed at the ends of the system, and In addition, waveguide 2j is connected to one of the accelerating cells.

i«i "

Недостатками известной системы вл ютс ее громоздкость и сложность ВЧ тракта, вызванна многосекционной структурной схемой ускор ющей системы, что вынуждает принимать дополнительные меры дл обеспечени стабильной работы ВЧ генератора (магнетрона) на высокодобротную резонаторную нагрузку. Кроме того, диапазон перестройки выходной энергии электронов оказываетс недостаточным дл эффективной эксплуатации таких установок, а именно, составл ет обычно (0,5-1) от номинального значени выходной энергии. Целью изобретени вл етс рас5 ширение диапазона регулировани энергии ускор емых частиц на выходе установки и уменьшение ее габаритов .The disadvantages of the known system are its cumbersomeness and complexity of the RF path, caused by the multisection structural scheme of the accelerating system, which forces to take additional measures to ensure stable operation of the RF generator (magnetron) for a high-Q resonator load. In addition, the tuning range of the output energy of the electrons is insufficient for the efficient operation of such facilities, namely, it is usually (0.5-1) of the nominal value of the output energy. The aim of the invention is to expand the range of regulation of the energy of accelerated particles at the exit of the installation and reduce its dimensions.

Указанна цель достигаетс тем, to что в ускор ющей системе ускорител со сто чей волной, состо щей из набора ускор ющих чеек и чеек св зи, расположенных через одну друг за другом и имеющих щели св зи в общих, 5 стенках, причем на концах системы помещены ускор ющие чейки, и, кроме того, к одной из ускор юЕцих чеек подведен волновод, перва чейка св зи выполнена в виде закорочен0 ного с двух сторон подвижными дроссельными поршн ми пр моугольного волновода и имеет с первой ускор ющей чейкой общую щель св зи, расположенную в центре широкой стенки вол5 новода поперек его продольного направлени вблизи боковой стенки этой ускор ющей чейки, а с второй ускор ющей чейкой - две щели св зи в широкой стенке волновода, располо0 женные, симметрично относительно оси симметрии ускор ющей чейки вдоль направлени волновода вблизи его узких стенок.This goal is achieved by the fact that in the accelerating system of an accelerator with a standing wave consisting of a set of accelerating cells and communication cells arranged one behind the other and having communication gaps in common, 5 walls Accelerating cells are placed, and, in addition, a waveguide is connected to one of the accelerated cells, the first cell is designed as a rectangular waveguide that is shorted from two sides by mobile throttle pistons and has a common gap with the first accelerating cell, centrally located shir The long wall of the waveguide across its longitudinal direction is close to the side wall of this accelerating cell, and with the second accelerating cell there are two communication slots in the wide wall of the waveguide, which are symmetrically relative to the axis of symmetry of the accelerating cell along the direction of the waveguide near its narrow walls.

На фиг. 1 изображена ускор юща система ускорител со сто чей волной выполненна на основе биопериодической замедл ющей системы (БЗС) с внутренними чейками св зи; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг.1; на 0 фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1.FIG. Figure 1 shows an accelerating system with a standing wave accelerator based on a bioperiodic retarding system (BZS) with internal communication cells; in fig. 2 is a section A-A in FIG. on 0 of fig. 3 is a section BB in FIG. one.

Система содержит ускор ющией чейки 1-4, чейки 5-8 св зи.Ячейка св зи 5 представл ет собой отрезок пр моугольного волновода, закорочен- 5 ный на концах двум подвижными дроссельными поршн ми 9 и 10. Мощность в ускор ющую секцию подводитс с помощью волновода 11. Ячейки св заны друг с другом посредством щелей 12 и 13 св зи.The system contains accelerating cells 1-4, communication cells 5-8. Communication cell 5 is a segment of a rectangular waveguide, shorted at the ends by two movable choke pistons 9 and 10. Power is supplied to the accelerating section using waveguide 11. The cells are connected to each other by means of connection slots 12 and 13.

Система работает следующим образом .The system works as follows.

Высокочастотна мощность проходит от ВЧ генератора через ВЧ тракт и с помощью подвод щего волновода 11 попадает в ускор ющую чейку 4. Вс ускор кнца система возбуждаетс на рабочей частоте в виде колебаний, при этом в ускор ющих чейках 1-4 присутствует электромагнитное поле, а в чейках 5-8 св зи оно практически равно нулю. Отношение величины ускор ющих элект рических полей на ос х двух соседних ускор ющих чеек 1 и 2, св занных с помощью щелей 12 и 13 св зи в торцовых стенках с одной чейкой св зи 5,оценивают по формуле . / ЕИ .„ 1 4 Здесь п - номер чейки, оСп ч - волновое сопротивле -1п/Дп ние щели, р„ М,. - число щелей в стенках между п и (п+1) чейками; GI,, PJJ- параллельна проводимость и последовательное сопротивление щели на единицу длины, ( rUO Ом; К - волновое число; Лц ширина щели; .t - толщина стенок щели; цЦ - длина щели вдоль средней линии, где Ц) - уго раствора щели, Отсюда следует, что если передви гать дроссельные поршни 9 и Ю в чейке 5 св зи таким образом, чтобы рабоча частота этой чейки не мен лась и соответствовала виду колебан Н д , то при этом происходит измене ние величины электрического пол на оси ускор ющей чейки 1 по отношени к другим ускор ющим чейкам. Это пр исходит потому, что распределение электромагнитного лол при возбужде нии чейки 5 св зи на рабочем виде колебаний , , а также форма и рас положение щелей 12 и 13 св зи, св з вающих ее с ускор ющими чейками 1 и 2 таковы, что передвижение дроссельных поршней 9 и 10 приводит к изменению величины магнитного пол в чейке 5 в районе щели 12 св зи, практически оставл без из feнeни величину магнитного поЛ -в районе щелей 13 св зи. Это св зано с тем, что длина щелей 12 и 13 св зи значительно превосходит их ширину и основной вклад в возбуждение соседних ускор ющих чеек внос т компоненты магнитного пол , направленные вдоль продольного размера щелей 12 и 13 св зи, при этом перемещение дроссельных поршней 9 и 10 приводит к изменению значений величин этих компонентов в районе щелей св зи по синусоидальному закону, с той разницей, что щели 13 св зи расположены в максимуме синусоиды, где градиент пол вдоль направлени перемещени минимален , а щель-12 св зи расположена на спадающейчасти синусоиды, где градиент пол максимален. При этом дисперсионное уравнение дл такой системы, состо щей из ускор ющих чеек и чеек св зи имеет вид -§ -§ св «. где К -К Fi+rb. 1л «iLlE-ьЗ- M -S Г J H2/dVj К - К Lf) Н1Лгщ Т1. 2 - ГЧ- t ... V .4., МР&ГН,. (п) Н|Лг«)Ч . -Ч t IIH, dV -волновое число; -частота; -скорость света; -собственные волновые числа соответственно ускор ющих и чеек св зи со щел ми св зи (щели не здкорочены) при условии, что в соседних чейках пол отс.утствуют ; К - коэффициент св зи между соседними чейками; (р - фазовый сдвиг на чейку; К., и Kj - собственные волновые числа ускор ющих и чеек св зи при закороченных щел х св зи; Н и Н - амплитуды собственньгх магнит ных полей чеек; г- рассто ние щели св зи от оси ускор ющей системы; - объемы ускор ющих и чеек св зи.The high-frequency power passes from the RF generator through the RF path and with the help of the inlet waveguide 11 enters the accelerating cell 4. At the accelerating voltage, the system is excited at the operating frequency in the form of oscillations, while in the accelerating cells 1-4 there is an electromagnetic field, and at 5-8 cells, it is practically zero. The ratio of the magnitude of the accelerating electric fields on the axes of two adjacent accelerating cells 1 and 2, connected with the aid of slots 12 and 13 in the bond in the end walls with one cell of communication 5, is estimated by the formula. / EI. „1 4 Here p is the number of the cell, oSp h is the characteristic impedance -1p / Dmini gap, p„ M ,. - the number of cracks in the walls between n and (n + 1) cells; GI ,, PJJ- parallel conductivity and series gap resistance per unit length, (rUO Ω; K is the wave number; Lz is the width of the gap; .t is the thickness of the walls of the gap; qC is the length of the gap along the centerline, where C) is the solution gap It follows that if the throttle pistons 9 and Yu are moved in the communication cell 5 in such a way that the working frequency of this cell does not change and corresponds to the form of oscillating H d, then the magnitude of the electric field on the axis of the accelerating cell changes. 1 with respect to other accelerating cells. This is because the distribution of the electromagnetic lol during the excitation of the communication cell 5 in the working mode of oscillations, as well as the shape and distance of the communication slots 12 and 13 connecting it with the accelerating cells 1 and 2 are such that Throttling pistons 9 and 10 lead to a change in the magnitude of the magnetic field in cell 5 in the region of the communication gap 12, leaving practically no magnetic field in the region of the communication slots 13. This is due to the fact that the length of the slits 12 and 13 of the communication significantly exceeds their width and the main contribution to the excitation of the adjacent accelerating cells is made by magnetic field components directed along the longitudinal size of the slits 12 and 13 of the communication, while the movement of the throttle pistons 9 and 10 leads to a change in the magnitudes of these components in the vicinity of the communication slots sinusoidally, with the difference that the communication slots 13 are located at the maximum of the sinusoid, where the field gradient along the direction of movement is minimal and the communication slot 12 dayuscheychasti sine wave where the field gradient is maximal. At the same time, the dispersion equation for such a system, consisting of accelerating cells and communication cells, has the form where K is KK Fi + rb. 1l “iLlE-3-M -S G J H2 / dVj K - K Lf) H1Lgsch T1. 2 - MS-t ... V .4., Mr & GN ,. (n) N | Lg “) H. -H t IIH, dV -wave number; -frequency; -the speed of light; - their own wave numbers, respectively, of the accelerating and communication cells with communication gaps (the gaps are not short), provided that there are no fields in the neighboring cells; K is the coupling coefficient between adjacent cells; (p is the phase shift per cell; K., and Kj are the eigenwave numbers of the accelerating and communication cells with shorted communication gaps; H and H are the amplitudes of the self magnetic fields of the cells; g is the distance of the communication gap from the axis accelerating system; - volumes of accelerating and communication cells.

Собственные волновые числа К, и К. однозначно определ ют собственные частоты чеек со щел ми св зи, которые равны рабочей частоте. орма и расположение щелей 13 св зи позвол ет сохранить примерно посто нной величины I Н dV. Перемещение дроссельных поршней 9 и 10 приводит к изменению величины Н| (%) но тем не менее величина К остаетс посто нной за счет неравномерного перемещени дроссельных поршней 9 и 10 дру друг относительно друга, что вызывает изменение величины Кд, оставл величину К неизменной. Собственна частота ускор ющей чейки 1, как и чейки 2, при перемещении поршней не мен етс , так как соотношение Н (ГУ )/JY Н dV остаетс посто н ным.. Таким образом, достигаетс посто нство величин К и К при изменении значени в результате изменени H|j (гц), что приводит к изменению величины ускор ющего электрического пол на оси чейки 1, причем значение напр женности пол регулируетс в широких пределах. Изменение величины пол в чейке 1 приводит к тому, что формирующиес в ней сгустки зар женных частиц в дальнейшем проход т центры следующих ускор ющих чеек 2-4 в фазах, отличных от фазы электрического пол , соответствующей максимальному набору энергии электронами на выходе установки . В результате величина кинетической энергии частиц на выходе установки зависит от значени ускор ющего пол в чейке 1 или, в конечном счете, от положени дроссельных поршней 9 и 10 в чейке 5. Дл определени величины выходной энергии электронов при варьировании величины электрического-пол в чейке 1 и дл оптимизации геометрических размеров чеек 1, 2 и 5 с целью получени наиболее приемлемых выходных характеристик ускорител во всем диапазоне регулировки использует/С программа, осуществл юща численное интегрирование уравнени движени электрона в ВЧ пол х БЗС с внутренними чейками св зиThe eigenwave numbers K, and K. uniquely determine the eigenfrequencies of the cells with communication gaps, which are equal to the operating frequency. The shape and location of the communication slots 13 allows one to keep approximately a constant value I H dV. Moving the throttle pistons 9 and 10 leads to a change in the value of H | (%) nevertheless, the value of K remains constant due to the uneven movement of the throttle pistons 9 and 10 relative to each other, which causes a change in the value of Kd, leaving the value of K unchanged. The eigenfrequency of the accelerating cell 1, like that of cell 2, does not change when the pistons move, since the ratio H (PG) / JY H dV remains constant. Thus, the values of K and K are reached when the value of as a result of a change in H | j (Hz), which leads to a change in the magnitude of the accelerating electric field on the axis of cell 1, and the value of the field strength is regulated within wide limits. The change in the magnitude of the field in cell 1 leads to the fact that bunches of charged particles forming in it further pass the centers of the following accelerating cells 2-4 in phases different from the phase of the electric field corresponding to the maximum energy set by the electrons at the output of the installation. As a result, the kinetic energy of the particles at the output of the installation depends on the value of the accelerating field in cell 1 or, ultimately, on the position of the throttle pistons 9 and 10 in cell 5. To determine the value of the electron output energy while varying the value of the electric field in cell 1 and to optimize the geometrical dimensions of the cells 1, 2 and 5 in order to obtain the most acceptable output characteristics of the accelerator in the entire range of adjustment uses the / C program that performs the numerical integration of the motion equation no electron in RF fields of BZS with internal communication cells

.(U,,ivl 5S. (U ,, ivl 5S

dt |Поdt | By

где е - зар д электрона; ; Шд- его масса поко ;where e is the electron charge; ; Shd is its rest mass;

t - врем ;t is time;

с - скорость света;c is the speed of light;

V - скорость электрона;V is the electron velocity;

ilo - абсолютна магнитна прони , , цаемость;ilo - absolute magnetic penetrability;

Е и Н - ВЧ пол , статические электрические и магнитные пол фокусирующие или создаваемые другими частицами пучка. ВЧ пол , взаимодействующие с ускор емыми электронами на всей длине ускор ющей системы, задавались в табличном виде. Их значени получены из расчетов собственных параметров отдельных чеек БЗС. Данна программа позвол ет в каждом конкретном случае определить геометрические размеры чеек БЗС, которые обеспечат требуемые выходные характеристики ускорител при сохранении оптимального энергетического спектра. Таким образом имеем простой , компактный и надежный механизм перестройки величины выходной энерги в ускорител х электронов со сто чей волной. При этом внутри ускор ющей системы электромагнитна энерги перераспредел етс только между ускор ющими чейками, а резонаторна секци практически оказываетс согласованной с ВЧ генератором во всем диапазоне перестройки выходной энергии электронов, что приводит к устойчивой работе магнетрона без прин ти дополнительных мер. Использование предлагаемой системы возможно и дл других целей, например применение нескольких чеек св зи такой конструкции позвол ет получить ускор ющую структуру с регулируемым распределением ускор ющего пол по длине системы, что существенно расширит возможности ускорителей электронов со сто чей волной, так как позволит оптимизировать их параметры в каждом конкретном случае дл определенной величины ускор емого тока и значени подводимой ВЧ мощности. I .E and H - RF field, static electric and magnetic fields focusing or created by other particles of the beam. The RF fields interacting with accelerated electrons over the entire length of the accelerating system were specified in tabular form. Their values are obtained from calculations of the own parameters of individual cells of the BZS. This program allows in each specific case to determine the geometric dimensions of the BZS cells, which will provide the required output characteristics of the accelerator while maintaining the optimum energy spectrum. Thus, we have a simple, compact and reliable mechanism for tuning the value of the output energy in electron accelerators with a standing wave. In this case, inside the accelerating system, the electromagnetic energy is redistributed only between the accelerating cells, and the resonator section is practically matched with the RF generator in the entire tuning range of the electron output energy, which leads to stable operation of the magnetron without taking additional measures. The proposed system can also be used for other purposes, for example, the use of several communication cells of this design allows to obtain an accelerating structure with an adjustable distribution of the accelerating field along the system length, which will significantly expand the possibilities of electron accelerators with a standing wave, since it will optimize their parameters in each case, for a certain value of the accelerated current and the value of the applied RF power. I.

Оцытное макетирование полностьюFull layout

подтвердило работоспособность предлагаемой ускор ющей системы. В такой системе возможно варьирование выходной энергии ускор емых частиц в диапазоне (0,2-1) от номинального значени при сохранении приемлемых характеристик пучка. По сравнению с известным устройством диапазон регулировани вькодной энергии ускор емых электронов увеличилс на 60% при этом значительно упростилась ВЧ система установки, так как не требуетс секционировать ускор ющую систему, что приводит к существенному сокращению подвод щего ВЧ тракта, кроме того, устран етс громоздкий аттенюатор, В результате улучшаютс услови работы ВЧ генератора (магнетрона), так как в этом случае менее жесткие требовани предъ вл ютс к ВЧ параметрам ускор ющей системы. 178 Таким образом, применение предлагаемой ускор ющей системы в линей ных ускорител х со сто чей волной на малую энергию существенно увеличивает диапазон варьировани выходной энергии ускор емых частиц по сравнению с извеАной. Это улучшает эксплуатационные характеристики ускорителей , при этом происходит упрощение ВЧ системы установки и уменьшаютс ее габариты .confirmed the operability of the proposed accelerating system. In such a system, it is possible to vary the output energy of the accelerated particles in the range (0.2-1) from the nominal value while maintaining acceptable beam characteristics. Compared to the known device, the range of regulation of the accelerated electron accelerated energy increased by 60%, while the RF installation system was significantly simplified, since it is not necessary to partition the accelerating system, which leads to a significant reduction in the RF supply path, and the cumbersome attenuator is eliminated. As a result, the working conditions of the RF generator (magnetron) are improved, since in this case less stringent requirements are imposed on the RF parameters of the accelerating system. 178 Thus, the application of the proposed accelerating system in linear accelerators with a low-energy wave significantly increases the range of variation of the output energy of the accelerated particles as compared to known. This improves the operational characteristics of the accelerators, thus simplifying the RF system of the installation and reducing its dimensions.

И-ftI-ft

Фиг 2Fig 2

Claims

ACCELERATING SYSTEM of a standing wave accelerator, consisting of a set of accelerating communication cells located one after the other and having communication slots in common walls, and accelerating cells are placed at the ends of the system, and, in addition, a waveguide is connected to one of the accelerating cells , characterized in that, in order to expand the range of regulation of the energy of accelerated particles at the outlet of the installation and to reduce its dimensions, the first communication cell is made in the form of a rectangular rectangular shorted on both sides by moving throttle pistons of the waveguide and with the first accelerating cell has a common coupling gap located in the wide center of the waveguide wall transverse to its longitudinal direction near the lateral wall of this accelerating cell, and with the second accelerating cell there are two coupling slots in the wide waveguide wall located symmetrically relative to the axis of symmetry of the accelerating cells along the direction of the waveguide near its narrow walls.

f