Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДШИЕ ; . . . 4
Глава І. ДВУХРЕ30НАТ0РНАЯ УСКОРЯЮЩАЯ СТРУКТУРА 15
Обоснование возможной схемы ускорителя 15
Анализ баланса мощности в ускорителе 20
Исследование условий стабильной и устойчивой работы магнетрона на ВЧ систему ускорителя ... 33
1.4. Численный расчет динамики частиц в ускорителе. . 48
Выводы 58
Глава 2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ, НАСТРОЙКА И
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЧ СИСТЕМЫ
УСКОРИТЕЛЯ НА НИЗКОМ УРОВНЕ МОЩНОСТИ 60
2.1. Исследование настройки направленных ответвите-
лей со связью по широкой стенке волноводов . . 61
Волноводный мост с согласующим устройством ... 71
Блок ускоряющих резонаторов 77
Настройка ВЧ системы ускорителя 88
Выводы 98
Глава 3. НАЛАДКА, ЗАПУСК И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ УСКОРИТЕЛЯ 100
Исследование ВЧ системы ускорителя на высоком уровне мощности 100
Конструкция отдельных узлов и общая
компоновка ускорителя .... Ш
3.3. Запуск ускорителя и экспериментальное
исследование нагрузки током резонаторов .... 121
3.4. Рабочие характеристики ускорителя 135
Выводы j5i
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 154
ЛИТЕРАТУРА 158
-ч-
Введение к работе
Одним из перспективных направлений передовой технологии является развитие радиационной техники, основанной на использовании ускорителей заряженных частиц [i, 2j . Общее число действующих в мире ускорителей близко к четырем тысячам. Из них на установки с высокой и сверхвысокой энергией, предназначенные для фундаментальных исследований, приходится не более 1%, Основную часть составляют ускорители на малые и средние энергии (до 30 МэВ), подавляющее большинство которых используется в народном хозяйстве и медицине ["ЗІ Причем ускорители электронов составляют 70% от общего количества, а ускорители ионов - 30%. Наибольшее распространение электронных ускорителей связано с их лучшими технико-экономическими показателями и высокой интенсивностью электронных пучков
М-
В радиационной технологии при энергии электронов не превышающей нескольких МэВ широко применяются высоковольтные ускорители, отличающиеся простотой изготовления и высоким коэффициентом полезного действия f5J . В настоящее время максимальная энергия отечественных промышленных высоковольтных ускорителей составляет 1,5-2 МэВ, а средняя мощность пучка достигает десятков кВт [5,б] . Наличие в таких установках высокого напряжения создает значительные трудности в обеспечении электрической изоляции в источнике и ускоряющем устройстве [7j . Поэтому в диапазоне энергий до 1-2 МэВ наряду с высоковольтными ускорителями получили распространение и высокочастотные (ВЧ) однорезонаторные ускорители электронов [7J как на большую [8j , так и на сравнительно низкую мощность пучка [9,I0,IlJ . Много работ по ускорителям на стоячей волне известно в метровом диапазоне.
~s~
В историческом плане первым представителем однорезонаторных ускорителей, питаемых от автогенератора, является линейный ускоритель протонов в Беркли, разработанный в 1346 и запущенный в IS48 г.[Ї2]. Развитие в сороковые годы техники сверхвысоких частот (СВЧ) и создание мощных импульсных магнетронов в диапазоне длин волн 10-20 см обеспечило возможность разработки линейных ускорителей электронов (ЛУЭ) на бегущей и стоячей волне. Первый ЛУЭ на основе диафрагмированного волновода с бегущей электромагнитной волной был построен в Англии в 1948 г.рз]. Одновременно в Канаде была реализована идея В.К.Векслера [14] и запущен первый микротрон, ускоряющим элементом в котором являлся объемный резонатор с питанием от магнетрона [I5j.
Получение высоких значений напряженности электрического поля в объемных резонаторах, возбуждаемых от магнетронов, позволило разрабатывать простые и компактные ускорители электронов на стоячей волне. В работе [іб] за 1950 г. приведены конструкция и результаты испытаний одного из первых, по-видимому, резонаторних ускорителей электронов самостоятельного применения. Ускоритель ' обеспечивает ьшпульсный ток пучка до 70 мА при энергии 1,1 МэВ и предназначен для использования в качестве рентгеновской трубки. Питание ускоряющего тороидального резонатора с добротностью 12000 осуществляется от магнетрона с импульсной мощностью 0,6 МВт на длине волны 25 см. Для обеспечения устойчивого одночастотного решила возбуждения магнетрона на частоте резонатора в коаксиальную линию передачи включена поглощающая нагрузка, расположенная от резонатора на расстоянии кратном четверти длины волны. В поглощающей нагрузке, служащей для устранения дополнительных видов колебаний магнетрона при его работе на высокодобротный резонатор, теряется значительная часть мощности генератора ГІ7І. Этим можно
-G-
объяснить небольшой электронный коэффициент полезного действия ускорителя, не превышающий 13$.
В работе [18] представлены результаты экспериментального исследования "ребатрона" - электронного однорезонаторного ускорителя с предгруппирующей системой, предназначенного [19] для работ в области генерирования волн миллиглетрового диапазона. Импульсный ток пучка ребатрона, соответствующий условию оптимального группирования, составил 35 мА, а максимальная кинетическая энергия пучка равна I МэВ. Допустимые значения напряженности поля на оси резонатора лежат в диапазоне 500-700 кВ/см. Ускоряющий резонатор -цилиндрический с видом колебаний ЕОІО и питанием от двух магнетронов с импульсной мощностью 0,6-0,8 МВт на длине волны 10,8 см. В передающий тракт от каждого магнетрона до резонатора включен волноводный Н тройник с поглощающей нагрузкой.
Согласование ускоряющих резонаторов с магнетронами значительно упростилось после появления однонаправленных развязывающих устройств - ферритовых циркуляторов и вентилей. Схема ВЧ питания с циркулятором используется в мощных микротронах ["15,20]. В [II] представлены результаты экспериментального исследования однорезонаторного ускорителя электронов пршиїадного назначения на энергию 0,8 МэВ и импульсный ток до 270 мА. Питание цилиндрического разборного резонатора с добротностью 9000 и коэффициентом связи равным 4 производится от магнетрона с импульсной мощностью 1,2 МВт на длине волны 11,5 см. В волноводном тракте между генератором и ускоряющим резонатором установлен ферритовый вентиль. При указанной мощности магнетрона амплитуда напряженности поля в резонаторе составила 400 кВ/см, электронный КПД ускорителя равен 12%. Різ анализа энергетического спектра этого ускорителя с термоэлектронным инжектором на напряжение 35 кВ следует, что 75-80/» электронов обладают энергией (0,8-0,24) МэВ.
-?-
Надежные и простые в эксплуатации, использующее серийное радиолокационное оборудование однорезонаторные электронные ускорители 10 см диапазона длин волн нашли широкое применение в различных областях науки и техники. Кроме радиационно-технологических целей отметим использование ускорителей этого типа для возбуждения полупроводниковых квантовых генераторов [21,22], в экспериментальных исследованиях авторезонансного метода ускорения [23], а также в качестве групппрователя для ЛУЭ на бегущей волне. Известно, что в ЛУЭ наиболее распространены волноводные группиро-ватели с плавным изменением фазовой скорости и амплитуды ускоряющего поля по длине. Они обеспечивают почти полный захват частиц в реяим ускорения при хорошем фазовом (10-30) и энергетическом (3-7/а) спектрах частиц на выходе [24]. Для получения прецизионного пучка часто используют комбинацию различных типов группиро-вателей. Ыапршлер, размещение клистронного предгруппирователя или "чоппера" перед волноводным группирователем. Известны и трудности в изготовлении и настройке волноводного групппрователя с переменными параметрами, обеспечивающими выбранньш закон изменения фазовой скорости. Поэтому при разработке ЛУЭ наряду с волноводными, как альтернативный вариант, рассматриваются и группирователи резонаторного типа [25-27].
В работе f27] приведены результаты экспериментального исследования параметров пучка ЛУЭ на энергию 10 МэВ, в котором источником сгруппированных электронов является однорезонаторный ускоритель. Он состоит из термоэлектронного инжектора на напряжение 15 кВ и ускоряющего резонатора 16 см диапазона длин волн, амплитуда СВЧ напряжения в котором составляет 300-500 кВ. При импульсной мощности шітания резонатора равной 2 МВт, на входе в ускоряющую секцию был получен пучок с током 1,5 А и максимальной энерги-
-*-
ей 0,5 МэВ при ширине энергетического спектра равной 24%, На выходе ускоряющей секции, представляющей собой диафрагмированный волновод с постоянной фазовой скоростью волны равной скорости света (Рф = I), максимальная энергия пучка составила 10,3 МэВ при ширине спектра равной 4%. Экспериментально показано, что применение низковольтного термоэлектронного инжектора и ускоряющего резонатора позволяет исключать из ускорителя волноводный группи-рователь и значительно упростить схему питания инжектора. Питание однорезонаторного группирователя и ускоряющей секции осуществлялось с помощью направленного волноводного ответвителя на 10 дБ от клистронного усилителя КИУ-І5 с импульсной мощностью до 20 МВт. Клистронные усилители используют, как правило, в схемах питания V.ЛУЭ на большие анергии, где необходимо обеспечить жесткие требования к стабильности тока и энергии пучка.
В ЛУЭ на малые и средние энергии наиболее распространенным типом ВЧ генератора является магнетрон, коэффициент полезного действия которого обычно превышает КПД клистрона и составляет 50-55^. Кроме этого анодное напряжение магнетрона существенно меньше чем у клистрона, что также является его практическим преимуществом [15]..
Возможность создания резонаторных ускорителей электронов с ВЧ питанием от магнетронов 10 см диапазона длин волн без применения ферритовых развязок обсуждалась в работах (28,29j. Отвлечено, что резокаторные ускорители целесообразно конструировать для получения пучков с относительно низкой энергией (1-3 МэВ) при достаточно больших значениях импульсного тока пучка (сотни мА).При разработке резонаторного ускорителя вопросы ВЧ питания и инжекции являются основными. Использование ускоряющей структуры в виде со-осыых парных резонаторов с ВЧ питанием от магнетрона через волноводный мост, подобный устройству предложенному в [зо], позволяет
развязать генератор от резонансной нагрузки. При этом устойчивая и стабильная работа магнетрона обеспечивается без значительных потерь мощности.
Для получения приемлемого фазоэнергетического спектра пучка необходимо либо увеличивать число ускоряющих резонаторов, либо применить автоэлектронный СВЧ инжектор, предложенный в МИФИ В.Ф.Гассом зі] . Расчет модели двухрезонаторного ускорителя с мостовой схемой питания от 1,5 МВт магнетрона и автоинжектором показал [28] , что средняя кинетическая энергия пучка на выходе равна 1,75 МэВ, импульсный ток пучка равен 0,5 А, ширина энергетического и фазового спектров составляет 0,4% и 10 соответственно, а электронный КПД ускорителя достигает 50%. Ускоритель на стоячей волне с такими выходными параметрами не уступает ЛУЭ на бегущей волне, но выгодно отличается от него малыми размерами и конструктивной простотой.
Необходимо отметить, что разработка двухрезонаторной ускоряющей структуры с мостовой схемой питания и создание автоэлектронного СВЧ инжектора-группирователя представляют собой две разные самостоятельные задачи.
Несмотря на весьма выгодные условия работы игольчатого автоэмиттера в СВЧ поле резонатора, на что указывали многие авторы [31,32] , экспериментальных работ в этой области известно мало. В настоящее время непосредственное использование работ по создаг-нию автоэлектронного СВЧ инжектора, по-видимому, не представляется возможным. Если результаты стендовых испытаний подобных устройств изложены в [33-35] , то экспериментальные данные по применению автоинжекторов-группирователей в ЛУЭ, на наш взгляд, в литературе отсутствуют. Работу в этом направлении необходимо значительно расширить.
-/9-
Вместе с тем двухрезонаторная структура с мостовой схемой ВЧ питания от серийного магнетрона и термоэлектронным инжектором представляется весьма перспективной для создания компактного и простого в управлении ускорителя для радиационных исследований в лабораторных и полупромышленных условиях. Область возможного применения - традиционная для энергий электронов 0,3-1,5 МэВ: радиационная химия, дефектоскопия, медицина, физика твердого тела 36,37j . двухрезонаторная ускоряющая структура с мостовой схемой питания от магнетрона первоначально была предложена Б.З.Кан-тером [38] для использования в микротронах с целью получения большего прироста энергии на оборот, но не была реализована.
Перспективным, аналогично [27] , представляется применение двухрезонаторной структуры в качестве группирователя в линейных волноводных ускорителях (ЛВУ) широкого применения с f> = I. Традиционной схемой ЛВУ, как известно, в настоящее время являются односекционные ускорители с питанием от магнетронов. Однако, уже появились предложенные в МРТИ И МИФИ многосекционные ЛБУ с синхронными системами питания каждой секции от отдельного генератора [Z] . В МИФИ созданы две модели многосекционных ускорителей на бегущей волне в 10 см диапазоне длин волн, хорошо зарекомендовавшие себя при длительной эксплуатации в производственных условиях (модель У-ІЗ [39j ). Увеличение числа ускоряющих секций позволяет улучшить устойчивость работы ускорителя за счет стабилизирующего действия синхронизированных генераторов [40] В качестве первой секции - сменного группирователя возможно применение двухрезонаторной структуры с мостовой схемой питания от магнетрона.
При проектировании УНК в ИФВЭ [4і] в результате выбора между волноводным и резонаторним вариантом ускоряющих станций предпоч-
-//-
тение было отдано последнему. Ускоряющей структурой каждой станции являются парные цилиндрические резонаторы на виде колебаний Eq-t-q в диапазоне длин волн 1,5 м, питаемые ВЧ мощностью от усилителя через волноводный мост со связью по узкой стенке. Выбор этого типа моста обусловлен соображениями простоты конструкции, надежности и электрической прочности. Соединение плеч моста с узлами ввода мощности в резонаторы производится идентичными коаксиальными линиями, имеющими с плечами моста зондовую связь. Особенности конструкции, результаты вакуумных и радиотехнических испытаний ускоряющего резонатора, а также результаты исследований нескольких модификаций волноводного моста питания изложены в [42] .
В 10 см диапазоне длин волн для питания парных ускоряющих структур на основе бипериодических замедляющих систем (БЗС) применяют так же и мосты со связью по широкой стенке волноводов, обладающие своими конструктивными преимуществами [43] . Использование этого типа моста для питания двухрезонаторной ускоряющей структуры имеет существенные особенности, связанные с ее малым продольным размером (~10 см). Отметим, что разработка ВЧ системы подобного ускорителя может являться опорной базой и для создания ускорителей на основе БЗС.
Подводя итоги литературного обзора, можно сделать вывод, что комплекс вопросов по разработке и конструктивной реализации компактного двухрезонаторного ускорителя электронов с мостовой схемой питания является актуальной научной задачей.
Целью настоящей работы является разработка, создание и экспериментальное исследование двухрезонаторного ускорителя с термоэлектронным инжектором и мостовой схемой ВЧ питания от магнетрона; выработка рекомендаций по оптимальному проектированию узлов ВЧ систем ускорителей со стоячей волной и мостовой схемой питания.
-/2-
Автор защищает конструкцию и результаты экспериментального исследования двухрезонаторного ускорителя электронов на кинетическую энергию до 1,3 МэВ и импульсный ток до 0,5 А, в том числе:
результаты теоретического анализа стационарного режима работы магнетрона на систему парных ускоряющих резонаторов, позволяющие определить требования к параметрам и конструктивному выполнению узлов ВЧ системы ускорителя, обеспечивающие устойчивую и стабильную работу генератора;
результаты экспериментального исследования направленных ответвителей со связью по широкой стенке волноводов, методику настройки и разработанную конструкцию волноводных мостов с устройством прецизионного согласования, предназначенных для использования в трактах высокого уровня мощности;
компактную и технологичную конструкцию ускоряющей структуры - резонаторного блока, соединенного с плечами моста одним фланцем, которая обладает высоким шунтовым сопротивлением, допускает плавную регулировку коэффициента стабилизации частоты и в которой реализована высокая напряженность ускоряющего поля;
результаты экспериментального исследования основных рабочих характеристик двухрезонаторного ускорителя электронов с мостовой схемой питания, позволяющие разрабатывать действующие установки такого типа;
предложенные и апробированные на практике рекомендации по конструированию ВЧ систем компактных ЛУЭ со стоячей волной на основе БЗС и мостовой схемой питания, что позволяет существенно упростить конструкцию, технологию изготовления и настройку ускорителей этого типа (РЭЛУС-3).
Работа состоит из трех глав.
В первой главе обоснована структурная схема ускорителя,
-/3-
принятая к реализации, исходя из пунктов технического задания, проведен ориентировочный расчет нагрузки током в ускорителе по уравнению баланса мощности и продемонстрирована необходимость увеличения стабильности частоты генератора - серийного магнетрона. Проведено теоретическое исследование стационарного режима работы магнетрона на систему парных резонаторов, по результатам которого определены требования к ВЧ параметрам резонаторов и моста питания и к их конструктивной реализации для обеспечения необходимого увеличения стабильности частоты генератора. Проведен расчет продольной динамики частиц в ускорителе с учетом нагрузки током резонаторов по уравнению баланса мощности и электродинамическим методом. Определены продольные размеры ускоряющей структуры и, с учетом конструкции узла ввода ВЧ мощности в резонаторы, расположение магнитных фокусирующих элементов.
Во второй главе на основе анализа типов волн, существующих в области связи волноводного ответвителя по широкой стенке, предложена и экспериментально исследована методика его прецизионного согласования. Разработана и испытана на высоком уровне мощности технологичная конструкция оригинального волноводного моста ускорителя. Представлены результаты разработки, конструирования и настройки компактной и технологичной двухрезонаторной ускоряющей структуры с узлом ввода ВЧ мощности. Приведены результаты настройки и экспериментального исследования на низком уровне мощности импедансных характеристик разработанной ВЧ системы ускорителя, обеспечивающие условия устойчивой и стабильной работы магнетрона.
В третьей главе представлены результаты экспериментальной проверки ра.боты магнетрона на ВЧ систему ускорителя, подтвердившие правильность расчетных, конструкторских и технологических решений, принятых при проектировании. Изложены результаты испытаний
-/1/-
отдельных узлов ускорителя, в разработке которых пркшмал участие автор: электронного инжектора, фокусирующих соленоидов, вакуумно-плотного ВЧ окна. Приведена общая компоновка установки. Под руководством и при непосредственном участии автора осуществлен запуск, исследование рабочих характеристик компактного двухрезонаторного ускорителя с термоэлектронным инжектором и опытная эксплуатация установіш.
В Заключении сформулированы основные результаты работы.
В Приложении рассмотрена возможность применения в резонатор-ном ускорителе автоэлектронного СВЧ инжектора и экспериментальные результаты испытания однорезонаторного автоинжектора на волновод-ном ЛУЭ на энергию 10 МэВ.
-/5-
