RU2392782C1 - Linear electron accelerator - Google Patents
Linear electron accelerator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2392782C1 RU2392782C1 RU2008138418/06A RU2008138418A RU2392782C1 RU 2392782 C1 RU2392782 C1 RU 2392782C1 RU 2008138418/06 A RU2008138418/06 A RU 2008138418/06A RU 2008138418 A RU2008138418 A RU 2008138418A RU 2392782 C1 RU2392782 C1 RU 2392782C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- accelerating
- injector
- cathode
- cells
- resonator
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к области ускорения заряженных частиц, конкретно к технике линейных ускорителей электронов. Оно может быть использовано для создания компактных сверхвысокочастотных ускорителей электронов с большой интенсивностью пучка, необходимых для исследований в области физики и радиационной химии, для радиационной терапии онкологических заболеваний, а также для радиационных технологий - стерилизации медицинских изделий, рентгенографической инспекции крупногабаритных грузов, контроля качества изготовления толстостенных металлических объектов.The invention relates to the field of acceleration of charged particles, specifically to the technique of linear electron accelerators. It can be used to create compact microwave electron accelerators with high beam intensities needed for research in the field of physics and radiation chemistry, for radiation therapy of cancer, as well as for radiation technologies - sterilization of medical devices, x-ray inspection of bulky goods, quality control of manufacturing thick-walled metal objects.
Уровень техникиState of the art
Линейные ускорители электронов часто применяются для получения пучков ускоренных электронов с энергиями порядка единиц или десятков мегаэлектронвольт (МэВ). В настоящее время имеется большая потребность в ускорителях интенсивных электронных пучков, предназначенных для радиационных технологий.Linear electron accelerators are often used to produce beams of accelerated electrons with energies of the order of units or tens of megaelectron-volts (MeV). Currently, there is a great need for accelerators of intense electron beams designed for radiation technology.
В частности, актуальной задачей является создание установок для радиационной стерилизации медицинских приборов и материалов с помощью ускоренных электронов. Обычно в таких установках энергия ускоренных электронов составляет от 5 до 10 МэВ, что обеспечивает получение достаточной глубины и равномерности просвечивания коробок с изделиями.In particular, the urgent task is to create installations for radiation sterilization of medical devices and materials using accelerated electrons. Typically, in such installations, the energy of accelerated electrons is from 5 to 10 MeV, which provides sufficient depth and uniformity of transmission of boxes with products.
В последнее время большой интерес проявляется к созданию комплексов рентгенографической инспекции, которые предназначены для быстрого контроля крупногабаритных грузов (морских и автомобильных контейнеров, грузовых и легковых автомобилей) с целью обнаружения взрывчатых веществ и контрабанды. Для таких комплексов также необходимы пучки ускоренных электронов с энергиями 5-10 МэВ.Recently, great interest has been shown in the creation of X-ray inspection complexes, which are designed for the rapid control of bulky goods (sea and automobile containers, trucks and cars) in order to detect explosives and smuggling. Beams of accelerated electrons with energies of 5–10 MeV are also necessary for such complexes.
Актуальной задачей является создание линейных ускорителей электронов с локальной биологической защитой, выполненной из металлических блоков. Применение локальной защиты позволяет избежать строительства зданий с толстыми (до 3 метров) бетонными стенами и значительно ускорить и удешевить создание радиационно-технологических установок. В частности, использование ускорителей с локальной радиационной защитой позволит создавать установки для радиационной стерилизации медицинских изделий, которые могут располагаться в обычных помещениях в клиниках и на небольших предприятиях.An urgent task is the creation of linear electron accelerators with local biological protection made of metal blocks. The use of local protection avoids the construction of buildings with thick (up to 3 meters) concrete walls and significantly accelerates and cheapens the creation of radiation-technological installations. In particular, the use of accelerators with local radiation protection will make it possible to create installations for radiation sterilization of medical devices, which can be located in ordinary rooms in clinics and in small enterprises.
Важной проблемой разработки установки с локальной радиационной защитой является создание компактного ускорителя электронов. При указанных энергиях ускоренных электронов для надежной защиты персонала от радиации необходимо иметь толщину защиты, выполненной из стали, порядка 0,5 метра и даже больше. Такая защита может весить несколько десятков тонн. Поэтому размеры ускорителя имеют исключительную важность, которая может определять практическую целесообразность создания установки.An important problem in the development of a facility with local radiation protection is the creation of a compact electron accelerator. At the indicated energies of accelerated electrons, for reliable protection of personnel from radiation, it is necessary to have a thickness of protection made of steel of the order of 0.5 meters and even more. Such protection can weigh several tens of tons. Therefore, the size of the accelerator is of critical importance, which may determine the practical feasibility of creating the installation.
Обычно линейный ускоритель электронов содержит инжектор пучка электронов и сверхвысокочастотную (СВЧ) ускоряющую систему. Ускоритель содержит также СВЧ-генератор, питающий ускоряющую систему, а также устройства для откачки объема ускорителя до высокого вакуума, водяного охлаждения резонатора, питания и управления. Как правило, ускорители для стерилизации и инспекции работают в импульсном режиме.Typically, a linear electron accelerator comprises an electron beam injector and a microwave frequency accelerating system. The accelerator also contains a microwave generator that feeds the accelerating system, as well as devices for pumping the volume of the accelerator to high vacuum, water cooling of the resonator, power and control. As a rule, accelerators for sterilization and inspection operate in a pulsed mode.
В качестве СВЧ ускоряющей системы в настоящее время обычно используется система со стоячей волной. Она представляет собой резонатор, содержащий бипериодическую структуру в виде цепочки связанных ячеек, в которой возбуждается стоячая π/2-волна. В резонаторе ускоряющие ячейки чередуются с ячейками связи, сдвиг фазы поля СВЧ-волны между соседними ячейками равен π/2, а поля в ускоряющих ячейках являются противофазными.As a microwave accelerating system, a standing wave system is currently commonly used. It is a resonator containing a biperiodic structure in the form of a chain of connected cells in which a standing π / 2 wave is excited. In the resonator, accelerating cells alternate with communication cells, the phase shift of the microwave wave field between adjacent cells is π / 2, and the fields in the accelerating cells are antiphase.
В инжекторе электронов, как правило, используется термоэмиссионный катод. Чтобы уменьшить длину ускорителя, инжектор располагается непосредственно рядом с ускоряющим резонатором, так что между инжектором и первой ячейкой резонатора находится только разделительная стенка.An electron injector typically uses a thermionic cathode. To reduce the length of the accelerator, the injector is located directly next to the accelerating resonator, so that between the injector and the first cavity cell there is only a dividing wall.
Разработка установок с локальной радиационной защитой стала возможной после создания компактного линейного ускорителя, в котором отсутствуют специальные устройства для фокусировки электронного пучка. В таком ускорителе группировка пучка электронов в сгустки, ускорение сгустков и фокусировка пучка осуществляются электромагнитным полем в резонаторе (см., например, Белугин В.М., Пироженко В.М., Розанов Н.Е., Симонов К.Г. "Источник проникающего излучения". Патент РФ №2245588 от 14.02.2003).The development of installations with local radiation protection became possible after the creation of a compact linear accelerator, in which there are no special devices for focusing the electron beam. In such an accelerator, the bunching of an electron beam into bunches, the acceleration of bunches, and the focusing of the beam are carried out by an electromagnetic field in the cavity (see, for example, Belugin V.M., Pirozhenko V.M., Rozanov N.E., Simonov K.G. "Source penetrating radiation. "Patent of the Russian Federation No. 2245588 of 02/14/2003).
Чтобы получить достаточно высокую производительность стерилизационной или инспекционной установки, необходимо иметь большую мощность пучка ускоренных электронов. Однако увеличение мощности пучка в известном ускорителе ограничено следующими причинами.In order to obtain a sufficiently high performance of a sterilization or inspection installation, it is necessary to have a high power of an accelerated electron beam. However, the increase in beam power in the known accelerator is limited by the following reasons.
Процесс одновременного группирования, ускорения и фокусировки электронного пучка СВЧ-полем является весьма сложным. Из теории ускорителей известно, что в высокочастотном ускорителе невозможно обеспечить одновременно продольную и поперечную устойчивость сгустков заряженных частиц без применения фокусировки внешним магнитным полем. Поэтому приходится работать в переходном режиме, стараясь сократить время пребывания пучка в системе и минимизируя неустойчивость за счет оптимального выбора параметров системы. С этой целью производятся тщательные расчеты динамики движения электронного пучка и оптимизация параметров пучка, размеров ячеек и СВЧ-полей в них. Но даже в этом случае в ускорителях такого типа обычно удается сгруппировать в сгустки, захватить в режим ускорения и довести до выхода резонатора относительно малое количество электронов - от 10 до 20% от количества электронов, инжектируемых в резонатор.The process of simultaneously grouping, accelerating, and focusing an electron beam by a microwave field is very complex. From the theory of accelerators it is known that in a high-frequency accelerator it is impossible to provide both longitudinal and transverse stability of bunches of charged particles without focusing by an external magnetic field. Therefore, we have to work in transition mode, trying to reduce the time spent by the beam in the system and minimize instability due to the optimal choice of system parameters. To this end, careful calculations are made of the dynamics of the electron beam motion and optimization of the beam parameters, cell sizes and microwave fields in them. But even in this case, in accelerators of this type, it is usually possible to group into bunches, to capture in acceleration mode and to bring to the cavity output a relatively small number of electrons - from 10 to 20% of the number of electrons injected into the resonator.
Расчеты показывают, что остальную часть пучка электронов можно разделить на три категории:Calculations show that the rest of the electron beam can be divided into three categories:
- часть электронов останавливается, медленно дрейфует во все стороны и высаживается на стенки резонатора, обладая малой энергией;- part of the electrons stops, drifts slowly in all directions and lands on the walls of the resonator, possessing low energy;
- часть электронов продолжает ускоряться, постепенно расфокусируясь, и высаживается на стенки канала ускорителя. Они обладают довольно высокой энергией. Эти электроны, во-первых, бесполезно потребляют СВЧ-мощность, во-вторых, нагревают стенки и, в-третьих, вызывают радиоактивное излучение из резонатора;- part of the electrons continues to accelerate, gradually defocusing, and lands on the walls of the accelerator channel. They have a fairly high energy. These electrons, firstly, uselessly consume microwave power, secondly, they heat the walls and, thirdly, cause radioactive radiation from the resonator;
- часть электронов возвращается в инжектор. Так как амплитуда СВЧ-напряжения в ячейках резонатора значительно больше напряжения инжекции, те электроны, которые попали в фазу тормозящего СВЧ-напряжения, возвращаются в инжектор и бомбардируют катод. Они вызывают перегрев катода и преждевременный выход его из строя, что ухудшает надежность и срок службы ускорителя.- part of the electrons returns to the injector. Since the amplitude of the microwave voltage in the cavity cells is much larger than the injection voltage, those electrons that have entered the phase of the decelerating microwave voltage return to the injector and bombard the cathode. They cause overheating of the cathode and its premature failure, which affects the reliability and service life of the accelerator.
Эти причины затрудняют разработку ускорителя с большой мощностью электронного пучка. Мощность пучка, которая в настоящее время достигается в ускорителях этого типа, составляет 1-2 кВт, что недостаточно для создания высокопроизводительной стерилизационной установки.These reasons make it difficult to design an accelerator with a high electron beam power. The beam power, which is currently achieved in accelerators of this type, is 1-2 kW, which is not enough to create a high-performance sterilization installation.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
В настоящее время существует актуальная потребность в компактных линейных ускорителях электронов с большой мощностью электронного пучка и локальной радиационной защитой. Во-первых, такой ускоритель должен иметь по возможности малые габариты, чтобы минимизировать размеры и вес локальной радиационной защиты. Поскольку для защиты наиболее часто применяются чугун и сталь, ускоритель не должен содержать устройств с магнитными полями. Во-вторых, ускоритель должен обеспечивать возможность получения мощности ускоренного пучка электронов порядка 5-10 кВт. Стерилизационная установка с таким ускорителем будет иметь производительность 50 и более стандартных коробок с медицинской продукцией в час, что соответствует современным требованиям к стерилизационным установкам. В-третьих, ускоритель, предназначенный для радиационных технологий, должен иметь высокую надежность и большой срок службы, включая большую длительность работы без остановок для замены вышедших из строя элементов.Currently, there is an urgent need for compact linear electron accelerators with high electron beam power and local radiation protection. Firstly, such an accelerator should be as small as possible in order to minimize the size and weight of the local radiation protection. Since cast iron and steel are most often used for protection, the accelerator should not contain devices with magnetic fields. Secondly, the accelerator should provide the ability to obtain the power of an accelerated electron beam of the order of 5-10 kW. A sterilization installation with such an accelerator will have a capacity of 50 or more standard boxes with medical products per hour, which meets modern requirements for sterilization installations. Thirdly, an accelerator designed for radiation technology should have high reliability and a long service life, including a long duration of non-stop operation to replace failed elements.
Проблема создания ускорителя с такими характеристиками может быть решена следующим образом. Линейный ускоритель электронов содержит инжектор пучка электронов, СВЧ ускоряющий резонатор, СВЧ-генератор для питания ускоряющей системы, устройства вакуумной откачки, водяного охлаждения, питания и управления. Инжектор электронов содержит круглый термоэмиссионный катод, нагреватель катода и высоковольтный изолятор. Ускоряющий резонатор выполнен в виде бипериодической цепочки связанных ячеек, работающей на стоячей π/2-волне.The problem of creating an accelerator with such characteristics can be solved as follows. The linear electron accelerator comprises an electron beam injector, a microwave accelerating cavity, a microwave generator for supplying an accelerating system, a vacuum pumping device, water cooling, power and control. The electron injector comprises a round thermionic cathode, a cathode heater, and a high voltage insulator. The accelerating resonator is made in the form of a biperiodic chain of coupled cells operating on a standing π / 2 wave.
Ускоряющие ячейки резонатора имеют оптимальную, Ω-образную форму, которая включает закругленные внешние стенки и дрейфовые трубки на оси. Зазор между дрейфовыми трубками, в котором возбуждается СВЧ электрическое поле с большой амплитудой, является ускоряющим зазором для сгустков электронного пучка. Апертура в последовательности дрейфовых трубок образует канал для пучка ускоряемых электронов. Диаметр апертуры определяет эффективность ускоряющей ячейки: чем больше диаметр апертуры, тем ниже эффективность и больше СВЧ-мощность, требуемая для получения ускоряющего электрического поля.The accelerating cavity cells have an optimal, Ω-shaped shape, which includes rounded external walls and drift tubes on the axis. The gap between the drift tubes, in which a high-amplitude microwave electric field is excited, is an accelerating gap for electron bunching. The aperture in the sequence of drift tubes forms a channel for a beam of accelerated electrons. The diameter of the aperture determines the efficiency of the accelerating cell: the larger the diameter of the aperture, the lower the efficiency and the greater the microwave power required to obtain an accelerating electric field.
С целью снижения потерь пучка электронов в процессе ускорения и уменьшения мощности электронов, возвращающихся в инжектор, между инжектором электронов и первой ячейкой ускоряющего резонатора установлен апертурный фильтр пучка, выполненный в виде трубки с апертурой, диаметр которой в несколько раз меньше, чем диаметр катода инжектора. Кроме того, канал для пучка электронов имеет переменный диаметр, который увеличивается от начала к концу ускорителя. Увеличение диаметра канала может производиться плавно или ступенями.In order to reduce the losses of the electron beam during acceleration and to reduce the power of electrons returning to the injector, an aperture beam filter is installed between the electron injector and the first cell of the accelerating resonator in the form of a tube with an aperture whose diameter is several times smaller than the diameter of the injector cathode. In addition, the channel for the electron beam has a variable diameter, which increases from the beginning to the end of the accelerator. The increase in the diameter of the channel can be performed smoothly or in steps.
Такой апертурный фильтр пучка играет двойную роль. Во-первых, он устраняет ореол пучка электронов, поступающего из инжектора в резонатор. Во-вторых, он уменьшает количество электронов, возвращающихся из резонатора в инжектор и бомбардирующих катод.Such an aperture beam filter plays a dual role. Firstly, it eliminates the halo of the electron beam coming from the injector into the resonator. Secondly, it reduces the number of electrons returning from the resonator to the injector and bombarding the cathode.
Чтобы получить большой ток электронного пучка, катод инжектора должен иметь достаточно большой диаметр. Чтобы получить малый диаметр электронного пучка в резонаторе, пучок в инжекторе должен быть хорошо сфокусирован, что обеспечивается с помощью расчетной и экспериментальной оптимизации формы и размеров катода и других элементов инжектора. Вследствие влияния сил кулоновского расталкивания электронов в пучке, а также погрешностей расчета и изготовления инжектора распределение электронов по сечению пучка является неравномерным: пучок имеет плотное "ядро" на оси и менее плотный "ореол" на периферии. Электроны ореола имеют повышенные поперечные составляющие скорости, поэтому в ускоряющем резонаторе они не доходят до выхода, а высаживаются на стенки канала. Срезание ореола апертурным фильтром пучка устраняет этот недостаток. Оседание электронов на стенках апертурного фильтра не опасно, т.к. оно происходит тогда, когда электроны еще не ускорились до больших энергий.To obtain a large electron beam current, the injector cathode must have a sufficiently large diameter. In order to obtain a small diameter of the electron beam in the cavity, the beam in the injector must be well focused, which is ensured by calculating and experimentally optimizing the shape and dimensions of the cathode and other elements of the injector. Due to the influence of the Coulomb repulsion forces of electrons in the beam, as well as errors in the calculation and manufacture of the injector, the electron distribution over the beam cross section is uneven: the beam has a dense “core” on the axis and a less dense “halo” on the periphery. Halo electrons have increased transverse velocity components, therefore, in the accelerating cavity they do not reach the exit, but are deposited on the channel walls. Cutting the halo with an aperture beam filter eliminates this drawback. The deposition of electrons on the walls of the aperture filter is not dangerous, because it occurs when the electrons have not yet accelerated to high energies.
Апертурный фильтр пучка также задерживает большую часть электронов, возвращающихся из резонатора в инжектор, и уменьшает диаметр пучка возвращающихся электронов. В результате только небольшая центральная часть площади катода подвергается бомбардировке возвращающимися электронами и может постепенно терять эмиссию. Эта часть пропорциональна квадрату отношения диаметра апертуры фильтра к диаметру катода, поэтому она может быть доведена до нескольких единиц процентов.The beam aperture filter also delays most of the electrons returning from the resonator to the injector and reduces the diameter of the returning electron beam. As a result, only a small central part of the cathode area is bombarded by returning electrons and may gradually lose emission. This part is proportional to the square of the ratio of the diameter of the filter aperture to the diameter of the cathode, so it can be brought up to several units of percent.
Применение легкосъемного апертурного фильтра пучка дает возможность подбирать экспериментально оптимальные параметры фильтра и пучка электронов на входе и выходе ускоряющего резонатора.The use of an easily removable aperture beam filter makes it possible to select experimentally optimal parameters of the filter and electron beam at the input and output of the accelerating resonator.
Поскольку фокусировка пучка в ускорителе осуществляется переменным электромагнитным полем, фокусирующие силы зависят от времени. Разные части пучка, проходящие через зазоры ячеек в разных фазах электромагнитного поля, испытывают действие различных фокусирующих сил. В результате пучок ускоряемых электронов по мере движения вдоль резонатора постепенно расширяется и в целом имеет форму конуса. Поэтому ускоритель с постоянным диаметром апертуры канала ускорения не может удовлетворить поставленным выше требованиям. Если диаметр апертуры мал, то на апертуру высаживается большая часть ускоренного пучка. Если диаметр апертуры велик, то СВЧ-мощность, требуемая для ускорения электронного пучка до заданной энергии, слишком велика. Это, во-первых, требует применения более мощного СВЧ-генератора и, во-вторых, вызывает перегрев ускоряющего резонатора и затруднения в его термостатировании, которое обычно требуется с точностью порядка 1°С.Since the beam is focused in the accelerator by an alternating electromagnetic field, the focusing forces depend on time. Different parts of the beam passing through the gaps of the cells in different phases of the electromagnetic field experience the action of various focusing forces. As a result, the beam of accelerated electrons as it moves along the resonator gradually expands and generally has the shape of a cone. Therefore, an accelerator with a constant diameter of the aperture of the acceleration channel cannot satisfy the above requirements. If the diameter of the aperture is small, then most of the accelerated beam is deposited on the aperture. If the diameter of the aperture is large, then the microwave power required to accelerate the electron beam to a given energy is too large. This, firstly, requires the use of a more powerful microwave generator and, secondly, causes an overheating of the accelerating resonator and difficulties in its thermostating, which is usually required with an accuracy of about 1 ° C.
Постепенное увеличение диаметра апертуры в дрейфовых трубках позволит провести пучок ускоряемых электронов без потерь или с минимальными потерями и в то же время потреблять значительно меньше СВЧ-мощности. Увеличение диаметра апертуры может производиться плавно или ступенчато. В первом случае диаметр апертуры в каждой последующей дрейфовой трубке делается несколько больше, чем в предыдущей трубке. Во втором случае увеличение диаметра апертуры производится ступенями, по группам дрейфовых трубок. Чем больше количество ступеней, тем выше эффективность ускоряющего резонатора и меньше потребляемая СВЧ-мощность.A gradual increase in the diameter of the aperture in drift tubes will allow a beam of accelerated electrons to be carried out without loss or with minimal loss and at the same time consume significantly less microwave power. The increase in the diameter of the aperture can be performed smoothly or stepwise. In the first case, the diameter of the aperture in each subsequent drift tube is slightly larger than in the previous tube. In the second case, an increase in the diameter of the aperture is performed in steps, according to groups of drift tubes. The larger the number of steps, the higher the efficiency of the accelerating cavity and the less microwave power consumed.
Дополнительное улучшение работы катода инжектора может быть достигнуто, если выполнить катод в форме кольца, в котором центральная часть или отсутствует, или не содержит материала, эмитирующего электроны. В этом случае электроны, возвращающиеся из резонатора, не будут попадать на катод, следовательно, работа катода будет еще более стабильной.An additional improvement in the operation of the injector cathode can be achieved if the cathode is made in the form of a ring in which the central part is either absent or does not contain material emitting electrons. In this case, the electrons returning from the resonator will not reach the cathode, therefore, the cathode will be even more stable.
Дополнительное улучшение работы катода инжектора также может быть достигнуто, если установить инжектор так, что его ось направлена под некоторым углом к оси ускоряющего резонатора. Поворот пучка электронов с оси инжектора на ось резонатора осуществляется с помощью магнита, установленного между инжектором и резонатором и создающего поперечное магнитное поле. Электроны, возвращающиеся из резонатора, будут поворачиваться магнитом в другую сторону и не попадут на катод.An additional improvement in the operation of the injector cathode can also be achieved if the injector is installed so that its axis is directed at a certain angle to the axis of the accelerating resonator. The electron beam is rotated from the injector axis to the resonator axis using a magnet mounted between the injector and the resonator and creating a transverse magnetic field. The electrons returning from the resonator will rotate the magnet in the opposite direction and will not reach the cathode.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг.1 - линейный ускоритель электронов. Вид сбоку в разрезе.Figure 1 - linear electron accelerator. Sectional side view.
Фиг.2 - начальная часть ускорителя в увеличенном масштабе.Figure 2 - the initial part of the accelerator on an enlarged scale.
Фиг.3 - катод кольцевой формы. Виды спереди и сбоку в разрезе.Figure 3 - cathode ring shape. Sectional front and side views.
Фиг.4 - линейный ускоритель электронов, содержащий поворотный магнит между инжектором и резонатором.4 is a linear electron accelerator containing a rotary magnet between the injector and the resonator.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Линейный ускоритель электронов, показанный на фиг.1, содержит следующие устройства:The linear electron accelerator shown in figure 1, contains the following devices:
- инжектор электронов, содержащий источник электронов 1 и высоковольтный изолятор 2;- an electron injector containing an
- апертурный фильтр пучка 3;- aperture filter of
- ускоряющий резонатор, содержащий ячейки 4 и с 6 по 21;- an accelerating resonator containing cells 4 and 6 to 21;
- питающий волновод 23;-
- сверхвысокочастотный генератор 24;-
- устройства питания и управления 25.- power and
Источник электронов представляет собой термоэмиссионный катод с нагревателем. Катод установлен на изоляторе и находится под высоким отрицательным потенциалом, который подается от устройств питания и управления.The electron source is a thermionic cathode with a heater. The cathode is mounted on an insulator and is at a high negative potential, which is supplied from power and control devices.
Апертурный фильтр пучка представляет собой трубку с малым внутренним диаметром, который значительно меньше диаметра катода. Фильтр установлен в области инжектора, на стенке между катодом и первой ячейкой резонатора, так что он играет роль анода инжектора.The beam aperture filter is a tube with a small inner diameter, which is much smaller than the diameter of the cathode. The filter is installed in the injector region, on the wall between the cathode and the first cavity cell, so that it plays the role of the injector anode.
Длина и место установки апертурного фильтра пучка определяются следующими соображениями. На фиг.2 показана начальная часть ускорителя в увеличенном масштабе и траектории электронов. Поверхность катода, эмитирующая электроны, имеет вогнутую форму с целью фокусировки пучка электронов. От катода электроны движутся по траекториям, сходящимся к оси. По мере их движения возрастает плотность электронов в пучке и увеличиваются кулоновские силы расталкивания электронов, которые приводят к тому, что траектории электронов искривляются и становятся близкими к линиям, параллельным оси, а затем начинают медленно расходиться. Апертурный фильтр должен устанавливаться в области минимального диаметра пучка (кроссовера) и иметь длину, определяемую скоростью сужения и расширения пучка.The length and installation location of the beam aperture filter are determined by the following considerations. Figure 2 shows the initial part of the accelerator on an enlarged scale and electron paths. The surface of the cathode emitting electrons is concave in order to focus the electron beam. From the cathode, electrons move along trajectories converging to the axis. As they move, the electron density in the beam increases and the Coulomb forces of repulsion of electrons increase, which lead to the fact that the electron paths bend and become close to lines parallel to the axis, and then begin to slowly diverge. The aperture filter should be installed in the region of the minimum diameter of the beam (crossover) and have a length determined by the rate of narrowing and expansion of the beam.
Ускоряющий резонатор выполнен в виде бипериодической структуры связанных ячеек. Резонатор содержит группирующую секцию, в которой производится формирование и предварительное ускорение сгустков электронного пучка, следующих с частотой СВЧ-колебаний, и ускоряющую секцию, в которой производится основное ускорение пучка электронов (поз. 22).The accelerating resonator is made in the form of a biperiodic structure of connected cells. The resonator contains a grouping section, in which the formation and preliminary acceleration of electron beam clots that follow with a frequency of microwave oscillations, and an accelerating section, in which the main acceleration of the electron beam is performed (pos. 22), are performed.
Группирующая секция содержит основные ячейки 4 и 7 и ячейки связи 6 и 8. Размеры ячеек и амплитуды электромагнитных полей в них оптимизированы таким образом, чтобы обеспечить группирование, ускорение и фокусировку пучка электронов с максимально возможным коэффициентом захвата инжектированного пучка в режим ускорения. Ускоряющая секция содержит ускоряющие ячейки 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21, а также ячейки связи 10, 12, 14, 16, 18, 20.The grouping section contains the
Основные ячейки группирующей и ускоряющей секций имеют оптимальную форму, в частности, на оси сделаны дрейфовые трубки с целью концентрации электрического поля, а внешние стенки скруглены для уменьшения пути СВЧ-токам. Такая форма обеспечивает высокую напряженность СВЧ ускоряющего поля, большой темп ускорения и минимальную мощность СВЧ-потерь. Ячейки связи выполнены в форме плоских цилиндрических объемов. Ячейки имеют электромагнитную связь между собой с помощью окон связи в стенках.The main cells of the grouping and accelerating sections have an optimal shape, in particular, drift tubes are made on the axis to concentrate the electric field, and the outer walls are rounded to reduce the path to microwave currents. This form provides a high intensity microwave accelerating field, a large acceleration rate and a minimum power of microwave losses. The communication cells are made in the form of flat cylindrical volumes. The cells have an electromagnetic coupling with each other using communication windows in the walls.
Дрейфовые трубки в ячейках резонатора (поз. 5) имеют апертуры с постепенно увеличивающимся диаметром, так что последняя дрейфовая трубка имеет наибольший диаметр апертуры. В данном случае увеличение диаметра апертуры производится плавно, так что диаметр апертуры в каждой последующей дрейфовой трубке сделан несколько больше, чем в предыдущей трубке. Величины диаметров и темп их нарастания вдоль ускорителя определяются тем, как быстро расширяется пучок ускоряемых электронов.The drift tubes in the cavity cells (key 5) have apertures with a gradually increasing diameter, so that the last drift tube has the largest aperture diameter. In this case, the aperture diameter is increased smoothly, so that the diameter of the aperture in each subsequent drift tube is slightly larger than in the previous tube. The diameters and their growth rate along the accelerator are determined by how quickly the beam of accelerated electrons expands.
СВЧ-генератор, который питает резонатор, присоединен к средней ячейке с помощью волновода. СВЧ-генератор запитывается от устройств питания и управления, которые могут содержать импульсный модулятор для осуществления импульсного режима работы ускорителя.The microwave generator that powers the resonator is connected to the middle cell using a waveguide. The microwave generator is powered by power and control devices, which may contain a pulse modulator for implementing the pulse mode of operation of the accelerator.
Линейный ускоритель работает следующим образом. От системы питания на катод инжектора подается высокое напряжение отрицательной полярности, создающее в зазоре "катод-анод" инжектора электрическое поле, которое вытягивает пучок электронов с катода, предварительно ускоряет и фокусирует его и через апертурный фильтр подает его в ускоряющий резонатор. При этом часть электронов, находящихся на периферии пучка, не проходит через фильтр, а высаживается на нем. СВЧ-генератор с помощью волноводного фидера возбуждает в ячейках резонатора электромагнитное поле. Ячейки настроены за счет соответствующего выбора их геометрических размеров таким образом, что в резонаторе устанавливается стоячая π/2-волна, при которой электрические поля в соседних ускоряющих ячейках находятся в противофазе, а амплитуды полей соответствуют расчетному закону. Продольная составляющая электрического поля в первой ячейке (поз. 4) ускоряет те электроны инжектируемого пучка, которые попали в положительную полуволну СВЧ-колебаний. Продольные размеры ячеек и амплитуды полей в них подобраны таким образом, что в последующих ячейках резонатора электроны, захваченные в режим ускорения, постепенно повышают свою энергию и скорость. Одновременно радиальные составляющие электрического поля и азимутальные составляющие магнитного поля в ячейках группирователя производят фокусировку некоторой части электронного пучка и дефокусировку другой части. В результате этого некоторые электроны движутся вблизи оси, а некоторые постепенно отходят от нее, т.е. пучок постепенно расширяется. Вследствие того что апертура канала ускорения также расширяется от начала к концу ускорителя, потери ускоряемого электронного пучка малы. Электроны, которые попали в отрицательную тормозящую полуволну СВЧ-колебаний в первой ячейке, останавливаются, рассеиваются в разные стороны, а некоторые из них возвращаются назад в инжектор и бомбардируют катод. Вследствие того, что внутренний диаметр апертурного фильтра значительно меньше диаметра катода, возвращающиеся электроны бомбардируют только малую центральную часть катода.The linear accelerator operates as follows. A high voltage of negative polarity is applied to the injector’s cathode from the power system, which creates an electric field in the injector’s cathode-anode gap, which draws the electron beam from the cathode, pre-accelerates and focuses it, and feeds it through the aperture filter to the accelerating resonator. In this case, part of the electrons located on the periphery of the beam does not pass through the filter, but is deposited on it. A microwave generator, using a waveguide feeder, excites an electromagnetic field in the cavity cells. The cells are tuned due to the appropriate choice of their geometrical dimensions so that a standing π / 2 wave is established in the resonator, in which the electric fields in neighboring accelerating cells are in antiphase, and the field amplitudes correspond to the calculated law. The longitudinal component of the electric field in the first cell (item 4) accelerates those electrons of the injected beam that hit the positive half-wave of microwave oscillations. The longitudinal sizes of the cells and the field amplitudes in them are selected in such a way that in subsequent cells of the resonator, the electrons captured in the acceleration mode gradually increase their energy and speed. At the same time, the radial components of the electric field and the azimuthal components of the magnetic field in the grouping cells focus a certain part of the electron beam and defocus the other part. As a result of this, some electrons move near the axis, and some gradually move away from it, i.e. the beam gradually expands. Due to the fact that the aperture of the acceleration channel also expands from the beginning to the end of the accelerator, the losses of the accelerated electron beam are small. Electrons that hit the negative inhibitory half-wave of microwave oscillations in the first cell stop, scatter in different directions, and some of them return back to the injector and bombard the cathode. Due to the fact that the inner diameter of the aperture filter is much smaller than the diameter of the cathode, returning electrons bombard only a small central part of the cathode.
Современные инжекторы с хорошо рассчитанной электронной оптикой позволяют получить отношение диаметра катода к диаметру сфокусированного пучка порядка 5 и более. Если внутренний диаметр апертурного фильтра сделать в 5 раз меньше, чем диаметр катода, то электроны, возвращающиеся из резонатора, смогут бомбардировать только небольшую центральную часть катода, площадь которой составит приблизительно 4% от общей площади катода. Даже полное выгорание этой области не приведет к нарушению работы ускорителя, поскольку оно может быть скомпенсировано небольшим (до 3%) увеличением напряжения на инжекторе.Modern injectors with well-calculated electronic optics make it possible to obtain a ratio of the cathode diameter to the diameter of the focused beam of the order of 5 or more. If the internal diameter of the aperture filter is made 5 times smaller than the diameter of the cathode, then the electrons returning from the resonator will be able to bombard only a small central part of the cathode, whose area will be approximately 4% of the total area of the cathode. Even the complete burnout of this region will not lead to disruption of the accelerator, since it can be compensated by a small (up to 3%) increase in the voltage at the injector.
Все ячейки ускоряющего резонатора должны быть с высокой точностью настроены на единую резонансную частоту, которая соответствует частоте питающего СВЧ-генератора. Обычно требуемая точность настройки частоты ячеек составляет от 0,03% до 0,1%, что соответствует точности изготовления основных размеров ячеек от 0,01 мм до 0,03 мм. При изменении диаметра дрейфовых трубок, чтобы обеспечить настройку частоты, приходится изменять внешний диаметр ячейки, при этом каждая ячейка резонатора должна настраиваться индивидуально.All cells of the accelerating resonator must be tuned with high accuracy to a single resonant frequency, which corresponds to the frequency of the supply microwave generator. Typically, the required accuracy of the cell frequency adjustment is from 0.03% to 0.1%, which corresponds to the accuracy of the manufacture of the main cell sizes from 0.01 mm to 0.03 mm. When changing the diameter of the drift tubes, in order to adjust the frequency, it is necessary to change the outer diameter of the cell, and each cell of the resonator must be individually configured.
По технологическим причинам может оказаться более целесообразным производить увеличение диаметра апертуры ступенями, по группам дрейфовых трубок. При этом чем больше ступеней, тем выше эффективность ускоряющего резонатора и меньше потребляемая СВЧ-мощность, но тем сложнее процедура изготовления и настройки резонатора.For technological reasons, it may be more appropriate to increase the diameter of the aperture in steps, according to groups of drift tubes. Moreover, the more steps, the higher the efficiency of the accelerating resonator and the less microwave power consumed, but the more complicated the manufacturing and tuning of the resonator.
С целью дополнительного повышения стабильности работы катод инжектора может быть выполнен в форме кольца. Схема кольцевого катода показана на фиг.3. Она содержит кольцеобразный корпус катода (поз. 26) и нагреватель (поз. 27). На корпусе катода нанесен термоэмиссионный слой (поз. 28), который имеет форму кольца, в котором центральная часть вогнута, что необходимо для фокусировки пучка к оси. Чтобы основная часть электронов, возвращающихся из резонатора, не попадала на катод, внутренний диаметр кольцевого катода целесообразно выбирать равным или несколько больше внутреннего диаметра апертурного фильтра пучка. Корпус катода также может быть выполнен в виде целого цилиндра, на который нанесен кольцеобразный термоэмиссионный слой.In order to further increase the stability of operation, the cathode of the injector can be made in the form of a ring. The circuit of the ring cathode is shown in figure 3. It contains an annular cathode housing (key 26) and a heater (key 27). A thermionic layer (pos. 28) is applied to the cathode body, which has the shape of a ring in which the central part is concave, which is necessary for focusing the beam to the axis. In order to prevent the bulk of the electrons returning from the resonator from reaching the cathode, it is advisable to choose the inner diameter of the annular cathode equal to or slightly larger than the inner diameter of the beam aperture filter. The cathode body can also be made in the form of a whole cylinder, on which an annular thermionic emission layer is applied.
На фиг.4 показан линейный ускоритель электронов, в котором ось инжектора электронов направлена под некоторым углом к оси ускоряющего резонатора. Между инжектором и резонатором установлен поворотный магнит (поз. 30). Он создает поперечное магнитное поле, которое в данном случае направлено перпендикулярно плоскости чертежа. Это поле поворачивает траектории движения электронов, так что пучок переходит с оси инжектора на ось резонатора по криволинейному каналу (поз. 29). Электроны, возвращающиеся из резонатора, поворачиваются магнитом в другую сторону и не попадают на катод.Figure 4 shows a linear electron accelerator in which the axis of the electron injector is directed at a certain angle to the axis of the accelerating resonator. A rotary magnet (key 30) is mounted between the injector and the resonator. It creates a transverse magnetic field, which in this case is directed perpendicular to the plane of the drawing. This field rotates the trajectories of the electrons, so that the beam passes from the axis of the injector to the axis of the resonator along a curved channel (key 29). The electrons returning from the resonator are rotated by the magnet in the opposite direction and do not reach the cathode.
Следовательно, внедрение данного изобретения позволяет обеспечить следующие характеристики линейного ускорителя электронов:Therefore, the implementation of this invention allows to provide the following characteristics of a linear electron accelerator:
- большой темп ускорения электронов и малые размеры ускорителя;- high electron acceleration rate and small accelerator sizes;
- высокую эффективность использования СВЧ-мощности для ускорения электронов;- high efficiency of using microwave power to accelerate electrons;
- большой ток ускоренного пучка при малом количестве электронов, высаживающихся на апертуру канала ускорителя;- a large current of the accelerated beam with a small number of electrons deposited on the aperture of the accelerator channel;
- малую мощность бомбардировки катода обратными электронами и большую надежность и долговечность катода;- low power bombardment of the cathode by reverse electrons and greater reliability and durability of the cathode;
- экономию СВЧ-мощности и потребления электроэнергии;- saving microwave power and electricity consumption;
- малую величину вредной радиации от высаживающихся электронов.- a small amount of harmful radiation from the deposited electrons.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008138418/06A RU2392782C1 (en) | 2008-09-29 | 2008-09-29 | Linear electron accelerator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008138418/06A RU2392782C1 (en) | 2008-09-29 | 2008-09-29 | Linear electron accelerator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008138418A RU2008138418A (en) | 2010-04-10 |
| RU2392782C1 true RU2392782C1 (en) | 2010-06-20 |
Family
ID=42670760
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008138418/06A RU2392782C1 (en) | 2008-09-29 | 2008-09-29 | Linear electron accelerator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2392782C1 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8853636B2 (en) * | 2012-02-29 | 2014-10-07 | Elekta Ab (Publ) | Linear accelerators |
-
2008
- 2008-09-29 RU RU2008138418/06A patent/RU2392782C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| М.Стенли Левингстон, Ускорители, изд. Иностранной литературы, Москва, 1956, стр.88. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008138418A (en) | 2010-04-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3427553B1 (en) | Hybrid standing wave/traveling wave linear accelerators for providing accelerated charged particles or radiation beams and method with the same | |
| US8203289B2 (en) | Interleaving multi-energy x-ray energy operation of a standing wave linear accelerator using electronic switches | |
| US10015874B2 (en) | Hybrid standing wave linear accelerators providing accelerated charged particles or radiation beams | |
| US3463959A (en) | Charged particle accelerator apparatus including means for converting a rotating helical beam of charged particles having axial motion into a nonrotating beam of charged particles | |
| KR102340172B1 (en) | Free electron laser radiation source for the euv | |
| RU2452143C2 (en) | Method of generating deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for realising said method | |
| Kutsaev et al. | Electron linac with deep energy control for Adaptive Rail Cargo Inspection System | |
| RU2392782C1 (en) | Linear electron accelerator | |
| Hirshfield et al. | Multimegawatt cyclotron autoresonance accelerator | |
| RU2529372C2 (en) | Linear electron accelerator | |
| Allen et al. | Relativistic klystron research for high gradient accelerators | |
| Ghoutia et al. | Production of high power by using gyrotron device for electron cyclotron resonance heating in tokamak reactor | |
| Alesini | Linear accelerators | |
| Nguyen et al. | Photoinjectors, Emittance Revisited, Photoinjector Design & Optimization [Slides] | |
| Bandurkin et al. | Photoinjector in IAP RAS: State and Prospects | |
| Belugin et al. | Self-shielded electron linear accelerators designed for radiation technologies | |
| Labrie et al. | AECL IMPELA electron beam industrial irradiators | |
| Vretenar | Differences between electron and ion linacs | |
| Valuch | Radio frequency systems of the CERN synchrotron accelerators | |
| Ungrin et al. | IMPELA: an industrial accelerator family | |
| Tanaka et al. | Development Of An Injector To Generate A Very Short Bunch For A Super Coherent Teraherz Light Source Project | |
| JP2001052896A (en) | Particle accelerating and accumulating device | |
| RU118156U1 (en) | LINEAR RESONANCE ELECTRON ACCELERATOR | |
| Pichoff | Rf linac structures | |
| PATERSON et al. | RELATIVISTIC KLYSTRON RESEARCH FOR LINEAR COLLIDERSt |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140930 |