СИСТЕМЫ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ
SYSTEM OF LINEAR ELECTRON ACCELERATORS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области ускорителей, в частности к области медицинских и промышленных ускорителей.
Уровень техники
Технология двухэнергетического линейного ускорителя электронов широко применяется в системах контроля с формированием изображений, таких как системы досмотра багажа/транспортных средств и т.п. Соответствующие вещества могут дифференцироваться за счет разницы между характеристиками затухания лучей жесткого (высокоэнергетического) и мягкого (низкоэнергетического) рентгеновского излучения, проходящих через материалы с разными атомными коэффициентами поглощения. Двухэнергетическая рентгеновская система контроля требует испускания пучка на двух энергетических уровнях. Так как частота повторения обычно составляет порядка 100 Гц, переключение энергии должно осуществляться в течение миллисекунд. Линейный ускоритель электронов обычно включает в себя такие подсистемы, как источник СВЧ-излучения, система передачи СВЧ-излучения, электронная пушка, ускорительная трубка и т.п. Существующие способы регулировки энергии в ускорителе обычно подразумевают изменение энергии путем 1) изменения величины микроволновой мощности, вводимой в ускоритель; 2) изменения величины нагрузки пучка в ускорителе и 3) изменения схемы распределения части электромагнитного поля в ускорителе за счет конструкции системы ускорения, спроектированной соответствующим образом.
При использовании способа 1) может быть легко осуществимо прямое изменение величины энергии источника СВЧ-излучения, вводимой в ускоритель. Однако если переключение выходной мощности, передаваемой источником СВЧ-излучения, происходит слишком быстро, это может привести к изменению частоты и неустойчивости выходной мощности источника СВЧ-излучения. При использовании способа 2) нагрузка пучка ускорителя регулируется путем изменения тока эмиссии электронной пушки, а энергия пучка электронов уменьшается за счет поглощения большей СВЧ-мощности более интенсивным пучком. Однако поскольку мощность дозы излучения напрямую зависит от интенсивности пучка, регулирование параметра будет менее гибким; вместе с тем также повышается нагрузка на электронную пушку.
При использовании способа 3) конструкция системы ускорения, как правило, характеризуется высокой сложностью; и обычно требуется регулировка структуры физического оборудования ускорительной трубки с тем, чтобы можно было регулировать распределение поля в ускорителе с замедленным временным откликом.
Способ регулирования энергии может быть в дальнейшем усовершенствован на базе способа 1. Улучшенный способ подразумевает изменение СВЧ-мощности, вводимой в ускорительную трубку; при этом источник СВЧ-излучения продолжает работать в том же режиме, обеспечивая согласованность частот источника СВЧ-излучения на двух энергетических уровнях и устойчивость выходной мощности. Для реализации этого технического решения необходимо добавить систему передачи СВЧ-излучения, которая могла бы обеспечивать быстрое коммутирование затухания или усиления между ускорительной трубкой и источником СВЧ-излучения.
В заявке на патент США №20100039051 описан способ, основанный на использовании двойного волноводного тройника. Одно из плеч двойного волноводного тройника соединено с фазовращателем. Ввод мощности в ускорительную трубку регулируется путем быстрого изменения фазы отражения плеча с целью изменения коэффициента деления мощности, поданной на два выходных порта, во время суммирования мощности с другим плечом. Однако этот способ действенен только в режиме стоячей волны с полным отражением; при этом нагрузочная способность по мощности будет ограничена, а нагрузка на циркулятор будет очень высокой. Кроме того, полученная с помощью этого способа выходная мощность будет всегда меньше мощности источника энергии.
Раскрытие изобретения
Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы создать систему линейного ускорителя электронов, которая может обеспечить выход на более чем двух энергетических уровнях с возможностью быстрого изменения выходной энергии пучка электронов.
В одном из аспектов настоящего изобретения предусмотрена система линейного ускорителя электронов, включающая в себя следующие элементы: первый делитель мощности, содержащий первый порт, второй порт и третий порт (при этом СВЧ-излучение подается в первый порт, а первый СВЧ-пучок и второй СВЧ-пучок с одинаковой амплитудой и фазой исходят из второго и третьего портов); первый сумматор мощностей, содержащий симметричные первый и второй порты и симметричные третий и четвертый порты (при этом второй порт первого сумматора мощностей соединен с третьим портом первого делителя мощности); второй сумматор мощностей, содержащий симметричные первый и второй порты и симметричные третий и четвертый порты (при этом четвертый порт второго сумматора мощностей соединен с четвертым портом первого сумматора мощностей); второй делитель мощности, содержащий первый порт, второй порт и третий порт (при этом третий порт второго делителя мощности соединен со вторым портом второго сумматора мощностей, а СВЧ-излучение подается на второй порт и третий порт второго делителя мощности и на выход первого порта второго делителя мощности); и ускорительную трубку, содержащую входной порт для приема пучка электронов и порт для ввода микроволнового излучения, соединенный с первым портом второго делителя мощности (при этом пучок электронов разгоняется СВЧ-излучением, подаваемым на порт для ввода микроволнового излучения); при этом система линейного ускорителя электронов также включает в себя: первый фазовращатель, предусмотренный между вторым портом первого делителя мощности и первым портом первого сумматора мощностей; второй фазовращатель, предусмотренный между первым портом второго сумматора мощностей и вторым портом второго делителя мощности; и регулятор мощности, предусмотренный между третьим портом первого сумматора мощностей и третьим портом второго сумматора мощностей (при этом первый фазовращатель и второй фазовращатель изменяют величину фазового сдвига синхронно и осуществляют переключение с величины фазового сдвига в 0 градусов на величину фазового сдвига в 180 градусов и обратно с заданной частотой; в случае если величина фазового сдвига составляет 0 градусов, система линейного ускорителя электронов функционирует в первом режиме, а в случае если величина фазового сдвига составляет 180 градусов, система линейного ускорителя электронов функционирует во втором режиме).
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения регулятор мощности представляет собой компрессор импульсов, уменьшающий длительность микроволнового импульса и повышающий пиковую мощность, или усилитель, повышающий мощность микроволнового импульса.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения регулятор мощности представляет собой аттенюатор или делитель мощности, предназначенный для уменьшения мощности микроволнового импульса.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения в первом режиме микроволновое излучение исходит из третьего порта первого сумматора мощностей, после чего его мощность регулируется регулятором мощности, а затем оно подается на третий порт второго сумматора мощностей; два сигнала с одинаковой фазой исходят из первого порта и второго порта и подаются, соответственно, на второй порт и третий порт второго делителя мощности; а совокупное СВЧ-излучение исходит из первого порта второго делителя мощности.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения во втором режиме микроволновое излучение исходит из четвертого порта первого сумматора мощностей и подается на четвертый порт второго сумматора мощностей; два сигнала с противоположными фазами исходят из первого порта и второго порта, затем выполняется их фазовый сдвиг с помощью второго переменного фазовращателя с тем, чтобы оба сигнала имели одинаковую фазу, после чего эти сигналы подаются, соответственно, на второй порт и третий порт второго делителя мощности; а совокупное СВЧ-излучение исходит из первого порта второго делителя мощности.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения первый делитель мощности и второй делитель мощности представляют собой Е-плоскостные Т-образные волноводные разветвители, Н-плоскостные Т-образные волноводные разветвители или двойные волноводные тройники.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения первый сумматор мощностей и второй сумматор мощностей представляют собой двойные волноводные тройники или -3 дБ направленные ответвители.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения первый и второй фазовращатели представляют собой фазовращатели, управляемые напряжением, а линии передачи управляющего тока первого фазовращателя и второго фазовращателя соединены последовательно.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения первый и второй фазовращатели представляют собой фазовращатели, управляемые напряжением, а линии передачи управляющего тока первого фазовращателя и второго фазовращателя соединены параллельно.
За счет описанных выше технических решений по осуществлению настоящего изобретения повышена устойчивость двух микроволновых импульсов с разной амплитудой, вводимых в ускорительную трубку, что улучшает рабочие характеристики быстродействующего двухэнергетического ускорителя.
Краткое описание чертежей
Прилагаемый чертеж, указанный ниже, иллюстрирует варианты реализации настоящего изобретения. Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированные прилагаемым чертежом и примерами реализации, не носят ограничительного или исчерпывающего характера.
На Фиг. 1 показана структурная схема системы линейного ускорителя электронов на предшествующем уровне техники.
Перечень ссылочных позиций
1: Источник или генератор СВЧ-излучения
2: Первый делитель мощности
3: Первый переменный фазовращатель
4: Первый сумматор мощностей
5: Регулятор мощности
6: Второй сумматор мощностей
7: Второй переменный фазовращатель
8: Второй делитель мощности
9: Ускорительная трубка
21, 22 и 23: Порты
41, 42, 43 и 44: Порты
61, 62, 63 и 64: Порты
81, 82 и 83: Порты
91: Порты
Осуществление изобретения
Конкретные варианты осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны ниже. Следует отметить, что описанные здесь варианты осуществления настоящего изобретения приведены исключительно в качестве примера и не ограничивают объем настоящего изобретения. В нижеследующем описании представлено множество конкретных деталей, обеспечивающих полное понимание сути настоящего изобретения. Однако специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что настоящее изобретение может быть осуществлено и без указанных деталей. В прочих примерах широко используемые цепи, материалы или способы подробно не описаны с тем, чтобы не затруднять понимание настоящего изобретения.
Встречающиеся по всему описанию настоящего изобретения ссылки на «один из вариантов», «вариант», «один из примеров» или «пример» означают, что конкретные признаки, конструкции или характеристики, описанные в отношении какого-либо варианта или примера осуществления настоящего изобретения, включены, по меньшей мере, в один из вариантов осуществления настоящего изобретения. Следовательно, фразы «согласно одному из вариантов», «в одном из вариантов», «в одном из примеров» или «в примере», разбросанные по всему описанию настоящего изобретения, могут не относиться к одному и тому же варианту или примеру осуществления настоящего изобретения. Более того, характерные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены в одну или несколько комбинаций и/или подкомбинаций в одном или нескольких вариантах или примерах осуществления настоящего изобретения. Помимо этого, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что термин «и/или», используемый в настоящей заявке, означает любые возможные комбинации одной или нескольких связанных позиций, перечисленных выше.
Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения используется система СВЧ-излучения с двумя трактами, выполненная с возможностью быстрого переключения. В системе СВЧ-излучения с двумя трактами один тракт может быть напрямую соединен с ускорительной трубкой, а второй тракт может быть подведен к ускорительной трубке после того, как величина мощности СВЧ-излучения будет изменена устройством регулирования мощности, таким как аттенюатор, делитель мощности, компрессор импульсов или даже усилитель и т.п., для обеспечения быстрого переключения мощности, вводимой в ускорительную трубку, и регулирования выходной энергии ускорителем. Таким образом, может быть предложен линейный ускоритель электронов, обеспечивающий выход на более чем двух энергетических уровнях с возможностью быстрого изменения выходной энергии пучка электронов в течение миллисекунд.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения выход СВЧ-мощности по двум трактам коммутируется с использованием быстро регулируемых переменных фазовращателей и сумматоров. После этого изменение мощности по двум трактам происходит по-разному. Например, в одном тракте мощность изменяется определенными устройствами, такими как компрессор импульсов, аттенюатор, делитель мощности и т.п., а в другом тракте мощность выводится напрямую. Микроволновое излучение в этих двух трактах коммутируется симметричными фазовращателями и сумматорами, после чего вводится в ускорительную трубку. Два фазовращателя изменяют фазовый сдвиг синхронно; при этом они могут использовать общую систему управления. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения оба указанных фазовращателя представляют собой фазовращатели, управляемые напряжением или током. Что касается фазовращателей, управляемых током, то здесь осуществляется регулировка управляющего тока двух фазовращателей, который должен быть одинаковым. Например, для обеспечения согласованного изменения фаз обоими фазовращателями линии передачи управляющего тока фазовращателей соединены последовательно. Что касается фазовращателей, управляемых напряжением, то здесь осуществляется регулировка управляющего напряжения двух фазовращателей, которое должно быть одинаковым. Например, для обеспечения согласованного изменения фаз этими фазовращателями линии передачи управляющего тока фазовращателей соединены параллельно.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения используются фазовращатели, управляемые электроникой, в которых фазовый сдвиг может быть реализован в течение миллисекунд, благодаря чему переключение выходного СВЧ-излучения происходит также в течение миллисекунд.
На Фиг. 1 показана структурная схема системы линейного ускорителя электронов на предшествующем уровне техники. Как показано на Фиг. 1, система линейного ускорителя электронов включает в себя первый делитель 2 мощности, первый переменный фазовращатель 3, первый сумматор 4 мощности, регулятор 5 мощности, второй сумматор 6 мощности, второй переменный фазовращатель 7 и второй делитель 8 мощности. Система принимает микроволновое излучение от источника 1 СВЧ-излучения, осуществляет переключение между двумя модами и подает микроволновое излучение на разных модах в ускорительную трубку 9 для разгона пучка электронов, который был подан на порт для ввода пучка электронов ускорительной трубки 9, в результате чего реализуется вывод пучка ускоренных электронов, по меньшей мере, на двух энергетических уровнях.
Первый делитель 2 мощности содержит первый порт 21, второй порт 22 и третий порт 23. Источник 1 СВЧ-излучения подает микроволновое излучение на первый порт 21, после чего первый СВЧ-пучок и второй СВЧ-пучок с одинаковой амплитудой и фазой отводятся через второй порт 22 и третий порт 23.
Первый сумматор 4 мощностей содержит симметричные порты 41 и 42 (первый и второй, соответственно), а также симметричные порты 43 и 44 (третий и четвертый, соответственно). Второй порт 42 первого сумматора 4 мощностей связан с третьим портом 23 первого делителя 2 мощности.
Второй сумматор 6 мощностей содержит симметричные порты 61 и 62 (первый и второй, соответственно), а также симметричные порты 63 и 64 (третий и четвертый, соответственно). Четвертый порт 64 второго сумматора 6 мощностей связан с четвертым портом 44 первого сумматора 4 мощностей.
Второй делитель 8 мощности содержит первый порт 81, второй порт 82 и третий порт 83. Третий порт 83 второго делителя 8 мощности соединен со вторым портом 62 второго сумматора 6 мощностей. Микроволновое излучение подается на второй порт 82 и третий порт 83 второго делителя 8 мощности, а отводится через первый порт 81 второго делителя 8 мощности. Ускорительная трубка 9 содержит порт для ввода пучка электронов (не показан), предназначенный для приема пучка электронов, и порт 91 для ввода микроволнового излучения, связанный с первым портом 81 второго делителя 8 мощности. Пучок электронов ускоряется микроволновым излучением, поданным на порт 91 для ввода микроволнового излучения.
Система линейного ускорителя электронов также включает в себя первый переменный фазовращатель 3, второй переменный фазовращатель 7 и регулятор мощности 5. Первый переменный фазовращатель 3 предусмотрен между вторым портом 22 первого делителя 2 мощности и первым портом 21 первого сумматора 4 мощностей. Второй фазовращатель 7 предусмотрен между первым портом 61 второго сумматора 6 мощностей и вторым портом 82 второго делителя 8 мощности. Регулятор мощности 5 предусмотрен между третьим портом 43 первого сумматора 4 мощностей и третьим портом 63 второго сумматора 6 мощностей. Первый переменный фазовращатель 3 и второй переменный фазовращатель 7 изменяют величину фазового сдвига синхронно и осуществляют переключение с величины фазового сдвига в 0 градусов на величину фазового сдвига в 180 градусов и обратно с заданной частотой. В случае если величина фазового сдвига составляет 0 градусов, система линейного ускорителя электронов функционирует в первом режиме, а в случае если величина фазового сдвига составляет 180 градусов, система линейного ускорителя электронов функционирует во втором режиме.
На блок-схеме системы, представленной на Фиг. 1, в качестве первого делителя 2 мощности и второго делителя 8 мощности выбраны Е-плоскостные Т-образные волноводные разветвители. В качестве первого сумматора 4 мощностей может быть использован двойной волноводный тройник. Что касается входных сигналов, которые подаются на порты 41 и 42, то они суммируются, и сумма входных сигналов, переданных на порты 41 и 42, отводится через порт 43, а разница между указанными входными сигналами отводится через порт 44. Что касается входного сигнала, поданного на порт 43, то сигналы с одинаковой амплитудой и фазой отводятся, соответственно, через порт 41 и порт 42. Что касается входного сигнала, поданного на порт 44, то сигналы с одинаковой амплитудой, но противоположными фазами отводятся также, соответственно, через порт 41 и порт 42. Подобным же образом в качестве второго сумматора 6 мощностей может быть использован двойной волноводный тройник. Что касается входных сигналов, которые подаются на порты 61 и 62, то они суммируются, и сумма входных сигналов, переданных на порты 61 и 62, отводится через порт 63, а разница между указанными входными сигналами отводится через порт 64. Что касается входного сигнала, поданного на порт 63, то сигналы с одинаковой амплитудой и фазой отводятся, соответственно, через порт 61 и порт 62. Что касается входного сигнала, поданного на порт 64, то сигналы с одинаковой амплитудой, но противоположными фазами отводятся также, соответственно, через порт 61 и порт 62.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения в качестве регулятора 5 мощности выбран компрессор импульсов, уменьшающий длительность СВЧ-импульса и повышающий пиковую мощность. Входная мощность от источника 1 микроволнового излучения делится Е-плоскостным Т-образным волноводным разветвителем на два сигнала с одинаковой амплитудой и фазой.
В первом режиме, когда величина фазового сдвига первого переменного фазовращателя 3 и второго переменного фазовращателя 7 составляет 0 градусов, микроволновое излучение исходит из порта 43 первого сумматора 4 мощностей, затем сжимается регулятором 5 мощности, после чего подается на порт 63 второго сумматора 6 мощностей. Два сигнала с одинаковой фазой исходят из портов 61 и 62. Поскольку величина фазового сдвига второго переменного фазовращателя 7 составляет 0 градусов, микроволновой импульс вводится в ускорительную трубку через второй делитель 8 мощности. Поскольку микроволновое излучение сжимается регулятором 5 мощности, пиковая мощность микроволновых импульсов увеличивается и на этой стадии ускоритель работает на низкоэнергетическом уровне.
Во втором режиме, когда величина фазового сдвига первого переменного фазовращателя 3 и второго переменного фазовращателя 7 составляют 180 градусов, микроволновое излучение исходит из порта 44 первого сумматора 4 мощностей, а затем вводится непосредственно в порт 64 второго сумматора 6 мощностей. Два сигнала с противоположными фазами исходят из портов 61 и 62. Поскольку величина фазового сдвига второго переменного фазовращателя 7 составляет 180 градусов, эти два сигнала становятся синфазными и микроволновой импульс вводится в ускорительную трубку 9 через второй делитель 8 мощности. На этой стадии ускоритель работает на низкоэнергетическом уровне.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения в качестве первого делителя 2 мощности и второго делителя 8 мощности могут быть также выбраны Н-плоскостные Т-образные разветвители или двойные волноводные тройники. В качестве первого сумматора 4 мощностей и второго сумматора 6 мощностей могут быть также выбраны -3 дБ направленные ответвители (90-градусные сумматоры). В качестве регулятора 5 мощности может быть также выбран аттенюатор. На этой стадии первый режим будет соответствовать низкоэнергетическому уровню, а второй режим будет соответствовать высокоэнергетическому уровню.
Хотя настоящее изобретение описано в привязке к нескольким типовым вариантам его осуществления, следует понимать, что такое описание носит исключительно иллюстративный и разъяснительный характер, не ограничивающий объем изобретения. Так как настоящее изобретение может быть осуществлено в различных формах без отступления от его существа и объема, следует понимать, что указанные варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены какими-либо вышеизложенными сведениями и должны толковаться расширительно в пределах сущности и объема изобретения, определенных его формулой. Таким образом, объем настоящего изобретения, который определен прилагаемой формулой, должен охватывать модификации и изменения, подпадающие под формулу настоящего изобретения и ее эквиваленты.