ИСТОЧНИК РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ЦИКЛОТРОННЫМ АВТОРЕЗОНАНСОМ
X-RAY SOURCE WITH CYCLOTRON AUTORESONANCE

Предлагаемое устройство относится к электронной и ускорительной технике, в частности к непрерывным ускорителям электронов - источникам тормозного рентгеновского излучения для промышленного применения, например, в области радиационной обработки пищевых продуктов, пластических материалов и стерилизации медицинского оборудования.
Традиционные источники рентгеновского излучения (рентгеновские трубки) генерируют пучки с энергией в диапазоне 50-150 КэВ (мягкие рентгеновские лучи). В этих источниках электроны ускоряются стационарным электрическим полем до тех пор, пока не столкнутся с термостойкой мишенью. Эти рентгеновские источники требуют высокого напряжения питания, которые являются громоздкими и тяжелыми. Значительно снизить уровень напряжения питания позволяет применение высокочастотного принципа ускорения электронов.
Во многих ускорителях электронов промышленного применения, использующихся в установках радиационной обработки материалов, применяется способ ускорения электронов, сгруппированных в электронные сгустки, в резонансных структурах с продольным высокочастотным электрическим полем [1]. Принципиальные ограничения, возникающие при применении подобных структур, связаны с нелинейным характером сил пространственного заряда, приводящих к проблемам захвата и удержания электронов в ускоряющих фазах продольного электрического поля электромагнитной волны, и, как следствие, к необходимости резкого уменьшения плотности пространственного заряда и, соответственно, тока электронного пучка до сотых и тысячных долей ампера.
В поперечно-волновых устройствах СВЧ с циклотронным резонансом используется взаимодействие электронного пучка с поперечным высокочастотным электрическим полем резонатора в резонансном магнитном поле внешней магнитной системы. В результате возбуждается циклотронное вращение всего электронного пучка без образования электронных сгустков. При этом плотность пространственного заряда пучка не модулируется и остается на начальном уровне. В резонаторе поперечное электрическое высокочастотное поле возбуждается между двумя ламелями, расположенными вдоль оси резонатора и образующими конденсаторный зазор, в котором распространяется электронный пучок. Внешняя магнитная система обеспечивает циклотронное вращение электронов с частотой, совпадающей с частотой высокочастотного поля. В результате взаимодействия электронов с высокочастотным полем резонатора и магнитным полем внешней системы энергия СВЧ источника, возбуждающего резонатор, преобразуется в кинетическую энергию вращательного движения электронного пучка на циклотронной частоте.
На принципах поперечного взаимодействия электромагнитного поля с электронным пучком создан широкий класс современных СВЧ устройств, включающий как электроннолучевые параметрические и электростатические усилители, циклотронные защитные устройства, лампы с бегущей циркулярно-поляризованной волной, циклотронные преобразователи энергии (ЦПЭ) и ряд других, которые можно считать аналогами предлагаемой конструкции [2-6]. Необходимо отметить высокую эффективность поперечного взаимодействия электромагнитного поля с электронным пучком - в циклотронных преобразователях энергии был получен КПД более 80% при уровне входной СВЧ мощности 10 киловатт [7].
В модели ускорителя электронов [8], состоящего из магнитной системы, формирующей магнитное поле, электронной пушки, формирующей электронный пучок, резонатора с линейно поляризованным поперечным высокочастотным электрическим полем и области спадающего магнитного поля, преобразование энергии внешнего СВЧ сигнала в энергию вращательного движения электронов на частоте циклотронного резонанса (В0 - индукция магнитного поля, е, m - соответственно заряд и масса ускоряемой частицы) осуществляется в постоянном однородном на длине резонатора магнитном поле В0. Однако постоянство магнитного поля В0 существенно ограничивает возможности такого ускорителя из-за релятивистского возрастания массы электрона и выхода электронов из условий циклотронного резонанса в конце резонатора.
В опубликованных работах [9, 10] теоретически изучены процессы авторезонансного ускорения электронов, распространяющихся вдоль статического и неоднородного магнитного поля, в высокочастотном поле цилиндрического резонатора с модой ТЕ11р (р=1, 2, 3,.). Полученные результаты были использованы в предложенном компактном источнике рентгеновского излучения [11], содержащем дополнительные компоненты, такие как: система связи для инжекции СВЧ-энергии, оконная система для поддержания вакуума в полости устройства, система защиты СВЧ-генератора от отраженных микроволн, система поддержания режима круговой поляризации моды ТЕ11р в полости резонатора, мишень с каналами охлаждения и ее позиционирования, а также окно для извлечения рентгеновских лучей.
11Р
10
В качестве прототипа предлагаемого устройства можно рассматривать компактный электровакуумный источник рентгеновского излучения с циклотронном авторезонансом [11], способный производить жесткое рентгеновское излучение с заявленной энергией выше 200 кэВ и с не меньшей интенсивностью, чем у традиционных источников рентгеновского излучения. В заявляемом источнике электроны, инжектированные в цилиндрический резонатор, ускоряются в СВЧ поле моды ТЕ (р=1, 2, 3...) с линейной или круговой поляризацией. Однако поперечное сечение резонатора также может быть прямоугольным с модой ТЕр, где р=1,2,3….
Для поддержания режима авторезонанса циклотронного движения электронов по спиральным траекториям с СВЧ полем внутри резонатора вдоль его длины формируется неоднородное статическое магнитное поле, интенсивность которого возрастает вдоль оси резонатора в соответствие с генерируемой энергией инжекции пучка и амплитудой СВЧ-поля. Электронный пучок ускоряется в условиях циклотронного авторезонанса в резонаторе вплоть до его попадания в мишень, расположенной в концевой области резонатора таким образом, что электроны, двигающиеся по спиральным траекториям с возрастающим радиусом, сталкиваются с мишенью, расположенной внутри полости резонатора. В результате столкновения энергия ускоренного движения электронов преобразуется в энергию тормозного рентгеновского излучения, которое выводится через вакуумное окно на боковой поверхности резонатора.
Однако заявленная в [11] энергия жесткого рентгеновского излучения (выше 200 кэВ при потенциалах инжекции пучка 8-10 кВ) не может быть получена, т.к. проведенные в [6, 7] расчеты процессов циклотронного ускорения электронов не учитывали их взаимодействия с высокочастотной компонентой СВЧ поля в резонаторе, действие которой становится значительным при возрастании скоростей циклотронного вращения электронов до релятивистских значений. В результате в концевой области резонатора, где скорости электронов достигают релятивистских значений, а поперечная высокочастотная магнитная компонента максимальна, действие магнитной силы на вращающиеся электроны будет направлено против их осевого движения, что может приводить к их торможению, вплоть до полной остановки и повороту электронов [12].
Существенно снизить (в 5-10 раз) влияние этого эффекта возможно благодаря применению другого типа резонатора - резонатора с ламелями и емкостным зазором, используемого в предлагаемой конструкции рентгеновского источника с циклотронным авторезонансом по п. 1.
Подобный резонатор использовался ранее в вышеупомянутом циклотронном преобразователе (ЦПЭ) [4]. Однако в [4] предлагается устройство для получения энергии постоянного тока в результате преобразования СВЧ энергии, возможность же получения рентгеновского излучения с использованием резонатора с ламелями и емкостным зазором до настоящего времени не рассматривалась, что показывает техническую новизну предлагаемой конструкции.
Предлагается рентгеновский источник с циклотронным авторезонансом, в котором СВЧ энергия от внешних источников последовательно преобразуется в энергию циклотронного вращения электронов, а затем в энергию рентгеновского тормозного излучения в результате соударения ускоренных электронов с поверхностью цилиндрической мишени, расположенной за резонатором.
Схема предлагаемого рентгеновского источника с циклотронным авторезонансом показана на рис. 1.
Предлагаемое по п. 1 устройство содержит электронную пушку (1), формирующую электронный пучок (2), распространяющийся в емкостном зазоре резонатора (3), образуемом плоскими ламелями (4). Электрическая компонента СВЧ поля в таком резонаторе сосредоточена, в основном, в емкостном зазоре между ламелями, а магнитная компонента - в областях вокруг ножек ламелей (5), через которые не проходит электронный пучок. Под действием СВЧ поля в зазоре резонатора и резонансного магнитного поля, создаваемого магнитной системой (10а и 106), электроны пучка приобретают циклотронное вращение с радиусом, нарастающим по мере продвижения электронов вдоль резонатора. При этом энергия СВЧ колебаний, вводимых в резонатор через устройство ввода (6), преобразуется в кинетическую энергию циклотронного вращения электронов пучка, которая может существенно (в 10-12 раз [7]) превосходить начальную энергию инжекции электронов. В процессе ускорения электронов скорости их циклотронного вращения могут достигать релятивистских значений, что приводит к увеличению массы электронов и нарушению условий циклотронного резонанса. Для сохранения условий циклотронного резонанса вдоль всей длины резонатора магнитная система содержат несколько секций (10а, 10б), обеспечивающих увеличение магнитного поля по мере роста релятивистской массы электронов (циклотронный авторезонанс). Выходящий из резонатора электронный пучок подвергается воздействию магнитного поля, создаваемого концевыми секциями магнитной системы (10в), и осаждается на боковую поверхность цилиндрической (или конической) мишени из тугоплавких материалов (7), охлаждаемой с помощью системы охлаждения (8). В силу циклотронного вращения электронов пучка «пятно оседания» распределяется по всей боковой поверхности мишени, что исключает необходимость в устройствах для развертки электронного пучка, применяемых в линейных ускорителях. В результате соударения электронов с мишенью (7) генерируется тормозное рентгеновское излучение, выводимое из устройства через окно (9). Площадь соударения электронов с мишенью и диаграмма направленности рентгеновского излучения может оптимизироваться магнитным полем концевых секций магнитной системы (10в).
Техническим результатом предлагаемого устройства является возможность разработки источника рентгеновского излучения импульсного или непрерывного действия с энергией электронов 150-250 КэВ, током пучка 0,5-1 А и мощности тормозного рентгеновского излучения 5-10 кВт.
Патентуется устройство:
П.1 Источник рентгеновского излучения с циклотронным авторезонансом, состоящий из электронной пушки, формирующей электронный пучок, резонатора с ламелями и емкостным зазором, осуществляющим преобразование энергии подводимых СВЧ колебаний в энергию циклотронного вращения электронов, секций магнитной системы, обеспечивающих циклотронный авторезонанс вдоль длины резонатора по мере нарастания релятивистской массы электронов, мишени, на которую осаждается электронный пучок, и окно вывода рентгеновского излучения,
отличающийся тем, что
- мишень расположена за резонатором и имеет форму полого цилиндра или полого конуса, на внутреннюю поверхность которого осаждается электронный пучок, а на внешней поверхности которого расположена система охлаждения,
- окно вывода рентгеновского излучения расположено в торце цилиндрической (или конической) мишени,
- имеются концевые секции магнитной системы, создающие магнитное поле, обеспечивающее оседание электронов на мишень, причем в силу циклотронного вращения электронов «пятно оседания» распределяется по всей боковой поверхности мишени, а площадь соударения электронов с мишенью и диаграмма направленности рентгеновского излучения может оптимизироваться магнитным полем концевых секций магнитной системы.
Источники информации
1. Лебедев А.Н., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей. М. 1981 г.
2. Банке В. А. Поперечные волны электронного потока в микроволновой электронике. // УФН, т. 175, №9. 2003 г.
3. Банке В.А., Зайцев А.А., Лопухин В.М., Саввин В.Л. К анализу физических процессов в переходной области циклотронного преобразователя энергии // Радиотехника и электроника, 1978, том 23, №6, с. 1217.
4. Будзинский Ю.А. и др. Патент RU 2119691
5. Банке В.А., Коннов А.В., Саввин В.Л. ЛБВ с циркулярно поляризованным полем // Электронная техника, сер. Электроника СВЧ, 1987, №4(398), с. 20.
6. В.Л. Саввин, Г.М. Казарян, А.В. Коннов, Д.А. Михеев, А.В. Пеклевский Пространственный заряд и рекуперация энергии в циклотронном преобразователе // Журнал радиоэлектроники, 2011, №11, с. 1.
7. Банке В.А., Лопухин В.М., Росновский В.К., Саввин В.Л., Сигорин К.И. О наземном приемно-преобразующем комплексе солнечных космических энергосистем // Радиотехника и электроника, 1982,том 27, №5, с. 1014.
8 Никитин А.П., Коннов А.В., Милорадова Т.В., Солдатова Е.К.. // Ускоритель электронов, Патент RU 128057 U1, 02.04.2012.
9. Dougar-Jabon V., Orozco Е., Umnov А. // PHYSICAL REVIEW SPECIAL TOPICS -ACCELERATORS AND BEAMS 11, 041302 (2008).
10. Dugar-Zhabon, Orozco E., Three-Dimensional Particle-In-Cell Simulation of Spatial Autoresonance Electron-Beam Motion // IEEE Transaction on Plasma Science, 38 No. 10, (2010) 2980-2984.
11. Dugar-Zhabon, Orozco E., // US Patent for Compact self-resonant X-ray source (Patent US 9,666,403 B2)
12. Саввин В.Л., Казарян Г.М., Михеев Д.М., Пеклевский А.В., Шуваев И.И. О влиянии магнитных компонент высокочастотного поля при пространственном циклотронном авторезонансе // Изв. РАН. Серия физическая, 2019, т. 83, №1, с. 54.