ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ
LINEAR ELECTRON ACCELERATOR

Область техники, к которой относится изобретение
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.
Уровень техники
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
Расчеты показывают, что остальную часть пучка электронов можно разделить на три категории:
- часть электронов останавливается, медленно дрейфует во все стороны и высаживается на стенки резонатора, обладая малой энергией;
- 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;
- 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.
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.
Раскрытие изобретения
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Применение легкосъемного апертурного фильтра пучка дает возможность подбирать экспериментально оптимальные параметры фильтра и пучка электронов на входе и выходе ускоряющего резонатора.
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.
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.
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.
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.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - линейный ускоритель электронов. Вид сбоку в разрезе.
Фиг.2 - начальная часть ускорителя в увеличенном масштабе.
Фиг.3 - катод кольцевой формы. Виды спереди и сбоку в разрезе.
Фиг.4 - линейный ускоритель электронов, содержащий поворотный магнит между инжектором и резонатором.
Осуществление изобретения
Линейный ускоритель электронов, показанный на фиг.1, содержит следующие устройства:
- инжектор электронов, содержащий источник электронов 1 и высоковольтный изолятор 2;
- апертурный фильтр пучка 3;
- ускоряющий резонатор, содержащий ячейки 4 и с 6 по 21;
- питающий волновод 23;
- сверхвысокочастотный генератор 24;
- устройства питания и управления 25.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Следовательно, внедрение данного изобретения позволяет обеспечить следующие характеристики линейного ускорителя электронов:
- большой темп ускорения электронов и малые размеры ускорителя;
- высокую эффективность использования СВЧ-мощности для ускорения электронов;
- большой ток ускоренного пучка при малом количестве электронов, высаживающихся на апертуру канала ускорителя;
- малую мощность бомбардировки катода обратными электронами и большую надежность и долговечность катода;
- экономию СВЧ-мощности и потребления электроэнергии;
- малую величину вредной радиации от высаживающихся электронов.