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 и медицинских отходов, 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.
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, расположенных на одной оси, 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. Эта бипериодическая структура имеет минимальные поперечные размеры по сравнению с другими известными структурами, что чрезвычайно важно для установки с локальной защитой.
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 и Андреев Н.В., Белугин В.М., Пироженко В.М., Розанов Н.Е. "Линейный ускоритель". Патент РФ №2392782). Ускоритель, описанный в патенте 2392782, можно рассматривать в качестве прототипа.
Предложенный ускоритель позволяет получить большую мощность электронного пучка и соответственно высокую производительность стерилизационной или инспекционной установки за счет введения в конструкцию ускорителя апертурного фильтра и постепенного или ступенчатого увеличения диаметра апертуры в дрейфовых трубках. Конструкция резонатора такого ускорителя и параметры электронного пучка рассчитываются исходя из мощности СВЧ генератора. Резонатор имеет заданную связь с волноводным трактом, которая определяется мощностью СВЧ потерь в резонаторе и нагрузкой пучком. Величина этой связи определяется размерами щели в ячейке ввода, а сама ячейка ввода, как и все остальные ячейки резонатора, должна быть настроена на рабочую частоту с большой точностью от 0,03% до 0,1% относительно рабочей частоты резонатора. Настройка ячейки ввода (как и остальных ячеек резонатора), включая подбор размера щели связи, производится механическим путем за счет изменения (проточки) тех или иных размеров. После изготовления резонатора (пайки ячеек в единое целое) в водородной печи в описанной конструкции ячейку ввода нельзя перестроить по частоте. Соответственно отсутствует возможность изменения величины связи резонатора с волноводным трактом после изготовления резонатора, что ограничивает возможность изменения вводимой в резонатор СВЧ мощности. В случае, например, использования более мощного СВЧ генератора с целью увеличения мощности пучка (а разработка и внедрение более мощных вакуумных приборов происходит постоянно) потребуется увеличить связь волновода с резонатором (увеличение щели связи). Увеличение щели связи понизит частоту ячейки ввода, соответственно изменится распределение электромагнитных полей в ячейках резонатора относительно оптимального и нарушится процесс ускорения электронного пучка, что приведет к увеличению потерь пучка электронов в процессе ускорения и уменьшения мощности электронного пучка. В этом случае, чтобы сохранить оптимальный процесс ускорения электронного пучка, потребуется замена ускоряющего резонатора.
Раскрытие изобретения
В настоящее время существует актуальная потребность в компактных линейных ускорителях электронов с большой мощностью электронного пучка и локальной радиационной защитой. 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, а также при смене СВЧ источника на более или менее мощный источник иметь возможность получать увеличение или уменьшение мощности ускоренного пучка электронов.
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, электропитания и управления. Ускоряющий резонатор выполнен в виде бипериодической цепочки связанных ячеек, расположенных на одной оси и работающей на стоячей π/2-волне.
Ускоряющие ячейки резонатора имеют оптимальную, Ω-образную форму, которая включает закругленные внешние стенки и дрейфовые трубки на оси. Исключение может составлять ячейка ввода СВЧ мощности, которую из конструктивных соображений целесообразно делать в виде цилиндра.
Щель связи в ячейке ввода СВЧ мощности делают с запасом, а требуемый размер подбирают с помощью съемных пластин, СВЧ контакт которых с ячейкой обеспечивается с помощью винтов и контактных выступов на пластинах, расположенных вдоль узкой стенки волновода. Изменение частоты резонатора при изменении размеров щели связи с волноводом устраняется с помощью плунжера в виде металлического цилиндра, расположенного на цилиндрической стенке резонатора. При введении цилиндра внутрь ячейки он оттесняет силовые линии к оси ячейки и его действие эквивалентно уменьшению радиуса ячейки, происходит повышение резонансной частоты. Чтобы иметь возможность как повышать, так и понижать частоту ячейки, первоначальную настройку ячейки можно провести с плунжером, введенным в ячейку наполовину возможного перемещения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - Линейный ускоритель электронов. Вид в разрезе.
Осуществление изобретения
Линейный ускоритель электронов, показанный на фиг.1, содержит следующие устройства:
- инжектор электронов 1;
- ускоряющий резонатор 2;
- ячейка ввода СВЧ мощности 3;
- съемные пластины 4;
- подстроечный плунжер 5;
- сверхвысокочастотный генератор 6;
- устройства высоковольтного питания и управления 7.
Источник электронов (поз.1) представляет собой термоэмиссионный катод с нагревателем. Катод установлен на изоляторе и находится под высоким отрицательным потенциалом, который подается от устройств питания и управления.
Ускоряющий резонатор (поз.2) 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.
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.
Ячейка ввода СВЧ мощности (поз.3) имеет цилиндрическую форму и в цилиндрической стенке сделана прямоугольная щель. Эта щель частично перекрывается двумя контактными съемными пластинами, с помощью подбора размеров которых и получают требуемую величину связи с волноводным трактом.
На цилиндрической стенке ячейки ввода установлен подстроечный плунжер (поз.4), изменяя глубину погружения которого ячейка настраивается на рабочую частоту при изменении размеров щели связи с волноводом с помощью контактных съемных пластин.
СВЧ генератор (поз.6) присоединен к ячейке ввода СВЧ мощности (поз.3) с помощью волноводного тракта.
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, фокусирует его и подает в ускоряющий резонатор. 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 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.
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%.
При замене питающего СВЧ генератора на генератор другой мощности за счет съемных контактных пластин, устанавливаемых на ячейку ввода, производится настройка величины связи генератора и резонатора, а за счет плунжера подстраивается частота ячейки ввода.
Внедрение данного изобретения позволяет обеспечить замену источника СВЧ мощности линейного ускорителя электронов с большей или меньшей выходной мощностью и получение оптимального режима ускорения без замены ускоряющего резонатора.