СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВКИ УСКОРИТЕЛЯ НА СТОЯЧЕЙ ВОЛНЕ И СИСТЕМ УСКОРЕНИЯ
METHODS FOR ADJUSTMENT OF STANDING WAVE ACCELERATOR AND ACCELERATION SYSTEMS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области ускорителей, в частности к области медицинских и промышленных ускорителей.
Уровень техники
Линейный ускоритель потока электронов представляет собой устройство, которое ускоряет поток электронов в электромагнитном поле микроволнового диапазона, в результате чего повышается энергия электронов. Пучок электронов, сгенерированный с помощью ускорителя, может найти широкое применение в самых разных сферах, таких как терапевтическое лечение, облучение, формирование изображений и т.п.
Для достижения максимального КПД ускорения все типовые линейные ускорители потока электронов сконструированы таким образом, что колебания фазовой скорости СВЧ-волны согласуются с колебаниями скорости движения разогнанных электронов. Согласно теории относительности, по мере повышения энергии электронов скорость их движения быстро приближается к скорости света. Поэтому в конструкции низкоэнергетического линейного ускорителя электронов стандартного типа обычно предусмотрено две зоны: зона группирования и зона скорости света. В зоне группирования фазовая скорость СВЧ-волны повышается медленно. Колебания фазовой скорости практически совпадают с колебаниями скорости электронов, что обеспечивает требуемую эффективность захвата и энергетический спектр. В зоне скорости света фазовая скорость равна скорости света, а скорость движения электронов также приближается к скорости света. Вследствие этого электроны также синхронизированы с СВЧ-волной, а фаза электронов почти совпадает с фазой максимального ускорения, обеспечивая оптимальный КПД ускорения.
Обычно выходная энергия линейного ускорителя потока электронов фиксирована. Однако на практике часто требуется регулировать энергию ускорителя по мере необходимости. Для удовлетворения требований практического применения постоянно предлагаются различные способы регулирования энергии. В настоящее время в линейных ускорителях потока электронов широко используются следующие способы регулирования энергии:
1. Изменение общего распределения электромагнитного поля по ускорительной трубке. Обычно это достигается за счет регулирования подаваемой мощности СВЧ-излучения или нагрузки пучка. Этот способ может быть реализован относительно легко, но для обеспечения требуемой эффективности захвата и энергетического спектра пучка в зоне группирования колебания амплитуды поля не должны быть слишком большими, и поэтому диапазон регулирования энергии ограничен.
2. Поддержание практически постоянной амплитуды поля в зоне группирования и изменение амплитуды поля или фазовых колебаний в зоне скорости света в индивидуальном порядке. В настоящее время существуют два основных способа реализации этого технического решения: 1) поддача энергии в зону группирования и зону скорости света по отдельности с тем, чтобы обеспечить независимое регулирование, как это описано в заявках на патент США №2,920,288, №3,070,726 и №4,118,653; и 2) регулирование амплитудного коэффициента поля или фазового соотношения между зоной группирования и зоной скорости света с помощью переключателя энергии, как это описано в заявке на патент США №4,286,192 и в заявке на патент Китая №1102829 С. Этот способ может обеспечить относительно широкий диапазон регулирования энергии, но при этом конструкция системы подачи волн СВЧ-излучения или ускорителя будет довольно сложной.
Раскрытие изобретения
С учетом одной или нескольких проблем на предшествующем уровне техники предложен способ регулировки ускорителя на стоячей волне и системы ускорения.
В одном из аспектов настоящего изобретения предусмотрен способ регулировки ускорителя на стоячей волне, включающий в себя следующие стадии: генерирование пучка электронов с помощью электронной пушки; введение пучка электронов в ускорительную трубку; и регулирование источника СВЧ-излучения для генерирования и ввода микроволн разной частоты в ускорительную трубку с тем, чтобы в ускорительной трубке обеспечивалось переключение между разными резонансными модами с заданной частотой с целью генерирования пучков электронов, обладающих соответствующей энергией.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения разные резонансные моды включают в себя моду π/2 или еще одну соседнюю моду, а пучки электронов по двум модам характеризуются соответственно высокоэнергетическим и низкоэнергетическим уровнем.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения при высоком уровне энергии пучок электронов синхронизирован с СВЧ-волной, а при низком уровне энергии он не синхронизирован с СВЧ-волной.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения микроволновые частоты как на моде π/2, так и на еще одной соседней моде находятся в диапазоне регулирования частот источника СВЧ-излучения.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения источником СВЧ-излучения является магнетрон, выходная частота которого отрегулирована таким образом, что в ускорительной трубке обеспечивается переключение между резонансными модами π/2 и 5π/14 или между резонансными модами π/2 и 9π/14.
В еще одном из аспектов настоящего изобретения предусмотрена система ускорения пучком электронов, включающая в себя следующие элементы: электронную пушку, выполненную с возможностью генерирования пука электронов; источник СВЧ-излучения, выполненный с возможностью генерирования микроволн разной частоты; ускорительную трубку, содержащую порт для ввода электронов и порт для ввода микроволнового излучения (при этом порт для ввода электронов соединен с выходным портом электронной пушки с целью обеспечения приема пучка электронов, а порт для ввода микроволнового излучения соединен с выходным портом источника СВЧ-излучения с целью обеспечения подачи микроволнового излучения, сгенерированного источником СВЧ-излучения, в ускорительную трубку); и регулирующий аппарат, соединенный с источником СВЧ-излучения и электронной пушкой, который регулирует источник СВЧ-излучения таким образом, чтобы указанный источник мог генерировать микроволны разной частоты для обеспечения переключения ускорительной трубки с одной резонансной моды на другую с целью генерирования пучка электронов соответствующей энергии.
Согласно описанному выше техническому решению для регулирования энергии достаточно просто менять выходную частоту источника СВЧ-излучения, не внося никаких изменений в конструкцию системы ускорения. Таким образом, указанный способ прост в применении. Кроме того, ускорительная трубка в системе также отличается простотой конструкции, в которой не предусмотрено никаких дополнительных регулирующих устройств.
Краткое описание чертежей
Для обеспечения лучшего понимания настоящего изобретения варианты его осуществления проиллюстрированы следующими прилагаемыми рисунками, где:
На Фиг. 1 показана структурная схема системы ускорения пучка электронов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
На Фиг. 2 показан вид в разрезе ускорительной трубки в системе, представленной на Фиг. 1;
На Фиг. 3 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ регулирования ускорительной трубки на стоячей волне согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
На Фиг. 4 проиллюстрирована схема распределения резонансных мод в цепочке объемных СВЧ-резонаторов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
На Фиг. 5 проиллюстрирована схема амплитудного распределения электрического поля при уровне энергии в ускорительной трубке в 6 МэВ согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
На Фиг. 6 проиллюстрирована схема изменения энергии электронов при уровне энергии в ускорительной трубке в 6 МэВ согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
На Фиг. 7 проиллюстрирована схема амплитудного распределения электрического поля при уровне энергии в ускорительной трубке в 100 кэВ согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения; и
На Фиг. 8 проиллюстрирована схема изменения энергии электронов при уровне энергии в ускорительной трубке в 100 кэВ согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
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 прилагаемые к этой заявке фигуры носят исключительно иллюстративный характер и они не обязательно должны быть вычерчены в масштабе. Следует понимать, что если какой-либо элемент описан как «соединенный» или «связанный» с другим элементом, этот элемент может быть напрямую или опосредованно соединен с последующим элементом, или же это может быть промежуточный элемент, помещенный между указанными двумя элементами. В то же время, если какой-либо элемент описан как «напрямую соединенный» или «напрямую связанный» с другим элементом, между этими элементами не должно находиться каких-либо промежуточных элементов. Одинаковые позиции на чертежах обозначены одними и теми же номерами. Термин «и/или», используемый в настоящей заявке, означает любые возможные комбинации одной или нескольких связанных позиций, перечисленных выше.
Согласно настоящему изобретению предложен способ регулирования линейного ускорителя электронов на стоячей волне, выдающего пучки электронов на более чем двух энергетических уровнях (например, электроны выдаются с энергией на уровне 100 кэВ и одного или нескольких МэВ соответственно). Согласно этому способу пучок электронов генерируется электронной пушкой, а затем вводится в ускорительную трубку. Источник СВЧ-излучения регулируется таким образом, чтобы он генерировал и выдавал в ускорительную трубку микроволны разной частоты с тем, чтобы в ускорительной трубке обеспечивалось переключение между разными резонансными модами с заданной частотой с целью генерирования пучков электронов, обладающих соответствующей энергией. Таким образом, регулирование энергии, выдаваемой ускорителем на стоячей волне, выполняется методом перескока мод. Способ согласно настоящему изобретению может обеспечивать широкий диапазон регулирования энергии без усложнения конструкции ускорителя, что позволяет одному ускорителю выдавать пучки электронов как с энергией в МэВ, так и с энергией в 100 кэВ.
На Фиг. 1 показана структурная схема системы ускорения пучка электронов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 1, система ускорения пучка электронов согласно этому варианту осуществления настоящего изобретения включает в себя высоковольтную пушку 140 постоянного тока, высоковольтный источник питания 130, ускорительную трубку 150, источник или генератор 120 микроволнового излучения и регулирующий аппарат 110. В варианте осуществления настоящего изобретения, который проиллюстрирован на этой фигуре, высоковольтный источник питания 130 подает питание на высоковольтную пушку 140 постоянного тока (электронную пушку) для генерирования пучка электронов. Источник 120 генерирует микроволновое излучение разной частоты, регулируемое аппаратом 110. Ускорительная трубка 150 содержит входной порт 152 для ввода электронов и порт 151 для ввода микроволнового излучения. Входной порт 152 для ввода электронов соединен с выходным портом высоковольтной пушки 140 постоянного тока с целью приема пучка электронов, сгенерированного указанной высоковольтной пушкой 140 постоянного тока. Порт 151 для ввода микроволнового излучения соединен с выходным портом источника 120 микроволнового излучения с целью подачи СВЧ-излучения, сгенерированного указанным источником 120, в ускорительную трубку, где осуществляется разгон пучка электронов. Регулирующий аппарат 110 соединен с источником 120 микроволнового излучения и высоковольтной пушкой 140 постоянного тока для регулирования частот СВЧ-излучения, генерируемого указанным источником или генератором 120, таким образом, чтобы обеспечивалось переключение между разными резонансными модами с заданной частотой с целью генерирования пучков электронов, обладающих соответствующей энергией.
На Фиг. 2 показан вид в разрезе ускорительной трубки в системе, представленной на Фиг. 1. Как показано на Фиг. 2, основным элементом ускорителя является ускорительная трубка, которая включает в себя ряд или цепочку СВЧ-резонаторов и которая создает электромагнитное СВЧ-поле для разгона электронов. Резонаторы в этой цепочке могут работать на разных резонансных частотах, соответствующих разным резонансным модам. Фазовые соотношения между соседними резонаторами в указанной цепочке отличаются друг от друга на разных резонансных модах. На Фиг. 4 показана схема распределения резонансных мод в цепочке объемных СВЧ-резонаторов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Цепочка из N-го количества резонаторов может характеризоваться N-м количеством резонансных мод; при этом разности фаз между резонаторами выражены соответственно следующим образом:
Кроме того, если ускорительная трубка сконструирована таким образом, что сумма длин четырех резонаторов равна длине одной волны СВЧ-диапазона, то электроны будут синхронизированы с СВЧ-волной на моде π/2, в результате чего будет получена максимальная энергия. Для соседних мод имеем следующее:
Если электроны не синхронизированы с волной СВЧ-излучения, будет получена низкая энергия. Если рабочая энергия на моде π/2 равна 6 МэВ, то выходная энергия на соседней моде будет составлять 1 МэВ или сотни кэВ.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения частоты ускорительной трубки на моде π/2 и соседней моде лежат в диапазоне регулирования частоты источника СВЧ-излучения. Частота источника СВЧ-излучения регулируется таким образом, чтобы ускорительная трубка работала на моде π/2 или еще одной соседней моде, а выходная энергия пучка электронов по двум указанным модам характеризовалась соответственно высокоэнергетическим и низкоэнергетическим уровнем.
На Фиг. 3 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ регулирования ускорительной трубки на стоячей волне согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 3, на стадии S110 электронной пушкой генерируется пучок электронов. Генерирование пучка электронов высоковольтной пушкой 140 постоянного тока может регулироваться аппаратом 110.
На стадии S120 пучок электронов вводится в ускорительную трубку. Например, пучок электронов, сгенерированный высоковольтной пушкой 140 постоянного тока, вводится в ускорительную трубку 150 через входной порт 152 ускорительной трубки.
На стадии S130 регулируется генерирование СВЧ-генератором 120 микроволнового излучения разной частоты и его ввод в ускорительную трубку 150 через порт ввода микроволнового излучения таким образом, чтобы обеспечивалось переключение между разными резонансными модами с заданной частотой с целью генерирования пучков электронов, обладающих соответствующей энергией.
Согласно указанным вариантам осуществления настоящего изобретения энергия регулируется методом перескока мод, т.е. фаза электронов относительно СВЧ-волны изменяется путем изменения резонансной моды в ускорительной трубке, в результате которого происходит сильное изменение напряженности электромагнитного СВЧ-поля, оказывающего воздействие на электроны, что необходимо для достижения цели регулировки энергии. Частота источника СВЧ-излучения изменяется таким образом, чтобы ускорительная трубка могла функционировать на разных резонансных модах, генерируя пучки электронов с разной энергией в соответствии с целями практического применения.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения для регулирования энергии достаточно просто менять выходную частоту источника СВЧ-излучения, не внося никаких изменений в конструкцию системы ускорения. Таким образом, указанный способ прост в применении. Кроме того, ускорительная трубка в системе также отличается простотой конструкции, в которой не предусмотрено никаких дополнительных регулирующих устройств.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения указанный метод перескока мод используется для того, чтобы в ускорителе на стоячей волне можно было реализовать регулировку выходной энергии и чтобы указанный ускоритель мог работать как на низкоэнергетическом уровне, так и на высокоэнергетическом уровне (сотни кэВ и 6 МэВ соответственно). Например, параметры ускорительной трубки выбраны таким образом, чтобы ускорительная трубка могла содержать тринадцать (13) резонаторов. Частотное распределение тринадцати возможных рабочих мод показано на Фиг. 4. На Фиг. 4 показаны характеристики передачи между двумя датчиками после возбуждения, измеренные указанными датчиками СВЧ-излучения, которые были вставлены в отверстия с обеих сторон канала для прохождения пучка излучения; при этом по горизонтали указана частота возбуждения, а по вертикали - амплитуда сигнала передачи между двумя датчиками. Каждый из пиков кривой, представленной на Фиг. 4, соответствует одной из возможных рабочих мод в ускорительной трубке, так что рабочая частота моды π/2 составляет 2998 МГц, рабочая частота моды 5π/14 составляет 3002 МГц, а рабочая частота моды 9π/14 составляет 2994 МГц; при этом распределение напряженности поля и процесс изменения энергии электронов в ускорительной трубке на моде π/2 будут такими, как это показано соответственно на Фиг. 5 и 6. На Фиг. 5 проиллюстрирована схема распределения электрического поля в ускорительной трубке по осевой линии на моде π/2, где по горизонтали указано положение по длине ускорительной трубки, а по вертикали - амплитуда ускоряющего электрического поля. На Фиг. 6 представлена схема изменения энергии электронов в ускорительной трубке по ее длине на моде π/2, где по горизонтали указано положение по длине ускорительной трубки, а по вертикали - кинетическая энергия электронов в ускорительной трубке. Распределение напряженности поля и процесс изменения энергии электронов в ускорительной трубке на моде 9π/14 будут такими, как это показано соответственно на Фиг. 7 и 8. На Фиг. 7 показана схема амплитудного распределения электрического поля в ускорительной трубке по осевой линии на моде 9π/14, где по горизонтали указано положение по длине ускорительной трубки, а по вертикали - амплитуда ускоряющего электрического поля. На Фиг. 8 представлена схема изменения энергии электронов в ускорительной трубке по ее длине на моде 9π/14, где по горизонтали указано положение по длине ускорительной трубки, а по вертикали - кинетическая энергия электронов в ускорительной трубке.
Выходные частоты магнетрона лежат в пределах 2993-3003 МГц. Выходная частота магнетрона отрегулирована так, что ускорительная трубка работает на моде π2 и моде 9π/14 (или 5π/14) соответственно, в результате чего задействованы два энергетических режима пучков электронов.
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.