СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ УСКОРЯЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ В РЕЗОНАНСНОМ УСКОРИТЕЛЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
METHOD OF GENERATING ACCELERATING VOLTAGE IN CHARGED PARTICLE RESONANCE ACCELERATOR

x
x
Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании резонансных ускорителей промышленного назначения, например, для очистки дымовых газов промышленных предприятий от вредных SO и NO окислов, модификации и производстве новых материалов, стерилизации медицинских инструментов и пищевых продуктов, дезинфекции медицинских и др. отходов.
Известны резонансные ускорители электронов, в которых используют способ формирования ускоряющего напряжения, включающий возбуждение резонансных колебаний в коаксиальной линии задержки, внутренний проводник которой выполнен в виде цилиндрической спирали с помощью магнитного потока первичной обмотки, которую располагают снаружи резонатора (см. "Multi-beam Electron Accelerator for Industrial Application" Proceedings of European Particle Accelerator Conference, Viena, 26-30 June, 2000, p.2600; G.V.Dolbilov, G.I.Dolbilova, I.N.Ivanov, A.V.Mazhulin, JINR, Dubna, Russia; T.Ruskov, INRNE, Sofia, Bulgaria; "Multi-beam Electron Accelerator for Radiation Processing", Proceedings of 2001 Particle Accelerator Conference, 2001, Hyatt Regency, Chicago, Illinois, USA, June 18-22, 2001, p.651; G.V.Dolbilov, G.I.Dolbilova, I.N.Ivanov, A.V.Mazhulin, V.N.Razuvakin; Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, 141980, Russia; "High Repetition Pulsed Accelerator for EB-Technology", Proceedings of a Symposium on Radiation Technology for conservation of the environment, 8-12 September 1997, p.453, Zakopane, Poland. G.V.Dolbilov, G.I.Dolbilova, A.A.Fateev, I.N.Ivanov, N.I.Lebedev, A.V.Mazhulin, V.A.Petrov, I.M.Hohlov. Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russian Federation; T.Ruskov, Institute of Nuclear Research and Nuclear Energy, P.Goranov, Technical University, Sofia, Bulgaria; "High Repetition Pulsed Accelerator for Industrial Application", Труды II Научного семинара памяти В.П.Саранцева, Дубна, 23-24 сентября 1997, Г.В.Долбилов и др.; Multi-Beam Pulsed Accelerator for Electron Beam Prisessing, Proceedings of 6th European Particle Accelerator Conference, Stockholm, 22-26 June, 1998, p.2398, G.V.Dolbilov, G.I.Dolbilova, A.A.Fateev I.N.Ivanov, N.I.Lebedev, A.V.Mazhulin, V.A.Petrov, I.M.Hokhlov, JINR, Dubna, Russia, T.Ruskov, INRNE, P.Goranov, TU, Sofia, Bulgaria). Рабочие составляющие магнитных полей спирального внутреннего проводника и первичной обмотки распределены вдоль оси ускорителя, обеспечивая трансформаторную связь первичной и вторичной (высоковольтной) систем.
Наиболее близким по функциональным параметрам является способ, описанный в работе (см. "Multi-beam Electron Accelerator for Industrial Application" Proceedings of European Particle Accelerator Conference, Viena, 26-30 June, 2000, p.2600; G.V.Dolbilov, G.I.Dolbilova, I.N.Ivanov, A.V. Mazhulin, JINR, Dubna, Russia; T.Ruskov, INRNE, Sofia, Bulgaria) (прототип), в котором возбуждают резонансные колебания в коаксиальной линии задержки с помощью магнитного потока первичной обмотки и формируют в ней ускоряющее напряжение.
Недостатком таких ускорителей, использующих способ трансформаторной связи низковольтной и высоковольтной цепей, является наличие высокого уровня полей рассеивания снаружи ускорителя и индукционный нагрев и потери мощности в электропроводящих узлах и деталях ускорителя, а также в элементах радиационной защиты, что ведет к потере мощности и уменьшению эффективности указанного способа.
рез
рез
Резонансные ускорители на базе коаксиальных линий задержки имеют низкую резонансную рабочую частоту (f~10 кГц-100 кГц), что позволяет использовать для возбуждения резонансных колебаний в них современные полупроводниковые приборы, которые имеют большую долговечность, надежность и КПД, чем электровакуумные приборы, применяемые для возбуждения обычных объемных резонаторов в резонансных ускорителях (f~100 МГц-1000 МГц). Однако магнитные потоки спирального внутреннего проводника и первичной, возбуждающей, обмотки индуцирует токи во всех электропроводящих элементах ускорителя и требуют выполнения специальных условий, чтобы возбуждающий магнитный поток первичной обмотки проникал внутрь корпуса ускорителя (вакуумного кожуха), например, использование диэлектрического корпуса и внешнего проводника в виде специальных разомкнутых электропроводящих экранов.
Технический результат предлагаемого изобретения - увеличение эффективности преобразования энергии электромагнитных колебаний возбуждающего генератора в энергию ускоренных заряженных частиц за счет уменьшения полей рассеивания, уменьшения индукционного нагрева в электропроводящих узлах и деталях ускорителя, а также в элементах радиационной защиты.
вх
уск
уск
Способ заключается в том, что возбуждают резонансные колебания в коаксиальной линии задержки и формируют ускоряющее напряжение, магнитная составляющая полей формируется только внутри каждой катушки индуктивности линии задержки, а электромагнитные колебания возбуждают переменным током I=U/ρ со стороны низковольтной части линии коаксиальной задержки, где U - амплитуда ускоряющего напряжения, ρ - волновой импеданс линии задержки, при этом параметр малых потерь в резонансной линии задержки α удовлетворяет условию
вх
уск
0
уск
вх
0
α=IU/Q, где U - заданная величина ускоряющего напряжения, I - ток возбуждения, Q - собственная добротность линии задержки.
Отличительными признаками заявленного способа являются следующие.
Формируют магнитную составляющую полей только внутри каждой катушки индуктивности линии задержки. Это позволяет уменьшить поля рассеивания, уменьшить индукционный нагрев и потери мощности в электропроводящих узлах и деталях ускорителя, а также в элементах радиационной защиты, что приводит к увеличению эффективности преобразования энергии электромагнитных колебаний возбуждающего генератора в энергию ускоренных заряженных частиц.
вх
уск
уск
уск
вх
вх
уск
0
0
Электромагнитные колебания в резонансной линии задержки возбуждают переменным током I=U/ρ со стороны низковольтной части коаксиальной линии задержки, где U - амплитуда ускоряющего напряжения, ρ - волновой импеданс линии задержки. Замкнутые магнитные потоки, создаваемые током в линии, сосредоточены только внутри обмоток катушек индуктивности и это позволяет использовать металлический вакуумный корпус ускорителя в качестве внешнего проводника коаксиальной линии задержки. Ускоряющее напряжение U и ток возбуждения I формируют в соотношении α=I·U/Q, где Q - собственная добротность линии задержки. Чем меньше будет параметр α, тем меньше будет величина потерь мощности в линии задержки.
Технический результат - увеличение эффективности преобразования энергии электромагнитных колебаний возбуждающего генератора в энергию заряженных частиц за счет уменьшения полей рассеяния, уменьшения индукционного нагрева и потери мощности в электропроводящих узлах и деталях ускорителя, а также в элементах радиационной защиты. Совокупность всех существенных признаков формулы позволяет устранить все магнитные потоки вне каждой из катушек индуктивности линии задержки, возбудить резонанс в линии при наличии металлического внешнего проводника линии и уменьшить потери мощности в самой линии задержки.
Перечень иллюстраций
Фиг.1. Схема резонансного ускорителя.
Фиг.2. Эквивалентная схема резонансной линии задержки и эпюры напряжения и тока в линии.
Одним из вариантов реализации предлагаемого способа является формирование магнитной составляющей полей в тороидальных катушках, в которых магнитное поле сосредоточено только внутри тороидов и рассеянные поля вне тороидов отсутствуют.
1/2
-1/2
рез
На Фиг.1 приведена схема устройства, где (1) цельнометаллический корпус ускорителя, являющийся внешним проводником линии задержки, (2) тороидальные катушки индуктивности внутреннего проводника линии задержки, (3) возбуждающий генератор, (4) фидер, (5) система катодов, (6) система вакуумных окон. Волновой импеданс линии и резонансная частота ускорителя равны соответственно ρ=(L/C); f=(16LC), где L - суммарная индуктивность внутреннего проводника, а С - суммарная емкость между внутренним и наружным проводниками линии задержки. Например, при использовании возбуждающего генератора на базе транзисторных коммутаторов волновой импеданс может лежать в пределах 10-100 кОм, а резонансная частота 10-100 кГц.
Эквивалентная схема резонансной линии задержки и эпюры тока и напряжения в линии приведены на Фиг.2, где (1) индуктивности тороидальных катушек линии задержки, (2) емкости катушек линии относительно внешнего проводника, (3) нагрузка линии, обусловленная пучком электронов, (4) транзисторный генератор, (5) внутренний импеданс генератора, (6) эпюра тока, а (7) эпюра напряжения в линии задержки.
Способ работает следующим образом.
вх
вх
уск
уск
вх
Коаксиальную линию задержки возбуждают генератором, у которого внутренний импеданс много меньше волнового сопротивления линии. Электрическую длину линии делают равной 1/4 длины замедленной волны, L=λ/4. В резонансе ток в линии изменяется по закону I(z)=I·Cos kz, а напряжение возрастает по закону U(z)=UQ·Sin kz=U·Sin kz, где Q - нагруженная добротность линии в резонансе, k=2π/λ, z - расстояние от низковольтного конца линии, L - длина линии, λ - длина волны в линии задержки. Амплитуды возбуждающего тока на низковольтном конце линии и ускоряющего напряжения на высоковольтном конце соответствуют соотношению U=ρI, где ρ - волновой импеданс линии задержки.
уск
вх
Например, в разработанной на основе предлагаемого способа установке и испытанной в Объединенном институте ядерных исследований при волновом импедансе линии ρ=80 кОм для формирования ускоряющего напряжения U=400 кВ требуется ток возбуждения I=5 А.
Суммарная мощность, потребляемая резонатором, равна
2
вх
вх
Р=(1/2)I r,
вх
уск
уск
вх
где I=U/ρ - амплитуда тока на входе в резонатор, U - заданная амплитуда напряжения на высоковольтном конце линии задержки, ρ - волновой импеданс линии, r - входное сопротивление резонатора на резонансной частоте:
вх
пуч
2
r=ρ/R+r,
пуч
где R - эквивалентное сопротивление нагрузки пучком, r - резистивное сопротивление внутреннего и внешнего проводников.
Поскольку составляющая суммарной мощности, обусловленная нагрузкой пучком, равна
пуч
уск
пуч
2
P=(1/2)(U /R)
Составляющая мощности, обусловленная резистивными потерями, равна
пот
вх
уск
0
P=(1/2)(IU/Q),
0
где Q=ρ/r - собственная добротность линии задержки.
уск
Таким образом, при заданном значении U, для уменьшения потерь мощности требуется не только увеличение собственной добротности линии задержки, но и уменьшение возбуждающего линию тока, что достигается соответствующим подбором волнового импеданса линии ρ.