УСТРОЙСТВО ОПЕРАТИВНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СВЯЗИ РАЗОНАНСНОЙ СИСТЕМЫ ЦИКЛОТРОНА С СИСТЕМОЙ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПИТАНИЯ
DEVICE FOR OPERATIONAL REGULATION OF COMMUNICATION OF CYCLOTRON RESONANT SYSTEM WITH HIGH-FREQUENCY POWER SUPPLY SYSTEM

Предлагаемое техническое решение относится к области ускорительной техники, в частности к устройствам индуктивного возбуждения резонансных систем циклотронов, и позволит сократить время настройки циклотрона, повысить удобство его обслуживания и снизить эксплуатационные расходы.
Известен циклотрон с энергией ионов водорода 12 МэВ (Патент на полезную модель RU 142220, заявл. 10.12.2013, опубл. 20.06.14, МПК: Н05Н 7/00). Резонансная система известного циклотрона состоит из двух коаксиальных четвертьволновых резонаторов и полностью размещена внутри вакуумной камеры циклотрона в неподвижной части магнита. Известное устройство позволяет обеспечить снижение радиационной нагрузки на обслуживающий персонал, и уменьшить эксплуатационные расходы в процессе эксплуатации циклотрона за счет совершенствования конструкции электромагнита, однако не позволяет обеспечить согласование входного сопротивления резонансной системы с волновым сопротивлением коаксиальной линии системы высокочастотного питания без нарушения вакуума, что усложняет эксплуатацию циклотрона.
В СВЧ технике часто используется петлевая связь резонатора с коаксиальной линией (Alexander Gamp «Веаш Cavity Interaction I, II - CERN CAS «RF for Accelerators» Accelerator School, Ebeltoft, June 10th, 2010).
Известно также использование петлевой связи резонансной системы с коаксиальной линией системы высокочастотного питания циклотрона (Описание изобретения к авторскому свидетельству №195507, заявл. 14.05.1966, опубл. 04.05.1967, МПК: Н01Р). Известное устройство позволяет регулировать связь резонансной системы с системой высокочастотного питания. Для этого в разрыв одной из сторон петли впаяна П-образная металлическая пластина. Регулирование связи, в случае использования известного устройства, может быть получено путем подбора и замены размеров П-образной пластины, которая припаивается в разрыв одной из сторон петли. Изменение высоты и ширины пластины приводит к изменению площади петли и соответствующему изменению входного сопротивления резонансной системы. Таким способом можно регулировать и обеспечить согласование параметров резонансной системы с волновым сопротивлением коаксиальной линии системы высокочастотного питания, в том числе и при изменении рабочей частоты. При использовании такого устройства, также как и в случае использования устройства, рассмотренного выше, в случае необходимости изменения входного сопротивления резонансной системы требуется нарушение вакуума.
В различных режимах работы циклотрона мощность ускоряемого пучка может существенно изменяться, что приводит к изменению входного сопротивления резонансной системы и нарушению условий его согласования с волновым сопротивлением коаксиальной линии системы высокочастотного питания. При этом часть мощности, поступающей в резонансную систему, отражается, и уровень отраженной мощности может оказаться опасным для ВЧ-генератора.
Для уменьшения величины отраженной мощности входное сопротивление резонансной системы необходимо регулировать оперативно, в соответствии с изменением мощности ускоряемого пучка.
Способы регулирования, используемые в известных аналогах, не позволяют обеспечить оперативное регулирование связи резонансной системы циклотрона с системой высокочастотного питания, поскольку регулирование осуществляется при атмосферном давлении с последующими затратами времени на получение рабочего давления.
Задачей создания предлагаемого технического решения является упрощение эксплуатации циклотрона за счет обеспечения возможности дистанционного регулирования входного сопротивления резонансной системы.
Технический результат полезной модели изобретения заключается в повышении эффективности регулирования связи резонансной системы циклотрона с системой высокочастотного питания.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве оперативного регулирования связи резонансной системы циклотрона с системой высокочастотного питания, содержащем петлю связи и П-образную медную пластину, петля связи полностью размещена внутри вакуумной камеры циклотрона, одним концом закреплена на центральном проводнике коннектора коаксиальной линии системы высокочастотного питания, а вторым - на его внешнем проводнике, и расположена между боковыми частями П-образной пластины, а также ориентирована параллельно боковым частям П-образной пластины, которые выполнены полностью перекрывающими поверхность петли связи, при этом П-образная пластина установлена с возможностью бесконтактного перемещения относительно петли связи вдоль оси коаксиальной линии системы высокочастотного питания.
В большинстве современных циклотронов высокочастотное поле возбуждается высокочастотной мощностью, создаваемой системой высокочастотного питания, передаваемой через коаксиальную линию и поступающей в резонансную систему через коннектор, который устанавливается на закорачивающем фланце резонансной системы или на боковой стенке вблизи закорачивающего фланца. Параметром, характеризующим эффективность связи резонансной системы с системой высокочастотного питания, является коэффициент стоячей волны (КСВ).
пад
где Р - мощность, поступающая в резонансную систему,
отр
Р - отраженная мощность.
отр
8X
При идеальном согласовании КСВ=1, Р=0, а входное сопротивление резонансной системы R равно волновому сопротивлению коаксиальной линии системы высокочастотного питания.
cв
где U - напряжение на петле связи,
рез
Р - мощность активных потерь в резонансной системе, необходимая для возбуждения высокочастотного поля с заданной амплитудой напряжения на ускоряющих зазорах,
пучка
Р - мощность ускоряемого пучка,
пад
Р - мощность, поступающая в резонансную систему,
ρ - волновое сопротивление коаксиальной линии системы высокочастотного питания.
При изменении мощности ускоряемого пучка входное сопротивление резонансной системы изменяется, что приведет к увеличению отраженной мощности.
Уменьшение величины отраженной мощности в предлагаемом техническом решении обеспечивается регулированием входного сопротивления резонансной системы в соответствии с изменением мощности ускоряемого пучка путем соответствующего изменения напряжения на петле связи за счет регулирования эффективной площади петли связи и фиксации ее конкретного значения.
св
св
Петля связи одним концом закреплена на центральном проводнике коннектора, а вторым на его внешнем проводнике, и полностью находится в объеме резонатора. Петля связи ориентирована так, что ее плоскость перпендикулярна силовым линиям высокочастотного магнитного поля, а площадь петли связи рассчитывается из условия получения напряжения U, удовлетворяющего выражению (2) при максимальной мощности ускоряемого пучка. Полученное значение площади петли проверяется и при необходимости корректируется в процессе наладки резонансной системы путем измерения коэффициента трансформации N, то есть отношения амплитуд напряжений на ускоряющих зазорах резонансной системы и петле связи U.
Для изменения эффективной площади петли при уменьшении мощности ускоряемого пучка устройство содержит П-образную медную пластину, установленную таким образом, чтобы петля связи располагалась между боковыми частями пластины, параллельно ее боковым частям.
Боковые части П-образной пластины выполнены полностью перекрывающими поверхность петли связи для обеспечения возможности регулирования во всем диапазоне при любых значениях мощности ускоряемого пучка.
П-образная медная пластина оснащена механизмом, обеспечивающим ее бесконтактное относительно петли связи перемещение вдоль оси коаксиальной линии системы высокочастотного питания. При максимальной мощности ускоряемого пучка П-образная пластина находится в нейтральном положении (петля полностью открыта). При уменьшении мощности ускоряемого пучка П-образная пластина перемещается в положение, при котором боковые части пластины экранируют петлю связи, уменьшая ее эффективную площадь и, следовательно, магнитный поток резонансной системы, пронизывающий петлю связи. Фиксация правильного положения П-образной пластины осуществляется при значении КСВ 1. Измерения КСВ осуществляются с помощью рефлектометра, входящего в состав системы высокочастотного питания.
Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами:
Фиг. 1 - Устройство оперативного регулирования связи резонансной системы циклотрона с системой высокочастотного питания, в котором П-образная медная пластина установлена в нейтральном положении (петля полностью открыта);
Фиг. 2 - Устройство оперативного регулирования связи резонансной системы циклотрона с системой высокочастотного питания, в котором П-образная медная пластина частично экранирует петлю связи.
Устройство оперативного регулирования связи резонансной системы циклотрона с системой высокочастотного питания содержит коннектор коаксиальной линии системы высокочастотного питания 1, установленный на закорачивающем фланце резонансной системы 2, вблизи дуантного штока 3, а также петлю связи 4 и П-образную медную пластину 5.
2
2
Устройство оперативного регулирования связи резонансной системы циклотрона с системой высокочастотного питания было опробовано на экспериментальном макете циклотрона в импульсном режиме. Мощность активных потерь в резонансной системе составляла 12 кВт, мощность ускоряемого пучка 6 кВт. Площадь петли связи 4 составляла 4×5 см и была рассчитана на получение КСВ=1 при ВЧ - мощности, поступающей в резонансную систему 18 кВт. При отсутствии пучка КСВ=2. П-образная медная пластина 5 была выполнена с боковыми частями размером 5×5 см.
2
отр
Регулирование входного сопротивления резонансной системы циклотрона осуществлялось уменьшением эффективной площади петли связи 4 за счет экранирования части петли связи 4 с помощью П-образной пластины 5. П-образную пластину 5 перемещали относительно петли связи 4 вдоль оси коаксиальной линии системы высокочастотного питания 1 с использованием электромеханического привода. В результате эффективная площадь петли связи была уменьшена до значения 4×4 см, при этом измеренное значение КСВ=1,03, что соответствует безопасной величине отраженной мощности (Р менее 200 Вт).