Многолучевые пакетированные клистроны с кольцевыми резонаторами, предназначенные для систем СВЧ питания электронных ускорителей

• Автор: Фрейдович, Илья Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 78 с. : ил

г. ВВЕДЕНИЕ
1.1.. ИСТОЧНИКИ СВЧ МОЩНОСТИ ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ, ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ.
Первые линейные ускорители электронов (ЛУЭ) были разработаны в конце сороковых годов и применялись, главным образом, для фундаментальных научных исследований. Тогда же была показана эффективность применения ЛУЭ для решения целого ряда промышленных и терапевтических задач [1]. Поэтому, в последующие два десятилетия происходит бурное развитие специализированных ускорителей промышленного и медицинского назначения. В настоящее время, можно выделить следующие основные направления применения ЛУЭ, [2], [3]:
1. Радиационная дефектоскопия - просвечивание пучком тормозного излучения массивных изделий с целью обнаружения дефектов сварных швов, литья, поковок и т.д.;
2. Производство короткоживущих радионуклидов;
3. Количественное определение методами фотоактивационного и нейтронно активационного анализа содержания различных элементов в пробах руды и других объектах;
4. Радиационная стерилизация;
5. Проведение различных радиационно - технологических процессов, а именно модификации полимерных материалов с целью улучшения их эксплуатационных свойств, облучения полупроводников с целью повышения быстродействия твердотельных электронных приборов и т.д.;
6. Таможенный контроль;
7. Лучевая терапия.
В настоящее время, развивается направление по использованию ускорителей с энергией электронов 10-30 МэВ и средней мощностью луча 5 - 10 кВт в качестве инжекторов для лазеров на свободных электронах технологического применения.
В таблице 1 приведены типичные характеристики ЛУЭ различного назначения.
Таблица 1.
Назначение Энергия ускоренных электронов, МэВ Средняя мощность пучка эл-нс®, кВт Мощность дозы тормозного из луч. Гр.м/мин
Дефектоскопия 6-15 1-3
Пр-во радио-нукл. 15-30 3-25 150-1
Активац. анализ 10-40 3-30 100-1
Стерилизация 5-10 15-40 300-2
Радиац. технолог. 5-15 10-30 200-1
Таможенный контроль 5-10 0.5-3
Лучевая терапия 5-40 0.3-4

Существенное различие выходных характеристик ускорителей разного назначения обуславливает широкий спектр требований, предъявляемых к используемым в них источникам СВЧ мощности.
Традиционными приборами, используемыми в ускорителях являются магнетроны и многорезонаторные клистронные усилители. Преимуществами магнетронов являются низкое анодное напряжение, компактность, высокий КПД и относительно низкая цена. Существенным недостатком является низкая частотная и амплитудная стабильность выходного сигнала. Относительная кратковременная нестабильность частоты мощных магнетронных генераторов, без применения специальных мер составляет примерно 10-4, долговременная КГ3.
Усилительные цепочки с маломощными высоко стабилизированными задающими генераторами и клистронами в оконечном каскаде обеспечивают достаточную стабильность выходного сигнала. Клистроны, кроме того имеют больший, чем магнетроны срок службы, поскольку электронная пушка и коллектор вынесены из пространства взаимодействия электронов с СВЧ полем. Однако, обычные однолучевые клистроны имеют более низкий, по сравнению с магнетронами КПД 40 - 50% (у магнетронов 50 - 55%) и высокое напряжение катода. Так например, магнетрон М2058 имеет выходную импульсную мощность 5 МВт при напряжении катода 50 кВ, а лучшие образцы однолучевых клистронов, например ТН2056, VKS8262 обеспечивают такую же мощность при напряжении 120 - 130 кВ. Высокое напряжение клистронов резко ухудшает массогабаритные характеристики ускорителей и усложняет их конструкцию, так как обуславливает необходимость применения специальной защиты от рентгеновского излучения и масляной высоковольтной изоляции. Поэтому для ряда установок применение таких клистронов невозможно, особенно в последнее время, когда большое внимание уделяется массогабаритным характеристикам, вопросам удобства и простоты эксплуатации ускорителей, а также снижению капитальных и эксплуатационных затрат.
Перечисленные конструктивные особенности магнетронов и однолучевых клистронов обусловили сложившиеся к концу семидесятых годов за рубежом традиции применения различных источников СВЧ в ускорителях промышленного и медицинского назначения.
Основными источниками СВЧ энергии в ЛУЭ с энергией ускоренных электронов до 5 - 10 МэВ и средней мощностью пучка до 1 кВт являются магнетроны с импульсной мощностью 2 - 2.5 МВт и средней мощностью 2-3 кВт. Эти магнетроны используют постоянные магниты, реже электромагниты, имеют сравнительно низкое напряжение катода 40 - 47 кВ и работают на частоте 3000 МГц с механической перестройкой ± 4 МГц. Выпускаются эти магнетроны рядом фирм, наибольший объем выпуска имеют фирмы EEV (Англия) и Calvem Electronic Inc (США). Цена до 10 тысяч долларов. Применяются эти магнетроны в дефектоскопических ускорителях и терапевтических ускорителях небольших энергий.
В ускорителях с энергией ускоренных электронов более 10-12 МэВ и средней мощностью пучка более 3-5 кВт, в большинстве случаев применяются клистроны с выходной импульсной мощностью 5-10 МВт и средней мощностью, изменяющейся для различных клистронов в широких пределах 5 -250 кВт. Для фокусировки луча в этих клистронах используются электромагниты или соленоиды. Цена клистронов, в зависимости от выходной

мощности составляет 50 - 150 тысяч долларов. В таблице 2 приведены основные характеристики наиболее типичных образцов клистронов,
применяемых в зарубежных ускорителях.
Таблица 2.
Марка клистрона Фирма Имп. выходная Мощность, Мвт Сред, вых мощность, КВт Напряж, катода, В Частота, Мгц
VKS 8262D Varian 5.5 5.5 125 2
VA938D Varian 4 100 128 2
ТН2095 Thomson 6.25 45 130 1
ТН2074 Thomson 6 6 130 2
ТН 2097 Thomson 6 25 130 2
L 3944 Litton 10 15 210 1
Всего за рубежом с начала восьмидесятых годов и по настоящее время выпускается более двадцати типов клистронов, специально разработанных для промышленных и медицинских ЛУЭ. Клистроны используются во всех типах ускорителей, за исключением дефектоскопии.
В отдельных случаях применяются источники, отличающиеся от типичных, указанных выше. Например, в терапевтических ускорителях SL-75-20 фирмы Philips (Англия), обеспечивающих энергию ускоренных электронов до 20 МэВ, применен длинноанодный магнетрон М2058 фирмы EEV, Англия с импульсной мощностью 5 МВт и средней 8 кВт. Однако, применение магнетронов в высокоэнергетичных ротационных терапевтических ускорителях затруднено требованием узкого энергетического спектра пучка, проходящего через поворотный магнит и попадающего с высокой точностью на тормозную мишень для получения узкого лепестка тормозного излучения.
В последнее время, применение клистронов в ускорителях расширяется в связи с развитием направлений использования ускорителей, в которых требуется высокая стабильность источников СВЧ сигнала. Кроме упомянутых выше ротационных терапевтических ускорителей, сюда относятся таможенные ускорители - интравизоры, в том числе и томографические, ускорители -инжекторы для лазеров на свободных электронах и так далее.
С другой стороны, наблюдается тенденция улучшения массогабаритных характеристик ускорителей, создания ускорителей с местной защитой и передвижных установок. Главным образом, эти тенденции связаны с большой стоимостью капитального строительства помещений для ускорителей с необходимой защитой, зачастую в несколько раз превосходящей стоимость самих ускорителей.
Таким образом, требование высокой стабильности в зарубежных ускорителях последнего поколения входит в противоречие с требованием улучшения массогабаритных характеристик из-за неудовлетворительных эксплуатационных характеристик мощных однолучевых клистронов.
Тенденции развития источников СВЧ мощности для ЛУЭ в России отличаются от зарубежных. Первые отечественные ускорители, предназначенные для промышленности и медицины, использовали относительно маломощные магнетроны типа МИ-202 с импульсной мощностью 1.5 - 2 Мвт и средней мощностью 1.5-2 кВт, или сверхмощные клистроны КИУ-12, КИУ-15 с импульсной мощностью 20 - 30 Мвт и средней 10 кВт,

Эквивалентная схема кольцевого резонатора, связанного с внешней нагрузкой.