×
27.09.2014
216.012.f82f

ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области физики и техники пучков заявленных частиц, конкретно к технике линейных ускорителей. Заявленный линейный ускоритель электронов может быть использован в области физики, медицины и радиационных технологий стерилизации медицинских изделий, рентгенографической инспекции крупногабаритных грузов, контроля толстостенных металлических объектов. Ускоритель содержит инжектор электронов, ускоряющий резонатор в виде бипериодической цепочки связанных ячеек, сверхвысокочастотный генератор, устройства вакуумной откачки, питания и управления. С целью использования ускорителя с СВЧ генераторами разной мощности без замены ускоряющего резонатора в ячейку ввода СВЧ мощности вводят плунжер для перестройки ее резонансной частоты, а размеры щели связи регулируются с помощью съемных контактных пластин. Техническим результатом является повышение надежности и срока службы, увеличение длительности непрерывной работы, возможность использования различных СВЧ источников для получения пучков электронов с различной мощностью. 1 ил.
Основные результаты: Линейный ускоритель электронов, содержащий инжектор пучка электронов с термоэмиссионным катодом, ускоряющий резонатор, выполненный в виде бипериодической цепочки связанных ячеек, сверхвысокочастотный генератор для питания ускоряющего резонатора, устройства вакуумной откачки, питания и управления, отличающийся тем, что в ячейке ввода СВЧ мощности установлен подстроечный плунжер, а щель связи частично перекрывается двумя съемными контактными пластинами.
Реферат Свернуть Развернуть

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.

Линейный ускоритель электронов, содержащий инжектор пучка электронов с термоэмиссионным катодом, ускоряющий резонатор, выполненный в виде бипериодической цепочки связанных ячеек, сверхвысокочастотный генератор для питания ускоряющего резонатора, устройства вакуумной откачки, питания и управления, отличающийся тем, что в ячейке ввода СВЧ мощности установлен подстроечный плунжер, а щель связи частично перекрывается двумя съемными контактными пластинами.
ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-9 из 9.
10.03.2013
№216.012.2eda

Микроконтроллер с аппаратным нечетким вычислителем переменной структуры

Изобретение относится к вычислительной технике и направлено на повышение производительности функционирования управляющих вычислительных систем, разрабатываемых с использованием логико-лингвистического подхода к описанию передаточных функций, и на расширение функциональных возможностей и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002477525
Дата охранного документа: 10.03.2013
10.06.2013
№216.012.4a36

Способ согласования замедляющей системы лампы бегущей волны с волноводными трактами

Заявленное изобретение относится к области техники СВЧ, в которой лампы бегущей волны, основанные на использовании принципа непрерывного длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны в нерезонансной колебательной системе, могут быть использованы в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002484578
Дата охранного документа: 10.06.2013
20.07.2013
№216.012.5833

Лампа бегущей волны

Изобретение относится к области техники СВЧ. Лампы бегущей волны (ЛБВ), основанные на использовании принципа непрерывного длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны в нерезонансной колебательной системе, могут быть использованы в различной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002488187
Дата охранного документа: 20.07.2013
27.09.2013
№216.012.70a7

Лампа бегущей волны

Изобретение относится к области техники СВЧ. Лампа бегущей волны (ЛБВ) дециметрового диапазона длин волн содержит электронную пушку, замедляющую систему типа «встречные штыри», состоящую из связанных между собой ячеек, диэлектрические герметизирующие перегородки, отделяющие замедляющую систему...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002494490
Дата охранного документа: 27.09.2013
10.05.2014
№216.012.bfcd

Лампа бегущей волны

Изобретение относится к области техники СВЧ. Лампы бегущей волны, основанные на использовании принципа непрерывного длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны в нерезонансной колебательной системе, могут быть использованы в различной радиоэлектронной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002514850
Дата охранного документа: 10.05.2014
20.05.2014
№216.012.c7ab

Лампа бегущей волны

Изобретение относится к области техники СВЧ. Лампы бегущей волны, основанные на использовании принципа непрерывного длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны в нерезонансной колебательной системе, могут быть использованы в различной радиоэлектронной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002516874
Дата охранного документа: 20.05.2014
20.11.2014
№216.013.074d

Установка радиационной стерилизации

Изобретение относится к области медицины и пищевой промышленности и может быть использовано для радиационной стерилизации. Установка радиационной стерилизации содержит ускоритель электронов, устройство развертки пучка, устройство биологической защиты в виде толстостенного металлического...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002533270
Дата охранного документа: 20.11.2014
17.02.2018
№218.016.2cb9

Симметричный трёхкоординатный движитель с линейно-скользящей опорой и встраиваемым устройством управления, и симметричная шагающая платформа на его основе

Группа изобретений относится к области робототехники. Симметричная шагающая платформа содержит конструктивно независимые симметричные трехкоординатные движители. Симметричный трехкоординатный движитель содержит три последовательно сочлененных управляемых звена и направляющее крепление, внутри...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002643613
Дата охранного документа: 02.02.2018
19.04.2019
№219.017.3276

Стенд для изучения микроконтроллерных систем управления

Данное изобретение относится к средствам обучения и является аппаратным оснащением процесса обучения разработке микроконтроллерных систем управления. Технический результат заключается в расширении функциональных и комбинаторных возможностей стенда. Указанный технический результат достигается...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002402822
Дата охранного документа: 27.10.2010
Показаны записи 1-10 из 10.
10.03.2013
№216.012.2eda

Микроконтроллер с аппаратным нечетким вычислителем переменной структуры

Изобретение относится к вычислительной технике и направлено на повышение производительности функционирования управляющих вычислительных систем, разрабатываемых с использованием логико-лингвистического подхода к описанию передаточных функций, и на расширение функциональных возможностей и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002477525
Дата охранного документа: 10.03.2013
10.06.2013
№216.012.4a36

Способ согласования замедляющей системы лампы бегущей волны с волноводными трактами

Заявленное изобретение относится к области техники СВЧ, в которой лампы бегущей волны, основанные на использовании принципа непрерывного длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны в нерезонансной колебательной системе, могут быть использованы в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002484578
Дата охранного документа: 10.06.2013
20.07.2013
№216.012.5833

Лампа бегущей волны

Изобретение относится к области техники СВЧ. Лампы бегущей волны (ЛБВ), основанные на использовании принципа непрерывного длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны в нерезонансной колебательной системе, могут быть использованы в различной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002488187
Дата охранного документа: 20.07.2013
27.09.2013
№216.012.70a7

Лампа бегущей волны

Изобретение относится к области техники СВЧ. Лампа бегущей волны (ЛБВ) дециметрового диапазона длин волн содержит электронную пушку, замедляющую систему типа «встречные штыри», состоящую из связанных между собой ячеек, диэлектрические герметизирующие перегородки, отделяющие замедляющую систему...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002494490
Дата охранного документа: 27.09.2013
10.05.2014
№216.012.bfcd

Лампа бегущей волны

Изобретение относится к области техники СВЧ. Лампы бегущей волны, основанные на использовании принципа непрерывного длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны в нерезонансной колебательной системе, могут быть использованы в различной радиоэлектронной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002514850
Дата охранного документа: 10.05.2014
20.05.2014
№216.012.c7ab

Лампа бегущей волны

Изобретение относится к области техники СВЧ. Лампы бегущей волны, основанные на использовании принципа непрерывного длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны в нерезонансной колебательной системе, могут быть использованы в различной радиоэлектронной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002516874
Дата охранного документа: 20.05.2014
20.11.2014
№216.013.074d

Установка радиационной стерилизации

Изобретение относится к области медицины и пищевой промышленности и может быть использовано для радиационной стерилизации. Установка радиационной стерилизации содержит ускоритель электронов, устройство развертки пучка, устройство биологической защиты в виде толстостенного металлического...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002533270
Дата охранного документа: 20.11.2014
17.02.2018
№218.016.2cb9

Симметричный трёхкоординатный движитель с линейно-скользящей опорой и встраиваемым устройством управления, и симметричная шагающая платформа на его основе

Группа изобретений относится к области робототехники. Симметричная шагающая платформа содержит конструктивно независимые симметричные трехкоординатные движители. Симметричный трехкоординатный движитель содержит три последовательно сочлененных управляемых звена и направляющее крепление, внутри...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002643613
Дата охранного документа: 02.02.2018
11.01.2019
№219.016.ae68

Способ ранней генетической диагностики риска развития генитального эндометриоза

Изобретение относится к медицине, а именно к медицинской генетике, и позволяет прогнозировать риск развития генитального эндометриоза для индивидуумов славянской популяции Северо-Западного федерального округа. Способ включает экстракцию ДНК из крови с последующим проведением мультиплексной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002676693
Дата охранного документа: 10.01.2019
19.04.2019
№219.017.3276

Стенд для изучения микроконтроллерных систем управления

Данное изобретение относится к средствам обучения и является аппаратным оснащением процесса обучения разработке микроконтроллерных систем управления. Технический результат заключается в расширении функциональных и комбинаторных возможностей стенда. Указанный технический результат достигается...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002402822
Дата охранного документа: 27.10.2010
+ добавить свой РИД