КОМПАКТНЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ ДЛЯ

28
В естник Мо сков ско г о унив ер с ит е та. Серия
3.
Физика. А с трономия.
2008.
№
4
ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
УДК
621.384.6
КОМПАКТНЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ
ДЛЯ РАДИАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
А. С. Алимов, Б. С. Ишханов, В. И. Шведунов
(НИИЯФ)
E-mail: alimov@depпi.siпp.msu.ru
Разработан и создан прототип промышленного компактного ускорителя электронов
непрерывного
30
действия
на
энергию
600
кэВ
и
максимальную
мощность
пучка
кВт, который может быть использован щля реализации целого ряда радиационных
технологий. Компактность, простота эксплуатации, надежность ускорителя, широкий
диапазон регулирования основных параметров, возможность применения локальной
защиты
позволяют
внедрять
его
в
большинство
радиационных
технологических
процессов.
Основные характеристики ускорителя
промежуточными анодами и регулировкой тока от О
Уникальность и
до
заключаются
в
новизна созданного ускорителя
том,
что
он
реализован
по
схеме
СВЧ-ускорителя непрерывного действия с примене­
нием целого ряда нетрадиционных решений и мето­
дик, связанных прежде всего с системами инжекции
и формирования электронных сгустков и системой
мА без существенных изменений оптических
характеристик пучка
[ 1, 3].
Электронная пушка расположена непосредствен­
но
на
входном
фланце
ускоряющей
секции
без
пространства дрейфа и фокусирующих элементов.
Ускоряющая секция, разработанная на основе бипе­
риодической ускоряющей структуры с внутренними
СВЧ-питания.
Коэффициент захвата непрерывного пучка элек­
тронной пушки в режим ускорения линейным уско­
рителем со стоячей
волной обычно не превышает
Посредством оптимизации начальной части
30-40%.
250
ячейками связи, состоит из
14 ячеек (группирова­
13 ускоряющих ячеек) переменной длины
с (3 = v/c от 0.237 до 0.888. Трехмерная геометрия
ускоряющей секции показана на рис. 2.
тель и
ускоряющей структуры нами получен коэффициент
захвата пучка
50% [ 1-3].
В качестве энергии инжекции выбрана энергия
15
кэВ, совпадающая с напряжением питания кли­
строна
15
кВ,
электронную
что дает
пушку
не
возможность запитывать
от
отдельного
источника
питания, а от источника питания клистрона
Разработана
оригинальная
показанная на рис.
1,
электронная
на энергию
15
[ 1].
пушка,
кэВ с двумя
Рис.
2.
Трехмерная геометрия ускоряющей секции
(в ра з резе)
В
основу
используемой
системы
высокочастот­
ного питания заложен автоколебательный принцип
Рис.
1.
Электронная пушка на испытательном
стенде
работы клистрона с ускоряющей структурой в цепи
обратной связи, позволяющий отказаться от зада-
Вестник Московского университета. Серия
ющего
генератора
и
3.
развязывающего
Физика. Астрономия.
циркулятора
2008.
№
29
4
и камеру облучения
1О.
При первом запуске уско­
между клистроном и секцией. Система, состоящая
рителя
из
выходе ускорителя использовался цилиндр Фарадея,
клистрона
и
ускоряющей
секции,
становится
чрезвычайно компактной, а процедура ввода мощ­
ности
и
-
работа секции
и надежными
тока
и
мощности
рассчитанный на мощность пучка до
[1, 4].
60
пучка
на
кВт.
Эксперименты по ускорению пучка
ложенных выше оригинальных принципов был со­
здан прототип компактного промышленного линей­
ного ускорителя электронов непрерывного действия
3)
измерения
максимально простыми
В результате проведенных работ на основе из­
(рис.
для
с параметрами, приведенными в табл.
1.
После сборки ускорителя-прототипа были прове­
дены
эксперименты
по
ускорению
пучка
с
целью
получения проектных значен ий среднего тока пуч­
ка lь eam = 50 мА, энергии пучка W = 600 кэВ,
мощности пучка Рь еаm = 30 кВт при коэффициенте
захвата lь eam/lguп = 50%. Результаты экспериментов
в диапазоне токов пучка от
в табл.
2.
3.8 до 50 мА приведены
Ток пучка регулировался изменением тока
накала электронной пушки. С ростом нагрузки то­
ком пучка энергия пучка увеличивалась и достигала
максимума
W
=
кэВ
624
при
оптимальном
токе
lь ea m = 50.0 мА и мощности пучка Рь еаm = 31 .2 кВт.
Оценки потерь пучка из измеренного баланса мощ­
ности при fguп = 98 мА, lь eam = 50 мА показали,
что потери тока пучка составили /1 055 = 48 мА,
мощность потерь lloss ~ 2 кВт, что соответствует
средней энергии потерь <Wioss > ~ 42 кэВ.
Таблица
2
Результаты экспериментов по ускорению пучка
lьeam ,
мА
10
20
26
3.8
8.0
10.4
15.0
%
38.0
40.0
40.0
41.7
17.0
21.0
24.0
31.0
34.5
36
40
47
Рис.
3.
50
Схема линейного ускорителя электронов
60
68
70
78
Таблица
Параметры ускорителя электронов непрерывного
действия
Энергия пучка
Средний ток пучка
Максимальная средняя мощность пучка
Длина ускорителя (без вывода энергии)
Рабочая частота
Мощность, потребляемая от сети
600 кэВ
0- 50 мА
30 кВт
на рис.
3),
клистрон
подводящий волновод
с вакуумным
5.
ампер
портом, че­
Система вывода пуч­
ка включает фокусирующую линзу
пучка
7,
магнит
15
6,
кэВ
2.2
4.7
6.2
579
587
8.8
596
587
42.5
44.7
48.0
9.8
12.2
576
581
14.1
588
51.7
50.7
51.4
49.4
606
597
50.6
18.8
20.6
21.6
23.3
27.8
600
605
610
51.0
31.2
624
50 мА является рекордным
созданного ускорителя является возможность
регулировки
рез который производится высоковакуумная откачка
магниторазрядным насосом
50.0
ством
2, ускоряющая структура 3,
4
98
W,
ft eam ,
кВт
током для СВЧ-ускорителей. Несомненным достоин­
В состав ускорителя входят электронная пушка
(/
90
36.0
38.5
45.5
Средний ток пучка
0.8 м
2450 МГц
~ 75 кВт
~40%
Эффективность от розетки
fьeam/ f gun ,
f gun ,
мА
корректоры
в
выходного
тока
от
десятков
микро­
до
50 мА при сохранении энергии пучка
диапазоне 600 ± 30 кэВ, что позволяет в широком
диапазоне
варьировать
дозовые
режимы
в
процессе
промышленного облучения.
Заключение
Созданный ускоритель занимает промежуточное
сканирующие пучок по двум направлениям,
место
развертки
пульсными ре зонато рными ускорителями. Средний
пучка
ВМУ. Фи з ика. Астрономин.
No 4
8,
камеру
развертки
9
между
высоковольтными
ускорителями
и
им­
В естник Мо сков ско г о унив ер с ит е та. Серия
30
ток пучка
мА является рекордным током для
50
3.
требующих большой (до
500
2008.
№
4
кВт) мощности пучка.
многорезонаторных СВЧ-ускорителей непрерывного
Преимуществом
действия. Прямых аналогов данного ускорителя не
ускорителем с большой мощностью пучка является
возможность
существует.
Преимуществами ускорителя по сравнению с вы­
соковольтными
ускорителями
-
и
импульсными
резонаторными
являются:
компактность;
простота эксплуатации;
возможность изменения параметров в процессе
работы;
-
возможность
внедрения
в
существующие
тех­
нологические линии.
Достоинством данного ускорителя является так­
же модульный принцип
его
позволяет
энергию
увеличивать
среднего тока
50
конструкции,
при
который
сохранении
мА за счет последовательного со­
такой
Физика. А с трономия.
замены
цепочки
перед
отдельного
отдельным
модуля
без
дли­
тельного прерывания технологического процесса.
Литература
1. Alimov A.S., Ermakov D.I., lshkhanov B.S. et al. //
Ргос. of Particle accelerator conf. IEEE 2001. Piscataway, 2001. Р. 2506.
2. Alimov A.S., Ermakov D.I., lshkhanov B.S. et al. //
Ргос. of European particle accelerator conf. 2000. Vienna (Austria), 2000. Р. 803.
3. Alimov A.S., Ermakov D.I., !shkhanov B.S.et al. //
Ргос. of Particle accelerator conf. IEEE 1999. Piscataway, 1999. Р. 2555.
4. Alimov A.S., Chubarov О. V., Shvedunov V.I. // IEEE
Trans. Nucl. Sci. 1997. 44. Р. 1033.
единения идентичных ускоряющих модулей. Кроме
того,
компактность
ускорителя
допускает
создание
параллельной цепочки ускорителей для процессов,
Поступила в р едакцию
08.10.2007