книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике
.pdf2. |
Микротрон. а) М и к р о т р о н |
с о д н и м м а г |
н и т о м 1. Ускоритель этого типа состоит |
из СВЧ-резо- |
|
натора, |
помещенного между полюсами постоянного маг |
нита и возбуждаемого источником СВЧ-мощности обыч но порядка 0,5—5 Мет. Испускаемые горячим катодом электроны за один пролет через резонатор ускоряются до релятивистских скоростей и описывают в магнитном поле окружность, возвращаясь в ускоряющий зазор резона тора синхронно с электрическим СВЧ-полем в нем. Элек троны увеличивают свою энергию при каждом пролете через зазор, поэтому до их возвращения должно пройти целое число ВЧ-периодов. Каждая последующая траекто рия представляет собой окружность большего диаметра, имеющую точку касания внутри резонатора. Так, обычно электроны могут получить за один пролет прирост энер
гии 0,5 |
Мэе, а ВЧ-поле — совершить два |
колебания за |
||
первую |
траекторию, три — за |
вторую, |
четыре — за |
|
третью |
и т . |
д. Область фазовой |
устойчивости лежит в |
|
пределах от |
—90 до — 110°. Так, |
если синхронизм имеет |
место при фазовом угле — 100°, то запаздывающий элек трон с фазой, скажем, — 110° во время пролета через за зор резонатора получит слишком мало энергии, диаметр его траектории в магнитном поле будет соответственно меньше и он вернется в резонатор раньше, попадет в фа зу и в следующий пролет получит больше энергии и т. д.
В табл. 2 приведены уравнения для расчета'микротрона с одним магнитом. Пусть, например, а = 1,ГЯ = 10 см и = 0,2, что соответствует энергии 102 кэе, инжекти руемой электронной пушкой. Подставляя эти значения в уравнение (И), получим В ~ 0,1283 тл. Предположим, что Ь = 1; подставив это значение в уравнение (13), по лучим Ау == 1,2, что соответствует приросту энергии за один оборот 0,613 Мэе. Для фазового угла синхрониз ма 105° максимальный прирост энергии составил бы 0,635 Мэе.
Благодаря специально подобранной траектории инжек ции электрона в резонаторе получена энергия инжекции Ау. = 1, при этом Ау могло быть порядка 2, что соответ-
1 Этот тип ускорителя был впервые предложен В. И. Вексле ром в СССР [см. ДАН СССР, 43, 329 (1944)].— Прим, ред.
Таблица 2
Уравнения для микротрона с одним магнитом
Релятивистский баланс центробежных и центростремительных сил
дает
|
ту- |
= |
ееВ, |
|
(1) |
|
|
г |
|
||||
|
|
|
|
|
||
т = |
ут0 |
|
V = |
[ЗС, |
(2) |
|
|
У'ПдрС |
еВ. |
|
(3) |
||
|
Г |
= |
|
|||
|
|
|
|
|
||
Время прохождения одной орбиты |
|
|
||||
|
2яг |
/ 2ят0 \ |
(4) |
|||
*а = |
рс = |
\ |
еВ |
Р |
||
п' |
Упелнчеиие времени пролета последующих орбит
(5)
сД* = М,, |
где Ь— целое ч |
||
Ь% |
( 2я/и0 |
\ |
|
с |
= ( |
еВ |
) Ат' |
Д-р = ЬЯ/ |
/2ят0с \ |
||
еВ |
) ' |
Время пролета первой орбиты
I. |
(а + |
Ь)\ |
2яш0 |
VI5 |
<о + Д* = ----- |
с----- |
еВ |
= - ^ ( 1 + Дт,+Дт);
здесь Ду^ соответствует общей энергии инжекции,
аХ 2пт0 ,, . . .
*о = - -------- Д *-<»+ *»*>.
где а — целое число,
(6)
(7)
(8)
(9)
( 10)
Ь М Ь .
( И )
( 12)
- ■ ! - ( . + а д .
ствует приращению энергии 1 Мэе за один оборот. Таким образом, при длине волны 10 см можно достигнуть пре дельного градиента энергии для ускорения в зазоре одно го резонатора. В этом случае к ускоряющему резонатору должна быть подведена импульсная СВЧ-мощность
Ф и г . |
3 . |
М и кр о тр о и со сп ец и ал ьн о й |
т р а е к т о |
р и е й и н ж екц и и |
д л я п |
о л у |
ч ен и я б о л ьш о го п р и р ащ ен и я |
э н ер ги и |
з а оди н п р о лет |
р е зо н а т о р а .
0,55 Мет. На фиг. 3 показана специальная траектория инжекции электрона в таком микротроне.
Если энергия инжекции мала, а число периодов СВЧколебаний за время прохождения первого витка велико, СВЧ-мощность резонатора можно уменьшить настолько, чтобы работать в непрерывном режиме. Например, если Ду* стремится к нулю, а = 2, а Ь = 1, то Ду = ги . Это соответствует в четыре раза меньшему полю, чем раньше, а пиковая СВЧ-мощность, требующаяся для возбуждения резонатора, составляет 7ю прежней мощности, т. е.
35 кет. При наличии источника непрерывной СВЧ-мощ- ности 75 кет для преобразования в мощность электрон ного пучка может потребоваться 40 кет. Если за один оборот электрон получал прирост энергии У4 Мэе, то для установки, рассчитанной на 10 Мэе, потребовалось бы 40 витков в магнитном поле с индукцией 0,0535 тл,
Ф и г , 4 . |
О рбиты |
в |
м и кр отр он е |
с |
секто р н ы м м агни том . |
1 — секторы |
магнита; |
2 |
— резонатор; |
3 |
— электронная пушка; 4 — |
|
|
|
экстрактор. |
временем пролета по последней орбите, равным 42 перио
дам СВЧ-колебаний, и |
диаметром последнего витка |
134 см. Общий диаметр |
магнита составил бы ~ 2 1 0 см. |
б) М и к р о т р о н с с е к т о р н ы м и м а г н и т а м и . Для того чтобы уменьшить число орбит и раз меры магнита, желательно использовать в области каса ния орбит не один резонатор, а несколько. Поэтому орби ты должны быть не круглыми, а скорее овальными. На фиг. 4 показаны траектории электронов в восьмиорбитном микротроне типа «рейстрек», дающем максимальный ток 50 ма при энергии 6 Мэе. Хотя в этом микротроне исполь-
зован только один резонатор, в общем случае их может быть много. Уравнения для микротрона этого типа пред
ставлены |
в табл. |
3. |
Например, |
пусть а = |
5, |
%= 10 см, |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3 |
|
|
|
|
У р авн ен и я для |
микротрона |
с |
секторными |
магнитами |
|
||||||||||||
|
И з |
уравнени я |
(4) |
табл . |
2 |
врем я |
п-го |
оборота |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
__ |
2лт0 |
|
|
_5 |
|
|
|
|
|
|
(О |
||
|
|
|
|
|
|
1п — |
еВ |
|
+ |
рс ’ |
|
|
|
|
|
|||||
гд е |
5 — полная длина пути |
вн е |
эф ф ективного |
магнитного поля В. |
||||||||||||||||
|
При |
постоянном |
отнош ении |
5/(Зс |
из |
уравнений (1 0 ) |
и |
(1 2 ) |
таб л . 2 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
2гоя0 |
|
|
. |
х |
. |
5 |
|
|
|
(2) |
|
|
|
|
|
|
*• - |
— |
= г7В“ (| + |
|
+ |
рГ- |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
Д* = |
ы |
|
2 пт0 |
|
|
|
|
|
|
(3) |
||||
|
|
|
|
|
|
с |
|
|
еВ |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
*п —и + яд*» |
|
Ь — целы е |
|
|
(4) |
|||||||
гд е |
/ 0 и |
Д / — ц елы е’ числа |
ВЧ -п ери одов, |
а |
и |
числа |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
( а _ "| г) " Г = |
п й г - |
|
+ Ай>» |
|
|
|
(5) |
||||||||
|
|
- |
( |
^ |
) |
[ |
( |
^ |
х ] = |
».о7сю[15У |
|
^ |
г], |
(6) |
||||||
|
|
|
|
|
|
ЛТ = ^ Г |
5/рХ (1 + |
ДТ/).4* |
|
|
|
(7) |
||||||||
Ь = |
1, а — 5/РЯ = |
0,15, Ду* = |
|
0,2. |
Подставляя эти зна |
|||||||||||||||
чения в уравнение (7), получим Ду = |
8. |
Эта |
величина |
|||||||||||||||||
соответствует |
приращению |
энергии |
за |
один |
виток |
|||||||||||||||
|
4 Мэе. Из уравнения (6) В |
= |
0,8560 т л, |
5/рХ = |
4,85. |
|||||||||||||||
Поскольку Р « |
1, то 5 = |
48,5 см и длина области уско |
рения 20 см достаточна для того, чтобы ввести несколько резонаторов. В изображенной на фиг. 2 конструкции с дополнительными резонаторами связи при длине волны 10 см можно получить шунтовое сопротивление 80 Мом)мь которое требует при длине ускорителя 20 см и прираще нии энергии 4 Мэе приблизительно 1,1 Мет импульсной мощности. Установка с 25 орбитами обеспечила бы энер гию пучка 100 Мэе, причем диаметр последней орбиты составил бы 83 см.
В микротроне, показанном на фиг. 4, использован четырехсекционный магнит. Фокусировку осуществляют краевые поля в скошенных зазорах между секторами. Этим достигается компенсация расфокусировки, порож даемой краевыми полями в прямом зазоре. Были исследо ваны и некоторые другие конструкции магнитнойтсистемы: 1) два магнита под углом 180° с квадрупольными лин зами на каждой из нескольких первых орбит; 2) квадрупольная линза для каждой орбиты в скошенных зазорах секторных магнитов, предназначенная для того, чтобы сделать систему изохронной (время прохождения всех орбит одинаково) при разбросе энергии электронов уско ряемого пучка в широких пределах; 3) отдельные изогну тые магниты и квадрупольные линзы для каждой орбиты, чтобы, как и в предыдущем случае, получить изохрон ность при разбросе энергий в широких пределах. Эта конструкция применима к длинным ускорителям и ввиду ее сложности ограничена одной-четырьмя орбитами. Поскольку время пролета электронов всех орбит сравни мо с временем высокочастотного наполнения волновода ускорителя, надо специально позаботиться о сохранении постоянного прироста энергии на один оборот (например, ввести дополнительный электронный пучок), так как по мере заполнения каждой орбиты ток, нагружающий вол новод, скачками возрастает.
В. Криогенный ускоритель. Высокочастотную про водимость можно увеличить приблизительно до 105, если покрыть ускоряющие резонаторы таким сверхпро водником, как, например, свинец, и работать при тем пературе 1,84°К. Таким образом, при заданном энерге
тическом градиенте импульсную мощность можно умень |
||
шить в 105 раз. Для обычного ЛУЭ с энергией 500 Мэе |
||
при комнатной температуре потребовалась бы полная |
||
импульсная СВЧ-мощность порядка 100 |
Мет, а для сверх |
|
проводящего ускорителя — мощность |
^ 1 кет. В этом |
|
случае стала бы возможной работа в непрерывном режи |
||
ме с коэффициентом заполнения |
100% |
вместо 0,1% для |
обычного современного линейного |
электронного ускори |
теля и 1—3% для мощных установок, находящихся в ста дии разработки. Высокий коэффициент заполнения осо бенно важен в экспериментах ядерной физики по совпак
дению частиц, так как в эксперименте с двойным совпа дением отношение полезного счета к счету случайных сов падений пропорционально коэффициенту заполнения, а в эксперименте с троекратным совпадением — квадрату этой величины.
Современные охлаждающие устройства работают при к. п. д. цикла Карно ^Л 0% , так что при 1 ,8 °К на 1 вт потерь требуется (300/1,8) -10 ад 2 кет входной мощности охлаждающего устройства. В результате криогенный линейный ускоритель стоит так же дорого, как и ЛУЭ, работающий при комнатной температуре, так как выиг рыш в стоимости за счет исключения мощного импульс ного СВЧ-источника при работе с охлаждением теряется из-за затрат на холодильники и криостаты.
Микротрон с секторным магнитом в принципе тоже может работать с охлаждением. Например, при комнат ной температуре для 20-орбитного микротрона с коэффи циентом заполнения 10%, энергией 400 Мэе и длиной ускоряющей секции 4 м на частоте 1300 Мгц потребуется импульсная СВЧ-мощность 2 Мет и средняя СВЧ-мощ- ность 200 кет. Если средняя СВЧ-мощность источника 300 кет, мощность пучка составит 100 кет. Понизив тем
пературу до 4,2 °К, |
можно получить увеличение шунто- |
вого сопротивления |
в 3» 103 раз, причем максимальные |
потери импульсной мощности в стенках резонатора умень шатся примерно до 700 вт, а при 1,8 °К — до 20 ет . В любом случае при работе с непрерывным источником СВЧ-мощности можно получить коэффициент заполне ния 100%, при этом мощность источника почти полностью определяется заданной мощностью пучка ускорителя.
III.Аппаратура для управления пучком
иего использования
А.Фокусировка, отклонение, сканирование. Типич
ный |
диаметр пучка электронов на выходе ускорителя |
~ 5 0 |
мм, а угловое расхождение равно ±:(10/У) мрад |
(V выражается в миллионах электронвольт). Разброс энергий между точками, где интенсивность уменьшается вдвое, составляет обычно 1 % при энергиях выше 50 Мэе и (50/Н)% при энергиях ниже 50 Мэе.
Ф и г. 5. Сканирование луча, имеющего разброс энергий.
1 — электронный ускоритель; 2 — магнит, отклоняющий на 90°; 3 — гиперболический сканирующий магнит, одинаково отклоняющий элек троны разных энергий; 4 — пластины прибора, контролирующего энер гию пучка, нс перехватывая его; 5 — конвейер; 6 — съемный конвер
тер; 7 — контейнер с продуктом.
Прежде чем пучок может быть использован, он должен пройти некоторое расстояние в вакууме через фокусирую щие и отклоняющие магниты. Фокусировка осуществляет ся соленоидами, квадрупольными магнитами и краевыми полями отклоняющих магнитов. Необходимая энергия и разброс энергий подбираются с помощью анализирую щего магнита. Для облучения материала пучок электро нов отклоняется сканирующим магнитом, в то время как материал движется по конвейеру под окном разверты вающего устройства, расположенного на выходе пучка. На фиг. 5 показан путь пучка, проходящего через квадрупольный дублет, показаны также анализирующий маг нит, отклоняющий на 90°, и сканирующий магнит с ги перболическими полюсами. Сканирующий магнит сконст руирован таким образом, что электроны пучка разных энергий отклоняются на один и тот же угол, чем и обе спечивается одинаковая доза облучения материала.
Б. Мишени и вторичное излучение. /. Рентгеновский конвертер. Для рентгенографического исследования боль ших предметов с целью обнаружения малых дефектов тре буется источник хорошо сфокусированного, интенсивного и жесткого рентгеновского излучения. Такое излучение может быть получено с помощью линейных ускорителей. На фиг. 6 показан путь луча, проходящего через рентге новскую головку рентгеновского линейного ускорителя (ср. фиг. 13). Рентгеновская головка поворачивает пучок под прямым углом к ускоряющему волноводу и может поворачиваться на 360° в вертикальной плоскости. Для обеспечения полной маневренности в конструкции пре дусматривается возможность поворота ЛУЭ на 360° в горизонтальной плоскости и вертикального перемеще ния, для чего используется телескопический подъемник.
В |
случае двух |
противоположно отклоняющих магнитов |
с |
фокусировкой |
краевым полем пучок электронов с |
10%-ным разбросом энергий фокусируется до диаметра, который можно, регулируя угол края магнита, довести до 0,5 мм. Фокусировка пучка осуществляется на вра щающейся тяжелой металлической мишени с водяным охлаждением.
2. Позитронный конвертер. Когда поток электронов, обладающих большой энергией, падает на мишень, в ре
зультате кулоновского взаимодействия с полем ядра и орбитальными электронами атомов ^вещества входящие электроны начинают излучать. Такое рентгеновское из лучение называют тормозным. Тормозной фотон, прохо-
Ф и г. 6. Рентгеновская головка рентгенографического ли нейного ускорителя.
дя вблизи ядра, иногда исчезает, затрачивая свою энергию на создание пары электрон — позитрон. При движении этой пары в материале мишени электрон вызывает даль нейшее тормозное излучение, а позитрон аннигилирует с электроном и порождает пару фотонов. Таким образом, первичный электрон, попадая в материал мишени, вы зывает целую лавину фотонов, электронов и позитронов. Многократное рассеяние дает эмиссию позитронов из мишени в большом телесном угле. Позитроны можно сфо кусировать магнитной системой в пучок и разогнать его до больших энергий линейным ускорителем. На фиг. 7 показан позитронный конвертер и магнитная фокусирую щая система.
3. Нейтронный конвертер. Обладающий большой энер гией фотон, попадая в ядро, возбуждает его. Ядро распа-