книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике

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

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,

временем пролета по последней орбите, равным 42 перио­

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

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

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

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

(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.

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-