مقدمه:

پروژه طراحی و ساخت یک شتابدهنده خطی الکترون در پژوهشگاه دانشهای بنیادی با همکاری گروه کاربرد پرتوها دانشکده مهندسی هستهای دانشگاه شهید بهشتی در حال انجام است. این مقاله حاصل انجام قسمتی از این پروژه است که نقش مهمی در تکمیل آن دارد. اجزای اصلی یک شتابدهنده خطی الکترون شامل چشمه الکترون، تیوب اصلی شتابدهنده، منبع توان RF، سیستم خلاء، قطعات موجبر جهت انتقال توان RF به قسمت شتابگر، سیستم خنک کننده، سیستم کنترل و نمایشگر میباشند. شکل۱ اجزاء شتابدهنده خطی الکترون و ارتباط میان آنها را نشان میدهد.[۱] یکی از مهمترین قسمتهای این نوع از شتابدهندهها زیر سیستم RF آن است که وظیفه تامین موج رادیو فرکانسی توان بالا را برای تیوب شتابدهی بر عهده دارد. از آنجا که موج الکترومغناطیسی مورد نیاز باید توان بسیار بالا (چند مگاوات) داشتهباشد، توسط لامپهای مایکروویو، به صورت پالسهای با پهنای کم (چند میکروثانیه) تولید میشوند.[۲] این لامپها را به دو دسته لامپهای باریکه خطی، همچون کلایسترون، توایسترون و TWT و لامپهای میدان متقاطع همچون مگنترونها میتوان دستهبندی نمود. به طور معمول در شتابدهندههایی که به توان RF بسیار بالا برای شتابدهی ذرات نیاز دارند، از لامپکلایسترون استفاده میشود. لامپهای کلایسترون، ابزارهایی هستند که برای تولید و یا تقویت سیگنال در طیف فرکانس مایکروویو بکار میروند. این لامپها، متداولترین منابع برای کاربردهای تولید توان بالا، فرکانس بالاو پهنای وسیع می باشند. برای این کار لامپ کلایسترون به پالسهای با ولتاژ و جریان بالا نیاز دارد که بوسیله مدولاتور قدرت تولید میشود. در واقع کلایسترونها از رایجترین تقویت کنندههای توان بالای RF میباشند که با توان خروجی در رنج چند صد کیلووات تا چند ده مگاوات، کاربرد گستردهای در انواع شتابدهندهها دارند.[۳]

۲۱۲

شکل:۱اجزاء شتابدهنده خطی الکترون و ارتباط میان آنها[۱]

شکل۲ یک کلایسترون و اجزاء آن را نشان میدهد. در کلایسترون یک باریکه الکترونی از سمت کاتد یک تفنگ الکترونی به سمت کاواک رزونانسی شتاب می گیرد. در واقع اختلاف پتانسیل الکتریکی اعمال شده میان کاتد وآند لامپ، سبب حرکت الکترونها به سمت کلکتور خواهد شد. الکترونها در گذر از میان کاواکها بر اساس سازوکار مدولاسیون سرعت، خوشه ( بانچ) میشوند. زمانی که خوشه های الکترونی به کاواک آخر می رسند، امواج مایکروویوی در اثر تغییر چگالی الکترون ها و تابش ترمزی آنها تولید می شود.[۴]

×

×

×

×

×

×

×

شکل:۲ کلایسترون چهار کاواکه و اجزاء آن[۴]

۲۱۳

در سیستم تامین RF توان بالای یک شتابدهنده خطی الکترون، پس از کلایسترون مهمترین نقش را مدولاتور بر عهده دارد. مدولاتور توان خط AC ورودی برق را به توان پالس ولتاژ بالا تبدیل میکند. پالس حاصل از مدولاتور، برای اعمال بین آند و کاتد کلایسترون مورد نیاز است. در واقع کاواکهای شتابدهنده خطی، برای شتابدهی به توان بالای RF نیاز دارند.