МИКРОТРОН Российский патент 2000 года по МПК H05H13/06 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании сильноточных циклических СВЧ ускорителей электронов - микротронов.

Известны микротроны, содержащие электромагнит, вакуумную камеру, в которой расположены электронный источник со своим источником питания, цилиндрический ускоряющий резонатор с торцевыми стенками, на которых расположены прозрачные для электронов диафрагмы в виде отверстий, и приемник пучка (например, мишень тормозного излучения или окно вывода пучка), причем в качестве электронного источника используется термоэмиссионная электронная пушка, а ускоряющий резонатор подключен с помощью специального согласующего волноводного тракта к внешнему СВЧ генератору [1] (Капица С.П., Мелехин В.Н. , "Микротрон", М.: Наука, 1969).

Наиболее близким к предлагаемому решению является микротрон [2] (Капица С. П. , Мелехин В. Н. , "Устройство для ускорения электронов", а.с. СССР N 226743, 18.2.65, H 05 H 13/0.6, опубл. БИ N 29, 1968), также содержащий электромагнит, вакуумную камеру, в которой расположены электронный источник со своим источником питания, цилиндрический ускоряющий резонатор с торцевыми стенками, на которых расположены прозрачные для электронов диафрагмы в виде отверстий, и приемник пучка, причем ускоряющий резонатор подключен с помощью согласующего волноводного тракта к внешнему СВЧ генератору.

Недостатками известных микротронов [1,2] являются, во-первых, малый ток ускоренных электронов (всего несколько сотен миллиампер) и, во-вторых, большая сложность конструкции, проявляющаяся в наличии СВЧ генератора и специального устройства его согласования с ускоряющим резонатором.

Технической задачей изобретения является упрощение конструкции и увеличение тока ускоренных электронов.

Техническим результатом предлагаемого решения является существенное увеличение тока ускоренных электронов и упрощение конструкции микротрона с исключением необходимости использования внешнего СВЧ генератора и тракта согласования.

Этот результат достигается тем, что, как и известные, предлагаемый микротрон содержит электромагнит, вакуумную камеру, в которой расположены электронный источник со своим источником питания, цилиндрический ускоряющий резонатор с торцевыми стенками, на которых расположены прозрачные для электронов диафрагмы, и приемник пучка, но в отличие от них электронный источник расположен напротив одной из диафрагм резонатора параллельно его торцевым стенкам и представляет плоский взрывоэмиссионный катод, выполненный в виде прозрачной для электронов металлической фольги или металлической сетки, диафрагмы также выполнены в виде плоской прозрачной для электронов металлической фольги или металлической сетки, причем расстояние d между катодом и ближайшей к нему торцевой стенкой удовлетворяет условию , где h - высота резонатора.

Действие микротрона основано на создании условий для формирования в ускоряющем резонаторе виртуального катода, который модулирует электронный пучок, то пропуская их, то отражая назад, и возбуждает мощные СВЧ колебания в резонаторе.

Достаточные условия для формирования виртуального катода заключаются, во-первых, в обеспечении работы электронного диода "катод-ближайшая к нему торцевая стенка резонатора" в режиме Чайльда-Ленгмюра [3] (Форрестер А.Т., "Интенсивные ионные пучки", М.: Мир, 1992), когда плотность тока, ускоряемого в диоде, максимально возможная, и чего легко добиться при использовании взрывоэмиссионных катодов, и во-вторых, в инжекции электронного пучка в замкнутую эквипотенциальную полость (в нашем случае - резонатор) с током, превышающим значение предельного вакуумного тока для данной полости [4] (Дубинов А.Е., Селемир В.Д. "Сверхмощные СВЧ приборы с виртуальным катодом и фазированные антенные решетки на их основе", Зарубежная радиоэлектроника, 1995, N 4, с. 54), что автоматически получается, если и резонатор - замкнутая эквипотенциальная полость с диафрагмами в виде прозрачной для электронов металлической фольги или металлической сетки.

Подбор величины магнитного поля электромагнита микротрона осуществляется так же, как и в известных [1], но с учетом того, что частота СВЧ колебаний виртуального катода равна примерно удвоенной плазменной частоте электронного пучка на выходе из диода.

Как легко видеть, заявленный технический результат достижим: внешнего СВЧ генератора нет в составе предлагаемого микротрона, а ускоряемый электронный ток сравним с предельным вакуумным (десятки килоампер и выше).

Пример конструкции микротрона показан на чертеже, где обозначено: 1 - вакуумная камера; 2 - взрывоэмиссионный катод; 3 - цилиндрический ускоряющий резонатор; 4 - мишень тормозного излучения; 5 - источник питания; ВК - виртуальный катод; стрелками показана траектория ускоряемых электронов; электромагнит, полностью идентичный электромагнитам известных микротронов [1,2], не показан, направление магнитного поля показано значком ⊗ H.

Конструкция вакуумной камеры 1 также не отличается от известных [1, 2]. Катод 2 может быть выполнен, например, из тонкой (50-100 мкм) титановой фольги либо из вольфрамовой проволочной сетки с диаметром проволочек 200-500 мкм и размером ячеек сетки 1-2 мм. Такими же можно выполнить и диафрагмы на торцевых стенках ускоряющего резонатора 3. Материал мишени тормозного излучения 4 - тантал, толщина ее выбирается в соответствии с конечной энергией ускорения. К промежутку "катод 2 - ближайшая к нему торцевая стенка резонатора 3" подключается внешний источник питания (источник высокого импульсного напряжения) 5, например, типа Аркадьева-Маркса [5] (Месяц Г.А., "Генерирование мощных наносекундных импульсов", М.: Атомиздат, 1972).

Опишем работу микротрона. При подаче импульса высокого напряжения с помощью источника питания 5 на промежуток "катод 2 - ближайшая к нему торцевая стенка резонатора 3" на поверхности катода, обращенной к резонатору, образуется тонкий слой электровзрывной плазмы микроострий катода. Это же напряжение является ускоряющим для электронов, которые покидают эту плазму, набирают энергию и инжектируются в эквипотенциальную полость резонатора 3. Внутри резонатора формируется виртуальный катод, который то пропускает электроны вперед, то отражает их назад в диод, возбуждая интенсивные электромагнитные СВЧ колебания в резонаторе. Эти колебания уже на первом пролете резонатора позволяют заметно повысить энергию пролетных электронов на выходе из резонатора почти в два раза по сравнению с энергией на входе в резонатор [6] (Долгачев Г. И., Закатов Л.П., Орешко А. Г., Скорюпин В.А., "Увеличение энергии электронов в магнитно-изолированном диоде с виртуальным катодом", Физика плазмы, 1985, т. 11, N 11, с. 1425). Далее пролетные электроны дрейфуют в магнитном поле в вакуумной камере 1 по круговым траекториям практически без изменения энергии. При подлете к катоду электроны частично замедляют свое движение и снова ускоряются при подлете к резонатору. Если правильно подобрать фазу влета электронов в резонатор с тем, чтобы они попали туда в ускоряющей фазе электромагнитных СВЧ колебаний, то при вторичном пролете резонатора они вновь приобретут энергию. И далее при всех последующих пролетах электрона резонатора будет происходить последовательное ускорение электронов до тех пор, пока радиус окружности оборота электронов в магнитном поле не станет таким, чтобы траектория электронов коснулась мишени.

Оптимальный подбор фазы влета электронов в резонатор можно осуществить регулированием трех параметров: величины напряжения в диоде, величины диодного промежутка, величины магнитного поля.

Приведем диапазоны ожидаемых параметров микротрона:
Магнитное поле - 1 - 5 кЭ
Величина диодного промежутка - 1 - 3 см
Напряжение в диоде - 200 - 500 кВ
Ускоряемый ток - 20 - 50 кА
Энергия ускорения - До 10 МэВщ

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании сильноточных циклических СВЧ ускорителей электронов-микротронов. Микротрон содержит электромагнит, вакуумную камеру, в которой расположены электронный источник со своим источником питания, цилиндрический ускоряющий резонатор с торцевыми стенками, на которых расположены прозрачные для электронов диафрагмы, и приемник пучка. Электронный источник расположен напротив одной из диафрагм резонатора параллельно его торцевым стенкам. Представляет плоский взрывоэмиссионный катод, выполненный в виде прозрачной для электронов металлической фольги или металлической сетки. Диафрагмы также выполнены в виде плоской прозрачной для электронов металлической фольги или металлической сетки. Расстояние d между катодом и ближайшей к нему торцевой стенкой удовлетворяет условию , где h - высота резонатора. Достигается существенное увеличение тока ускоренных электронов и упрощение конструкции микротрона с исключением необходимости использования внешнего СВЧ генератора и тракта согласования. 1 ил.

Микротрон, содержащий электромагнит, вакуумную камеру, в которой расположены электронный источник со своим источником питания, цилиндрический ускоряющий резонатор с торцевыми стенками, на которых расположены прозрачные для электронов диафрагмы, и приемник пучка, отличающийся тем, что электронный источник расположен напротив одной из диафрагм резонатора параллельно его торцевым стенкам и представляет плоский взрывоэмиссионный катод, выполненный в виде прозрачной для электронов металлической фольги или металлической сетки, диафрагмы также выполнены в виде плоской прозрачной для электронов металлической фольги или металлической сетки, причем расстояние d между катодом и ближайшей к нему торцевой стенкой удовлетворяет условию , где h - высота резонатора.