СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПРОВОДКИ ПУЧКА ЭЛЕКТРОНОВ В ТРАКТЕ ЛИНЕЙНОГО УСКОРИТЕЛЯ Российский патент 2010 года по МПК H05H9/00 H05H7/00 H05H7/22 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в линейных индукционных ускорителях сильноточных (более 1 кА) импульсных (менее 1 с) пучков электронов при их ускорении и/или транспортировке в протяженных (более 1 м) вакуумных трактах.

Известно [1], что при проводке (ускорении и/или транспортировке) в тракте линейного ускорителя сильноточного импульсного пучка электронов цилиндрического или трубчатого поперечного сечения развиваются в пучке поперечные высокочастотные неустойчивости из-за взаимодействия собственных электрического и магнитного полей пучка со многими параметрами структуры тракта, например, с периодическими воздействиями электрических и магнитных полей, их ассимметрии относительно продольной оси тракта, взаимной несоосности ускорительных (дрейфовых) трубок и др. Поперечные колебания нарушают динамику распространения пучка, искажают форму импульса тока пучка, приводят к его радиальному расширению с потерей части электронов на стенках тракта.

Известны способ и устройство проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя, изложенные в [2].

Способ состоит в том, что по длине тракта ускорителя периодически присоединяют радиальные линии, нагруженные на внешнем радиусе на резистивные элементы, в частности, на активные сопротивления стенок из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением. Для этого по известным геометрическим и электрическим параметрам тракта и пучка оценивают основную частоту возбуждаемых высокочастотных радиальных колебаний пучка, и по указанным в [2] расчетным программам и формулам определяют приблизительные значения импеданса и геометрические размеры линий, которые окончательно подбирают экспериментально. Физическая роль этих линий сводится как бы к периодическому последовательному включению резистивных элементов в электрическую цепь обратного токопровода пучка электронов по длине тракта, активное сопротивление которых близко по величине средним значениям импедансов соответствующих радиальных линий. Активные сопротивления резистивных элементов уменьшают добротность распределенных по длине тракта контуров, образуемых эквивалентными погонными емкостью, индуктивностью и активным сопротивлением пучка относительно таких же составляющих элементов тракта, и потому уменьшающих или гасящих амплитуды радиальных высокочастотных колебаний.

Устройство заключается в том, что в тракт ускорителя введен эмиттер электронов, формирующий цилиндрический трубчатый или сплошной цилиндрический пучок электронов, и по длине тракта в него периодически встроены в обратный токопровод радиальные линии.

Недостатком данного способа и устройства проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя является увеличение длины и габаритного диаметра тракта.

Наиболее близкими к заявляемому техническому решению являются способ и устройство проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя импульсного пучка электронов, представленные в [3].

Способ состоит в том, что в тракте линейного ускорителя формируют два соосных трубчатых импульсных пучка электронов длительностью импульса тока каждого из них по 25 нс - основной (внутренний) и дополнительный (внешний) большего диаметра, разделенных регулируемым от 50 нс до 5 мкс интервалом между ними, причем пучки поочередно проводят по длине тракта ускорителя и генерируют на выходе из мишени два точно синхронизированных по времени импульса тормозного излучения.

Устройство проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя содержит серию индукторов, образующих ускоряющую систему, а также основной эмиттер основного пучка электронов, установленный с одного из торцов в тракте и размещенный соосно основному эмиттеру в тракте дополнительный трубчатый эмиттер, внутренний диаметр которого больше внешнего диаметра основного эмиттера. Сначала срабатывает первая часть индукторов ускоряющей системы и она ускоряет основной, более сильноточный, пучок электронов, который проходит далее без дополнительного ускорения по тракту второй части ускоряющей системы до мишени, а через регулируемый от 50 нс до 5 мкс интервал включается вторая часть индукторов ускоряющей системы, формируя дополнительный трубчатый пучок электронов с меньшей амплитудой тока, чем амплитуда тока основного пучка, и ускоряя его во второй части тракта, проводя тоже до общей мишени обоих пучков.

Тракт такого линейного ускорителя не содержит добавочных радиальных линий и потому имеет меньшие габариты по длине и по диаметру.

Недостатком способа и устройства проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя по прототипу является развитие высокочастотных радиальных колебаний электронов в основном пучке электронов и потому нарушение стабильности динамики этого пучка в тракте, потери части электронов на элементах тракта и искажение формы импульса тока по длине тракта.

Задачей, решаемой при создании данного изобретения, является уменьшение или гашение амплитуд высокочастотных радиальных колебаний электронов в основном пучке электронов и увеличение тем самым стабильности динамики этого пучка в тракте, снижение потерь электронов на элементах тракта и сохранение формы импульса тока по длине тракта.

Техническим результатом при решении данной задачи является повышение дозы тормозного излучения из мишени за счет уменьшение потерь электронов основного пучка при проводке его по тракту.

Сущностью заявляемого способа проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя со сформированными в нем основным пучком электронов и соосным ему дополнительным внешним трубчатым пучком электронов является то, что дополнительный пучок формируют одновременно с вхождением в него основного пучка или ранее по достижении в этот момент величины нарастающего тока дополнительного пучка, равной от 0,1 до 0,3 его амплитудного значения I_д, которое выбирают из условия:

I_д=(0,1÷0,3)I_о,

где I_о - амплитуда тока основного пучка.

В основном пучке электронов при проводке его в тракте возбуждаются высокочастотные колебания от взаимодействия с компонентами структуры тракта. С такими колебаниями основной пучок достигает места формирования дополнительного пучка и далее основной пучок движется по тракту синхронно с дополнительным пучком. Однако основной пучок взаимодействует собственными электрическим и магнитным полями с дополнительным пучком как бы с эквивалентным длинным трубчатым внешним резистивным слоем, толщина стенок которого меньше глубины скин-слоя на частоте, соответствующей длительности импульса ускоряющего электрического поля. Активное сопротивление резистивного слоя дополнительного пучка уменьшает добротность распределенных по длине тракта колебательных контуров в системе "основной электронный пучок-структура тракта" и эффективно уменьшает или гасит амплитуды высокочастотных радиальных колебаний основного пучка, повышая тем самым стабильность динамики проводки его по длине тракта, уменьшая радиальное расширение этого пучка, снижая потери части электронов на элементах тракта и уменьшая искажение формы импульса тока. В совокупности это повышает дозу тормозного излучения из мишени за счет уменьшения потерь электронов основного пучка при проводке его по тракту.

Дополнительный пучок целесообразно формировать во времени одновременно с вхождением в него основного пучка или ранее момента достижения началом фронта тока основного пучка этого места формирования. Необходимость такого формирования заключается в том, что как основной пучок, так и дополнительный не возрастают мгновенно до их амплитудных значений при формировании, а их токи растут с некоторой скоростью до амплитуды в течение длительностей фронтов импульсов. Но наиболее неустойчивой частью основного пучка, более сильноточного, чем ток дополнительного пучка, обычно является именно фронт импульса, увлекающий этими колебаниями вершину и спад импульса тока. И потому дополнительный пучок нужно начинать формировать, как минимум, одновременно во времени с вхождением в него начала фронта тока основного пучка, т.е. чтобы дополнительный пучок сразу представлял для основного пучка резистивный трубчатый слой. Если задержать начало формирования дополнительного пучка, то начальная часть основного пучка уйдет по тракту за пределы места формирования дополнительного пучка без воздействия на эту часть внешнего резистивного слоя, и высокочастотные колебания в ней не будут затухать, а амплитуды колебаний станут возрастать, и потому электроны пучка из этой части начнут теряться на компонентах тракта. Но лучше, если в момент достижения началом фронта основного пучка места формирования дополнительного пучка этот (дополнительный) пучок формировать несколько ранее, чтобы его растущий на фронте ток составлял в момент вхождения в него основного пучка величину, равную от 0,1 до 0,3 его амплитудного значения I_д, которое выбирают из подобранного экспериментально условия I_д=(0,1÷0,3)I_о. Тогда дополнительный пучок сразу представит для основного пучка сформированный резистивный трубчатый слой, и колебания на его фронте будут эффективно уменьшаться. Но, так как ускорение основного и дополнительного пучков производится далее по тракту за местом формирования дополнительного пучка одним и тем же импульсом ускоряющего электрического поля, то при опережающем включении этого поля относительно момента достижения основным пучком места формирования дополнительного пучка (для предварительного роста его тока на фронте) время ускорения основного пучка может сократиться на 1÷3 нc, что не всегда допустимо.

Так как дополнительный пучок электронов проводят в том же тракте, что и основной пучок, то ток I_д дополнительного пучка нагружает ускоряющую систему тракта и снижает напряженность ускоряющего поля в тракте, что уменьшает общую энергию ускорения электронов основного пучка на выходе тракта ускорения. Поэтому максимальное значение тока дополнительного пучка I_д определено как 0,3·I_о, чтобы дополнительный пучок не понижал энергию ускорения электронов основного пучка более чем на 10 %, но эквивалентное удельное сопротивление дополнительного пучка обеспечивало бы глубину скин-слоя на частоте ускоряющего импульса более толщины стенок этого пучка. Кроме того, такая величина I_д в сочетании с уменьшенной плотностью тока по сечению пучка по сравнению с I_о и плотностью тока в основном пучке недостаточны для развития высокочастотных колебаний в самом дополнительном пучке.

Минимальное значение тока дополнительного пучка электронов определено как I_д=0,1·I_о, т. е. чтобы ток I_д обеспечивал еще величину резистивного сопротивления, достаточную для уменьшения амплитуд высокочастотных колебаний основного пучка. При I_д<0,1·I_о не происходит затухание амплитуд высокочастотных колебаний в основном пучке, что подтверждено экспериментально.

Амплитуды тока I_о и I_д пучков при их формировании регулируют посредством пропорциональных им амплитуд ускоряющих напряжений на соответствующих эмиттерах и пропорциональных длинах окружностей эмиттирующих электроны их кольцевых кромок.

Контролировать момент формирования дополнительного пучка одновременно с вхождением в него основного пучка или ранее по достижении в этот момент величины тока дополнительного пучка, равной от 0,1 до 0,3 его амплитудного значения I_д, можно посредством индукционных датчиков, установленных по длине тракта, и регистрации сигнала с них посредством, например, осциллографов. По форме сигнала с датчика, расположенного напротив кромки дополнительного эмиттера, судят о моменте достижении основным пучком этого места. Этот же датчик позволяет судить о росте во времени амплитуды тока дополнительного пучка, например, до уровня 0,2·I_д, чтобы отрегулировать моменты создания импульсного ускоряющего поля в части тракта между основным и дополнительным эмиттером и в части тракта за дополнительным эмиттером до мишени.

Указанный технический результат в устройстве проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя, содержащем серию индукторов, образующих ускоряющую систему, и установленный с одного из торцов в тракте основной эмиттер основного пучка электронов, а также соосно ему расположенный в тракте дополнительный трубчатый эмиттер, достигается тем, что выполненные диаметры эмиттеров и их длины удовлетворяют одновременно неравенствам:

D/d>0,1·L_о/L_д, D/d<0,3·L_о/L_д,

где D - внутренний диаметр дополнительного эмиттера,

d - внешний диаметр основного эмиттера,

L_о - длина основного эмиттера,

L_д - длина дополнительного эмиттера.

Чтобы обеспечить в устройстве проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя указанное в формуле изобретения способа условие I_д=(0,1÷0,3)I_о, экспериментально подобраны геометрические размеры входящих в устройство основного и дополнительного эмиттеров так, что удовлетворяются неравенства: D/d>0,1·L_о/L_д, D/d<0,3·L_о/L_д. Эти же неравенства вытекают и из следующего теоретического рассмотрения. Амплитуды токов I_о и I_д определяются общей длиной кромки (длиной окружности) каждого эмиттера и плотностью тока эмиссии электронов с единицы длины эмитирующей кромки. А плотность тока эмиссии пропорционально зависит от величин средних напряженностей ускоряющих электрических полей на кромках эмиттеров соответственно E_о и E_д, которые прямо пропорциональны величинам ускоряющих напряжений U_о и U_д, приложенным к кромкам основного и дополнительного эмиттеров соответственно. В сильноточных системах формируют, как правило, не сплошные, а трубчатые пучки электронов, как наименее подверженные при больших токах воздействию факторов, возбуждающих в них колебания. Поэтому эмиттерами электронов в системах всегда служат тонкостенные (порядка 1 мм) металлические трубки, внешние кромки которых и обеспечивают взрывную эмиссию с их микроострий при создании на кромках электрического ускоряющего поля. Тонкостенными же они берутся потому, что проводка пучков в тракте обычно осуществляется в импульсном (порядка 1 мс) магнитном поле, силовые линии которого параллельны оси тракта, и поле это должно проникать через стенку трубки, т.е. толщина стенки трубки должна быть меньше глубины скин-слоя на частоте (~500 Гц) магнитного поля. Толщина стенки трубки очень слабо влияет на плотность тока эмиссии, приходящуюся на единицу длины окружности внешней кромки, так как взрывная эмиссия создается именно на кромке внешнего диаметра эмиттера, где максимальна средняя напряженность электрического поля. Эмиттеры в тракте суммируют своими длинами L_о и L_д ускоряющее электрическое поле в тракте так, что на эмитирующих кромках основного и дополнительного эмиттеров возникают ускоряющие напряжения U_о и U_д, а также E_о и E_д, которые прямо пропорциональны соответственно длинам L_о и L_д. Поэтому, подставляя в I_д=(0,1÷0,3)I_о значения токов через произведения длин эмитирующих кромок (длин окружностей πd и πD), умноженных на ускоряющие напряжения или пропорциональные им длины L_о и L_д, получим соотношение D/d=(0,1÷0,3)L_о/L_д, из которого и следуют найденные экспериментально неравенства: D/d>0,1·L_о/L_д, D/d<0,3·L_о/L_д. Предельные значения имеют здесь такой же физический смысл, как это объяснено выше касательно условия L_д=(0,1÷0,3)I_о. Т.е., если D/d<0,1·L_о/L_д, то ток I_д будет меньше 0,1·I_о и не будет происходить затухание высокочастотных колебаний в основном пучке; при D/d>0,3·L_о/L_д ток I_д будет больше 0,3·I_о и начнет понижать энергию ускорения электронов основного пучка, а эквивалентное удельное сопротивление пучка сделает глубину скин-слоя на частоте ускоряющего импульса сравнимой или менее толщины стенок этого пучка, что начнет экранировать проникновение ускоряющего поля в полость дополнительного пучка и тоже снижать энергию ускорения электронов основного пучка. Кроме того, такая величина I_д в сочетании с увеличенной плотностью тока по сечению пучка может способствовать развитию высокочастотных колебаний в самом дополнительном пучке.

При изложенном техническом решении устройства для проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя повышается доза тормозного излучения из мишени за счет уменьшения потерь электронов основного пучка при проводке его по тракту из-за снижения или гашения амплитуд высокочастотных радиальных колебаний электронов в основном пучке, улучшения стабилизации динамики проводки основного пучка по тракту, уменьшения радиального расширение этого пучка, снижения искажения формы импульса тока.

На чертеже изображено устройство проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя, посредством которого реализуется заявляемый способ.

На чертеже обозначены:

1 - тракт линейного ускорителя;

2 - составной изолятор;

3 - электроды, введенные в тракт через стенки изолятора 2;

4 - индукторы;

5 - основной эмиттер;

6 - дополнительный эмиттер;

7 - траектория проводки основного пучка электронов;

8 - траектория проводки дополнительного пучка электронов;

9 - мишень;

10 - высоковольтный дисковый электрод индуктора;

11 - изолирующая жидкость;

12 - разрядник индуктора;

13 - клемма для подключения внешнего источника напряжения (источник не показан);

d - внешний диаметр основного эмиттера;

D - внутренний диаметр дополнительного эмиттера;

L_о - длина основного эмиттера в тракте;

L_д - длина дополнительного эмиттера в тракте.

Устройство проводки пучка электронов в линейном ускорителе содержит тракт 1, образованный составным изолятором 2, например, из органического стекла. Разрежение в тракте до давления 10^-4÷10^-6 мм рт. столба создается вакуумными насосами, присоединенными к тракту, в частности, со стороны его торцов, и на чертеже насосы не изображены. В тракт введены электроды 3, имеющие в тракте отверстия (апертуру) диаметром D_т=400 мм. Эти электроды соединены с краевыми (торцовыми) электродами индукторов 4. В тракт введен основной эмиттер 5 основного пучка электронов, имеющий длину в тракте L_о=1800 мм и выполненный в виде трубы с внешним диаметром d=150 мм, например, из нержавеющей стали с толщиной стенки 0,5 мм, и подключенный к правому краевому электроду (по схеме) первого индуктора. Также в тракт встроен дополнительный эмиттер 6 дополнительного пучка электронов, имеющий в тракте длину L_д=300 мм и внутренний диаметр D=200 мм, изготовленный подобно эмиттеру 5 и присоединенный к правому краевому электроду пятого индуктора. При этом выполнено условие D_т>D>d, а все геометрические размеры эмиттеров удовлетворяют неравенствам D/d>0,1·L_о/L_д, D/d<0,3·L_о/L_д, т.е. 200/150=1,33>0,1·1800/300=0,6 и 1,33<1,8. В конце тракта находится дисковая мишень 9, например, из вольфрама, для создания тормозного излучения. Каждый индуктор содержит в герметичном корпусе дисковый электрод 10, образующий относительно краевых электродов индуктора две радиальные электрические линии с распределенными параметрами. С целью упрощения схемы показано внутреннее устройство только одного - правого на схеме - индуктора. Для увеличения электрической емкости радиальных линий и их электрических длин полость индуктора заполнена деионизованной очищенной от механических частиц обезгаженной водой 11, имеющей высокое значение относительной диэлектрической проницаемости (~80). Между электродом 10 и правым на схеме краевым электродом индуктора расположен равномерно по окружности вокруг тракта ряд (например, 8 штук) управляемых с наносекундной точностью включения газонаполненных разрядников 12, образующих кольцевой коммутатор. Электрод 10 имеет клемму 13 для соединения снаружи индуктора с внешним источником импульсного тока для зарядки радиальных линий, например, за 1 мкс до амплитудного значения напряжения 500 кВ. Соленоиды, которые создают в тракте по всей его длине импульсное магнитное поле для сопровождения основного и дополнительного пучков, на чертеже не показаны.

Способ проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя реализуется следующим образом. Основной пучок электронов с током I_о формируют посредством эмиттера 5 и ускоряющего напряжения на нем, и этот пучок движется в ускоряющем электрическом поле в тракте 1 по траектории 7 и достигает эмитирующей кромки эмиттера 6. В этот момент формируют путем создания ускоряющего напряжения на эмиттере 6 дополнительный пучок с током I_д, движущийся по траектории 8. Если основной пучок имеет достаточную плотность тока для возбуждения в нем высокочастотных колебаний от периодического взаимодействия с компонентами структуры тракта, например, с электродами 3 из-за наличия динамической емкости пучка относительно этих электродов, то в пучке возникнут указанные высокочастотные радиальные колебания. С такими колебаниями основной пучок начинает двигаться в тракте совместно с дополнительным пучком по направлению к мишени 9, взаимодействуя собственными электрическим и магнитным полями с дополнительным пучком как бы с эквивалентным длинным трубчатым внешним резистивным слоем, толщина стенок которого меньше глубины скин-слоя на частоте, соответствующей длительности импульса ускоряющего электрического поля. Активное сопротивление этого резистивного слоя уменьшает добротность распределенных по длине тракта колебательных контуров в системе "основной электронный пучок - структура тракта" и эффективно воздействует на электромагнитные колебания в системе, снижая их развитие, что уменьшает или гасит амплитуды высокочастотных радиальных колебаний основного пучка электронов, повышая тем самым стабильность динамики проводки его по длине тракта, уменьшая радиальное расширение этого пучка, снижая потери части электронов на стенках тракта и уменьшая искажение формы импульса тока. Это увеличивает дозу тормозного излучения из мишени 9.

Дополнительный пучок формируют во времени одновременно с вхождением в него основного пучка или ранее момента достижения началом фронта тока основного пучка этого места формирования, например, чтобы ток дополнительного пучка на фронте его импульса составлял в этот момент 0,2·I_д. Это способствует более быстрому затуханию колебаний основного пучка, так как наиболее неустойчивой частью сильноточного пучка обычно является именно фронт импульса, увлекающий этими колебаниями вершину и спад импульса пучка момент тока. Контролировать форму и амплитуду импульса тока основного пучка можно посредством индукционных датчиков, установленных по длине тракта (датчики не изображены), и регистрации сигнала с них посредством, например, осциллографов. По форме сигнала с датчика, расположенного напротив кромки эмиттера 6, судят о достижении основным пучком места формирования дополнительного пучка. Этот же датчик позволяет судить о росте во времени амплитуды тока дополнительного пучка, например, до уровня 0,2·I_д, чтобы отрегулировать моменты создания ускоряющего поля индукторами 4, расположенными между правым (на чертеже) торцом тракта и эмитирующей кромкой эмиттера 6, так, чтобы именно в этот момент основной пучок достиг этой кромки.

Так как дополнительный пучок электронов проводят в том же тракте, что и основной пучок, то ток I_д дополнительного пучка выбирают из условия I_д=(0,1÷0,3)I_о, т.е. чтобы уменьшались или гасились колебания в основном пучке, а дополнительный пучок незначительно нагружал системы ускорения тракта и не снижал энергию ускорения электронов основного пучка. Кроме того, такая величина I_д в сочетании с уменьшенной плотностью тока по сравнению с ней в основном пучке недостаточна для развития высокочастотных колебаний в дополнительном пучке.

Устройство для проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя работает так (см. чертеж). Создается в тракте 1 разрежение 10^-5 мм рт.ст. Затем синхронно заряжаются через клеммы 13 за 1 мкс до амплитудного напряжения U_з=500 кВ радиальные линии 10 всех индукторов 4, причем на электродах 10 создается отрицательная полярность. Подаются на управляющие электроды разрядников 12 импульсы пускового напряжения. При этом подача осуществляется не одновременно на разрядники всех индукторов, а с определенной задержкой по времени на каждый индуктор по направлению их расположения к мишени 9 в соответствии со скоростью движения основного пучка электронов по длине тракта, близкой к скорости света в пустоте. Сначала пуск подается на разрядники первого индуктора (правый на схеме), затем - с задержкой на время пробега электромагнитной волны по осевой протяженности первого индуктора по оси тракта (т.е. по осевой протяженности длины эмиттера 5 против этого индуктора) - на разрядники расположенного слева от первого индуктора смежного второго индуктора и т.д. В тракте посредством электродов 3 создается ускоряющее электрическое поле, которое суммируется длиной L_о эмиттера 5, создавая на его кромке ускоряющее напряжение U_о и соответственно напряженность поля E_о, прямо пропорциональные длине L_о. В частности, при показанной на чертеже длине L_o, равной осевой протяженности трех индукторов 4, на кромке эмиттера 5 ускоряющее напряжение U_о составит 3·U_з=1500 кВ в режиме холостого хода. Поэтому на кромке возникнет взрывная эмиссия и сформируется основной пучок, который начнет двигаться в сторону эмиттера 6. В пучке от взаимодействия со структурой тракта возбудятся высокочастотные колебания, амплитуды которых будут расти по мере прохождения пучка по тракту к эмиттеру 6. Длительность приложения этого напряжения определяется удвоенной электрической длиной радиальной линии в индукторе и составляет обычно 15÷60 нс. Если в момент достижения кромки эмиттера 6 основным пучком создать посредством расположенного слева от этого эмиттера индуктора ускоряющее поле, то на кромке эмиттера возникнет напряжение U_д=0,5·U_з=250 кВ. Это напряжение вызовет взрывную эмиссию с кольцевой кромки эмиттера 6, в результате чего сформируется дополнительный трубчатый пучок электронов, который начнет синхронно перемещаться вместе с основным пучком по направлению к мишени 9. Основной пучок станет взаимодействовать с дополнительным пучком по изложенному выше механизму, который начнет уменьшать или полностью гасить высокочастотные радиальные колебания в основном пучке с описанными выше для него положительными последствиями.

Заявляемые способ и устройство проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя, а также достигаемый технический результат, проверены практически и подтверждены в действующем линейном сильноточном индукционном ускорителе электронов ЛИУ-30 (энергия ускорения 40 МэВ, амплитуда тока пучка до 100 кА, длительность импульса тока на полувысоте 25 нс) [4], имеющем апертуру тракта D_т=430 мм, длину ускоряющей системы 25 м и последующий за ней выводной участок пучка еще на 5 м без наличия здесь ускоряющего поля. Первоначально в инжекторе был установлен основной взрывоэмиссионный эмиттер тока в виде трубы длиной L_о=2400 мм и диаметром d=150 мм из стали 10Х18Н9Т с толщиной стенки 0,5 мм, что обеспечило получение амплитуды тока первого пучка электронов из инжектора I_о=100 кА длительностью на полувысоте 25 нс. Размещенные по длине тракта индукционные датчики амплитуды и формы импульса тока ускоряемых и транспортируемых электронов показали, что при прохождении пучком примерно 30 % длины ускоряющего тракта в пучке начинают прогрессивно развиваться высокочастотные радиальные колебания электронов с выбросом части их на стенки ускорительных трубок и с одновременной деформацией формы импульса тока. Выброс электронов на стенки регистрировался по рентгеновскому излучению соответствующими датчиками, расположенными снаружи тракта по его длине. В результате за ускоряющей системой амплитуда тока в тракте уменьшалась на 20÷35 % по сравнению с амплитудой тока в начале ускорения и соответственно снижалась доза тормозного излучения из мишени, а длительность импульса обужалась до 11÷15 нс. При каждом последующем включении ускорителя эти эффекты воспроизводились, но количественные их характеристики были нестабильными, в результате чего форма и амплитуда тока от включения к включению ускорителя изменялись в указанных пределах.

Вакуумный тракт ЛИУ-30 позволяет установить в нем на выбранном расстоянии от основного эмиттера дополнительный трубчатый взрывоэмиссионный эмиттер большего диаметра, закрепляя его в любом месте составного изолятора 2, что не требовало конструктивного усложнения тракта и не увеличивало его длину или диаметр. Поэтому был изготовлен и установлен дополнительный трубчатый эмиттер с изменяемой длиной L_д от 300 до 900 мм и диаметром D=220 мм из листовой стали толщиной 0,5 мм, удовлетворяющий условию D_т>D>d. Изменение длины L_д позволяло регулировать амплитуду импульсного ускоряющего напряжения U_д и соответственно E_д и потому обеспечивало изменение амплитуды тока I_д. Имелась также возможность прикладывать U_д с опережением до 10 нс по отношению к моменту достижения основным пучком эмиссионной кромки этого эмиттера. В проведенных экспериментах испытано последовательное размещение дополнительного эмиттера по длине ускорительной части тракта на разных расстояниях от основного эмиттера. Дополнительный эмиттер позволял формировать дополнительный трубчатый пучок электронов с изменяемой за счет изменения длины L_д амплитудой тока I_д от 10 до 30 кА, т.е. обеспечивал выполнение условия I_д=(0,1÷0,3)I_о. Неравенства D/d>0,1·L_о/L_д и D/d<0,3·L_о/L_д тоже выполнялись, т.е. 220/150=1,47>0,1·1880/300=0,6 и 1,47<1,8.

При максимальном токе (определенном заявляемым техническим решением) дополнительного пучка 30 кА его электроны ускорялись до 23 МэВ. Отсюда общее эквивалентное активное сопротивление дополнительного пучка составляло около 700 Ом. Из измерений следовало, что стенки дополнительного пучка имеют толщину в среднем 20 мм. Поэтому расчетно находим, что удельное сопротивление среды пучка ρ≈70 Ом·см. Для этих значений ρ глубина скин-слоя δ=50,3·10²·ρ^0,5·f^0,5 на основной частоте f=17,8 МГц, эквивалентной длительности импульса ускорения 28 нс, близка к 12 см, что отвечает обусловленным требованиям к дополнительному пучку.

В серии из нескольких сотен последовательных включений ЛИУ-30 с интервалами между ними ≥5 минут индукционные датчики показали уменьшение до 50 % амплитуды высокочастотных радиальных колебаний пучка, стабилизацию динамики пучка электронов по длине тракта и сохранение формы импульса тока на выходе тракта от включения к включению ускорителя, что позволило увеличить на 25 % интегральную дозу за импульс тормозного излучения за мишенью из вольфрама при падении на нее ускоренных электронов.

В связи со значительным увеличением дозы и улучшением воспроизводимости характеристик ускорителя в сериях его последовательных включений такой стабилизированный режим работы ЛИУ-30 официально принят как типовой.

Таким образом, заявляемые способ и устройство проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя по сравнению прототипом уменьшают потери электронов основного пучка при проводке его по тракту и повышают, как минимум, на 25 % интегральную (за импульс) дозу тормозного излучения из мишени за счет снижения или гашения высокочастотных радиальных колебаний электронов в основном пучке, за счет стабилизации его динамики при проводке по тракту, уменьшения радиального расширение этого пучка, снижения потерь части электронов на стенках тракта и уменьшения искажения формы импульса тока.

Источники информации

1. Генерация и фокусировка сильноточных релятивистских электронных пучков. Под ред. Л.И.Рудакова. М.: Энергоатомиздат. 1990.

2. R.B.Miller, B.M.Marder, P.D.Coleman. The Effect of Accelerating Gap Geometry on the Beam Breakup Instability in Linear Induction Accelerators. // J. Appl. Phys. 1988. Vol.63. No.4. P.997-1008.

3. Патент на изобретение RU № 2123244, МПК 6 H05H 9/00, приоритет от 20.06.1996. Линейный индукционный ускоритель / Босамыкин B.C., Герасимов А.И., Гордеев B.C., Грицына В.П., Гришин А.В.. // БИ. 1998. № 34, Ч.2. С.402.

4. Павловский А.И., Босамыкин B.C., Герасимов А.И. и др. Линейный ускоритель пучка электронов на радиальных линиях ЛИУ-30. // ВАНТ. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 1994. Выпуск 3-4. С.3-9.

Способ и устройство проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя могут использоваться в линейных индукционных ускорителях сильноточных импульсных пучков электронов при их ускорении и/или транспортировке в протяженных, более 1 м, вакуумных трактах. В способе формируют дополнительный пучок одновременно с вхождением в него основного пучка или ранее по достижении в этот момент величины тока дополнительного пучка, равной от 0,1 до 0,3 его амплитудного значения I_д, которое выбирают из условия: I_д=(0,1÷0,3)I_о, где I_o - амплитуда тока основного пучка. Диаметры эмиттеров и их длины в устройстве удовлетворяют одновременно неравенствам: D/d>0,1·L_о/L_д, D/d<0,3·L_o/L_д, где D - внутренний диаметр дополнительного эмиттера, d - внешний диаметр основного эмиттера, L_o - длина основного эмиттера, L_д - длина дополнительного эмиттера. При выполнении указанных неравенств обеспечивается условие I_д=(0,1·0,3)I_o. Уменьшение потерь электронов основного пучка и повышение дозы тормозного излучения из мишени за счет уменьшения или гашения амплитуд высокочастотных радиальных колебаний электронов в основном пучке электронов, стабилизация динамики этого пучка в тракте и сохранение формы импульса тока по длине тракта является техническим результатом изобретения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя, включающий формирование основного пучка электронов и соосного ему дополнительного трубчатого пучка электронов, отличающийся тем, что дополнительный пучок формируют одновременно с вхождением в него основного пучка или ранее по достижении в этот момент величины тока дополнительного пучка, равной от 0,1 до 0,3 его амплитудного значения I_д, которое выбирают из условия:
I_д=(0,1·0,3)I_o,
где I_o - амплитуда тока основного пучка.

2. Устройство проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя, содержащее серию индукторов, образующих ускоряющую систему, основной эмиттер, установленный с одного из ее торцов в тракте, и соосно ему установленный в тракте дополнительный трубчатый эмиттер, отличающееся тем, что выполненные диаметры эмиттеров и их длины удовлетворяют одновременно неравенствам:
D/d>0,1·L_o/L_д,
D/d<0,3·L_o/L_д,
где D - внутренний диаметр дополнительного эмиттера;
d - внешний диаметр основного эмиттера;
L_o - длина основного эмиттера;
L_д - длина дополнительного эмиттера.