ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИНЖЕКТОРА ЛИНЕЙНОГО ИНДУКЦИОННОГО УСКОРИТЕЛЯ Российский патент 2024 года по МПК G21K5/00 H05H5/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для формирования, ускорения и транспортировки сильноточных электронных пучков длительностью десятки и сотни наносекунд с целью изучения быстропротекающих процессов в оптически непрозрачных объектах с высокими плотностями и может использоваться либо в инжекторе рентгенографического линейного индукционного ускорителя (ЛИУ), либо в инжекторе, являющемся самостоятельной рентгенографической установкой.

Известно устройство - электронно-оптическая система инжектора линейного индукционного ускорителя (Zhang Kaizhi, Wen Long, Li Hong и др. Dragon-I injector based on the induction voltage adder technique. Physical review special topics - accelerators and beams, №9, p. 080401-1 - 080401-9, 2006), содержащая два секционированных радиальных высоковольтных изолятора; вакуумный диод с вельветовым взрывоэмиссионным катодом; фокусирующие магнитные элементы электронной оптики; вакуумный канал транспортировки электронного пучка; датчик индукционного типа для измерения параметров электронного пучка. При этом ускоряющая система инжектора состоит из двух индукционных генераторов, собранных по схеме сумматора индуктивного напряжения. Устройство обеспечивает формирование, ускорение и транспортировку сильноточного электронного пучка (2,8 кА; 3,5 МэВ; 80 нс), который инжектируется в ускорительную структуру рентгенографического линейного индукционного ускорителя Dragon-I.

Недостатками устройства являются:

- использование в индукционных генераторах в качестве изолирующей среды трансформаторного масла снижает технологичность ускорителя, а также требует применения системы маслообеспечения;

- использование вельветового взрывоэмиссионного катода практически исключает возможность генерирования последовательности электронных пучков рентгенографического качества по причине формирования катодной плазмы и ее распространения в вакуумном диоде.

Известно устройство, выбранное в качестве прототипа, - электронно-оптическая система инжектора линейного индукционного ускорителя (Логачев П.В., Кузнецов Г.И., Корепанов А.А. и др. Линейный индукционный ускоритель ЛИУ-2. ПТЭ, 2013, №6, с. 42-49), содержащая два секционированных цилиндрических высоковольтных изолятора; вакуумный диод с термоэмиссионным диспенсерным катодом и электродами - прикатодный электрод, анод; фокусирующие магнитные элементы электронной оптики; вакуумный канал транспортировки электронного пучка; датчики индукционного типа для измерения параметров электронного пучка. При этом ускоряющая система инжектора состоит из двух индукционных генераторов, собранных по схеме импульсного трансформатора, с газовой высоковольтной изоляцией. Устройство обеспечивает формирование, ускорение и транспортировку двух последовательных сильноточных электронных пучков (2 кА; 2 МэВ; 200 нс) и используется в линейном индукционном ускорителе ЛИУ-2, являющемся самостоятельной рентгенографической установкой, а также может использоваться в инжекторе мощного рентгенографического линейного индукционного ускорителя (ЛИУ). Отметим, что при использовании ЛИУ-2 в качестве самостоятельной рентгенографической установки - электронные пучки фокусируются на танталовую мишень, а при использовании в качестве инжектора - инжектируются в ускорительную структуру мощного ЛИУ.

Недостатками устройства являются:

- использование вакуумного канала транспортировки электронного пучка, соосного с вакуумным диодом и мишенью, - это обеспечивает прямую «видимость» катода вакуумного диода и секционированных изоляторов с мишенью, что приводит к повреждению эмиссионной поверхности катода осколками мишени, возникающими в результате ее бомбардировки электронным пучком, и осаждению осколков мишени на эмитирующей поверхности катода и на поверхности изоляторов. Это, во-первых, снижает электрическую прочность секционированных изоляторов и вакуумного диода, а, во-вторых, ухудшает эмиссионные свойства поверхности катода и, следовательно, ограничивает максимальную энергию (1,6 МэВ) и ток (1,5 кА) электронного пучка в рентгенографическом режиме работы ЛИУ-2 (Logachev P., Akimov A., Bak P. et al. Results of LIA-2 operation. Proceedings XXIV Russian Particle Accelerator Conference (RuPAC-2014), Obninsk, Russia, October 6-10, 2014, p. 275-277);

- применение датчиков индукционного типа не позволяет измерять эмиттанс электронного пучка.

Задачей, решаемой данным изобретением, является повышение достоверности исследований быстропротекаюших процессов в оптически непрозрачных объектах с высокими плотностями.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения, - обеспечение формирования, ускорения и транспортировки сильноточных электронных пучков, представляющих практический интерес при проведении рентгенографических исследований.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство - электронно-оптическая система инжектора линейного индукционного ускорителя, содержащая два секционированных цилиндрических высоковольтных изолятора, вакуумный диод с термоэмиссионным диспенсерным катодом и электродами - прикатодный электрод, анод, фокусирующие магнитные элементы электронной оптики, вакуумный канал транспортировки электронного пучка, датчики для измерения параметров электронного пучка, снабжено профилометром электронного пучка и отклоняющими магнитными элементами электронной оптики, при этом часть вакуумного канала транспортировки электронного пучка, расположенная между вакуумным диодом и мишенью, несоосна вакуумному диоду.

Создание электронно-оптической системы указанным выше способом исключило осаждение осколков мишени на эмитирующей поверхности катода и на поверхности изоляторов по причине отсутствия прямой «видимости» вакуумного диода и мишени. Наряду с этим использование в устройстве профилометра электронного пучка позволило измерять эмиттанс и, следовательно, осуществлять настройку электронно-оптической системы с целью реализации рентгенографического режима. Таким образом, всей совокупностью перечисленных признаков обеспечивается возможность формирования, ускорения и транспортировки сильноточных электронных пучков, представляющих практический интерес при проведении рентгенографических исследований, и увеличивается достоверность исследований быстропротекающих процессов в оптически непрозрачных объектах с высокими плотностями.

С целью измерения широкого спектра параметров электронного пучка профилометр электронного пучка основан на датчике оптического переходного излучения.

Кроме того, часть вакуумного канала транспортировки электронного пучка, несоосная вакуумному диоду, выполнена по телескопической схеме, включающей четыре отклоняющих магнитных элемента с параллельными краями, что позволяет при использовании коллиматора, расположенного в центре части вакуумного канала транспортировки электронного пучка, несоосной вакуумному диоду, «отрезать» фронты электронного пучка и, следовательно, обеспечивать его пространственно-энергетическую однородность.

При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулу, на технический результат заявляемого технического решения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условиям «новизна» и «изобретательский уровень».

На фиг. 1 показана блок схема заявляемого устройства.

На фиг. 2 показан пример реализации электронно-оптической системы инжектора линейного индукционного ускорителя.

На фиг. 3 показан вакуумный диод.

Электронно-оптическая система инжектора линейного индукционного ускорителя содержит (фиг. 1, 2 и 3) два секционированных цилиндрических высоковольтных изолятора 1 и 2; вакуумный диод 3 с термоэмиссионным диспенсерным катодом 4 и электродами - прикатодный электрод 5, анод 6; фокусирующие и отклоняющие магнитные элементы электронной оптики 7 (соленоидальные линзы, дипольные и квадрупольные магниты); вакуумный канал 8 транспортировки электронного пучка с частью 9, несоосной вакуумному диоду 3; датчики для измерения параметров электронного пучка 10 (профилометр электронного пучка, основанный на датчике оптического переходного излучения) и 11 (датчики индукционного типа). Часть 9 вакуумного канала 8 транспортировки электронного пучка, несоосная вакуумному диоду 3, расположена между вакуумным диодом и мишенью 12. Часть 9 выполнена по телескопической схеме, включающей четыре отклоняющих магнитных элемента с параллельными краями.

Фокусирующие и отклоняющие магнитные элементы электронной оптики 7, датчики измерения параметров электронного пучка 10 и 11 расположены вдоль вакуумного канала транспортировки электронного пучка 8 (фиг. 1 и 2). Генерируемые в инжекторе электронные пучки либо фокусируются на танталовую мишень 12 (фиг. 1), если инжектор используется как самостоятельная рентгенографическая установка, либо инжектируются в ускоряющую структуру 13 ЛИУ (фиг. 1), если инжектор является источником электронов мощной рентгенографической установки.

Пример реализации заявляемого устройства показан на фиг. 2. Фокусирующие и отклоняющие магнитные элементы электронной оптики 7 расположены вдоль вакуумного канала транспортировки электронного пучка 8, часть 9 которого несоосна вакуумному диоду и расположена между вакуумным диодом и мишенью (на фиг. не показана). Для измерения параметров электронного пучка применяются профилометр электронного пучка 10 и индукционные датчики 11 (фиг. 2).

Формирование, ускорение и транспортировка электронных пучков осуществляется следующим образом. Сначала выводятся на рабочие параметры элементы электронно-оптической системы: в вакуумном объеме системы обеспечивается уровень вакуума, равный 5⋅10^-8 мм. рт.ст.; эмитирующая поверхность термоэмиссионного диспенсерного катода 4 (фиг. 3) нагревается до рабочей температуры 1000°С; на магнитных элементах электронной оптики обеспечиваются требуемые уровни магнитных полей. При подаче на секционированный изолятор 1 импульса высокого напряжения амплитудой -1 МэВ в вакуумном диоде 3 происходит формирование электронного пучка с током 2 кА и его ускорение до энергии 1 МэВ, далее электронный пучок ускоряется до 2 МэВ, проходя через секционированный изолятор 2, на который подается импульс высокого напряжения амплитудой 1 МэВ. Ускоренный электронный пучок транспортируется в вакуумном канале транспортировки 8 с помощью магнитных элементов электронной оптики 7, проходит через коллиматор (на фиг. не показан) и фокусируется на танталовую мишень или инжектируется в ускоряющую структуру ЛИУ (на фиг. не показаны).

Электронно-оптическая система позволила формировать, ускорять и транспортировать сильноточные электронные пучки с параметрами, соответствующими рентгенографическому режиму работы инжектора.

Таким образом, представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в рентгенографических установках для формирования, ускорения и транспортировки сильноточных электронных пучков;

- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для формирования, ускорения и транспортировки сильноточных электронных пучков длительностью десятки и сотни наносекунд с целью изучения быстропротекающих процессов в оптически непрозрачных объектах с высокими плотностями и может использоваться либо в инжекторе рентгенографического линейного индукционного ускорителя, либо в инжекторе, являющемся самостоятельной рентгенографической установкой. Технический результат - обеспечение формирования, ускорения и транспортировки сильноточных электронных пучков. Электронно-оптическая система инжектора линейного индукционного ускорителя содержит два секционированных цилиндрических высоковольтных изолятора 1 и 2, вакуумный диод 3 с термоэмиссионным диспенсерным катодом 4 и электродами - прикатодный электрод 5, анод 6, фокусирующие и отклоняющие магнитные элементы электронной оптики 7, вакуумный канал 8 транспортировки электронного пучка, датчики для измерения параметров электронного пучка. Система снабжена профилометром электронного пучка 10, при этом часть 9 вакуумного канала транспортировки электронного пучка не соосна вакуумному диоду. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электронно-оптическая система инжектора линейного индукционного ускорителя, содержащая два секционированных цилиндрических высоковольтных изолятора, вакуумный диод с термоэмиссионным диспенсерным катодом и электродами – прикатодный электрод, анод, фокусирующие магнитные элементы электронной оптики, вакуумный канал транспортировки электронного пучка, датчики для измерения параметров электронного пучка, отличающаяся тем, что снабжена профилометром электронного пучка и отклоняющими магнитными элементами электронной оптики, при этом часть вакуумного канала транспортировки электронного пучка, расположенная между вакуумным диодом и мишенью, не соосна вакуумному диоду.

2. Электронно-оптическая система инжектора линейного индукционного ускорителя по п.1, отличающаяся тем, что профилометр электронного пучка основан на датчике оптического переходного излучения.

3. Электронно-оптическая система инжектора линейного индукционного ускорителя по п.1, отличающаяся тем, часть вакуумного канала транспортировки электронного пучка, несоосная вакуумному диоду, выполнена по телескопической схеме, включающей четыре отклоняющих магнитных элемента с параллельными краями.