Группирователь пучков заряженных частиц Советский патент 1985 года по МПК H05H7/04 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке линейньк ускорителей, микротронов, приборов СВЧ.

Известное устройство, содержащее линейно-развертывающий резонатор и пластину с прямоугольной щелью, размещенные вдоль общей оси .

Известное устройство работает следующим образом.

В развертывающем резонаторе возбуждаются колебания от генератора СВЧ. В качестве резонатора используется отрезок прямоугольного волно вода, в широких стенках которого выполнены круглые пролетные отверстия. При прохождении пучка через резонатор производится отклонение пучка поперечным магнитным полем Н(02. волны. Затем пучок подается на пластину с прямоугольной щ.елью. Элетроны, -соответствующие определенной фазе возбуждающей волны, пролетают эту щель и формируются в -пучок, а остальные тормозятся пластиной. Таким образом,.на выходе получается последовательность крротких сгустков частиц, длина которых пропорциональна.ширине щели. В данном устройстве уменьшение фазовой длины сгустков достигается уменьшением ширины диафрагмирующей щели, что сопровождается значительной потерей частиц пучка и является основным недостатком известного устройства.

Прототипом данного изобретения является группирователь пучков заряженных частиц, содержащий; инжектор заряженных частиц, устройство развертки пучка и магнитную систему которые размещены соосно и последовательно друг за другом 2.

В известном устройстве устройство развертки выполнено в виде электростатического дефлектора, который представляет собой две симметрично расположенные относительно оси пучк металлические пластины, а магнитная система выполнена в виде постоянного электромагнита.

Ё устройстве -имеется также электростатический конденсатор, пластины которого перпендикулярны плюсам электромагнита и параллельны оси группируемого пучка. Электростатический конденсатор подключен к источнику постоянного напряжения, а дефлектор - к генератору пилообразнего напряжения.

Известно устройство работает следующим образом.

При подаче на электростатический дефлектор пилообразного напряжения группируемьй пучок, пройдя между его пластинами, получает поперечный .импульс, что вызывает его отклонение пропорционально приложенному напряжению. Яастицы, попадая в скрещенные электрическое и магнитное поля постоянного электромагнита и электростатического конденсатора, с различным поперечным отклонением, проходят этот участок за различное время. Длина участка со скрещенным магнитным и электростатическим полями выбирается таким образом, чтобы частицы, соответствующая по времени окончанию напряжения развёртки , догнала частицу,соответствующую началу напряжения развертки дефлектора. Таким образом, происходит группировка частиц. Б известном устройстве фазовая длина сгустков определяется линейностью пилообразного напряжения, приложенного к дефлектору. На малых частотах создание линейно-изменяющегося напржения на дефлекторе не представляет собой трудности, но при переходе к более высоким частотам формирование, такого напряжения затруднено. Это и обуславливает основной не-. достаток устройства, заключающийся в увеличении фазовой длины сгустков на высоких частотах.

Целью изобретения является повышение эффективности за счет уменьшения фазовой длины сгруппированных сгустков заряженных частиц.

Цель достигается тем, что в группирователе пучков заряженных частиц содержащем инжектор заряженных частиц, устройство развертки пучка и магнитную систему, которые размещены соосно и последовательно друг за другом, устройство развертки пучка выполнено в виде резонатора круговой развертки, а магнитная .система вьшолнена в виде соленоидальной катушки, помещенной в цилиндрический магнитопуовод с торцовыми входным и выходным ферромагнитными дисками, в которых выполневы кольцевые прорези и внутренние части которых соединены вдоль цилиндрического магнитопро.вода ферро магнитным стержнем, при этом внутренний радиус кольцевых прорезей постоянен, а ширина входной прорез переменна в азимутальном направлен и выполняются следующие условия: sihfarccos / tn.- г sin loirccos m,--V V щирина прорези. 1 г - внутренний радиус прорези Ъ-) - максимальная ширина проре период колебаний резонато круговой разверткиj ускоряющий потенциал инжектора заряженных частиц расстояние между внутренн ми поверхностями ферромагни НЫХ дисков, СМ; скорость света-, энергия покоя заряженных частиц-, заряд частиц-, , Ч - аЗимутальный угол, отсчи- тываемый относительно места с максимальной щириной пpopёзиj -4it-- WM). где Л Ц- угловой сдвиг между противолежащими точками с одина ковой шириной прорези вход ного и выходного-ферромагнитных дисков. Изобретение поясняется фиг. 1, 2, 3 и 4. На фиг. 1 схематически изображен группирователь пучков зар женных частиц; на фиг. 2 - входной торцовый диск с прорезью; на фиг. 3 показано устройство развертки; на фиг. 4 - его сечение плоскостью, пе пен;щкулярной медианной плоскости. Устройство содержит инжектор 1 заряженных частиц, резонатор 2 круговой развертки, пролетное отверсти 3 в резонаторе, входную кольцевую прорезь 4, входной ферромагнитный диск 5, ферромагнитньш стержень 6, цилиндрический магнитопровод 7, соленоидальную катушку 8, выходной ферромагнитный диск 9, фокусирую14ую линзу 10, выходную кольцевую рорезь 11, немагнитную пластину 12, етлю 13 возбуждения резонатора, азовращатель 14, аттенюатор 15, исочник 16 ВЧ-мощности. На фиг. 1 сплошной и пунктирной линией показаны также траектории пучка в двух сдвинутых на 180° положениях; на фиг. 3, 4 - стрелками показаны силовые линии электрического и магнитного 6 полей. Устройство работает следующим образом.. . Пучок заряженных частиц, формируемый инжектором 1 (например, электронной пушкой), пролетает резонатор 2 через его осесимметричные пролетные отверстия 3, при этом на пучок действ.уют поперечные компоненту ВЧ-поля, которые образуются при возбуждении резонатора через два ввода (петли возбуждения) разнесенных по азимуту на четверть окружности. Через каждый ввод возбуждается колебание Е,о с пучностью магнитного потипаля на оси, прич.ем за счет фазовращателя 14 осуществляется сдвиг фаз между, вводами на 90°, что обеспечивает круговую поляризацию- магнитно-, го поля на оси резонатора. Аттенюатором 15 осуществляют выравнивание мощности ВЧ в каждом вводе. Так как поперечная компонента ВЧ-поля резонатора вращается с постоянной угловой скоростью , Т- Пв риод колебаний в резонаторе, то осуществляется круговая развертка с угловой скоростью Си в область входной кольцевой прорези 4, выполненной во входном ферромагнитном диске 5, ширина которой меняеТСЯ согласно соотношению Sin /oirccos / m -г« Sin cirtcos И в которой соответственно меняется величина радигшьного магнитного поля, образованного за счет магнитного потока,- который замыкается по цепи: цилиндрический магнитопровод 7, ферромагнитный входной диск 5, входная кольцевая прорезь 4, внутренняя часть ферромагнитного диска 5, ферромагнитный стержень 6, внутренняя часть выходного ферромагнитного диска 9, выходная кольцевая прорезь 11, выходной ферромагнитный

диск 9 и цилиндрический магнитопронод 7. Если радиальное магнитное поле во входной кольцевой прорези 4 направлено к оси системы, то в выходной кольцевой прорези 11 электроны за счет радиального поля в области входной прорези 4 получают поперечные импульсы, касательные к окружности развертки. Затем электроны движутся в магнитном поле, созданном катушкой 8, часть потока которой замыкается по цепи: цилиндрический магнитопровод 7, входной ферромагнитньй диск 5, пространство дрейфа между дисками длиной . с/ , выходной ферромагнитньй диск 9, цилиндрический магнитопровод 7. Величина этого поля такова, что радиус обращения электронов в этом поле несколько больше радиуса развертки в плоскости входной кольцевой прорези 4. Благодаря выбранному .закону изменения магнитного поля во входной кольцевой щели, продолная скорость частицы V, после прохождения входной кольцевой прорези меняется -линейно

т -т п т,

V 27Г J

от угла влета 4 во входную, кольцевую прорезь 4 в плоскости ферромагнитного диска 5, отсчитываемого относительно максимально выбранного значения ширины прорези Ъ,

Электрон, попадаюшдй. во входную прорезь 4 с меньшим значением ширин прорези, получает большее значение поперечного и шульса, а следовательно, имеет меньшее значение продольной скорости, чем электрон, попадающий во.входную прорезь 4 с большим значением ее ширины. Если параметры устройства выбраны согласно принятым .соотношениям, то электроны, прошедшие во входную кольцевую прорезь в начале и в конце изменения ее ширины, приходят к выходной кольцевой прорези 11, одновременно. Поскольку поперечные скорости частиц различны, необходимо осуществит сдвиг между противолежащими,точками кольцевых прорезей с одинаковыми и противоположными по направлению по.лями на величину .

-1

,

По

при этом частицы, провзаимодействовав с полем выходной кольцевой прорези 11, вьшетают с продольной скоростью до влета во входную прорезь 4, т.е. в пространстве до фокуса Р все электроны движутся с одинаковыми скоростями. Фокусировка кольцевого сгустка может быть осуществлена с помощью короткой магнитной линзы to.

При выборе ширины кольцевой прорези или толщины ферромагнитного диска а.необходимо учитывать влияние провисающего поля из области

прорези-. Дополнительный прирост азимутальной скорости dVtjj , приобретаемый частицей в областирассеян

ного ПОЛЯ, зависит от.соотношения d Iti i Измерения показывают практически линейный спад магнитного поля на расстоянии В в случае «4 (2-5). Наличие л V приводит к снижению линейности продольной составляющей скорости в пространстве дрейфа, в приближении линейного спада поля в направлении 9Т прорези для получается следующее выражение:

Л у biSin o(rccos(m)-Ь,н Кмин|

увеличение ширины сгустка выразится соотношением

(yh-v)c(

V продольная скооость ч

скорость частицы с учетом провисающего поля.

-У{Й

- азимутальная

.

- скорость, где V - полная скорость частицьь Численные расчеты по проведенным формулам показывают, что при выпол-. нении условия

с«(3-5)Ъ.

50

Увеличение фазовой протяженности сгустков ДЦ не превосходит 0,01 рад, что является достаточно | малой величиной.

Поле в области дрейфа частиц между ферромагнитными дисками регулируется током в соленоидальной катушке. Отношение магнитных полей в области кольцевой входной щели Н

ii области дрейфа Н определяется формулой.

.

Изменение величины .последнего соотношения достигается изменением магнитного сопротивления ферромагнитного стержня, расположенного: вдоль оси системы, путем изменения воздушного зазора между его частями

Таким образом уменьшение фазовой длины сгустков группи-уемых час тиц по сравнению с протч.лшом достигается тем, что использование круговой развертки с постоянной угловой скоростью и наличие соленой дальной катушки 8, поме14ённой в цилиндрический магнитопровод 7 с торцовыми ферромагнитными диска8

77551

5 и 9, в которых выполнены кольмицевые прорези, ширина которых меняется по определенному закону, позволяет значительно повысить линей5 ность изменения продольной скорости частиц в пространстве группировки. Использование в виде устройства круговой развертки цилиндрического резонатора с типом зозбужцаемых

10 колебаний f позволяет достичь

высокого постоянства угловой скорос ти при минимальном энергетическом разбросе. В данной конструкщш развертывающего устройства пучность

15 магнитного поля находится на ори резонатора и пучок, следовательно, проходит в области узла электричес- . кого поля, что превышает электрическую прочность устройства и его на- 20 дежность.

/