Микротрон Советский патент 1985 года по МПК H05H13/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть исполь зовано при разработках, предназначенных для работы микротронов в качестве инжектора синхротрона, а также для микротронов прикладного использования в геологии, медицине, дефектоскопии. Известен микротрон, содержа)ций поворотный магнит и расположенньй в его медианной плоскости ускоряющи резонатор с входным и выходным пролетными отверстиями, совмещенный с общей точкой пересечения всех орбит l . Недостатком этого устройства является то, что частицы, вышедшие на первую и последующую орбиты, теряются из-за того, что амплитуда их вертикальных колебаний превосходит максимально допустимую. При этом ве тикальные потери имеют двоякий характер. Во-первых, теряются все нерезонансные частицы: вследствие рас качки фазовых колебаний они попадают в неблагоприятные фазы СВЧ-поля, дефокусируются по вертикали и попад ют на стенки резонатора. Во-вторых, если вертикальный размер эмиттера слишком велик, то теряются те резонансные электроны, которые вылетают из верхнего и нижнего краев эмиттера, так как амплитуда их колебаний больше вертикальной апертуры. Потери первого рода зависят от размера области захвата..Потери второг рода зависят не только от вертикаль ного размера эмиттера, но и от усло вий движения на первом полуобороте. Кроме того, увеличение тока эмиссии приводит к заметной дефокусировке .при вылете пучка из катодного отверстия, а также дополнительному увеличению вертикального размера пучка на первой орбите за счет деис ВИЯ кулоновских сил пространствен.ного заряда. . Расчеты и практика показывают, что 40% пучка теряется на первой орбите, а общий коэффициент захвата составляет 1/15-1/16,. которьш значительно снижается при увеличении . тока эмиссии. Таким образом, увеличение тока в известном устройстве достигается фиксированием режима . работы катода, чтл) значительно снижает его срок службы, а увеличение его ра.диуса приводит только к умень 02 шению коэффициента захвата и к потере СВЧ-мощности и соответственно уменьшению КПД ускорителя. Наиболее, близким техническим решением к изобретению является мик-, ротрон, содержащий поворотный магнит, вакуумную камеру, ускоряющий резонатор с пролетными отверстиями, расположенный внутри вакуумной камеры между полюсами поворотного магнита, и магнитный диск или катушку и системы высоковольтного и высокочастотного, питания . Резонатор выполнен в виде ци1 линдра, в центрах торцовых стенок которого вьтолнены пролетные отверстия. Резонатор размещен между полюсами поворотного магнита так, что его продольная и поперечная оси лежат в медианной плоскости микротрона. Магнитный диск расположен в плоскости орбит внутри области первой орбиты так, что ось его вращения перпердикулярна медианной плоскости микротрона и пересекает поперечную ось резонатора на расстоянии 0,41 t- ( t- - радиус траектории первой орбиты) от продольной его оси. Вместо магнитного диска может быть установлена катушка, ось которой перпендикулярна медианной плоскости микротрона и которая делится этой плоскостью на две равные части. Высота катушки и магнитного диска значительно меньше их диаметра. Наличие диска или катушки создает радиальньм градиент поля, приводящий к вертикальным силам, действующим на частицы первой орбиты. Здест потери электронов неско/тько снижены за счет аксиапьной фокусировки, но величина этой фокусировки ограничена, т.е. искажение магнитного поля, вносимого системой, приводит к сужению фазовой устойчивости. Таким образом, снижение вертикальных потерь сопровождается потерями электронов за счет раскачки фазовых колебаний, и достигаемый эффект незначителен. Целью изобретения является увеличение интенсивности ускоренного тока. Поставленная цель достигается тем, что в микротроне, содержащем поворотный электромагнит, между полюсами которого расположена вакуумная .камера с резонатором и системы . высоковольтного и высокочастот.ного питания, вдоль окружности, совпадающей с первой орбитой, установлен прямоугольный токопроводящий корпус с входным и выходным про летньми отверстиями в торцовых стен ках, разделенный внутри по широк-ой стороне на две равные части перегородкой, расположенной в медианной плоскости, и в которой, по дуге радиусом, равным радиусу экружности,. совпадающей с первой орбитой, и шириной, равной ширине пролетных отверстий, вьтолнена прорезь, а в центре каждой из частей корпуса параллельно разделяющей их перегородк на расстоянии друг от друга, превышающем вертикальный размер пучка, размещены щины прямоугольного сечения, причем один конец каждой шины гальванически соединен с выходной торцовой стенкой корпуса, а другой с положительным полюсоМ системы выс ковольтного питания. На фиг. 1 схематически показано сечение резонатора микротрона и коа сиальной магнитной системы (КМС) в плоскости, перпендикулярной к медиа ной ускорителя; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение резонатора и КМС в медианной плоско ти микротрона.. Устройство содержит ускоряющий резонатор 1 с входным 2 и выходным пролетными отверстиями, корпус КМС центральные шины 5, сквозную прорез 6в делящей стенке КМС, входное 7 и выходное 8 пролетные отверстия в КМС. Сплошными круговыми линиями показаны первая и вторая орбиты мик ротрона, координаты X , Y расположены в медианной плоскости микротро Устройство работает следующим.об разом. Электроны первой орбиты, пройдя пролетные отверстия 2 и 3, попадают в пролетное отверстие 7 КМС и в сквозную прорезь 6. Одновременно с началом цикла ускорения в КМС подает ся импульс тока, плоская часть которого должна совпадать, с моментом прихода электронов в прорезь 6. Токи 5 центральных шинах имеют одно и то же направление и совпадают с вектором скорости электронов орбиты. Магнитные поля, образованные токо- несущими элементами КМС от оси проре зи 6 и до центральных шин линейно увеличиваются и меняют знак при пе804реходе из верхней полуплоскости в нижнюю. В медианной плоскости КМС в прорези 6 рузельтирукяцёе поле равно нулю. Таким образом, на электрон, проходящий КМС вне медианной плоскости микротрона, действует сила Лоренца, направленна к этой плоскости. Из пролетного отверстия 8 пучок электронов попадает во входное пролетное отверстие 2 сходящимся и с вертикальным размером, меньшим размера пролетаого отверстия. Угол влета эл1ектронов в пролетное отверстие 2 выбирается таким, чтобы обеспечить дальнейшее движение по орбитам с максимальными вертикальными колебаниями. Благодаря этому электроны, имеющие большие углы вьиета в вертикальной плоскости, из пролетного отверстия 3 не обреза-; ются пролетным отверстием 2 и влетают в ускоряющий зазор с меньпшми углами. Если они находились в области фазовой устойчивости, то они будут ускоряться и не потеряются на последующих орбитах за счет больших вертикальных колебаний. Таким образом, создаются благоприятные условия дня захвата в режим ускорения тех электронов, которые лежат на границе вертикальной устойчивости (в прототипе они терялись). Предлагаемое устройство может быть использовано при конструировании мик- ротронов с любым типом инжекции. Пример. Расчет предлагаемого устройства проводился для микротрона с внешней инжекцией, имеющего максимальный коэффициент захвата S6%. Этот микротрон выбран за базовьй объект при сравнении техникоэкономических показателей. Расчетная область захвата режима ускорения составляет 40 . Параметры режима ускорения: ширина ускоряющего згзора 1,815 см, координаты инжекдии (Ч 0,3 см, ,9 см). Внутренний радиус ускоряющего резонатора 4,35 см, Безразмерные величины -т: 1,079, П fjf 1,2, где Е - напряженность поля в ускоряющем зазоре резонатора/ Н - напряженность магнитного поля fyr 2 оворотного магнита, Ц «i ч тпс иклотронное поле (те- - масса заряд электрона; с - скорость вета, Ti - длина во.пны возбуждения еаонатЬра). Угол влета инжектируемых электронов по отношению к продольной оси резонатора ос 20°, кинетическая энергия инжектируемых электронов 140 кзВ, Диаметр и угловая расходимость инжектируемого пучка 3 мм и 0,02 рад соответственно. Входное 2 и выходное 3 пролетные отверстия резонатора вьшолняются прямоугольной формы и имеют размеры соответственно ЛХ 1,7 см, &2 0,7 см и ЛХ 2 см, А 2-1,2 см.

Размеры пролетных отверстий выбирались с учетом фокусирующего действия коаксиальной магнитной системы (КМС). КМС выполнена из меди и имеет длину вдоль оси

2 см. Ширина прорези 6 в общей стенке КМС выбирается равной 1,0 см при толщине стенки 0,2 см. Толщина общей стенки определяется величиной скин-слоя Cj и выбирается равной

2 (j . Центральная шина сечением (0,3 2,0) см размещается в плоскости коаксиапа сечением (1,2 3,0) см . Расстояние между центральными щинами 1,2 см. КМС запитьгоается через коаксиальные токопроводы, причем токи в центральных шинах совпадают с вектором скорости электроиов орбиты. Величина импульсного тока в каддом коаксиале составляет 500-800 А в зависимости от расходимости и величины тока в пучке электронов. Длительность импульса тока 8 МКС. Положение КМС выбрано н общем диаметре орбит, хотя его положение ничем не ограничено. Размер пролетных отверстий КМС 7 и 8 соста .ляат (11,2) см и в общем случае определяется размерами пучка, в Месте его установки. Расчеты и эксперименты показывают, что коэффициент захвата базового объекта составляет 6% при диаметре инжектируемого пучка 0,3 см. При этом около 5% резонансных электронов теряется за счет вертикальных потерь. Установка КМС позволяет поднять коэффициент захвата до 10%. В предлагаемом устройств

диаметр инжектируемого пучка может быть увеличен до 0,6 см, т.е. в 2 раза при сохранении коэффициента 5 захвата. Это позволит увеличить ускоренный ток в 4 раза.

Данное устройство позволяет увеличить ускоренный ток как за счет уменьшения вертикальных потерь, О так и за счет увеличения вертикального размера эмиттера. При этом значительно повышается срок службы катода и надежность резонатора. Так как существует возможность снизить 5 температуру катода и снизить бомбардировку пролетных отверстий электродами, имеющими большую величину вертикальных колебаний. Вертикальные потери можно еще больше снизить,

0 если расположить КМС на второй

и третьей орбитах. Следует отметить, что за счет сокращения вертикальных потерь повышается КПД ускорителя, так как при этом экономится СВЧ-мощ5 ность, которая может пойти на дальнейшее повьпиение тока ускорителя.

Изобретение особенно эффективно при использований режимов с большим приростом энергии за оборот. Так,

0 во втором режиме ускорения область захвата может достигать до 50°С, а коэффициент захвата всего 5%. Выбирая оптимально степень фокусировки пролетными отверстиями для

5 третьей и последующих орбит, и осуществляя фокусировку на первых двух орбитах предлагаемым устройством, можно получить коэффициент захвата 10% и лгчше. При этом уве0 личенный в 2 раза размер катода позволит поднять ток эмиссии в 4 и более раз. Кроме того, регулируя ток КМС, можно регулировать степень фокусировки с учетом прост5 ранственного заряда пучка.

Увеличение тока ускоренных электронов позволит повысить качество научных исследований, а в промьшшенности поднять качество контроля

0 изделий.

МИКРОТРОН, содержащий поворотный электромагнит, между полюсами которого расположена вакуумная камера с резонатором и системы высоковольтного и высокочастотного питания, отличающийся тем, что, с целью увеличения интенсивности ускоренного тока, вдоль окружности, совпадающей с первой орбитой, установлен прямоугояьный токопроводящий корпус с входньм и выходным пролетными отверстиями в торцовых стенках, разделенный внутри по 1Ш1РОКОЙ стороне на две равные части перегородкой, расположенной в медианной плоскости, и в которой по дуге радиусом, равным радиусу окружности, совпадающей с первой . орбитой, и шириной, равной ширине пролетных отверстий, выполнена прорезь, а в центре каждой из частей в корпуса параллельно разделяющей их перегородке, на расстоянии друг от друга, превышающем вертикальный размер пучка, размещены шины прямоугольноГо сечения, причем один конец каждой шины гальванически соединен с выходной торцовой стенкой корпуса, а другой с положительным полюсом системы высоковольтного питания.