Устройство для модуляции сильноточного электронного пучка Советский патент 1985 года по МПК H05H7/12 

СО О

00

оо

1 1

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть исi пользовано для ускорения ионов волнами плотности заряда, возникающими при пропускании модулированного электронного потока через пространст венно-периодические структуры, а также для генерации мощных ВЧ-электромагнитных волн.

Известно устройство для модуляции электронного пучка с помощью сетки, через которую проходит поток элект-ронов и на которую подается модулирующее напряжение j ,

Это устройство оказывается непригодным для модуляции сильноточных электронных пучков (СЭП) в связи с тем, что пучок разрушает сетку, а выходное напряжение ВЧ генератора должно быть соизмеримо с напряжением, подаваемым на катод электронного диода (при выходном напряжении ВЧ генератора порядка 1 MB мощность этого генератора должна быть порядка 1 ГВт, что технически не реализуемо) .

Наиболее близким по-технической {сущности является устройство для модуляции СЭП с помощью цепочки четвертьволновых коаксиальных резонаторов, через которые проходит инжектируемый электронным инжектором пучок. Корпуса резонаторов образуют лайнер, помещенный в вакуумную систему, снаружи которой установлены фокусирующие катушки 2 , Модуляция пучка осуществляется высокочастотным полем резонатора, которьш возбуждается проходящим электронным пучком. Это устройство эффективно применяется пр частотах модуляции свьше 500 МГц. Эт связано с тем, что применяемые резонаторы имеют линейные размеры, соизмеримые с длиной волны ( при 500 МГц 0,6 м) . Для уменьшения частоты модуляции необходимо увеличивать длину модулирующей секции до величины порядка нескольких метров, чт в свою очередь, приводит к резкему снижению эффективности модуляции.

Таким образом, недостатком устройства является невозможность модуляци в диапазоне i 1-100 МГц, который является наиболее пригодным для ускорения ионов с энергией инжекции ; 10-500 кэВ.

Целью изобретения является уменьшение частоты модуляции электронного пучка.

332

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для модуля ции сильноточного электронного пучка, содержащем последовательно и соосно

установленные вдоль оси устройства катушки магнитной системы с вакуумной камерой внутри них, в которой последовательно расположены катод, анод, лайнер, коллектор, лайнер выполнен

из двух последовательно расположенных частей, одна часть лайнера соединена с анодом непосредственно, а вторая через короткий соленоид, соосный катушкам магнитной системы, в котором

установлена диафрагма, имеющая электрический контакт с соединенной с анодом частью лайнера, а в месте расположения короткого соленоида расстояние между катушками магнитной системы больше, чем на остальной длине устройства.

На чертеже изображена схема устрой ства, с помощью которого может быть реализована модуляция сильноточного

электронного пучка.

В вакуумную камеру 1, поверх которой расположены катушки магнитной системы 2, помещей металлический лайнер, состоящий из двух частей 3 и 4,

изолированных друг от друга. Первая часть 3 лайнера непосредственно соединена с анодом 5, а вторая часть 4 лайнера электрически соединена с анодом 5 через короткий соленоид 6.

Диафрагма 7, расположенная в центре короткого соленоида 6 имеет электри1ческий контакт с частью 3 лайнера. Катод 8 служит для инжекции пучка электронов. На схеме также изображен

коллектор 9.

Устройство работает следующим образом.

При попадании, например, трубчато; го электронного пучка на коллектор 9 в соленоиде 6 начинает протекать ток, создающий продольное магнитное поле, направленное противоположно внешнему удерживающему магнитному полю магнитной Системы 2. В месте расположения соленоида 6 величина внешнего удерживающего поля выбрана меньшей, но достаточной для удержания пучка и прохождения его через диафрагму 7. Так как магнитное поле соленоида б направлено противоположно удерживающему полю, суммарная величина магнитного поля, воздействующего на пучок уменьшается. При этом радиус пучка согласно закону сохранения магнитного потока (8V const) увеличивается. Если в центре соленоида поместить диафрагму 7, то при некотором значении тока в соленоиде 6 пучок высадится на диафрагму 7 и ток соленоида начнет уменьшаться. При уменьшении тока до некоторого значения пучок вновь уменьшит свои размеры и попадет на коллектор 9. В дальнейшем процесс будет повторяться. Эквивалентную схему этой системы можно представить в виде последовательного соединения источника напряжения, импеданса диода и параллельно соединенных индуктивности соленоида L и емкости, между изолированны ми частями лайнера С . Соответствующим подбором L ,G , параметров пучка, лайнера и внешнего магнитного поля можно обеспечить в той системе автоколебательный процесс на резонан сной частоте системы. В качестве примера рассмотрим трубчатый пучок со следующими параметрами: внешний радиус пучка т, 1,8 см, внутренний радиус „ 1,5 см, ток пучка кА. Радиус диафрагмы ff 2 см. Величина внешне го магнитного поля в месте расположения соленоида 8(, 4 кГс. Соленоид имеет диаметр 5 см, длину 10 см и число витков Н 3. Расчеты показьгоают, что с помощью такого соленоида можно создать магни ное поле 8 1,7 кГс (при ,2.кА), которое достаточно для того, чтобы весь пучок высадился на диафрагму. Индуктивность соленоида при этом составляет величину I, 2,7 1(. Для того, чтобы в системе существова колебательный процесс, необходимо иметь С L /4R , где R - импеданс диода ( 100 Ом). Выбирая например, С 400 пф, можно осуществить fe системе колебательный процесс с частотой ff, 15 МГц. Таким образом, соответствующим подбором L и С можно реализовать модуляцию СЭП в диапазоне частот f 1 - 100 МГц, который является наиболее подходящим для ускорения ионов с энергией инжекции f, 10500 кэВ (при i 500 МГц требуется энергия инжекции E 20 МэВ) . Группировка происходит под действием высокочастотного поля коаксиального резонатора, возбуждаемого внешним генератором. Осуществлена модуляция пучка с током 10 А, энергией 10 кэВ и частотой 519,5 МГц. При увеличении тока до 100 А эффективность модуляции падает до З-Ю. С помощью этого способа невозможно осуществить модуляцию пучка с током более 5 кА при энергии 0,5 МэВ, и с частотой менее 50 МГц, поэтому применять этот способ для коллективных методов ускорения ионов в сильноточных пучках практически невозможно Таким образом, по сравнение с базовым объектом предлагаемое устройство позволяет осуществить модуляцию сильноточных пучков с током более 5 кА и энергией более 100 кэВ. Модуляция сильноточного пучка с помощью такого устройства дает аозможность создания ускорителей ионов волнами ПЛОТНОСТИ заряда, возникающими при пропускании через периодические структуры с энергией инжекции ионов е; 10-50 кэВ.

УСТРОЙСГВО ДЛЯ МОДУЛЯЦИИ СИЛЬНОТОЧНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА, содержащее последовательно и соосно установленные вдоль оси устройства катушки магнитной системы с вакуум;ной камерой внутри них, в которой последовательно расположены катод, анод лайнер, коллектор, отличающееся тем, что, с целью уменьшения частоты модуляции, лайнер выполнен из двух последовательно расположенных частей, одна часть лайнера соединена с анодом непосредственно, а вторая - через короткий соленоид, соосный катушкам магнитной системы, в котором установ лена диафрагма, имеющая электрический контакт с соединенной с анодом частью лайнера, а в месте расположения короткого соленоида расстояние между катушками магнитной системы больше, чем на остальной длине kn устройства.