Способ модуляции релятивистского пучка заряженных частиц Советский патент 1985 года по МПК H01J25/00 

1 Изобретение относится к области релятивистской электроники и может быть использовано для формирования потоков заряженных частиц с целью их использования в моишых электронно волновых приборах СВЧ. Известен клистронньй способ группировки частиц пучка, которьй заключается в том, что электронный поток промодулированный по продольной скорости V J при своем дальнейшем движении в этом же направлении приобретает модуляцию по плотности. Периодическое изменение скоростей частиц осуществляется с помощью полого резонатора, в котором направление электрических силовых линий совпадает с направлением продольной скорости и которьй возбуждается от внешнего генератора СВЧ. Приращение кинетической энергии частицы в резонаторе запишется так AW eiJYn-SiHt,Jt -Здесь uJ - круговая частота СВЧ поля Q - угол пролета; V - начальная скорость частиц , - амплитудное значение напря жения в пролетном з.азоре резонатора; - напряжение на инжекторе, связанное с начальной энер гией формулой Wo U(,(3B). Рассмотрим характеристики данного сп соба для модуляции пучка с энергией в несколько мегаэлектронвольт, напри мер МэВ, Тогда MB. Uf ограничено электрической прочностью резонатора и для пролетного зазора 3 см составит не более кВ. Поскольку пучок релятивистский, то и С. и при б хО прирост составит VL 400 кВ. Соответствующий прирост скорости частиц в РЭП будет и длина участка дрейфа l. гoo Тогда очевидными недостатками клистронного способа для группировки РЭП будут, во-первых, необходимость использовать СВЧ-генераторы мощностью РГ 5 JfflT для создания высоких уровней полей в тороидальных или цилиндрических резонаторах и, во-вторых, слишком большая длина участка дрейфа, что делает установку неудобной в зкcплyaтaп и и ставит дополни31тельные сложные задачи Ю транспортировке пучка. Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ модуляции пучков заряженных частиц, основанный на длительном взаимодействии частиц с продольной электрической компонентой СВЧ-поля Е. , волны в замедляющей структуре. К замедляющей системе, работающей на (31 волне, СВЧ-мощность подводится в течение времениинжекции импульса тока. Если частица инжектируется в систему в ускоряющий полупериод волн, то она доускоряется и в процессе движения вдоль структуры опережает равновесную фазу. Это означает, что частица попадает в область замедляющего поля, тормозится и попадает в область ускоряющего поля и т.д. Такие же колебания испытывает частица, инжектируемая в отрицательный полупериод. Таким образом, группировка продольным электрическим nojseM в замедляющей структуре с постоянной фазовой скоростью волны происходит в процессе колебаний вокруг равновесной фазы. Группировка осуществляется с частотой, соответствующей частоте используемого высокочастотного генератора и достигающей величин вплоть до f х Ю ГГц. Недостатком зтого способа для группировки релятивистских пучков является большая длина группирующего участка, а также необходимость использовать СВЧ-генераторы, мощность которых сравнима с мощностью пучка. Например, для группировки в волноводной секции продольной компонен . той электрического поля - | ) j где - длина секции; относительная начальная скорость частиц p rVn/c; с - скорость света; Д. - длина волны генератора; относительная амплитуда напряженности ускоряющего электрического поля, равная А 2 для максимально достижимых полей, ограниченных пробойными явлениями. Для энергии частиц в пучке 10 МэВ и Л 10 см длина волноводной секции должна составить L5: с:; 10 м. При такой длине, ускоряющем полеЕ - 15 МВ/м и сравнительно небольшом импульсном токеЗ „ 10 А потребуется мощность СВЧ-источника РИМП- О Вт. Поэтому описанный

выше способ модуляции экономически невыгоден.

Целью изобретения является уменьшение длины пространства группирования и уменьшение необходимой СВЧмощности при модуляции пучков с токами, не превьш1ающими 100 А.

Цель достигается тем, что, в способе модуляции релятивистского пучка заряженных частиц, включающем операцию проведения трубчатого пучка через волновод, в котором возбуждается СВЧ-поле, в волноводе возбуждают симметричную волну типа HOI и накладывают постоянное внешнее про дольное магнитное поле с индукцией,

& -Д определяемой неравенством-1

где & - индукция магнитного поля, Тл - заряд частиц, Кл;

m - масса частицы, кГ; Evp - напряженность азимутальной электрической компоненты СВЧ-поля, В/м;

it - расстояние от среднего радиуса трубчатого пучка до стенки волновода, м,

а на выходе из волновода пучок пропускают через коллиматор.

Рассмотрим процесс модуляции на примере трубчатого электронного пучка. Электронный пучок проводят в волноводе, в котором возб ткдают СВЧ-волНУ -типа. На участок взаимодействия пучка с СВЧ-полем волны накладывают продольное магнитное поле индукцией 6 . При равенстве скорости пучка Vn и фазовой скорости V,p волны VH (так как пучок релятивистский) поперечное движение частиц мож но рассмотреть в движущейся системе координат V) Vqp. в областях максималных значений аксиальной электрической компоненты СВЧ-поля Ev остальные компоненты Но волны отсутствуют, и движение частиц происходит в скрещенных электрическом и магнитном полях. Траектория движения электрона вдоль радиуса имеет характер циклоиды, средняя скорость составляет / 6 , а направление зависит от взаимного направления векторов 6 иЬур. Если векторы ty ,6,t образуют правую тройку, то электроны смещаются в сторону увеличения радиальной координаты. В противном случае электроны дрейфуют к центру в обратную сторону j постоянно по величине и по направлнию, а имеет противоположные направления на расстоянии половины дли. Jic

ны волны в волноводе/i-p2. - и . Взаимдействие пучка с электромагнитным полем приводит к тому, что электроны, находящиеся в пучке на расстоянии Л по оси, смещаются в противоположные стороны. Модулируя, например, трубчатый пучок, на выходе волноводной секции длиной L будет иметь гофрированный пучок с глубиной гофра 2дг. Еуср L/(Воh ) , где s-t - радиальное отклонение частиц пучка. Вследствие переменной площади поперечного сечения гофрированный пучок будет иметь модуляцию по плотности. В большинстве электронно-волновых приборов СВЧ

t м тсу используется сгруппированный по оси пучок, представляющий собой последовательность периодически следующих сгустков определенной длины. Пучок такого типа получается, если модулированный по данному способу пучок пропустить через коллиматор на выходе из волноводной секции. При этом из пучка удаляются электроны, получившие отклонение в сторону стенки волновода. Пропущенный через коллиматор пучок будет иметь 100% глубину модуляции при уменьшении первоначального тока не более, чем на 50%.

Уменьшение длины группирующего участка и снижение требуемой мощности СВЧ питания физически объясняется тем, что мощность СВЧ в предлагаемом способе расходуется на изменение поперечной скорости заряженных частиц, начальное значение которой при неизменной дрейфовой скорости V(,c. в прототипе, напротив, модулируется продольная скорость частиц Vr, А группировка релятивистских пучков за счет модуляции продольной скорости V ct с требует высокого уровня СВЧ-мощности и большой длины группирующего участка.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение пучка и волновода в плоскости Z -const, показано распределение E(.tj и направление силы, действующей на электрон. На фиг. 2 изображено продольное поперечное сечение промодулированного потока. На фиг.З приведено схематическое изображение устройства, реализующего данный способ, взятого в качестве примера. На фиг. 1 и фиг. 5 построены графики траекторий электронов пучка при различньк значениях Б. На фиг. 1 обозначено; векто индукции магнитного поля, Evp - ази мутальная составляющая электрическ го поля волны; F - результирующая сила, действующая хНа электрон. Орт цилиндрической системы координат образуют правую тройку (г,у, Z ) Здесь же приведен график рс спределенкяЕу(г) в интервале (о,), где - радиус внутренней поверхности волновода. В изображенном сечении сила5 действующая на электрон, направлена в сторону увеличения радиальной координаты. Поэтому при совпадении скоростей Vv, электрон при движении вдоль волновода смещается к стенке волновода. На расстоянии Л. по оси Z от сечения, изображенного на фиг. 1, Еуэ меняет знак, и сила, действующая на электрон, будет направлена в дру гую сторону. Все электроны, находящиеся в этом сечении, смещаются к центру. В случае модуляции трубчатого пучка, на выходе структуры получим гофрированный пучок, продольное поперечное сечение которого изображено на фиг. 2. Ограничение тока пучка величиной А вызвано необходимостью проникновения СВЧ-поля внутрь пучка. Известно, что скин-эффект проявляет ся на частотах близких или меньших плазменной частоты .iljlll. Т rl где - релятивистский фактор| f, - концентрация частиц в пучк Для пучков г токами 1(10-100) А концентрация составляет ь (0,181,8) 1/смЭ, а и.р(0,1-0,4) ГГц. При таких условиях СВЧ-поле полнос проникает в пучок, так как приблизительно в десять раз. Выберем систему координат, движущуюся с релятивистской частицей. Тогда движение проис;ходит только в плоскости Z.-const при условии, что продольная координата ZL соотве ствует максимуму электромагнитн волны. В этой плоскости остальные компоненты волнь; равны нулх) . 0 Поперечная скорость невел ка и для нее 1)еляти1и с:тской поправкой можно, пренебречь. Записав векторное произведение ;v ,g в выражении для силы Лоренца в цилиндрической системе координат, получим d ге f di- т dt llilL Ай г d t -nt tTri Здесь Y,t - аксиальная и радиальная координаты. Траектории частиц, рассчитанные по этим уравнениям для различных значений радиуса циклотронного вращения R, (еЬ) и соответственно для различных В изображены на фиг. 4 и фиг. 5. Фиг. 4 относится к плоскости : -const, в которой векторы Е.р ,&,t образуют левую тройку (электроны дрейфуют к центру). Фиг. 5 - к плоскости, в которой Е, Во,Т образуют правую тройку, а электроны при этом дрейфуют от центра. На фиг. 4 и 5 изображено поперечное сечение трубчатого пучка, проходящего внутри волновода, d,&,c,d - расчетные траектории. Кривая Ь соответствует К, i/21 яяя I B-Vz.HmE.f.Cefll где Дг (1-):п;(г1г ; - внутренний радиус волновода; п- средний радиус трубчатого пучка. Кривая с на фиг. 4 и фиг. 5 соответствуетЧи, ut/4T, кривая d - Rws . При R4 At/R (кривая d ) частицы, смещающиеся к центру, незначительно изме 1яют свою радиальную координату и получают большой црирост азимутальной составляющей скорости Ул. Для модуляции, напротив, необходимо наибольшее радиальное смещение, и этому условию наилучшим образом удовлетворяют кривые , , d полученные при условии & гТтЕч.|(елг) Выбирать значение & V8lm ffc.ur смысла не имеет, так как это приводит к увеличению энергетических затрат на возбуждение внешнего магнитного поля и увеличению необходимого группирующего участка, а траектории частиц при этом будут весьма близки к кривойс . Таким образом, самые подходящие значения 9 для предлагаемого способа лежат в интервале ШтЁ /Седг) 5$ 6 () Например, требуется промодулировать трубчатый пучок электронов с энергией частиц МэВ и средним радиусом tnv3 см. Ток не превышает 100 А. Энергия частиц и ради ус Гц Исходные параметры. Поперечны размеры пучка определяют по данному способу необходимый радиус поперечного сечения круглого волновода и таким образом частоту СВЧ-генерат Ps cev частоту модуляции -f. Для того, чтобы tn совпало с координатой максимума азимутальной составляющей ((г) волны Но , необходимо использовать R 6 см. Связано это с тем, что распределение i.-(г) описывается как fvf Ct) i j,C |Я) , где I, - функция Бесселя действительного аргумента первого порядка; первый корень функции Бесселя удовлетворяющий соотношению )) 0. Радиус волновода 6 см соответствует 10 см диапазону длин волн и м ГГц. Для осуществ ления группировки радиальная коорди ната части электронов должна увеличиться на .n3 см. В волноводе Ну, ср (1-3)МВ/м, большая напряженность нецелесообраз на ввиду ограниченной электрической прочности устройств возбуждения

Не, волны. Примем & - llm (е д г) Тогда 6-0,07 Тл. При энергии электронов в пучке Vnj 10 МэВ с достаточной для наших расчетов точностью мож6

но положить . Отсюда ,5 м. С учетом потерь электрической энергии в стенках волновода требуемая мощность СВЧ-питания составит кВт.

В качестве примера устройства, реализующего предлагаемый способ, рассмотрим устройство, схематично изображенное на фиг. 3. Устройство включает в себя инжектор 1, направляющую . волновод 2, внешний СВЧ-гекератор 3, устройство связи 4.

Отличие данного устройства заключено в том, что возбуждающее устройство связи 4 для Н волны расположено в торце волновода 2. Начальный участок волновода 2 изогнут, патрубок 5 инжектора расположен по касательной к дуге изгиба начального

СВЧ-моцность поступает от генератора 3, через устройство связи 4 в волновод 2, в котором возбуждается HO волна. Непрерьшный пучок из ин.жектора 1 по патрубку 5 поступает в группирующий участок волновода 2, Э котором движется с постоянной продольной скоростью. Если в оиласти

максимального электрического поля

вектора Ef,В,с образуют правую тройку, то электроны пучка будут смещаться в радиальном направлении со скоростью V - pcp/So . На расстоянии ii.i/2 вдоль оси Е-р имеет обратный знак и на электроны будет действоват сила, направленная к оси пучка. В конце волноводной секции получим пучок, внешняя поверхность которого промодулирована синусоидальной функцией с периодом, равным периоду колебаний внешнего СВЧ-генератора. Если диамет отверстия в диафрагме 4 не превышает первоначальный диаметр пучка, то все электроны, увеличившие свою ра38участка волновода 2 и соосно с группирующим участком, который расположён внутри соленоида 6. Ка выходе волновода 2 расположена диафрагма 7 с отверстием, равным первоначальному диаметру пучка, электрически соединенная с анодной сеткой 8 инжектора 1 и являющаяся коллиматором. Во всех известных в настоящее время устройствах возбуждения Но волны в круглых волноводах мощность СВЧ вводится с торца. Поэтому осуществить инжекцию в прямолинейный волновод через устройство возбуждения не представляется возможным. Одно из возможных решений заключается в том, что HO волна подается к группирующему участку по изогнутой начальной части волновода, а инжекция осуществляется через патрубок, расположенный сооснос группирующим участком. Для предотвращения трансформации Но волны в изгибе в волну Е сам изгиб должен быть вьтолнен на основе гофрированного или гладкого эллиптического волновода с плавным переходом к круглому поперечному сечению группирующего участка волновода. Группирующий участок волновода 2, в ко.тором фазовая скорость /cf СВЧ-волны замедляется до скорости пучка, может быть выполнен также гофрированным или же частично з полненным диэлектриком. 9 диальную координату, попадут на диафрагму 4, и на выходе устройства получим последовательность сгустков электронов с частотой следования, равной частоте СВЧ-генератора 3. Приведем пример расчета характеристик устройства для пучка парамет рами W 10 МэВ и см. Ток не превышает 100 А, Это пучок релятиви ский, и скорость частиц V/, сус . Для того, чтобы th совпало с координатой максимума азимутальной составляющей и; волны HO необходимо в качестве направляющей волновода (фиг. 3) использовать круглый гофрированный волновод с внутренним радиу сом R 6 см. Длина прямолинейного участка 2 составляет Ь-Сдг , где dZ-R-t, , Ь - продольное магнитное поле соленоида 6, Ef - напряженность электрического поля в бегущей волне, р скорость света. Поэтому две из трех величин . Elf могут быть выбраны формально произвольно. Однако по причинам, указанным ранее, в качестве исходного значения принимается МВ/м. Для обеспечения наилучших характеристик промодулиро ванного пучка магнитное поле соленоида 6 составит Б - V §Тт Е у /(е 4 г ) 5: 0,Г Т Учитывая значения & и , длина 3 группирующего прямолинейного участка волновода 2 составит ь 0,5 м, С учетом потерь в волноводе 2 необходимая мощность высокочастотного генератора 3 будет Р . 500 кВт. Частота генератора f выбирается вблизи частоты отсечки гофрированного волновода, чтобы выполнялось условие составляет f 3 ГГц. Поскольку см, внутренний радиус патрубка J составляет 3,5 см, а его длина ot10 см. С такими размерами патрубок 5 является запредельным отрезком и излучения из волновода 2 не происходит, Следовательно, устройство, предназначенное для модуляции релятивистского пучка электронов W 10 МэВ и i-n 3 см, имеет прямолинейньй группирующий участок длиной L 0,5 м, радиусом см, соосно примыкающий к нему патрубок длиной 10 см и радиусом 3,5 см. Прямолинейный участок размещен внутри соленоида, создающего поле ,07 Тл. Начальный участок гофрированного волйовода изогнут и подключен к генератору мощностью Р 500 кВт. По сравнению с базовым объектом предложенное решение позволяет снизить мощность ВЧ-генератора в 10 раз и в 20 раз уменьшить длину группирующего участка.

СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ РЕЛЯТИВИСТСКОГО ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, включаюпщй операцию проведения трубчатого пучка через волновод, в котором возбуждают СВЧ-поле, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью уменьшения длины пространства группирования и уменьшения необходимой СВЧ-мощности при модуляции пучков с токами, не превышающими 100 А, в волноводе возбуждают симметричную волну типа HO и накладывают постоянное внешнее продольное магнитное поле с индукцией, определяемой неравенством., 84 д t з к---- г ТГ m Е f индукция магнитного поля, Тл; где а е tti заряд частиц, Кл; масса частицы, кг; напряженность азимутальной Efi электрической компоненты СВЧ-поля, В/м; (Л Д1- расстояние от среднего радиуса трубчатого пучка до стен ки волновода, м, а на выходе из волновода пучок пропускают через коллиматор. Од со о 00

Фиг.2

ФигЛ