Микротрон Советский патент 1987 года по МПК H05H7/00 

Изобретение относится к ускорн тельной технике и может быть использовано при разработке и в процессе Эксплуатации микротронов. Известен микротрон, содержащий вакуумную камеру с неподвижно закрепленным выводным шунтом, магнит с ре гулируемой напряженностью магнитного поля, ускоряющий резонатор с катодным узлом, в котором с целью увеличения коэффициента захвата, а значит и расширершя эффективной ширины диапазона плавной перестройки энергии при Ij, const, где IN ток ускоренных электронов, катод выполнен протяженным, Т(,е. в виде ленточного термоэмиттера. В этом микротроне при. плавной перестройке энергий велика доля эмиттируемых электронов, которые не доходят до конца ускорения, т.е. снижен коэф4я1циент захвата, главшым образом за счет изменения оптики сиетемы катод - щель. Креме того, ускоренный ток в данном случае будет спадать на краях диапазона перестройки параметра 52 , характеризующего прирост энергии за оборот, снижая тем самым эффективную величину диапазона перестройки. Кроме того, следует подчеркнуть, что расщирение дпапазона перестройки в данном устройстве реализуется за сЧет снижения, эффективности режима ускорения f, PN/ (где Р, - монг ность пучка ускорителя на N-той орби те, Р, - мощность, идущая на ускорение полного тока, эмиттированного в резонатор), а значит и КПД ускорите,ля в целом. Наиболее близким к предлагаемому Является микротрон, содержащий магнит с регулируемой напряженностью магнитного поля, между полюсами кото рого размещена вакуумная камера, в которой расположены неподвижно закрепленный магнитный пункт для вывода ускоренных частиц и ускоряющий ре зонатор, в котором.расположен катодный узел с катодом, при этом резонатор снабжен средствами для его перемещения вдоль линии, совпадающей с общим диаметром орбит ускоренных час тиц. Перемещением ускоряющего резонато ра вдоль общего диаметра орбит достигается дискретная перестройка энергии ускоренных электронов . Кроме того, данное устройство позволяет осуществить плавную перестройку энергии посредством изменения величины магнитного поля, что достигается изменением , например, тока электромагнита и соответствующего ему изменения СВЧ-мощности, подводимой к резонатору, так как мощность потерь в стенках резонатора Р . (параметром Q характеризуется прирост энергии электронов за оборот, а значит и полная энергия электронов на выводной орбите микротрона). Недостатком данного устройства в отнощении плавной перестройки энергии является зависимость выведенного ускоренного тока от требуемой энергии электронов, которая определяется зависимостью коэффициента захвата К IN/IO от параметра (2 , где 1 - ток ускоренных электронов; 1 - полный ток эмиссии с катод словами, при некотором фиксированном значении „ (при 1.. const) данному устройству присуще сужение эффективного -диапазона плавной перестройки энергии. Целью настоящего изобретения является расширение диапазона плавной перестройки энергии пучка ускоренных частиц без уменьшения интенсивности. Поставленная цель достигается тем, что в известный микротрон, содержащий магнит с регулируемой напряженностью магнитного поля, между полюсами которого размещена вакуумная камера, в которой расположены неподвижно закрегшенньй магнитный шунт для вывода ускоренных частиц и ускоряющий резонатор, в котором расположен катодньй узел с катодом, при этом резонатор снабжен средствами для его перемещения вдоль линии, совпадающей диаметром орбит ускоренных частиц, введен регулируем)1й источник светового излучения, снабженный средствами для перемещения потока светового излучения вдоль катода, а катод выполнен в виде ленты с ре гутлярной структурой нитевидных кристаллов. . Кроме того, средства для перемещения потока светового излу чения могут быть магнитоуправляемыми. Выполнение катода в виде регулярной структуры нитевидных кристаллов, материалом которых является полупроводник р-типа или высокоомный полупроводник п-типа, служит достижению цели по той причине, что для них характерны наличие участка насыщения автоэмиссйонной вольтамперной харак теристики и фотЬчувствительность на .этом участке. При этом плотность там нового тока автофотоэмиссии (т.е. ппотность тока в отсутствие воздействия света) при данном эначении напряженности электрического поля у по верхности катода минимум в 10 раэ меньше плотности автофототока при воздействии света с длиной волны, соответствующей фундаментальной поло се поглощения приповерхностного слоя Таким образом, появляется возможность с помощью источника света и устройства его перемещения вдоль катодной ленты включать определенный участок автофотокатода ускоряющего резонатора микротрона, координата ко торого соответствует данному значению параметра SI Вариация интенсивности пучка света в соответствии с люкс-амперной характеристикой автофотокатода позволяет поддерживать ток ускоренных электронов н заданном уровне при плавной перестройке энергии во всем диапазоне S2 который определяется рабочей областью. На чертеже приведена схема микротрона. Катод 1 размещен на внутренней по верхностги крышки управляющего резона тора 2, Для управления работой катода (автофотокатода) применены источник 3 светового излучения и средство 4 перемещения магнитоуправляемое устройство, которое в зависимости от конкретного исполнения источни ка может управлять устройством перемещения вдоль катода луча света либ устройством перемещения самого исто ника света. Ускоренною электроны вы водятся посредством магнитного шуита 5, который неподвижно закреплен относительно стенки вакуумной камеры 6, Обратная связь между выведенны током и интенсивностью света, испус каемого источника 3, осуществляется посредством монитора 7 и устройст-: вом 8 согласования. Катод 1 представ ляет собой регулярную структуру нитевидных кристаллов, выполненную в виде ленты. Под регулярной структурой нитевид ных кристаллов понимаетc;i совокупность монокристаллов, отделенных друг от друга промежутками 20-40 мкм, дааметром у основания л-1 мкм и высотой до 10 мкм. Такая структура получается путем управляемого выращивания ее по механизму пар - жидкость - кристалл (ПЖК) на соответствующей подложке. Подложкой в случае полупроводников является, как правило, монокристалл или эпитаксиальная пленка из материала, родственного или тождественного материалу нитевидных кристаллов. Управляемость роста нитевидных кристаллов позволяет варьировать приведенные выше параметры регулярной структуры в зависимости от условий применения, В частности, для предлагаемого нами устройства существенна величина промежутка между монокристаллическими остриями, поскольку она определяет точность установки координаты катода. Здесь следует подчеркнуть, что фоточувствительностью обладают только острия и только.при наличии у поверхности их электрического поля. Таким образом, регулярная структура нитевидных кристаллов, выращенная по ПЖК-механизму, выгодио отличается от традиционной в автоэмисионной технике системы макроострий, так как: а)отсутствует техническая проблемп крепления острий; б)параметры острий, выращенных по ШКК-механизму, значительно более однородны ; в)острия-монокристаллы по своемусовершенству существенно ближе к идеальной структуре монокристалла, чем объемные монокристаллы, а тем более поликристаллы, что в конечном итоге определяет их высокую электрит ческую прочность (т,е, стойкость к испарению полем и к бомбардировке заряженными частицами). Микротрон работает следующим образом. Под действием СЕЧ поля вблизи поверхности катода 1, работающего на участке насыщения автоэмиссиогоюй вольт-ампернбй характеристики, создается обедненная область. Падающий на определенную часть катода пучок света генерирует электроны для обедненной области, что приводит к существенному увеличению эмиттирующего тока, который далее ускоряется всоответствии с принципами работы микротрона. 51 Изменение энергии выводимых электронов осуществляется путем изменения напряженности магнитного поля магнита. При атом магнитоуправляемое устройство 4 перемещает луч света вдоль катода 1, а компенсация изменения величины ускоренного тока, которое измеряется монитором 7, осуществляется изменением интенсивности света, испускаемого источником 3. В зависимое-- JO Ции

ти от конкретной реализации источника параллельной перенос луча света вдоль катода может осуществляться магнитоуправляемым устройством 4,которое перемещает либо сам источник либо,при непод- }5 вижном относительно данного перемещения источнике, перемещает луч света. Вследствие изменения координаты катода, 6 зависимости от величинымагнитного поля лишние электроны не испускаются, 20 а значит, повышается эффективность

режима ускорения. Ускоренные электроны выводятся обычным образом посредством щунта 5.

Так осуществляется плавная перестройка энергии выводамых электронов к .окрестности некоторой фиксированной орбиты при неподвижном резонаторе 2. Когда ускоряющий резонатор перемещается вдоль общего диаметра орбит устройством его перемещения (на чертеже не показано) на расстояния, кратные расстоянию между соседними орбитами, и на такие же расстояния перемещается источник 3 (как показано на чертеже), или луч света, испускаемый источни ком, достигается цель сгтошного перекрытия диапазона энергией ускоряемых в микротроне электронов . При этом благодаря применению монитора 7 и устройства 8 согласовасвета, испускаемого источником, достигается дополнительная цель - поддерживание заданной величины выводиМОго тока электронов во всем диапазоне энергий ускоряемых в микротроне электронов. : Следует подчеркнуть, что магнито.управляемое устройство и устройство перемещения резонатора и луча света (в общем случае) Ьбеспечивают две ..степени свободы для перемещения луча света, испускаемого источником: а) тонкое перемещение (реализующее плавную перестройку энергии между соседними орбитами при неподвижном резонаторе), б) грубое перемещение.

закругления острия следует подбирать экспериментально, поскольку работа автофотокатода в СВЧ-полях специфачна,

Крепление ленточной системы нитевидных кристаллов на стенке резонатора осуществляется диффузионной сваркой (или каким-либо иным способом в зависимости от выбранного материала

лучения целесообразно выбрать монохроматический, так как это позволяет более тонко управлять работой автофотокатода. Так, для материала Si-Si(Си) целесообразно применить возбуждающий свет с длиной волны «Х 0,7 мкм, Прд1. исследовании автофотокатодов в качестве источника светового излучения 95 Примером конкретного материала автофотокатода может служить Si-Si(Си). Благодаря высокой степени управляемости ростом нитевидных кристаллов по ПЖК механизму радиус закругления острия можно задавать в широком диапазоне, а зависимости от напряженности электрического поля у его поверхности. В настоящее время для реализапредлагаемого устройства радиус автофотокатода). В качестве источника светового изприменяли лампу накаливания с монохроматором. Очевидно, для реализации предлагаемого устройства можно применять подобную систему. Однако в сравнении, например, с инжекционным лазером эта система более громоздка, Таким образом, в первом случае источник 3 располагается вне вакуумной камеры 6 микротрона, и для ввода света требуется окно, а во втором случае возможно размещение источника в камере микротрона. В качестве ускорянщего резонатора предлагаемого микротрона целесообР зно применить цилиндрический резонатор, имеющий пролетное отверстие в виде горизонтальной щели, длина которой приближенно равна длине ленточного катода. Таким образом, nd сравнению с прототипом предлагаемое устройство поз-: воляет реализовать плавную перестройку энергии выводимых электронов во всем диапазоне энергий ускоряемых электронов при неизменной величине тока выводимых электронов. В качестве дополнительных преимуществ технического решения следует отметить: а)повьшение надежности катодного узла микротрона благодаря уникальным свойствам нитевидных кристаллов; б)существенное уменьшение коли чества лишних электронов которые захватываются в процессе ускорения при неблагоприятных начальных услови ях, а затем выбывают на различных его этапахj понижая тем самым эффективность режима ускорения g , КПД ускорителя и создавая дополнительный фон жесткого электромагнитного излучения. Последнее обстоятельство приводит к необходимости сооружения дополнительной защиты особенно при проведении исследований радиационно-чувствительных объектов например биологических.

1. МИКРОТРОН, содержащий магнит с регулирующей напряженностью магнитного поля, между полюсами которого размещена вакуумная камера, в которой расположены неподвижно закрепленный магнитный шунт для вывода ускоренных частиц и ускоряющий резонатор, в котором расположен катодшлй узел с катодом, при этом резонатор снабжен средствами для его перемещения вдоль линии, совпадающей с общим диаметром орбит.ускоряемых частиц, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона плавной перестройки энергии пучка ускоренных частиц, без уменьшения интенсивности, в него введен регулируемой источник светового излучения, снабжённый средствами дпя перемещения потока светового излучения вдоль катода, а катод 3 выполнен в виде ленты с регулярной структурой нитевидных кристаллов. 2. Микротрон по П.1, отличающийся тем, что средства для перемещения потока светового излучения выполнены магнитоуправляемыми. а со :о ел