Способ формирования сильноточных ультрарелятивистских пучков электронов субнаносекундного диапазона и устройство для его осуществления Советский патент 1990 года по МПК H05H5/00 

« Изобретение относится к ускори™ тельной технике, и может быть исполь зовано для генерацш импульсных нзлучею1й (напримерf сверхвысоких час тот, потоков нейтронов и т.д.) пуч ками заряженных частиц, а также для нзлучения свойств, например, твердого тела при воэдействии iita сгустками энергий субианосекундного диапазона, . Целью изобретения является повь шение плотности . после заверше ния вывода путем форюфования плотного кольцевого сгустка с последующим преобразова гаем его в короткий прямолинейный пучок электронон„ На . I дана схема преобразова 1ШЯ кольцевого сгустка в прямолинейный ,и приведены налболее существенные части устройства для формиро- Егания-пучка; на фяг, 2 - схема маг нитного манипулятора с импульсным источником питания. Устройство содержит пару катушек последней ступени сжатия магнитной системы, формирующейведущее магнит ное поле, виток 2 манипулятора, маГнитоэкраиированньп канал 3, i«i рень 4, датчик 5 положе1шя электрон ного кольца, импульсный источник 6. питания магнитоэкранировшшого капа ла, импульсный источник 7 питания витка манипулятора, импульсный фор- мирспбатель 8 стартовых сигналов, . фидер 9 связи датчика положения с импульсным формирователем 8 старто™ вых сигналов, фидер 10 связи . рователя стартовых сигналов с З1м- пульсным источником 6 питания магни тоэкранированного канала, Фндер 1 связи импульсного ф6р - НроватеЛя ста товых сигналов с импульс1шм источни ком 7 питания витка манипулятора, фидер 12 связи источника хштанля с витком 2 манипулятора, фидер 13 свя зи источника питания с магиитоэкра- нироваиным каналом 3. , Датчик 5 положения настроен так, чтобы при появлении кольца в .поле его зрения возникал электричесзсий сигнал на его выходе. Выход датчика 5 .соединен с входом .формнроват 1пя стартовых сигналов при помощи фи- дера 9 связи. Формирователь 8 сгар товых сигналов имеет два неэависимлс канала с включен11Ь ми в Них Споками временной задержки. Выходы .формировате1ш 8 стартовых сигналов 2 соединены с входами импульс1 ых источников питания б и 7 через, соответствующие фидеры 10 и 11. Датчик 5, формирователе 8 и фидеры 9°Я образуют систему синхронизации. Источники 6 и 7 через фидеры 12 и 3 соединены соответственно с магнитоэкраниоованным каналом 3 и витком манипулятора 2. Фидер 12 образован из отрезков линий передачи К одинаковой длины. С одного конца линии передачи К , соединены параллельно и подключены к выходу импульсного источника питания 7, а с другого через места Mj соединеш1я линии передачи и дуги витка соединены последовательно и образуют секционированный виток 2. Виток 2 манипулятора расположен под входным отверстием (т.е. септумом) магнитоэкранированного канала 3 и ассиметрично относительно оси катушек. Величина полярного угла геометрического центра окружност витка манипулятора зависит от Гпюгих факторов: относительной точности установки катушек системы сжатия, точности установки вакуумной камеры относительно катушек магнитной системы сжатия и т.д. Обычно его подбирают в процессе настройки системы по максимальному эффекту на выходе (по мишени). Пунктирными линиями на фиг. 1 показана траектория движения кольцевого счетчика электронов вдоль оси Z. В конце сжатия путем шунтирования тока в ближайшейк магнито- эзсранированному каналу последней ступени сжатия смещают магнитную , удерживающую кольцо в направлении OZ. При аксиальном перемещении магнитной ямы кольцо подводят к витку манипулятора 2 под септум магнитоэкран 1рованного канала 3. К этому моменту показатель спада ведущего магнитного поля обращается в 1гуль, что достнгается путем выбора момента времени шунтировки последней ступени сгатня и величины тока в катушках. Затем с помощью системы синхронизации и т{мпульсного 7 источника питания включают ток в витке манипулятора. Магнитное поле виткалокально ведущее магнитное поле. Причем кис3вше азимутальные гармоники пЬдавля ся за счет того, что геометрическа протяженность дуги N; витка по кр ней мере на порядок больше геометр ческой протяженности места ее подсоединения М; к линии питания. Электроны кольца в основном пол чают импульс в радиальном направлении. Амплитуда радиальных колеба ний электронов в кольце быстро нарастает, кольцо разрывается, и электроны забрасываются .в магнйто экранированный канал 3. Через него пучок дрейфует к мишени 4. Таким образом, кольцевая форма пучка тра формируется в линейную. В качестве примера реализации данного способа рассмотрим устройс во со следующими параметрами: Радиус электронного кольца, см Размер малого поперечного сечения кольца, см Количество электронов в кольце, шт энергия азимутального движения, МзВ Относительная (к скорости света С) скорость перемещения магнитной ямы в конце сжатия Из конструктивных соображений необходимая неличина отклонения кольца в радиальном направлении А составляет 1,0 см. Относительную величину аксиальной составляющей инжекции магнитного поля от витка манипулятора дБ/В примем 10%. Это соответствует амплитуде индукции магнитного поля, созданного витком около 0,14 Тл. Скооость нарастания амплитуды радиальных колебаний пропорциональнагдео)- 7,5-10 1/с - круговая частота обращения электронов в кольце; 6 0,5 см - начальная величина эксцентриситета (смещение 52 мгновенной орбит;ы относительно круговой). Следовательно, примерно за время НС амплитуда нарастает до требуемой величины, т.р. сгустюк может .быть заброшенным в магнитоэкранированный канал. Оценки показывают, что требования на длительность фронта и на. величину тока в витке манипулятора довольно жесткие (длительность фронта (I-2) величина тока в витке I U2 кА), но технически реализуемы.Величина магнитргой индукции ве- . дутцего магнитного поля в конце этапа сжатия составляет 1,4 Тл, и поэтому применение напштных материалов для изготовления магнитоэкранированного канала нецелесообразно. Выполнить канал можно по типу инфлектора коллективного ускорителя тяжелых ионов. Отличается от него канал только геометрическими размерами. Таким образом, плотный кольцевой сгусток электронов преобразуют в линейный за счет возбуждения в области под выводным каналом целого резонанса, причем возбуждение происходит ударно за единицы наносекунд. Кольцевая форма пучка, трансформи-. руясь в спиральную, попадает в магнитоэкранированный канал и преобразуется в линейную. Длительность выведенного пучка составляет (0,8-1,0) НС, а радиус поперечного сечения соответственно 0,4 см. На М1таени параметры пучка следующие: энергия, мэВ 17 Амплитуда тока в импульсе, кА.с 1-2 Длительность тока, нм хО,8-1 Такой сгусток удоблее (по сравнению с кольцом) транспортировать на мигаень. Для рассматриваемых параметов уменьшение поперечных размеров а мишени по сравнению с базовым бъектом (прототипом) очевидно и сосавляет величину порядка отношения иаметра кольца до преобразования ормы к малому поперечному его сечеию. В рассмотренном случае оно оставляет 20 раз.

I. Способ формирования сильноточных ультрарелятивистских пучков электронов субнаносекундного диапазона, включающий инжекцию пучка в мягкофокусирующев ведущее магнитное поле лерпендикулярно направлению магнитных силовых линий, формирование электронного кольца, увеличение энергии вращательного движения в нем путем увеличения амплитуды ведущего магнитного поля, поспедукяцее перемещение кольца под действием неоднородного магнитного поля, его преобразование в прямолинейный пучок под действием отклоняющего азимутапьно-неоднородного поля, и вывод через область, экранированнуто от магнитного поля, отличающийся тем, что, с целью повышения плотности пучка, отклоняющее аэимутально-неоднородное поле дают импульсно в виде первой азимутальной гармоники,при этом воэбуждение этого поля осуществляют в момент обращения показателя спада ведущего магнитного поля в ноль. 2. Устройство формирования сильточных ультрарелятивистских пучков электронов субнаносекундного диапазона, содержащее линейный индукцнон- ный ускоритель, на выходе которого установлены аксиально-симметричные катупки -и магнитоэкранированньш канал, отличающееся тем, СО что, с целью повышения плотности пучка, в него введен подключенный к импульсному источнику питания маг- нитнь Й манипулятор, выполненный в виде плоского секционированного витка, ось которого смещена от оси аксиально-симметричных магнитных тушек, при этом число секций в витоэ ке не меньше трех, каждая из них соеО5 динена с им1тульсным источником пита 4 СП IN9 ния коаксиальной линией передачи, все линии передачи имеют равную длину, их выходы .через секции витка соединены последовательно, а подключенные к импульсному источнику питания входы соединены параллельно, и плоскость расположения витка манипулятора совмещена с плоскостью расположения магнитоэкранированного канала.