ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО УСКОРИТЕЛЯ Советский патент 1995 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть и использовано для высоковольтных ускорителей заряженных частиц.

Целью изобретения является повышение надежности защиты секционированной ускорительной трубки от перенапряжений, расширение диапазона рабочих ускоряющих напряжений высоковольтного ускорителя путем улучшения токоотбора и стабилизации диаметра и угловой расходимости пучка заряженных частиц.

На чертеже приведена схема предлагаемой электронно-оптической системы высоковольтного ускорителя.

Электронно-оптическая система высоковольтного ускорителя состоит из секционированной ускорительной трубки 1, источника 2 заряженных частиц и делителя напряжения 3, задающего распределение потенциала по электродам 4 трубки, причем часть 5 делителя напряжения, расположенная со стороны источника заряженных частиц, выполнена из последовательно соединенных нелинейных двухполюсников 6, в качестве которых могут быть использованы кремниевые ограничители напряжения, варисторы или высоковольтные диоды, включенные в обратном направлении, а остальная часть 7 делителя напряжения выполнена из последовательно соединенных резисторов 8. Точки соединения отдельных элементов делителя напряжения присоединены к соответствующим электродам ускорительной трубки. Делитель напряжения 3 подключен своей частью 5 к источнику заряженных частиц 2, частью 7 к нулевому потенциалу.

Работа предлагаемой электронно-оптической системы высоковольтного ускорителя заключается в следующем.

При подаче ускоряющего напряжения на электронно-оптическую систему высоковольтного ускорителя через делитель напряжения 3 начинает протекать ток. Вольт-амперная характеристика нелинейного двухполюсника может быть условно разбита на три области: область малой проводимости, переходная область и область высокой проводимости.

Рабочим участком нелинейных двухполюсников, используемых в предлагаемой электронно-оптической системе, является область высокой проводимости, в которой большим изменениям тока, протекающего через двухполюсник, соответствуют малые изменения напряжения на нем. Это означает, что практически независимо от величины протекающего через делитель напряжения тока напряжения на нелинейных двухполюсниках, а значит, и на подключенных к ним зазорах ускорительной трубки, остаются постоянными и равными напряжениям, соответствующим началам резкого увеличения тока через нелинейные двухполюсники.

При этом часть ускорительной трубки, подключенная к нелинейным двухполюсникам 5, работает при постоянных действующих в трубке напряженностях электростатического поля.

Это обуславливает независимость диаметра и угловой расходимости пучка заряженных частиц на рассматриваемом участке ускорительной трубки от величины приложенного ко всей трубке напряжения.

Следует отметить, что в общем случае в области перехода электронно-оптической системы от части 5 делителя напряжения, выполненной на нелинейных двухполюсниках, к части 7 делителя, напряжения, выполненной на омических резисторах, вследствие различия напряженностей электростатического поля возникает электростатическая линза.

При изменениях ускоряющего напряжения фокусирующая сила линзы меняется, что приводит к изменениям в траекториях, заряженных частиц и, следовательно, к изменению диаметра и угловой расходимости пучка на выходе из электронно-оптической системы. При этом, если напряженностью электростатического поля в зазорах ускорительной трубки, подключенных к части 7 делителя напряжения, выше напряженности электростатического поля в зазорах ускорительной трубки, подключенных к части 5 делителя напряжения, пучок заряженных частиц дополнительно фокусируется.

При обратном соотношении значений напряженностей электростатических полей в этих частях трубки пучок расфокусируется.

Однако, если протяженность электронно-оптической системы, соответствующая части 5 делителя напряжения, достаточна для достижения ускоряемыми частицами энергии порядка 100 кэВ, то изменение выходных параметров пучка заряженных частиц от действия электростатической линзы мало.

В случае электронов это обусловлено возрастанием их релятивистской массы и фокусирующего действия собственного магнитного поля пучка к моменту прохождения линзы, в случае ионов большой массой ионов.

При выборе номинального напряжения на зазорах ускорительной трубки в области, подключенной к части 5 делителя напряжения, равным среднему значению напряжения на остальных зазорах ускорительной трубки, действие электростатической линзы минимально.

При работе предлагаемой электронно-оптической системы высоковольтного ускорителя напряженность и конфигурация электростатического поля между источником заряженных частиц 2 и первым электродом ускорительной трубки остаются постоянными. Это позволяет, осуществляя эффективный отбор заряженных частиц источника, получать необходимые значения тока пучка во всем диапазоне изменения ускоряющего напряжения без необходимости увеличения апертуры источника заряженных частиц или без его замены.

Таким образом, благодаря достигаемому применению нелинейных двухполюсников с однозначной вольт-амперной характеристикой постоянству электростатического поля в области ускорительной трубки, относящейся к части 5 делителя напряжения, предлагаемая электронно-оптическая система высоковольтного ускорителя обеспечивает эффективный токоотбор и меньшие изменения параметров пучка на выходе системы при больших, чем в известных ранее устройствах, изменениях ускоряющего напряжения без перестройки ее электрооптики. Тем самым достигается поставленная цель.

Следует отметить, что в качестве нелинейного двухполюсника в предлагаемой электронно-оптической системе может быть использован сложный нелинейный двухполюсник, выполненный из нескольких последовательно соединенных простых нелинейных двухполюсников. Это существенно расширяет номенклатуру возможных элементов для реализации конкретной электронно-оптической системы высоковольтного ускорителя.

Предлагаемая электронно-оптическая система, сохраняя свойственную прототипу простоту, позволяет расширить диапазон энергий частиц, получаемых на высоковольтном ускорителе без перестройки электрооптики. Технологичность изготовления, воз- можность без значительных переделок заменить существующие электронно-оптические системы высоковольтных ускорителей на предлагаемую, широкая номенклатура нели- нейных двухполюсников (варисторов, кремниевых ограничителей напряжения, высоковольтных диодов), пригодных к исполь- зованию в предлагаемом устройстве, высокая их временная стабильность и надежность все это позволяет предлагаемой элект- ронно-оптической системе высоковольтного ускорителя найти широкое применение в ускорительной технике и особенно в устройствах предназначенных для исследовательских целей.

ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО УСКОРИТЕЛЯ, содержащая источник заряженных частиц, секционированную ускорительную трубку и делитель напряжения, подключенный к электродам ускорительной трубки, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности защиты секционированной ускорительной трубки от перенапряжений и расширения диапазона рабочих ускоряющих напряжений путем улучшения токоотбора и стабилизации диаметра и угловой расходимости пучка заряженных частиц, часть делителя напряжения, расположенная со стороны источника заряженных частиц, выполнена из последовательно соединенных высоковольтных диодов, включенных в обратном направлении.