Электростатическая линза Советский патент 1990 года по МПК H05H7/00 

Изобретение отнрсится к электронной оптике электроннолучевых прибо рон и -может быть использовано в ускорительной технике при создании инжекторов заряженных частиц с энергиями до сотен МэВ и каналов их транспор- „тировки.

Целью изобретения.является увеличение предела энергии фокусируемых

частиц и уменьшение напряжения источника .питания при сохранении эффективности фокусировки, улучшение фокусировки за счет устранения хромати-

. ческих аберраций, а- также расширение функциональных возможностей линзы за счет одновременной регистрации тока и положения центра тяже.сти пучка и повьппенйа тока частиц за счет увеличения числа пучков,

На фиг. 1 изображена линза с проволочным электродом веретенообразной формы; на фиг. 2 - линза с проволочным электродом в виде конусов с общей

следующем натяжении, при аэнк тальном вращении кольцевых держателей нитей с их последующим пересечением в центре, либо сваркой нитей в этой точке, Вариант линзы, показанньй на фиг.7, может быть проще всего реализован пропусканием нитей внутрь замкнутой нити 3 и их натяжением между кольце 0 выми держателями. При этом нить 3 приобретает форму многоугольника. Многоканальная линза может быть вы-, полнена с использованием тех же технологических приемов, которые описа15 ны выше для одноканальных вариантов

Устройство (фиг, 1) работает следующим образом.

Частицы пучка (область пучка за- , штрихована), проходя через область,

20 расположенную между внешней поверхностью веретенообразного проволочного электрода 2 и внутренней поверхностью первого цилиндрического электрода 1, испытывают направленное к оси деиствершиной; фиг. 3 иллюстрирует методи- 25 вне сил электрического поля, вознику расчета оптимальной формы электродов для этого варианта; на фиг. .4 - нормировочная зависимость для определения этой формы; на фиг. 5 - характерные зависимости токопрохождения частиц от числа линз; на фиг. 6 - линза с одним из электродов, вьшол- ненным в виде коллектора тока вторичных электродов; на фиг. 7 - линза с проволочным электродом, имеющим пролетный, канал на оси.; на фиг. 8 - один из вариантов многоканальной линзы.

Линза содержит цилиндрические электроды 1 трёхэлектродной линзы, .электрод 2 с продольными нитями, замк лутую нить 3 в форме многоугольника Электроды 1 и 2 расположены таким образом, что нити полностью или частично находятся внутри электродов 1. Электрод 2 (на фиг. 1) отличается тем, что снабжен дополнительным веретенообразным электродом, образованным, например, при натяжении металлических нитей, предпочтительно из тугоплавкого металла (вольфрам, титан) J, концы которых прикреплены (приварены) к концам тонкой металли- ч«аской спицы. В отдельных случаях вместо спицы может быть использован капилляр, внутри которого проходят ннтн. Электрод 2 (фиг. 2) может быть образован при пропускании нитей внутрь кольца в центре линзы и их по0

5

0

кающего за счет разности потенциалов на этих электродах.

Частицы, проходящие вблизи оси, испытывают действие большей силы, чем удаленные от оси, но вследствие того, что путь, проходимый, ими в этом поле, уменьшается до нуля для частиц, проходящих в непосредственно близости от оси, суммарный поперечный импульс для этих частиц т а5сже уменьшается до нуля с уменьшением их расстояния от оси (предполагается, что вследствие того, что продольный импульс значительно больше поперечного, отклонение траектории частиц внутри самой линзы пренебрежимо мало), Это означает, что поскольку с увеличением расстояния от оси поперечный импульс растет могут быть реализованы g условия, при которьос все частицы фокусируются в фокальной области, ипи вообще в : одной точке (идеальная фокусировка) , Действие фокусирующих полей внутри второго цилиндрического электрода идентично уже рассмотренному.

Аналогично осуществляется фокусировка в варианте линзы, показанном на фиг. 2,Для определения формы внутренней поверхности цилиндрических электродов 13 обеспечивающей оптимальные условия фокусировки (минимизация аберраций), могут быть использованы

0

5

313

известные методы расчета или моделирования (1). Для вариантов, рассмотренных вьше, одно из наиболее точных аналитических приближений, может быть получено на основе расчетньпс выражений. Смысл введенных обозначений и расчетная модель иллюстрируется на фиг. 3. Учитывая, что угол отклонени траектории частиц от первэначального направления, параллельного оси Z, определяется в линейном приближении тонкой линзы соотношением поперечного и продольноЛ импульсов (соответ

ственно Рр и Ру) можно записать

(1)

Рг г

р; - гф

Используя известные выражения для

импульсов

2 г

p JF,,(Z )dZ ,

- о . (2) I.

.(3)

(Z.g И m - заряд и масса фокусируемых частиц), а также учитывая, что при d « 1

и справедливо приближения цилиндрического конденсатора для вычисления поля между обкладками конденсатора, у которого внутренняя обкладка является конической, но с малым () углом раствора конуса, а именно (f, с. 171).

Jl

г

E(Z)

(5)

где г

Гене Л Z)

вкеш

(Z) - радиус точки внутренней поверхности внешнего электрода 1 можно получить уравнение для определения г

.Бнеш

(Z)

2u,.z, - li,..

.BHe.Z) где

Решение этого уравнения имеет

г.„в.(2) 2е

UalZ

где фМожно показать путем дифференвания зависимости (7), что

2(г,,,), (U.U;)

(8) (9)

(Z), eZ

В нормированном виде приведенные выражения для Rj и Z представлены на фиг. 4. Пользуясь данной зависимостью можно, не проводя всех вы . ;- я 10

числений, провести конструкторскую проработку реального устройства и . . оценить параметры его питания. Характерной особенностью злектродов 1 является наличие щели между ними

15 () в центральной плоскости. Это является неизбежным следствием того обстоятельства, что в точке пересечения нитей в центре напряженность электрического поля (по край20 ней мере в расчетном приближении) неограниченно возрастала бы без этой щели; причем быстрее, чем уменьшается длина области действия фокусирующих полей, т.е. частицы могли бы

25 сильно отклоняться (перефокусироваться) при приближении к оси.

При прохождении через линзу часть пучка высаживается на нитях. На фиг. 5 показана зависимость отно30 шения тока пучка 1 после прохожде- . ния к току на входе в фокусирующую систему .1ц для различных соотношений площади, занимаемой нитями в поперечном сечении (3„), к площади,

35 занимаемой пучком (S), рассчитанная по формуле

(10)

40

В каждом практическом случае число нитей должно определяться компромиссом между потерями пучка на нитях с одной стороны и азимуталы «- Й неодно- р.одностью пучка при уменьшении числа нитей из-за вносимой этим злектричес- КИМ полем неоднородностью с другой стороны. В частности, при малом количестве линз число нитей может быть достаточно больишм (более 10), тогда как при их использовании, например, в качестве фокусирующих элементов в трубках дрейфа линейных ускорителей, когда N 10-15, их число рекомендуется выбирать в пределах 6-8. Рекомендуемая толщина нитей - 0,05-1,1 мм (2). j

Образование вторичных электронов При попадании на нити частиц пучка может быть использовано для регистрации наличия и величины тока пучка фокусируемых: частиц, а также для определения положения центра тяжести пучка, следовательно, для регулировки, пространственного расположения пучка и линзы с целью, улучшения характеристик пучка. Это реализуется

-за счет выполнения одного из цилинд - рических электродов 1 линзы, предпочтительно того, который расположен вблизи поверхности нитей, бомбардируемой частицами пучка, секционированным (см, фиг. 6), На фиг, 1 - это левый, а на фиг. 2 - правый электроды. Регистрация тока вторичных электродов, ускоряемых электрическим радиальным полем на каждую

из секций, позволяет однозначно установить величину тока фокусируемых частиц на каждую нить, регистрируя тем самыь и смещение пучка.

Если пучок частиц имеет трубчатую конфигурацию, а также,, если необходимо минимизировать потери пучка в приосевой области, где плотность г|учка максимальна, особенно ,цля пуч- Ков, максимальная расходимость кото- . рых обнаруживается на периферической Части наиболее целесообразно использование варианта линзы, показанного на фиг, 7, Специфической особенностью этой линзы является возможность выполнения наружного электрода 1 без

щелей, как в первых двух вариантах, Поскольку нити не пересекаются на оси и опасного с точки зрения перефокусировки возрастания электрического поля при приближении к оси нет.

Однако, необходимо отметить, что выполнение внешнего электрода 1 едирасстоянии. Использование известных типов линз затруднено тем обстоятель ством, что вследствие влияния сосед5 них каналов в электродах одиночных или иммерсионных линз, нарушается пространственная конфигурация и азимутальная однородность пучков. В вариантах с использованием линз с про10 волочными электродами (фиг. 8) такое влияние исключается, поскольку в неэквипотенциальном пространстве дай-- ствия фокусирующих сил все частицы движутся внутри электрвдов, полностью

15 экранирующих их от соседних каналов.

В качестве характерных примеров технической реализации линза можно привести вариант линзы, показанный на фиг. 2 с электродами, у которой

20 Z.10 см; см, ,74 см;

,2, U5 125 кВ, Ug T кВ. Фокусирующая способность той же величины достигается в линзе-прототипе при напряжении на два порядка больше,

25 чем Uj.

Таким образом, предложенное устройство позволяет существенно (до двух порядков) снизить напряжение электростатической фокусировки и уве30 личить предельные энергии фокусируемых на тех же расстояниях частиц, заметно расширяя область применения электростатических линз.

35

Формула изобретения

1. Электростатическая линза, содержащая три-электрода цилиндрической формы, установленные соосно, и 40 источник питания, один полюс которого подключен к центральному электроду, а другой - к крайним электродам, отличающаяся тем, что, с целью увеличения предела энергии HbiM также возможно, поскольку не при- фокусируемых частиц и уменьшения водит в действительности к cj-mecTaeH- напряжения источника питания при со- иому ухудшению свойств пучка, но конструктивно проще. Это объясняется тем, что предположение об эквивалентности цилиндрической и конической йоверхности и о ее азиг утальной не- прерьганости в действительности не реализуется, а толщина нитей конечна.

50

хранении эффективности фокусировки, центральный .электрод содержит металлические нити, натянутые внутри крайних электродов по образующим конусов, соосных с осью линзы.

, напряженность поля не бесконечна вблизи оси,

Наиболее полно преимущества предложенных вариантов линз проявляются При фокусировке нескольких параллельных пучков, расположенных на близ ком

2. Линза по п, 1, отличающаяся тем, что вдоль оси линзы eg внутри электродов расположена металлическая спица, а металлические нити одними концами закреплены на коль це, установленном в центре линзы, а другими - на концах спицы,

расстоянии. Использование известных типов линз затруднено тем обстоятельством, что вследствие влияния соседних каналов в электродах одиночных или иммерсионных линз, нарушается пространственная конфигурация и азимутальная однородность пучков. В вариантах с использованием линз с проволочными электродами (фиг. 8) такое влияние исключается, поскольку в неэквипотенциальном пространстве дай-- ствия фокусирующих сил все частицы движутся внутри электрвдов, полностью

экранирующих их от соседних каналов.

В качестве характерных примеров технической реализации линза можно привести вариант линзы, показанный на фиг. 2 с электродами, у которой

Z.10 см; см, ,74 см;

,2, U5 125 кВ, Ug T кВ. Фокусирующая способность той же величины достигается в линзе-прототипе при напряжении на два порядка больше,

чем Uj.

Таким образом, предложенное устройство позволяет существенно (до двух порядков) снизить напряжение электростатической фокусировки и увеличить предельные энергии фокусируемых на тех же расстояниях частиц, заметно расширяя область применения электростатических линз.

35

Формула изобретения

1. Электростатическая линза, содержащая три-электрода цилиндрической формы, установленные соосно, и источник питания, один полюс которого подключен к центральному электроду, а другой - к крайним электродам, отличающаяся тем, что, с целью увеличения предела энергии фокусируемых частиц и уменьшения напряжения источника питания при со-

хранении эффективности фокусировки, центральный .электрод содержит металлические нити, натянутые внутри крайних электродов по образующим конусов соосных с осью линзы.

1

3.Линза по п. 1, отличающая с я тем, что центральный элекрод содержит два кольца, установленные по краям линзы, а металлические нити натянуты между кольцами и пересекаются в геометрическом центре линзы.

4.Линза по пп. 1 и 3, от л и- чающаяся тем, что, с цепью улучшения фокусировки за счет уменьшения хроматических аберраций, электроды, установленные между кольцами, выполнены с внутренней поверхностью, определяемой уравнением

, S

гиг - радиус и

- Z г где Z,g5; R,-;f;

продольная координата точки поверхност в прямоугольной системе координат с началом в вершине конусов (м); г и Z - радиус и продольная координата точки поверхности (м), расположенной наиболее близко к оси, опреде- ляемые выражениями

J%, ,

n

где ZA - фокусное расстоя ние линт зы (н); of угол полураствора конусных поверхностей (раз), по которым натянуты нити, V. - напряжение источника питания (в), УО - потенциал пучка (В), при этом .

f

фие.1

8

5

о 5

0

5

5.Линза по пп/ 1 и 3, о т л и- чающаяся тем, что, с целью снижения потерь тока за счет высаживания частиц нд нитях в приосевой области, нити скреплены с помощью замкнутой металлической нити, имеющей форму многоугольника с вершинами в точках соединения нитей.

6.Линза по пп. 1-5, о т л и- чающаяся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей линзы за счет одновременной регистрации тока и положения центра тяжести пучка, а также регулировки положения линзы, по крайней мере один из крайних электродов выполнен сек- ционированным с продольными разрезами в плоскостях, проходящих через ось линзы между соседними нитями,

а каждая секция подключена к источнику питания через автономный измеритель тока.

7.Лииза по пп. 1-6, о т л и - чающаяся тем, что, с целью повышения тока частиц за счет увеличения числа пучков, она выполнена многоканальной, так что крайние электроды имеют вид дисков с пролетными отверстиями, а внутренние электооды выполнены в виде общей обечайки с пролетными отверстиями, соосными отверстиям дисков, при этом конфигурация электродов с нитями в каждом из пролетных каналов идентична.

фие. 2

Г ,

2р

фие. 3

1 г 3 1 гз

Фи1.

1яПв 1,0

д,в o,s

о,г о

г fi е г w г rit кн (рие. 5

Изобретение относится к электронной оптике и может быть использовано в ускорительной технике. Цель изобретения - увеличение предела энергии фокусирующих частиц и изменение напряжения источника пйтайия. Центральный электрод (Э) 2 содержит нити, образующими веретеннообразный Э.Ни- ти веретеннообразного электрода полностью ипи частично находятся внутри Э 1. Концы нитей могут быть закреплены на металлической спице центрального Э 2. Последний может быть выполнен в виде двух колец, размещенных по краям линзы. При этом нити пересекаются в геометрическом центре линзы. Нити могут быть скреплены замкнутой металлической нитью, имеющей форму многоугольника с вершинами в точках соединения нитей. При этом Э 1 могут быть выполнены секционированными. Для повышения тока частиц путем увеличения числа пучков линза вьтолнена многоканальной. Конструкция линзы заставляет частицы пучка (ч) 6, проходящие между нитями веретенообразного Э и внутренней поверхностью Э 1, испытывать направленное к оси действие сип электрического поля, возникающего за счет разности потенциалов на этих Э. Суммарный поперечный импульс для Ч, проходя1цих вблизи оси, уменьшается до нуля с уменьшением их расстояния до оси. Поскольку поперечный импульс с увеличением расстояния от оси растет, могут быть реализованы условия, при которых все Ч фокусируются в фокальной области или вообще в одной точке. 6 з,п. ф-лы, 8 ил. i а С 01 СП) со 4 со

,Составитель М.Цимбалов

Редактор О.Филиппова Техред Л.Сердюкона Корректор А.Тяско

Заказ 998Тираж 660Подгтсное

ВНИИПИ Государственйого комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. А/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4