Устройство для создания ускоряющего поля Советский патент 1990 года по МПК H05H9/00 

пучка. Наружный и внутренний слои фе()рита ийеют различные электромаг- нн Гные параметры, при этом поле насыщения внутреннего слоя феррита Н должно быть больше поля насыщения Н, наружного слоя феррита. К электро- Rs радиальной линии равномерно по на1|ужному радиусу подсоединен импуль- генератор 5,Геометрические размеры и параметры материалов слоев радиальной линии выСртгы из условия 1 г Н, -i

/

где. i

Rj 1 i H,j c(«p

г

1

А

(I)

«бвЗЭЗ4

чины fp, равной времени релаксации наружного слоя феррита. В результате иа вход внутренней части радиальной

линии поступает импульс с укороченным

фронтом. При распространении в слое 3 происходит увеличение амплитуды импульса, как -в обычной радиальной линии. Как известно, эффект увеличеJO НИИ амплитуды импульса имеет тем большую величину, чем меньшую длительность имеет его фронт. Благодаря обострению фронта в наружном слое радиальной линии его длительность

15 ма входе внутреннего слоя будет малой даже при большой его длительности на входе радиальной линии.

Количественные соотношения .полу Jj-Lf. Гпл л. (-х ч 1 Количественные соотношения полу- , .,( баь-д-) - C086,bj; чаются из рассмотрения образования

I 20 ударной электромагнитной волны в

-,t 5, Н, Н - соответственно наружные радиусы (м), диэлект- рические постоянные и величины напряженности магнитных полей насышения 2S Haps/жнопь и внутреннего слоев ферри- та КА/м) ;

20 ударной электромагнитной (2) наружном слое радиальной линии. Исходят из уравнения Максвелла

Изобретение относится к ускорительной технике. Цель изобретения - уменьшение габаритов радиальной линии и расширение диапазона длитель кости фронта импульса питающего наI Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для ускорения пучков заряженных частиц. Целью изобретения является уменьшение габаритов радиальной линии и расширение диапазона длительности 1 фронта импульса питающего напряжения. На чертеже схематически изображено тфёдпвгаемое устройство. Устройство содержит злектроды 1 радиальной линии с наружным 2 и внутренним 3 слоями феррита и отверстием пряжения. Электроды 1 радиальной линии, заполненные наружным 2 и внутренним 3 слоями феррита, соединены с питакчцим импульсным генератором 5. В электродах 1 выполнено отверстие 4 для пролета пучка заряженных частиц. В описании изобретения приведены соотношения для выбора геометричес ких размеров и параметров материалов слоев 2 и 3. При поступлении импульса напряжения от генератора 5 в наружном слое 2 феррита образуется ударная электромагнитная волна. При происходит укорочение длительности фронта импульса. При распространении импульса в слое 3 происходит увеличение его амплитуды. Благодаря обострению фронта в наружном слое радиальной линии, его длительность на входе внутреннего слоя будет малой даже при большой его длительности на входе радиальной линии. Заполнение радиальной линии ферритом поз-/ воляет уменьшить ее габариты. 4 для пролета пучка, соединенные с питающим импульсным генератором 5. Устройство представляет собой радиальную линию, заполненную двумя слоями феррита: наружным и внутренним. Оно содержит два кольцевых металлических электрода 1, между кото- рыми располагаются два слоя феррита. Наружный слой 2 феррита имеет внешний радиус R, внутренний слой 3 - радиус R,. В центре внутреннего слоя феррита и в электродах линии имеется отверстие 4 для пролета ускоряемого § (Л CZ О) 00 00 СО 01

нел

Р соответственно квадратичная -тнейность кривой намагничивания и вреНя релаксадии наружного слоя феррита (с);

где

../u, с - скорость света (м/с)

(5)

М м,х (|),

,. , намагниченность (А/м) t

- . L.2...

U (А/м)

- длительность фронта импульса

питагацего напряжения (с);

40

I, - функция Бесселя;

п й корень уравнения I (д)

0;

а величины а и b определяются из условий

ЗА „. ЭА

За ° (3)

45

Е(В/м) - компоненты электромагнитного поля, в линии; г - текущий радиус (м); С - скорость света (м/с)| 1- диэлектрическая постоянная нарул.-ного слоя феррита (при Н j Н , licdl);

Устройстве работает следунедим обрезом. .

Импульс питаюшего напряжения амплитудой и, и длительностью Фронта от питающего импульсного генератора 5 .поступает на вход радиальной линии. Пар.акетры наружного слоя 2 феррита

.выбирают такими, чтобы при распрост- „ п uAu -« 55

р HOI KO магнитная и электрическая

постоянные.

Упрощают систему уравнений (4), предполагая волновой процесс слаболинейным (при этом Н Н и функцию SO к можно разложить в ряд по Hif/H,/ удерживая первые слагаемые, T.eJ

l nCH /H -x if-Ail ПРИранении в нем импульса происходило J . Перапи.сынают уравнения образование ударной электромагнитной

iH, а.. ГЁТЕ;

волШы. При этом происходит укорочение - длительности фронта импульса до вели f; -iHH.,).S.,

где функция х(|) описывает кривую текнйчейкого намагничивания феррита

(5)

М м,х (|),

Нц(А/м)

Е(В/м) - компоненты электромагнитнго поля, в линии; г - текущий радиус (м); С - скорость света (м/с)| 1- диэлектрическая постоянная нарул.-ного слоя феррита (при Н j Н , licdl);

р HOI KO магнитная и электрическая

iH, а.. ГЁТЕ;

.,).S.,

2(3tjl ПР; u

H

H

(6)

.где pi 1 + XT MO/H, - линейная - магнитная проницаемость ненасыщенного ферромагнетика.

Для волновых процессов, происходящих на расстояниях от центра радиальной линии г (м), больших по сравнению с характерным пространственным масштабом импульса (длина фронта

1 I.MJ ,

-гдлительность

fE -Vi фронта импульса, с), правая часть

уравнения (6) является малой. При

этом для сходящихся волн и из уравнения (6) следует

й.(,..„|ь..-Ч

О, (7)

Ct:

где F 1 Н, h; , р, -

Molxit

i. -f-Ji -xквадратичная нели- 25

Hi HI X,

нейность кривой намагничивания феррита..

Уравненив/(7) легко решить методом характеристик. Имеют

h r -F(5).(8) °

где характеристическая переменная определяется формулой

г + v - ()r .(9)

Функция F() определяется начальным профилем импульса

h/r,o) ЬЛг)

Для аналитического описания эволю- 40 ции импульса пользуются сохранением величины на характеристиках уравнения (9). Каждая i-я точка профиля импульса, задаваемая величиной магнитного поля и соответствующей коор- динатой г-(«t), распространяется вдоль своей характеристики. Причем г ,(о) Г{а, ah,-(о) ho(r,.;) - Ь ,о Из уравнений (8) и (9) следует

. . , .Hjj.

ЬЛп.) го .

о +V С1 ) -

35

45

Q

(10)

:cfh

U

+ -J(i -в(ц, )-vr;,.

H-ibl

л r.-e

Одно из наиболее существенных свойств волн, описываемых решениями

5

8395

(10), заключается в укручении переднего фронта волн по мере распростря- нения к центру линии. Поскольку скорость нарастания крутизны фронта возрастает с увеличением амплитуды волны, то укручение фронта сходящейся

цилиндрической волны в РЛ происходит быстрее по сравнению со случаем 10 плоской волны вследствие эффекта компрессии.

Определяют аналитически значение ;

радиуса линии , на котором происходит опрокидывание фронта импульса 15 (практически обострение фронта происходит до величины « р), В .точке, в которой начинается опрокидывание Г фронта, очевидно обращается в О 3r-,(r,-ojtti 5г,-„

20

производная

Из уравнений

25

°

(П)

(10) получают формулу

,.

of(h,-, 2ri.blL)

а i , в .„ -j--,

2,,5гт:

показывающую, что зффект опрокидывания может возникать только на участке профиля импульса, на котором магнитное поле h (о(г io) является возрастающей функцией г ij. Согласно-уравнению (П), для опрокидывания необходимо, чтобы крутизна фронта начального

импульса удовлетворяла услови,г

1

dh 1о dr

10

(52)

Переходя от безразмерной величины к полю Н ц, обозначая максимальное значение Н i на входе линии через Н выбирая наружный радиус F внутренней линии в точке опрокидывания г - F.B получают из выражения (12)

-Sj. H.

(13)

2rfR, (J --(I-)

40

Q Или, выражая H через амплитуду им-, пульса напряжения на входе линии Uo

Н.

(14)

55

имеют

2rfR, Е,в (1 - (d - расстояние между злектродами)

Щ-

IR.

Uo (15)

При выполнении этого неравенства в наружном слое радиальной линии происходят образование ударной волны и обострение ф{)онта импульса до вели1468395

2 феррита выбирают феррит марки 0,6 ВТ с малым.полем насыщения

т /л / .

Н

-«.- --J- - ™,ji f Ifi

.ЧИНЫ t p . Поэтому дли;тельность Фронта и входе внутренней линии равна Ср.. Амплитуда импульса напряжения на

Гй ;оде внутренней линии равна U HK, |И этой амплитуде напряжения магнит-. 1

В}

П1

H(ie поле so внутреннем слое радиальной линии равно

„ „ ojSr Uo е JEiEo

-%;т-г;Ги7нГ

(16)

(| ЬСсоа.„(Ь-

i- СОВ 6 Ь,

гф а -|;

f- текущий радиус;

ь.|.

Длп TorOj чтобы внутренний слой феррита не насыщался, необходимо, чтрбы максимальное значение этого 11ФЯ было меньше поля насыщения Н„, T.le.

(17)

(18)

Щ)|и условии

о

А „ 5Н

тг и

а дъ Из уравнений (15) и (17) следует, что

i, 0,2 Э, а в качестве внутреннего слоя феррит марки бОНН с большим .

полем насыщения Н 50 Э. Расстояние . между электродами линии -d 2 см., наружный радиус внутреннего слоя феррита Р, 9 см, . е, , - 5. Подстав- 10 ляя реальные значения, С у г 0,3 не,- с S 0,3 в выражение (20) и (16), получают в результате расчетов при , А 0„7, а следовательно, F., 15 см. При выбранных параметрах 15. ударная волна разЕивается при напряжении V/P 4 кВ СБ соответствии с формулой (15)3. Ускоряющее.напряжение на оси при этом достигает : 40 кВ.

Предлагаемое устройство обладает 20 существенными преи У1уществами по сравнению с известным. При одной и той . же величине отноше.ния ускоряющего на- пряжения, на оси линии к питающему напряжению габариты радиальной линии 25 в предлагаемом устройстве значительно меньше, чем в известном. Например, для получения величины этого отношения, равного Ш, в известном устройстве использована радиальная линия 30 с наружным радиусом R., 90 см. В рассмотренном выше примере такое же значение отношения этих напряжений имеет место при R,- 15 см.

Кроме того, получение такого же 35 .отношения ускоряющего напряжения на оси радиальной линии к амплитуде питающего напряжения, приложенного по ее наружному радиусу., в предлагаемом устройстве реализуется в значи.lii-ld.«« и г . О ° большем диапазоне д,лйтел ь1 с- ° 20Я7Г,-Ш, А та фронта импульса питагощего напряжения, чем в известном устройстве, (19) Величина это-го отношения зависит от длительности фронта импульса напряже2 :fk, t,Mi -JP)

p./

ПРИ выполнении выражений (18), Дпя

--,, --.-..««« ош47алсиии 10}, ДПЯ/-УШ 1 ЬШЬНОСТИ фрОНТЯ ИМПУЛЬСН НаП

выполнения неравенства (19) достаточ-45™ существенно возрастает при

но, чтобы левая часть неравенства бы-его уменьшении. Поэтому в известном

ла меньше правой, что приводит к еле--- т л.

ДуМцему условию:

(21)

Ниже приведён пример конкретной реализации предлагаемого устройства. В качестве материала наружного слоя

устройстве для получения большой ве- . личины указаннрго отношения необхо.цимо иметь малую длительность фронта (20) 50 « Ульса, При увеличенин его длительности ускоряющее напряжение уменьша- ется. Предлагаемое устройство свободно от этого недостатка. Даже при большой длительности фронта импульса 55 питакщего напряжения в наружном слое радиальной линии происходит его обо- стрение,и на вкод ее внутреннего слоя поступает импульс с коротк|1м фронтом. Таким образом/ предлагаемое

2 феррита выбирают феррит марки 0,6 ВТ с малым.полем насыщения

т /л / .

Н

i, 0,2 Э, а в качестве внутрен слоя феррит марки бОНН с больш

устройство o fj-eKTHBHO работает в значительно более широком диапазоне длительности фронта импульса, чем известное. В рассмотренном выше примере достигается десятикратное превы - шение ускоряющего напряжения по отношению к питающему, при длительности фронта импульса 2 и t : 10 Не, В изЬестном устройстве такой же эффект имеет место при 2 при увеличении С до 5 не ускоряющее напряжение уменьшается в 2 раза, а при 10 НС - в 3 раза, так что оно -превышает питагощее лишь з -г; 3 ра- за,:

Благодаря возможности работы при большей длительности фронта импульса в предлагаемом устройстве существенно

уменьшаются трудности при создании 20 генератора и облегчаются условия подключения питающего генератора к радиальной линии, так как при этом меньший вклад в удлинение фронта вносят паразитные параметры схемь .25 (емкости и индуктивности).

Таким образом, применение предлагаемого устройства позволит уменьшить габариты радиальной линии и расширить диапазон длительности Фронта импульса 30 питающего генератора.

Фор.мула изобретения

Устройство для создания ускорятощег « го поля, содержащее подключенную к импульсному генератору радиальную линию с отверстием для пролета пучка заряжен-ных частиц, состоящую из наружной и внутренней коаксиальных час- 40

5

0

40

тей с paзличны {и электромагнитными napaMeTpaMti, отличающееся тем, что, с целью уменьшения габаритов радиальной линии и расширения диапазона длительности фронта импульса питающего генератора, радиальная линия заполнена двумя слояьш феррита, геометрические размеры и параметры которых выбраны из условия

. HI .t ,1, Е, Н, ci- Zp А

1

1

где

00

А I. г t,6U,(6p) L

COS

- cos

«

1 7. I 1 Т

HI- соответст.венно наружные радиусы (м), диэлектрические постоянные и величины напряженности магнитных полей пасьпдения наружного и внутреннего слоев фер)рита (

d t 1 fT соответственно квадратичг нал нелинейность кривой намагничивания и время релаксации наружного, слоя феррита (с){

0. - скорость света (м/с); . р,- относительная магнитная проницаемость внутреннего слоя феррита;

t - длительность фронта импульса питающего напряжения (с); 1 - функция Бесселя; dn п-й корень уравнения 1(6) О, а величины а и b определены из условий

ЭА „ Sh