Способ ускорения ионов Советский патент 1989 года по МПК H05H5/00 H05H9/00 

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к технике коллективных ускорителей,и может быть использовано при создании ускорителей положительных ионов.

Целью изобретения является увеличение темпа ускорения и повышение эффективности путем обеснечения режима многократных посылок.

На фиг. 1 схематически показано расположение электродов и контур магнитных силовых линий в поперечном сечении устройства ленточной конфигурации, на фиг. 2 - зависимость приведенного провисания потенциала в электронном пучке на оси ускорительного канала от приведенной плотности тока пучка; на фиг. 3 - мгновенное распределение вдоль ленточных электродов катод - сетка приведенного сеточного напряжения V и приведенной плотности тока на фиг. 4 - распределение вдоль оси ускоряющего канала (УК)

приведенного провисания потенциала в режиме образования виртуального канала (ВК), соответствующее распределению, приведенному на фиг . 3 ;на фиг . 5 -распределение вдоль оси УК магнитного поля с учетом его полярности (в пренебрежении краевыми эффектями) на фиг. 6 - проекции осевых плоскостей последовательности отдельных участков ленточного дипольного магнитного поля на перпендикулярную плоскость, проходящую через ось Z; штриховой линией показана характерная траектория иона с М 50 ат.ед., при Е Ю В/см, Н 2 10 Э, стартующего вдоль оси ускоряющего канала (УК). первого участка с нулевой начальной скоростью; на фиг. 7 - схема одной из секгшй устройства для реализации способа поперечное сечение, на фиг. В - то же, сечение осепой плоскостью SS.

Способ осуществляют следующим образом .

сл

СП

ьо

со .

О5

Пример, На фиг. 1 показаны: К - катод, С - сетка, А - анод,Ур - сеточное напряжение, ч анодное напряжение, М - контур магнитных силовых линий. Катод заземлен. Инжек- ция электронного пучка (ЭП) в анодное пространство АА происходит че- рез прозрачную для электронов тонкую металлическую фольгу, сетку или узкую щель.

Максимальная плотность тока в пространстве катод - сетка определяется законом трех-вторых

Vcэ/г

КС

dl

С применением оптики Пирса в пространстве сетка - анод производится ускорение ленточного ЭП вдоль сходя- щнхся по ходу движения магнитных силовых линий, вследствие чего происходит поперечное сжатие (компрессия) ЭП в К , где Ь - попе-

а речный размер катода i h д, - поперечньй размер пучка после сжатия.

Таким образом, при выполнении закона непрерывности тока перед влетом в анодное пространство АА плотность электронного тока пучка станет j а j К. Экспериментально в аксиальных электронных пушках с магнитным сопровождением получены К .

В пространстве АА между закорочен- ными анодными электродами при прохождении ЭП будет иметь место провисание потенциала, обусловленное объемным зарядом пучка.

На фиг. 2 приведена зависимость нормированного ( V/V,) потенциала провисания на оси УК от нормированной плотности тока пучка j. С увеличением плотности тока провисание плавно увеличивается и при достижении кри- тической плотности тока j КР пучок скачком переходит в новое состояние, при котором между электродами АА образуется виртуальный катод (ВК) с частичным отражением от него электро- нов, при этом потенциал провисания падает до нуля и становится равным потенциалу катода. Нормированное значение критической плотности тока определяется следующим выражением:

кр

8,

где

l-f.

m Од

где d,

- расстояние между электродами АА.

При уменьшенни плотности тока переход ЭП в состояние без ВК происходит не при ,а при j .1 наблюдается так называемый гистерезис. Потенциал провнсания при Ja скачком увеличивается до 0,75 V.

Поскольку производится встрочная инжекция ЭП из двух электронных пушек, то для каждой пушки критическая плотность тока будет в 2 раза меньше (Jкр Таким образом, чтобы в межэлектродном пространстве АА образовался ВК, необходимо, чтобы каждая пушка инжектировала пучок с плотно- JKC-K

стью тока J

4. Переписав

N

ЭТО неравенство в явном виде, получим.

Vc

V.

1,

скр

,, / с ч /з .4 ч Z/J,, где (-) (-) V .

0(

Сравнивая мгновенные распределения вдоль ленточных электродов катод - сетка нормированйого сеточного напряжения Vc, плотности тока j соответствующее им распределение вдоль оси. ускоряющего канала (УК) номированного потенциала ( V / V,) провисания, можно сделать вывод, что в результате нелинейности процесса образования и распада ВК косинусообразная форма отпирающего импульса сеточного напряжения V, бегущего вдоль ленточных электродов К - С, трансформируется в прямоугольную форму распределения провисания потенциала вдоль УК. Кроме того, задний фронт (ускоряющий ионы) ВК круче, чем передний, что отражает гистерезисный характер процесса образования и распада ВК.

Ширина заднего фронта(границы) ВК, изображенного на фиг. 3, равна dcihj /2. Это справедливо до энергий ионов ; в4М МэВ, когда вьтолняется условие стационарности v Cv j (v g « с). Для больших энергий необходимо учитывать уширение фронта за счет конечности

времени распада ВК ( С. с: . О. В этом

ВК 2Vg

случае ширину, заднего Фронта можно оценить, используя выражение

й(2

Так, например, ког-да

V, :v

2ve Ь„ 0,2 см, ,4

см,

ктроном пространства К - t, /v;/L/ - время пролета ускорясмыг

ионом расстояния Л

/L/ ско

Изобретение относится к ускорительной технике. Способ ускорения ионов электрическим полем движущейся границы виртуального катода включает создание встречной инжекции электронных потоков с плотностью, превышающей критическое значение, синхронно движению ионов вдоль каналов ускорения из нескольких электронных пушек, последовательно расположенных вдоль канала ускорения. При этом вдоль направления инжекции электронных потоков обеспечивают поперечную компрессию электронного потока путем возбуждения продольного магнитного поля. Способ высокоэффективен и увеличивает темп ускорения. 8 ил.

станет шире исходного (v - 0) в 3 раза и во столько уменьшится тем ускорения ионов.

При наложении продольного магнитного поля на ЭП происходит компенсация электростатических сил объемного заряда пучкя силой Лоренца (еЁ

л -

И ) . При этом электроны совершают замкнутый дрейф со скорор в направлении, перпендику- Е и Н, смещаясь в поперечном

v

м

ку направлении

Л.

w,

где V

на величину

сЕ

Ар

Н

W

се

еН

гг.

Е - ского

среднее значение поля на границе

злектриче- пучка (ВК).

Остальные обозначения - общепринятые. Уширением границы ВК за счет дрейфа можно пренебречь, если . Отсюда магнитное nojre в области УК должно быть Н (кЭ) 7 /VOKC

2-410

ГЕ(В/СМ)

Ь„(см)

Взяв, например , ,2 см, С 10 В/см, имеем П 5,4 кЭ.

Оценивают эффективность управления ЭП с помощью сеточной модуляции по сравнению с анодной. Для этого определяют сеточное напряжение, подставив в выражение для V р знячечмя -0,2, К 100. В результате получают -V V/I 00 . Таким обС к р еч

разом, сеточная модуляция по крайней мере на полтора порядка эффективнее по потребляемой мощности по сравнение с анодной, применяемой в прототипе, при одинаковых токах, анодном напряжении и прозрачности сетки.

В отличие от известного способа, где в исходном состоянии ВК создается на всем канале ускорения, в предлагаемом способе аксиальный размер А ВК меньше длины скорения L. Отношение мощности, потребляемой от электронных пугиек в предлагаемом способе ,к мощности,потребляемой в известном способе пропорциопально Л /L. Следовательн чем меньше это отношение, тем эффективнее данный способ. Минимальное значение Л можно оценить из условия стационарности, которое имеет вид tg « t,, где t J, - время пролета эле

рость иона щдоль оси ускорения.

Для нерелятивистских значений v.:

/V, V.

,66- 10 /d L -iz/M

10

c

где E , - поле, ускоряющее ионы;

EC - поле межд,у катодом и сеткой; начальная скорость иона принималась

нулевой.

Для оценки полагают равным . ЮЛр, тогда

ML 0,46

fdc.riz

NL | И

-1; Е,

..46 f

М - V,

25

где

I; Z-E,.L,

Vc ,

М - масса иона в ат.ед. Подставив,для примера, d 0,1 см, L 100 см, Z , М 50 ат.ед., Е 10 В/см; FI 1 0 В/см, имеем -2

L

210

Таким образом, в резуль5

0

5

5

0

тате аксиальной локализации ВК в предлагаемом способе увеличена мощность электронных пушек. Кроме того, КПД устройств, реализующего способ, можно существенно увеличить, используя аноды с УЗК1ТМИ продольными щелями для пролета ЭП, а также осуществив рекуперацию энергии ЭП.

Продольная устойчивость иона, ускоряемого задним фронтом ВК, обеспечивается автоматически, поскольку величина ускоряющего поля на Фронте возрастает в направлении, противоположном направлеьи1ю ускорения . Наличие заряда в ускоряемом ионном сгусткр (заряд мало .возмхтцает ускоряющее поле) служит стабилизирующим фактором, улучшающим продольную устойчивость. Наличие больших поперечных (радплль- ны х) электрических полей, срлпштмых по величине с ускоряющими полями, обеспечивает в случае ускорения в отсутствие магнитного поля их поперечную (радиальную устойчппогпО заключающуюся в том, что ион, ускоряясь поперек магнитного поля, испыTuanfcT воздействие силы Лоренца

/- . Ze (1.1

f н)в направлении,

15294768

ИС на j-м участке (начиная с j определяется выражением

А С

перттеидикулярном УК. С увеличением с скорости ионов ионный qrycTOK , (ИС) смещается в направлении сипы Лоренца, преодолевая фокусирующее электрическое поле, и при некотором значении скорости уходит из ускоряющего кана- ю J7a, что приводит к поперечной неустойчивости. Благодаря наличию больших поперечных фокусирующих электрических полей до некоторых значений скоростеГг иолов можно пренебречь этим J5 смешением. Из баланса поперечных сил, считая начальную скорость иона нулевой, можно оценить величину относительного поперечного смещения центра ускоряемого ИС от прямолинейной оси УК«о

Л Y

«(

/

I +

2-Z M-v.,

- 1).

Поскольку при j 7 2 второй члеи корнем меньше единицы, мы можем ближенно записать

flj-Y h

- V

lii

2 V

АР

Н

где

приращение скорост энергии иона на j-м участке;

где V,

i.

энергия ускоренкого иона (в эВ) , равна (Z-Е у-L); отклонение от центра ИС; поперечный размер ускоряющего канала (ВК);

поле Е

фокусирующее электри- Е. /- 1/В/см.

о П „

Для .ММэВ, Е .. -л 7-lO B/cMi

И 10 J получаем

а Y

.0,2.

Таким образом, не прибегая к ста- б1ь-;изациии неустойчивости, можно реализовать способ для ускорения ионов до энергий . М МэВ.

Чтюбы обеспечить поперечную устойчивость ускоряемых ионов и снять ограничение на их предельную энерппо, Б предлагаемом способе применяется знакопеременное вдоль оси ускорения ленточное дипольное магнитное поле, образованное отдельными следующими один за другим участками с чередующимся поправлением магнитного поля. При Этом осевая плоскость каждого последующего участка смещается относительно осевой плоскости предшествующего участка в том же направлении и на такую же вел1гчину, что и ускоряемый ИС на предшествующем участке. В данном случае относительное смещение

2)

2-Z M-v.,

- 1).

Поскольку при j 7 2 второй члеи под корнем меньше единицы, мы можем приближенно записать

- V

lii

2 V

АР

Н

где

Y

приращение скорости и энергии иона на j-м участке;

скорость и энергия в начале j-ro участкаi длина j-ro участка ускоряющее поле; смещение ИС на j-м учас;г- ке.

Из полученного выражения следует, что смещение центра ИС на j-м участке j Y уменьшается с увеличением скорости и, таким образом, обеспечивается поперечная устойчивость ускоряемого ИС. На такую же величину (jY) долж-на смещаться осевая плос- кость (j+l)-ro участка относительно j-ro. Направление смещения (j+l)-ro участка совпадает с направлением сипы Лоренца, действующей на ускоряемый ион на j-м участке, а поскольку магнитное поле участков периодически изменяет знак, то и смещение осевых плоскостей участков один относительно другого будет знакопеременным.

Иа фиг. 5 изображено распределение величины магнитного поля вдоль оси УК с учетом его полярности. На фиг. 6 показаны проекции осевых плоскостей последовательности отдельных участков на перпендикулярную плоскость, проходящую через ось Z. Здесь же штриховой линией нанесена траектория иона с М 50, при F ,,10 В/см, Н 210 , стартующего с нулевой начальной скоростью вдоль оси УК первого участка.

9I529i

Обеспечить моперечнуш устойчивость ускоряемого ИС можно н результате компенсации силы Лоренца и.еитроспре- мительг(ой силой п мш нитиом поле одного знака.

5

v,«H

При этом процесс ускорения осуществляется нецрерывио, а ось ускорения должна быть криволинейной с изменяющимся вдоль УК радиусом кривизны

/М5Я /2 ZoeH

(JL.V-.H

„ V2

fi l

f Л lo

Недостатком рассматриваемой стабилизации поперечной неустойчивости ускоряемого ИС является конструктивная связь устройства с неопределент1м значением величины электрического поля Еу.

На фиг. 7 и 8 показано устройст во для реализации способа, состоящее из последовательности отдельных секций, каждая из которых имеет возможность перемещаться в направлении, перпендикулярном осевой плоскости.

Устройство включает подогреваемый ленточный катод 1, сетку 2 большой прозрачности, электроды Пирса 3, форма и расположение которых определяются в результате расчетов на ЭВМ или моделирования в электролитической ванне, исходя из требований совпадени электрических и магнитных силовых линий, аноды 4 с регулируемым расстоянием между ними и с продольной щелью, которую можно закрыть металлической фольгой, прозрачной для ЭП, или сеткой, витки 5 магнитной системы форма и расположение которых, а также величина токов в них определяются в результате расчетов, исходя их необ ходимой конфигурации И отнощекия

Н R

К -.инжектор 6, генератор 7 управляющих импульсов или волны напряжений, представляющих собой, например, нагруженную Лехеров- скую линию с параллельным пыходом на катоды и сетки электронных пушек. Окончательная геометрия и размеры устройства определяются его конкретным назначением. Так, например,

0

5

0

76I l

количег гно ceKiiiin и ллкип (млс. П.иой

СОКЦИМ ЧЛРИСЯТ о г КРПРЧН(1| 1 -iiicpcni

ycKopeiuiMx ионои, их плсгы tt -J.-IIMU HO- сти . Примерные цлрлмг ппл у г т pofjcTna , предназнлченнс го для уск1- (41ия ис нпв с массой М 200 ат.ел., i-iTnj Ho- стью Z 5 до тнерг ич 100 , напряжение на анодах „ 100 кВ; магнитное поле Н jjm 10 к З ( рпсстоя- ние между aнoдл чl d „ 0,S см; рлс- стояние между кятoдn и гегкой dt 0,1 см} поперечный рлямер ВК h(., (0,2-0,4) СМ} рязмер ВК вдоль оси ускорения Лх1 см, критическое 1апря5

жение на сетке «: 2 кВ, критическая плотность токл между аподлми 2,5 кА/см i полнь г ток Jo 7.J -h. Л г1 кЛ ( 1„р,, /K/L/ ), ускоряюгаее электрическое но- -че Е 10 В/см, количество ионов, ускоряемых за cN(i) :-. lo v,

где я - частота посыпок ииклов ускорения; длина ускоряющего канала(УК) L 20 СМ; относительное смещение центров ИС от прямолинейной оси УК

u i

0,14; количество секций - од0

5

0

5

0

5

на. Возможна, как и в прототипе, рекуперация энергиии электронов.

Процесс ускорения ионов осуществляется следующим образом.

Подают напряжение на подогреватели 1 катодов. На зазор катод - сет- ка подают небольшое (несколько вольт) напряжение, запирающее ЭП в исходном состоянии. Затем включают источник тока и пропускают ток нужной величины через витки магнитной системы, при этом создается расчетная магнитная конфигурация с необходимым отношением К(гре - магнитное поле на оси УК; Ик - поле на катодах пущек) и величиной м«кс 10 Э. После этого (или одновременно) на анодь 4 подается высокое положительное напряжение (л 100 кВ) -относительно катода и одновременно с делителя подаются напряжения на электроды Пирса 3, Напряжением на подогревателях устанавливают такую эмиссию катодов, чтобы при подаче на зазор катод - сетка положительного отпирающего импульса напряжения, величина которого больше Vj, 1 между электродами 4 образовался ВК. При необходимости переход в режим с образованием ВК можно осуu ecTniri b дополнительно, luiMeirnF в пеко 01Л.1Х пределах акодиое напряжение и расстояние между анодами 4 (d;.). Затем производится настройка

самого нроцесса ускоревгия. От генератора управляющих сигналов на зазор катод - сетка подается бегущий раиноускоренио вдоль катодп импуггьс (вот1на) отпирающего напряжения с надкритическим (, скр) значением амплитуды. С иомошью блока синхронизации, электрически связанЕюго с генератор - и инжектором иоиов, 13 момеиг прсмеии, благоприятный для вовпечсип, иопоп в процесс ускорения производите. иижекция иоиов в область аадиего фроита ВК, образуемого в начале УК i распространяющегося затем р; пиоускореино вдоль оси уско- рения, - порядка продольно- I o размера заднего Фронта ЕК. Средня шютиость и.опои р jT, п; может составлять величину Г ; - Э, п,,где п р - средняя плсти.ость 3JiCh тг онов в ВК. Скорость ипжектирован1гых иоиов должна б1)ть равна началт иг Т ф;по.ой скорости унраиляющего им11у, напряжения, подаваемого па сетку. Г1 ,п, ется такой TeNm возрастания фазого скорости управляющих , чтобы в itonue ускорительного каиг-ла по- лучит1 Mcr ;-cи aльны i поток (N.Vj) ускоренных ионов. Если устройство состоит из нескольких ceKunil, то путем смещения каждой секп,ти1 в направлении действии ciuif; JlopcHibi va поп в иредществу опге секции п :опп1 о,пится дополнительная lia CTpoiiica ciicitn-ibi с целью обеспечения поперечной устоГгчи вости ускоряющего ИС. При Э1 ом каждая секция фиксируется в положе и и, при котором на ее выходе величина потока ускоренных иоиов становится максимальной при неизменном законе возрастания фазовой скорости управляющих И-Мпульсов (волны) .

Управление электронныг- потоком с помощью внешнего воздействия (сеточ- н.ое управление) позволяет в данном способе создать короткий движущийся

10

20 25 ЗО др

29476 2

ВК д.гиг 101 ;i,A , существенно меньшей дги1ны . ускоряющего канала, что уменьшает оРщий электронный ток иушек а следовательно , нотребляемую мощ- ,ность и нагрузку на электроды нушек в L// раз по сравнению с прототипом. В результате иредварительной компрессии электронного потока в к 100 раз уменьшается плотность тока эмиссии вытягиваемого из катода, а следовательно, уве:и1чивается срок слркбы катода и сетки.

Моииюсть, потребляемая от т-еиерато ра управляющих импульсов при сеточном управлении электронным потоком, на порядки меньше, чем при анодном управлении, применяемом в известных способах. В предлагаемом способе амплитуда критического сеточного напряжения, необходимого цля образования

ВК, в ()/3( )

К, ,г/з

раз меньше анода общи) электронный раз меньше, чем в

3 о б р е т е

II я

Способ ускорения ионов электрическим полем движущейся границы виртуального катода, co3AaBaeN oro встречной иижекцией, в ускоряющий канал перпендикулярно его продольной оси электронных потоков с илотпост1 ю, прсвьпиаи ией критическое значение, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения ускорения и эффективности за счет обеспечения MHoroKpaT}iiiix посылок, ипжек- цию электронов осуществляют синхронно дви;«ению ионов вдоль канала ускорения из нескольких последовательно расположенных вдоль канала ускорения электронных ттушек, ттри этом вдоль направления инжекнии электрон- . потоков обеспечивают поперечную компрессию электронного потока путем возбуждения продольио1 о магнитного ноля .

4-

ttg.f

в

Фи2.2

Ja

Уф

Фиг.

V YU

о

II

I I I I I I I I

lOcn 0цг,

А-ь//

т

JL

1 I 1111L- i

50

ОЛ

ЛУ ho

OceSbfe n/rocffocmu

0,0

/

/

lOcn 0цг,

100

г,см

9иг5

Траектория иона

ФагЛ U2.7