Устройство вывода ускоренного пучка электронов из бетатрона Советский патент 1992 года по МПК H05H7/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке бетатронов с выведенным электронным пучком.

В настоящее время достаточно хорошо отработаны и нашли применение 2 типа устройств вывода ускоренного пучка электронов из бетатрона 1. Первый основан на электромагнитном способе несимметричного смещения электронов с использованием секторной обмотки протяженностью 180°. Секторная обмотка состоит из двух полуобмоток, соединенных согласно последовательно и расположенных в зазорах между камерой и полюсами, и подключается к генератору импульсов тока. При пропускании через секторную обмотку импульса тока бетатронное магнитное поле внутри области ее расположения ослабляется и изменяет частоту бетатронных колебаний частиц. При определенном значении среднего показателя спада бетатронного поля возникает параметрический резонанс, приводящий к резкому возрастанию амплитуд радиальных колебаний электронов и выводу пучка из области действия фокусирующих сил бетатронного поля. Преимущества такого устройства вывода пучка заключаются в его конструктивной простоте исполнения и простоте настройки его на максимум тока выведенного пучка. Однако оно обладает существенными недостатками: низкой эффективностью (30%) вывода и большой расходимостью пучка на выходе из ускорительной камеры.

Второй тип устройства вывода основан на электростатическом способе отклонения ускоренных электронов. Он содержит электростатический конденсатор, расположенный внутри орбиты освобождения и подобную первому типу секторную обмотку для предварительной раскачки амплитуд радиальных колебаний электронов и подвода их к области расположения конденсатора. Это устройство по сравнению с первым позволяет увеличить вдвое эффективность вывода 1 и получить меньшую расходимость пучка.

Наиболее близким техническим решением является устройство вывода электронного пучка из бетатрона, совмещенное с инжектором 2. Оно содержит вакуумную ускорительную камеру с электронным инжектором, генераторы импульсов напряжения инжекции и тока вывода, смещаемую обмотку и две пластины конденсатора (по терминологии 2 - дефлекторные пластины). Отклоняющаяся (находящаяся под положительным потенциалом) пластина дефлектора закреплена на фокусирующем

электроде инжектора и подключена к генераторам импульсов напряжения инжекции и вывода. Такое совмещение инжекции и вывода электронов в одном устройстве позво5 ляет упростить конструкцию ускорительной камеры и частично исключить потери электронов на инжекторе в процессе вывода. Однако совмещенное устройство инжекции и вывода не позволило устранить главный су0 щественный недостаток вывода электронов с помощью конденсатора (дефлектора) - неизбежность потерь электронов в процессе вывода на заземленной пластине и необходимость тщательной юстировки положения

5 конденсатора в ускорительной камере. Кроме этого необходимость расположения оси конденсатора по разворачивающейся спирали увеличивает в прототипе радиальный габарит инжектора и тем самым ухудшает

0 условия захвата электронов в ускорение.

Цель изобретения - повышение эффективности вывода электронного пучка из бетатрона.

Поставленная цель достигается тем, что

5 в устройстве вывода ускоренного пучка, включающем конденсатор вывода, обмотку смещения электронов, генераторы импульсов напряжения вывода и импульсов тока смещения, ускорительную камеру с прово0 дящим покрытием, конденсатор выполнен в виде трех пластин, две из которых электрически соединены с проводящим покрытием ускорительной камеры и расположены симметрично относительно медианной плоско5 сти с зазором, равным или большим вертикального размера ускоренного пучка электронов, вход конденсатора установлен под гребнем пол юса, а инжектор установлен между соседними гребнями полюса над или

0 под медианной плоскостью.

Отличительными от прототипа признаками предлагаемого технического решения являются: введение в конденсатор двух соседних электрически с проводящим покры5 тием ускорительной камеры пластин, расположенных симметрично относительно медианной плоскости межполюсного зазора; наличие зазора между введенными пластинами, равного или большего аксиального

0 размера ускоренного пучка; установка входа конденсатора под гребнем полюса; установка инжектора между гребнями полюса над или под медианной плоскостью.

Все указанные отличительные призна5 ки в устройствах вывода ускоренного пучка электронов из бататрона не описывались и не применялись. Введение двух электрически соединенных с проводящим покрытием пластина с зазором, равным или большим

аксиального размера выводимого пучка, является принципиально новым предложением устройства вывода, позволяющим исключить потери выводимых электронов на заземленной пластине, что в сочетании с симметричной обмоткой расширения орби- ты электронов и размещением инжектора вне медианной плоскости, позволит сущест- венно повысить эффективность вывода электронов. Отличительный признак, касающийся установки входа конденсатора под гребнем полюса, в прототипе и аналогах не мог быть осуществлен, так как в них использовались азимутально-однородные полюса.

Известно из литературы размещение инжекторного устройства над и под равно- весной орбитой, но оно в отличие от предлагаемого решения имеет другое назначение: повышение эффективности процесса инжекции и предполагает размещение инжекторов по всей границе аперту- ры ускорительной камеры.

Выполнение устройства вывода ускоренного пучка электронов из бетатрона с предлагаемыми отличительными признаками до сих пор не осуществлялось, следова- тельно, заявляемое решение по мнению авторов соответствует критерию существенные отличия.

На фиг.1 показана схема устройства вывода ускоренного пучка электронов из бетатрона; на фиг.2 изображено распределение эквипотенциалей электрического поля, сформированного пластинами конденсатора и проводящим покрытием ускорительной камеры. Картина поля получена на электролитической ванне.

Устройство вывода содержит (фиг.1) конденсатор, включающий пластины 1-3, обмотку 4 симметричного смещения ускоренных электронов; генератор 5 импульсов тока для питания обмотки 4; генератор б импульсов напряжения, подключенный к пластине 3; ускорительную камеру 7 с проводящим покрытием 8 и инжектором 9, расположенным между гребнями полюса 10. Пластины 1 и 2 электрически соединены с проводящим покрытием 8. На фиг.1 также изображена траектория 11 вывода электронов из ускорительной камеры 7 и введены обозначения: г0 - радиус равновесной орби- ты; А- зазор между пластинами 1-3; 12 - медианная плоскость межполюсного пространства; Госв - радиус орбиты освобождения электронов.

Напряженность электростатического поля, образованного пластинами 1-3 и проводящим покрытием 8, обозначена на фиг.2 вектором Е.

Пластины 1-3 конденсатора имеют радиальный изгиб, определяемый траекторией 11 вывода ускоренных электронов.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

После набора электронами максимальной энергии на потенциальную пластину 3 от генератора б подается импульс напряжения положительной полярности с плоской вершиной, длительность которой выбирается большей времени вывода электронов из камеры. В момент времени, когда в конденсаторе сформирована требуемая для вывода электронов напряженность электростатического поля Е (на начальном участке плоской вершины импульса напряжения, подаваемого на пластину 3), в обмотку 4 симметричного смещения подается импульс тока полисинусбйда льной формы, который формирует дополнительное импульсное магнитное поле, совпадающее по направлению внутри обмотки 4 с бетатронным магнитным полем, формируемым полюсами 1. В результате увеличения магнитного потока внутри обмотки 4 нарушается бетатронное соотношение 2:1 на равновесной орбите г0 и электроны начинают двигаться по разворачивающейся спирали с некоторым шагом h. В момент времени, когда амплитуда тока в обмотке 4 приближается к максимальному значению, электроны достигают орбиты, на которой расположены пластины 1,2 конденсатора.

В связи с тем, что положительный потенциал пластины 3 провисает через зазор, образованный пластинами 1 и 2, внутрь камеры 7 (фиг.2), электроны при подходе к пластинам 1 и 2 попадают в локальное, относительно слабое электростатическое поле, вектор напряженности Е которого направлен к равновесной орбите г0. В результате взаимодействия электронов, движущихся по разворачивающейся спирали, с этим полем возможна некоторая раскачка амплитуд радиальных колебаний электронов, которая увеличивает шаг h и способствует более быстрому захвату электронов конденсатором. Попав во внутренне электростатическое поле конденсатора на электроны помимо силы Лоренца Рл lvBz (r) и

/2

центробежной Рц начинает заметно действовать сила электростатического поля Fi IE, где I, V - заряд и скорость электрона; Bz - напряженность бетатронно- го магнитного поля; г - текущий радиус.

Для того, чтобы электроны были выведены за орбиту освобождения г Осв , а затем и из ускорительной камеры по траектории вывода 11, необходимо обеспечить равенство FE I Рл I - I Рц на всем азимутальном протяжении конденсатора. Так как шаг разворачивающейся орбиты электронов h А , то до момента захвата электронов полем конденсатора они могут многократно пересекать без потерь зазор между пластинами 1 и 2, равный или больший вертикального размера пучка. Пройдя без потерь область конденсатора, электроны входят в краевое поле бетатрона за орбитой освобождения госв и выводятся из ускорительной камеры по траектории 11.

Установка входа конденсатора под гребнем увеличивает радиальный шаг разворачивания траектории вывода 11, так как процесс отклонения электронов конденсатором происходит в магнитном поле с уменьшающимся по ходу движения электронов значением магнитной индукции Bz. Увеличение радиального шага разворачивания траектории в свою очередь позволяет за более короткий азимутальный промежуток вывести электроны за орбиту освобождения Госв и тем самым сократить длину конденсатора и соответственно потери электронов на его пластинах 1-3, т.е. повысить эффективность вывода. Например, в четырехгреб- невой конструкции полюсов бетатрона, изображенной на фиг.1, процесс электронов за орбиту освобождения г0св, как показали расчеты, занимает азимутальную протяженность 45° и позволяет вывести электроны за орбиту г0св в области магнитного поля с минимальной напряженностью Bz.

В предлагаемом устройстве инжектор 9 расположен между гребнями полюсов 10 в области границы действия фокусирующих

сил бетатронного поля в аксиальном направлении и поэтому в процессе вывода ускоренного пучка в медианной плоскости 12 потери частиц на инжекторе 9 отсутствуют.

Таким образом, в предлагаемом устройстве исключены все элементы, на которых возможна потеря электронов в процессе вывода электронов из ускорительной камеры, и при выполнении указанных отличительных признаков устройство позволяет довести эффективность вывода до 100%. Кроме этого наличие зазора между пластинами 1 и 2 в сочетании с симметричным смещением электронов обмоткой 4 снижают требования к точности расположения конденсатора в ускорительной камере, что позволяет изготавливать ее в отпаянном варианте. Формула изобретения Устройство вывода ускоренного пучка

электронов из бетатрона, содержащее конденсатор вывода, полюса электромагнита, обмотку смещения электронов, генераторы импульсов напряжения вывода и импульсов тока смещения, ускорительную камеру с

проводящим покрытием и инжектором, о т- личающееся тем, что, с целью повышения эффективности вывода, конденсатор вывода выполнен в виде трех пластин, две из которых электрически соединены с проводящим покрытием ускорительной камеры и расположены симметрично относительно медианной плоскости с зазором для прохождения ускоренного пучка электронов, полюса снабжены гребнями, при этом вход

конденсатора размещен в одном из зазоров между гребнями разноименных полюсов, а инжектор установлен в азимутальном промежутке между гребнями одного полюса над или под медианной плоскостью.

«ч

Использование: относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке бетатронов с выведенным электронным пучком. Сущность изобретения: устройство содержит конденсатор, включающий пластины 1-3, полюса электромагнита, обмотку 4 смещения, генератор 5 импульсов тока и генератор 6 импульсов напряжения. Ускорительная камера 7 имеет проводящее покрытие 8 и снабжена инжектором 9. Пластины 1 и 2 электрически соеди- нены с покрытием 8 и расположены симметрично относительно медианной плоскости с зазором для прохождения пучка. Полюса снабжены гребнями 10, при этом вход конденсатора размещен в одном из зазоров между гребнями полюсов. Инжектор 9 установлен в азимутальном промежутке между гребнями одного полюса над или под медианной плоскостью. 2 ил. СО С XI а и J4) ю ю