Устройство для получения импульсного пучка поляризованных электронов Советский патент 1993 года по МПК H05H7/08 

Изобретение относится к устройствам для получения поляризованных частиц и может быть использовано при создании источников поляризованных электронов для ускорителей.

Цель изобретения -упрощение получения и вывода поляризованного пучка электронов.

Указанная цель достигается тем, что каналы транспортировки поляризованного атомарного пучка водорода и электронного пучка совмещены и расположены вдоль оси соленоида, подключенного к источнику постоянного тока, источник электронного пучка установлен в области торца соленоида, противоположного месту расположения источника атомарного пучка водорода, внутри второго импульсного соленоида, подключенного к источнику импульсного тока, в катоде и аноде источника электронов на оси канала транспортировки выполнены соос- ные отверстия, между источниками поляризованного атомарного пучка водорода и пучка электронов установлен набор последовательно расположенных соосных одинаковых отрезков металлической трубы, внутренний диаметр которых превышает диаметр атомарного пучка, наружный диаметр меньше диаметра первого соленоида, а длина каждого из них не превышает их диаметра, соседние отрезки трубы соединены между собой катушками индуктивности, а с землей - конденсаторами, образующими искусственную линию с временем задержки, равным требуемой длительности тока пучка поляризованных электронов, которая

00

ю

4 ч

Ю

сл

подключена к источнику напряжения отрицательной полярности.

Изобретение иллюстрируется фиг. 1-3.

Устройство состоит из источника поляризованного атомарного пучка водорода 1, соленоида 2,подключенного к источнику постоянного тока 3, электронной пушки 4, рас- положенной в конце канала транспортировки 5 атомарного пучка вне соленоида 2 внутри второго, импульсного соленоида 6, подключенного к источнику импульсного тока 7, набора последовательно расположенных одинаковых отрезков металлической трубы 8, размещенных внутри соленоида 2 и соединенных между собой катушками индуктивности 9, а с землей - конденсаторами 10. В катоде 11 и аноде 12 электронной пушки сделаны соосные отверстия 13 и 14 с диаметром, не меньшим диаметра атомарного пучка. Анод электронной пушки соединен с землей, а катод-с источником импульсного напряжения отрицательной полярности 15. Катод подогревается нитью накала 16, соединенной с источником тока накала 17. Для фокусировки пучка использован электрод 18. Отрезки трубы 8 расположены соосно друг другу и каналу транспортировки 5. Первый отрезок трубы (со стороны источника 1 поляризованного атомарного пучка) соединен с генератором импульсного напряжения 19. Электронная пушка 4, отрезки трубы 8, катушки индуктивности 9, конденсаторы 10 и соленоид 6 расположены внутри вакуумной камеры 20. В устройстве предусмотрена возможность юстировки соленоида 2 и элек- тронной пушки 4.

Работа устройства происходит следующим образом.

В источнике 1, состоящем из источника молекулярного водорода, диссоциатора и устройства типа Штерна-Герлаха, образуется поляризованный по спинам электронов пучок атомарного водорода. Этот пучок направляют вдоль канала транспортировки 5 внутри отрезков трубы 8 и соленоида 2. В соленоиде 2 с помощью источника тока 3 создают вдоль оси накала транспортировки 5 продольное магнитное поле Н, Наличие магнитного поля необходимо для сохранения поляризации электронов атомарного пучка. Если это поле отсутствует, то спины электронов, находящихся в магнитных полях магнитных моментов протонов, начнут прецессировать, в результате чего поляризация пучка нарушается. Поскольку магнитное поле магнитного момента прототипа в месте нахождения электрона составляет 3 А/м , то магнитное поле соленоида должно существенно превышать эту величину. В рассматриваемом примере выбрано Н 12 А/м.

Пучок поляризованных атомов водорода, двигаясь вдоль оси соленоида, достигает

анода 12 электронной пушки, проходит через отверстия 14 и 13 в аноде и катоде, после чего он откачивается вакуумными насосами. Внутри вакуумной камеры 20 давление остаточного газа должно быть

существенно ниже давления в пучкеатомар- ного водорода. Как известно, практически получена интенсивность потока поляризованных атомов водорода 1017 атомов в секунду. При их скорости 10 м/с это

соответствует плотности п 1012 атомов/см3, что соответствует давлению « 3 Торр. В рассматриваемом примере выбрано давление остаточного газа 10 7Торр, что технически легко ссуществи„о.

На предварительно разогретый с помощью источника накала 17 и нити 16 катод 11 электронной пушки подают импульс высокого напряжения отрицательной полярности. Эмитируемый из катода электронный пучок 21,фокусируясь электродом 18,прохо- дит через отверстие 14 в аноде 12, Попадая после этого в магнитное поле соленоида 2, электронный пучок распространяется вдоль

его оси в направлении продольного магнитного поля. Путем юстировки электронной пушки 4 и соленоида 2 электронный пучок направляюттаким образом, чтобы он пролетал сквозь поляризованный пучок атомов

водорода. При этом происходит ударная ионизация атомов водорода электронным пучком.

Электронный пучок пролетает внутри последовательности отрезков 8 металлической трубы. Эти отрезки выполняют две функции. Во-первых, они обеспечивают прохождение вдоль оси канала транспортировки достаточно интенсивного электронного пучка. Известно, что наибольший,

критический ток Кр, А, пучка электронов радиусом а, м, в трубе радиусом R, м, определяется соотношением

,7- 10

,4 (/3-Р:

3/2

1+2|пҐ

0)

где у - энергия электронов в единицах энергии покоя.

Второй функцией отрезков трубы является вывод образованных при ионизации атомов водорода поляризованных электронов. Для этой цели расположенные рядом отрезки трубы соединены между собой индуктивностями L, Гн, а с землей-емкостями С, Ф. Эти индуктивности и емкости образуют искусственную линию передачи. Величины индуктивностей и емкостей выбраны таким образом, что величина задержки рав- на требуемой длительности импульса тока пучка поляризованных электронов т.и, с. Для этого, очевидно, должно выполняться условие

и ч2

LC (

(2)

1,3 10

- 15

1п(6,1 е)

(3)

где Е- энергия электронов, электрон- вольт.

Вероятность Р ионизации атома водорода электроном, прошедшим путь И см,рав- на

Р пае 1 3 1° 15п1Мп(6.ЬЈ) (4)

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано при генерации пучков поляризованных электронов. Цель изобретения - упрощение вывода поляризованных электронов. Устройство выполнено в виде герметичного корпуса, в котором расположены последовательности одинаковых полых цилиндрических электродов на противоположных концах, расположены источник поляризованных атомов водорода и источник электронов. Соосно источнику электронов, охватывая его, установлен импульсный соленоид. Соседние электроды соединены между собой индук- тивностями с общей шиной конденсаторами, которые образуют искусственную линию задержки. Вне корпуса соосно электродам расположен соленоид, подключенный к источнику постоянного напряжения. Такое выполнение позволяет образовывать поляризованные электроны вдоль всей системы. 3 ил.

где N - число отрезков трубы.

Выбирая, например т.и 2 мкс, N 25, получим LC 6,4 10с2. После подачи на первый (со стороны источника атомарного пучка 1) отрезок трубы импульса напряжения U, В, отрицательной полярности от генератора 19 между первым и вторым отрезками трубы возникает разность потенциалов U, под действием которой поляризованные электроны, находящиеся в первом отрезке трубы, ускоряются до энергии ell (e - заряд электрона). Когда волна напряже- ния достигает второго отрезка трубы, между ним и третьим отрезком возникает разность потенциалов U, под действием которой поляризованные электроны ускоряются до той же энергии ell. Этот процесс повторяется и дальше, пока через время, равное т.и, волна напряжения в искусственной линии достигнет левого конца канала транспортировки, где расположена электронная пушка 4. В результате образуется пучок поляризованных электронов с энергией ell и длительностью импульса tM. Этот пучок проходит через отверстия 14 и 13 в аноде 12 и катоде 11 электронной пушки 4 и выводится наружу. Поскольку в области электронной пушки отсутствует постоянное магнитное поле соленоида 2, то для транспортировки пучка поляризованных электронов используют продольное импульсное магнитное поле той же величины и направления, создаваемое импульсным соленоидом 6. Импульс тока в этом соленоиде создают с помощью им- пульсного генератора 7 в тот же момент времени, когда на вход искусственной линии подают импульс напряжения от генератора 19.

Рассчитываем амплитуду импульса тока пучка поляризованных электронов, получаемого с помощью предлагаемого устройства. Сечение о , см2, ионизации атомарного водорода быстрыми электронами определяется, как известно, формулой

При амплитуде импульса тока пучка электронов I, А и его длительности т., с, полный заряд поляризованных электронов, образованный при ионизации атомов водорода на длине i равен

qn Plt 1-3-1° Ј15nflt n(6.1.g).(5)

Если электроны выводятся за время tM, с, то импульсный ток пучка поляризованных электронов равен

, 1.3-10-15nglt |n(6i1.Ј)(6)

1иЈ Ти

Величина тока ионизирующего пучка I ограничивается двумя факторами: эмиссионной способностью катода и критическим током пучка в трубе (1), который в нерелятивист- ком случае можно записать в виде

2,6 10

- 5 3/2 Ео

1 +ln а

(7)

где Јо энергия электронов на выходе из электронной пушки, в электрон-вольтах.

При заданной эмиссионной способности катода и заданных поперечных размерах трубы 8 и электронного пучка 21 энергию электронов Јо необходимо выбирать возможно меньше, так как согласно формул (3), (6) In возрастает с уменьшением энергии электронов. При выборе I 1кР, как известно, электроны в трубе тормозятся, так что в нерел я т и в истк ом случае Ј 1/3 Јо .

Учитывая это, произведем оценку тока пучка поляризованных электронов. При использовании, например, оксидного катода легко можно получить плотность тока эмиссии 10 А/см2. Выбирая диаметр катода 3 см, а отверстия в нем 1,2 см, получим площадь катода 6 см , т.е. ток эмиссии 60 А. При радиусе отрезков трубы R 2 см и радиусе пучка а 0,6 см получим, полагая в формуле

(7)lKp 60A, e0 - 39 кэВ. Выбирая, например, 100 см получим, пользуясь формулой

, п 1012см 3,

13 кэВ, что при ,5

10 4c,

(6) и учитывая, что

ти 2 0,4 А.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет получить импульсный ток пучка поляризованных электронов 0,4 А в импульсе длительностью 2 с. Из изложенного ясно, что эти параметры являются далеко не предельными, так как практически получают ток эмиссии, значительно пре- вышающий 10 А/см2. Поэтому представляется возможным получение значительно большего тока пучка поляризованных электронов, либо такого же тока - 0,4 А при значительно меньшей длительности t импульса тока ионизирующего пучка электронов.

Определим теперь требуемую величину импульса напряжения, подаваемого на искусственную передающую линию. При ионизации атомов водорода кроме свободных поляризованных электронов образуются свободные протоны (ионы водорода). Положительный заряд протонов будет препятствовать выводу поляризованных электронов. Расчет показывает, что протонный остов создает задерживающий потенциал , В

4R

А« 9 10П л епраЧ1 + In - ) ,(8)

3

о

где пр - объемная плотность протонов, см ; е - заряд электрона, К.

В рассмотренных выше условиях имеем Др 25 кВ. Таким образом, прикладывая к передающей искусственной линии им- пульс напряжения отрицательной полярности амплитудой более 25 кВ, например 30 кВ можно обеспечить вывод пучка поляризованных электронов.

Параметры ячеек искусственной линии выбираются согласно формуле (2). В рассмотренном выше примере (tn 2 10 с, N 25) имеем LC 6,4 10 с , что обеспечивается, например, при выборе L 6,4 мкГн, С 2000 пФ, или при L 20 мкГн, С 300 пФ.

Расположение и схема соединений элементов предлагаемого устройства не обяза- тельно должно быть такими, как это показано на фиг. 1. Так электронная пушка не обязательно должна быть установлена вне соленоида 2. Часть схемы другого примера практической реализации предлагаемого способа, в котором электронная пушка

ю

15

0

5

0

5

0

5 0

5

расположена внутри соленоида, показанг на фиг. 2. Здесь электронная пушка 1 расположена внутри соленоида 2, присоединен ного к источнику постоянного тока 3, и внутри соосно с ним импульсного соленоида 4, присоединенного к источнику импуль сного тока 5. Во время работы электронное5 пушки на импульсный соленоид 4 подается импульс тока противоположной полярности по отношению к току в соленоиде 2 и такой величины, чтобы магнитное поле в области катода и анода электронной пушки равнялось нулю. Тогда работа электронной пушки будет происходить в тех же условиях, что и в приведенном выше примере (фиг. 1). После окончания импульса тока пучка электронной пушки ток в соленоиде 4 выключается, так что вывод поляризованных электронов будет происходить в однородном магнитном поле соленоида 2. В остальном работа устройства в данном варианте не отличается от его работы в рассмотренном выше примере.

Третий возможный пример практической реализации предлагаемого способа показан на фиг. 3. Здесь использованы те же элементы, что и в рассмотренном выше примере (фиг. 1). Отличие состоит в подключении искусственной линии и электронной пушки. В данном случае искусственная линия подключена к источнику 19 постоянного напряжения отрицательной полярности, анод 12 электронной пушки не заземлен, а присоединен к искусственной линии через дополнительную катушку индуктивности 21, идентичную катушкам линии 9 и коммутатору (например, разрядник) 22.

Работа устройства в данном варианте происходит следующим образом.

На катод 11 электронной пушки от источника 15 подают импульсное напряжение отрицательной полярности и такой амплитуды, чтобы получить требуемую разность потенциалов между катодом и анодом электронной пушки с учетом того, что анод находится под отрицательным потенциалом U, создаваемым источником 19. После окончания импульсного тока пучка электронной пушки ее анод с помощью коммутатора 22 закорачивается на землю. В результате этого между первым (со стороны электронной пушки) отрезком трубы и анодом 12 пушки возникает разность потенциалов U, под действием которой поляризованные электроны находящиеся в этом отрезке трубы ускоряются до энергии eU и выводятся через отверстия 14 и 13 в аноде и катоде электронной пушки 4. При срабатывании коммутатора 22 образуется разрушающая искусственную линию волна напряжения.

распространяющаяся слева направо. Когда эта волна достигает первого (слева) отрезка трубы, напряжение на нем обратится в нуль. В результате возникает разность потенциалов U между вторым и первым отрезком трубы, что приведет к ускорению электронов, находящихся внутри второго отрезка трубы до энергии eU. Этот процесс будет повторяться до тех пор, пока волна напряжения достигнет противоположного конца искусственной линии и все поляризованные электроны будут выведены. В остальном работа устройства в этом варианте не отличается от описанного выше примера (фиг. 1) и остаются в силе приведенные выше резуль- таты расчетов и значения параметров за исключением величины напряжения, прикладываемого к катоду электронной пушки. Если, как в приведенных выше оценках, для вывода поляризованных электронов требу- ется напряжение U 30 кВ, а между катодом и анодом электронной пушки необходимо приложить напряжение 39 кВ, то амплитуда импульса напряжения, подаваемого от генератора 15 на катод электронной пушки, должна составлять, очевидно,69 кВ.

Предлагаемое устройство, обеспечивая получение не меньшей, чем в прототипе, интенсивности пучка поляризованных электронов, обладает по сравнению с ним суще- ственным преимуществом, состоящим в упрощении получения и вывода пучка поляризованных электронов. В прототипе необходимо использовать высокочастотный резонатор, возбуждать в нем электрическое поле значительной амплитуды, порядка сотен киловольт на сантиметр, использовать для возбуждения резонатора модулированный сильноточный электронный пучок, затрудняя сбор и вывод поляризованных электронов, образованных во всем объеме резонатора. В предлагаемом устройстве высокочастотный резонатор отсутствует, нет

необходимости использовать модулированный электронный пучок, а требуемая интенсивность ионизирующего электронного пучка, как показано в приведенных выше примерах, составляет десятки ампер. Используемые источники напряжения имеют величины порядка десятков киловольт на сантиметр, т.е. на порядок меньше, чем в прототипе. Легко осуществляется вывод пучка поляризованных электронов прямо в направлении продольного магнитного поля. Формула изобретения Устройство для получения импульсного пучка поляризованных электронов, содержащее источник и канал транспортиров атомарного пучка водорода, источник и канал транспортировки электронного пучка, отличающееся тем, что, с целью упрощения вывода поляризованного пучка электронов, в него введены два соленоида, один из которых подключен к источнику постоянного тока, а второй к источнику импульсного тока, последовательность соосно расположенных одинаковых полых цилиндрических электродов, LC линия задержки, подключенная к источнику напряжения, при этом оба канала транспортировки совмещены и размещены вдоль оси соленоида постоянного тока, источники атомарного водорода и электронов расположены на противоположных концах канала транспортировки, импульсный соленоид расположен соосно источнику электронов и охватывает его, в аноде и катоде источника электронов выполнены пролетные отверстия,а последовательность электродов расположена вдоль оси канала транспортировки внутри постоянного соленоида, длина каждого из электродов не превышает их внешний диаметр, индуктивности линий задержки включены между соседними электродами, а емкости -между электродами и общей шиной.

ю см г- r- см со

© © © ©4

(

© ©J

фиеЗ