Ускорительная трубка Советский патент 1981 года по МПК H05H5/02 

Изобретение относится к технике ускорения заряженных частиц и может быть использовано при разработке эле тронных и ионных ускорителей. Известны ускорительные трубки, предназначенные для ускорения ионных и электронных пучков, и содержащие источник заряженных частиц, секционированный изолятор и электроды с отверстиями для прохождения частиц Изолирующие кольца, входящие в состав секционированного изолятора, имеют характерную высоту порядка 5-40 мм и рабочее напряжение 2540 кВ/см, лимитируемое поверхностны ми пробоями по вакуумной стороне изолятора. Из-за малой напряженности электри ческого поля размеры трубок на напряжение f 1MB получаются большими. Известна также ускорительная тру ка, содержащая источник заряженных частиц, секционированный изолятор и электроды с отверстиями для прохожд ния потока частиц. В такой конструк ции высота изоляционных колец соста ляет 5 мм, рабочее напряжение каждо го кольца 20 кВ, при превышении кот рого возникают пробои трубки из-за развития многоступенчатых лавинных процессов по вакуумной стороне колец, возникновения этих процессов обусловлены большой осевой протяженностью кольца и наличием достаточно высокой разности потенциалов между соседними электродами. Длина трубки поэтому оказывается бо гьшой, а нап.ряженность ускоряющего электрического поля, первеанс и соответственно величина потока ускоряемых частиц - малыми. Цель изобретения - уменьшение размеров трубки, увеличение ускоряемых токов и повышение электрической прочности конструкции. Эта цель достигается тем, что изолятор и электроды выполнены в виде набора чередующихся тонких диэлектрических пленок и металлических фо;тьг с шагом чередования в пределах 10-1 мм. В такой конструкции шаг секционирования сокращается до такой степени что ликвидируются условия появления поверхностных пробоев, связанных с эффектом полного напряя-ения, т.е. до толщин микронного диапазона. При этом изолирующие прослойки выполняются в виде тонких пленок, расположенных меходу электродами, или диэлектрические покрытия могут быть 1 анесены на

поверхность электродов, которые изготавливаются из тонкой фольги для сокращения общей длины трубки. Для получения больших абсолютных значений токов целесообразно выполнять много параллельных каналов, а для.увеличения плотности потока частиц и его фокусировки каналы могут быть сходящимися в направлении движения,частиц

Улучшения параметров предлагаемой ускорительной .трубки достигают также изготовлением электродов из ферромагнитного материала, намагничиванием их нормально к поверхности и созданием в пролетном канале магнитных полей, образующих вдоль канала магнитофокусирующий канал. В этом случае соседние электроды могут быть намаг-, ничены во встречных направлениях. Возможен вариант, когда из ферромагнитного материала изготовлена только часть электродов, например, каждый 5-й или каждый 10-й, с тем, чтобы обеспечить оптимальное расстояние между соседними магнитными линзами.

При изготовлении электродов из ферромагнитного материала, намагниченного нормально поверхности, с периодическим чередованием направления намагниченности обеспечивается создание в области ускорения пучка зоны знакопеременной магнитной фокусировки, повышается плотность пучка и уменьшаются потери ускоряемых частиц на электродах трубки.

Магниты также устанавливают на торцах трубки, обеспечивая в области движения ускоряемых частиц продольное магнитное поле, при этом один из полюсов магнита долже-н иметь отверстия для выхода частиц, соосные с отверстиями в электродах. Возможен и другой вариант - использование электромагнита и замыкание обратного магнитного потока вне объема, заполненного электрически прочной средой.

Магнитные поля в канале, помимо фокусировки пучка ускоряемых частиц, затрудняют также распространение случайных электронов, родившихся на стенках канала, чем снижают эффект полного напряжения и увеличивают электрическую прочность трубки.

Упрощение конструкции ускорительной трубки достигается при изготовлении изолирующих плeнo из ди- электрического материала с объемной проводимостью. В этом случае пленки одновременно выполняют функцию ре. зистивного делителя, обеспечивающего принудительное распределение потенциала по электродам трубки.

На фиг.1 изображена ускорительная трубка, разрезJ на фиг.2 приведен фрагмент трубки с изображением распределения магнитного поля в канале трубки при использовании намагниченных электродов} на фиг.З - продольный разрез ускорительной трубки с

многими сходящимися пролетными каналами, на фиг. 4 - продольный разрез ускорительной трубки, на торцах которой установлены постоянные магниты.

Ускорительная трубка содержит источник 1 заряженных частиц, электроды 2 из проводящего материала, чередующиеся с изоляционными пленками 3. Отверстия в электродах и изоляции образуют канал 4 для ускорения частиц. Электрическая прочность по внешней стороне трубки обеспечивается помещением ее в объем, заполненный качественной изолирующей средой например сжатым газом. Известно, что размер О желательно делать по крайне мере в 2-3 раза большим, чем размер (f.-При этом поверхность изоляции может быть развита. Магнитное поле 5 обеспечивает фокусировку потока частиц.

В ускорительной трубке с фокусировкой заряженных частиц постоянным продольным магнитным полем полюса б и 7 магнита расположена на торцах ускорительной трубки, причем полюс б имеет отверстия для выхода ускоренных заряженных частиц, а магнитное 5, создаваемое полюсами б и 7, направлено вдоль каналов 4.

. В конструкции, показанной на фиг.4, источники 1 заряженных частиц могут быть размещены между полюсами магнитов, величина магнитного поля подбирается так. чтобы удерживать поток ускоренных частиц, не допуская попадания его на электроды 2. Необходимо, чтобы направление магнитного поля 5 строго совпадало с осями каналов 4. Вблизи отверстий в полюсе 6 магнитное поле несколько искажает.ся, область искаженного магнитного поля имеет вдоль каналов 4 длину, равную двум-трем диаметрам выходных отверстий. Для уменьшения вероятности ускорения вторичных частиц вдоль канала диаметр отверстий в электрода 2 может увеличиваться от полюса 7- к полюсу б.

Для замыкания магнитного потока используются ферромагнитные элементы 8, разделенные изоляционными прокладками 9. Внут-ри ускорительной трубки и в трубе 10 имеется вакуум, снаружи ускорительной трубки - электрически прочная среда, например газ под давлением. Таким образом, детали 8 и 9 расположены в электрически прочной среде. .

Предлагаемая трубка работает следующим образом.

Включают источник 1 заряженных частиц, подается высокое напряжение на электроды 2, поток ускоренных частиц, ускоряясь под действием электрического поля в канале 4 (одном или нескольких), набирает, удерживаясь от распыления магнитным полем 5 (в

случае если оно присутствует), кинетическую энергию, соответствующую разности потенциалов на трубке, и через выходные отверстия выводится в трубу 10.

Электроды 2 могут быть выполнены из фольги или тонкого металла, например титана. В качестве изоляционных пленок 3 используются электроизоляционные материалы типа лавсана, майлара и др. Другой вариант - это нанесение изоляционных покрытий непосредственно на электроды 2, Могут быть использованы металлизованные по поверхности изоляционные пленки. Диаметры отверстий в изоляционных плен-. ках 3 вдоль канала 4 несколько больше отверстий в электродах 2.

Электроды 2 имеют снаружи выводы для подсоединения к делителю, обеспечивающему равномерный разнос потенциала вдоль трубки.

Возможен вариант изготовления изоляционных пленок 3 из материалов с объемной электрической проводимостью, например из электропроводящего полиэтилена. В этом случае нет необходимости использовать делитель. Вакуумное уплотнение набора электродов 2 и изоляционных пленок может быть осуществлено, в частности, созданием давления вдоль ускорительной трубки.

Предлагаемая конструкция ускорительной трубки с принудительным заданием электрического потенциала через 0,001-1 мм и применение тонкопленочной качественной изоляции де.

лают возможным получение электрических градиентов вплоть до 100-10000 кВ/см. Это позволяет иметь высокие первеансы и большие плотяости ускоряемых токов. Наиболее слабым местом является электрическая прочность вдоль канала. Целесообразно уменьшить диаметры отверстий до минимальных (.0,1- 0,5 мм) и для получения больших абсолютных токов создать много парал- лельных каналов.

0

В качестве примера приведем проектные параметры трубки для ускорения электронов, сконструированной по предлагаемой схеме, длина трубки 10 см, диаметр 200 мм, ускорякм1;ее

5 напряжение 1-2 MB, полный ток , длительность импульсов тока 100 мкс и более. Трубка имеет несколько тысяч каналов диаметром 1 мм.

20

Формула изобретения

Ускорительная трубка, содержащая источник заряженных частиц, секционированный изолятор и электроды с

5 Отверстиями для прохождения потока. частиц, отличающаяс я тем, что, с целью уменьшения размеров трубки, увеличения ускоряемых токоАи повышения электрической прочности

0 конструкции, изолятор и электроды выполнены в виде набора чередующихся тонких диэлектрических пленок и металлических фольг с шагом чередования в пределах 1 мм.