Способ ускорения электронов в цилиндрическом бетатроне и устройство для его реализации

Способ ускорения электронов в цилиндрическом бетатроне и устройство для его реализации

Реферат

 

Использование: ускорительная техника, индукционные циклические ускорители. Сущность изобретения: способ ускорения электронов в цилиндрическом бетатроне включает инжекцию электронов, фокусировку которых в аксиальном направлении осуществляют магнитными пробками и потенциальными барьерами на границах области устойчивого движения электронов, создаваемыми на момент инжекции с помощью пластин из проводящего материала. Потенциальные барьеры создаются импульсным отрицательным напряжением, по форме совпадающим с импульсом напряжения инжекции и синхронизированным с ним. Устройство для ускорения электронов в цилиндрическом бетатроне содержит электромагнит 12, ускорительную камеру 3, внутри которой на границах области устойчивого движения электронов в аксиальном направлении установлены пластины 4 из проводящего материала, и инжекторное устройство 5, расположенное вблизи одной из пластин. К пластинам относительно проводящего слоя ускорительной камеры подсоединены отрицательный выход источника импульсного напряжения 8, управляющий вход которого соединен с выходом синхронизирующего устройства 9, который подсоединен к управляющему входу источника отрицательного импульсного напряжения инжекции 7. Пластины 4 из проводящего материала могут быть выполнены в виде торцовых участков проводящего слоя ускорительной камеры и изолированы от цилиндрических участков 6 проводящего слоя ускорительной камеры. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке и усовершенствовании индукционных ускорителей и накопительных установок.

Известен способ ускорения электронов в цилиндрическом бетатроне, включающий инжекцию электронов в область с азимутально-симметричным магнитным полем, показатель спада которого n 0, причем радиальная фокусировка электронного пучка осуществляется в основном управляющим магнитным полем, а аксиальная фокусировка создается на концах ускоряющего зазора магнитными пробками [1] Устройство, реализующее этот способ, также известно [1] Цилиндрический бетатрон состоит из: 1. Электромагнита, содержащего полюсные наконечники, блок центральных вставок, центральную обмотку возбуждения, на концах которой размещены катушки магнитных пробок. 2. Цилиндрической ускорительной камеры, с одного конца которой установлен инжектор, а с другого вольфрамовая мишень.

Недостатком этого способа является то, что электрическое взаимодействие между электронами инжектируемого пуска приводит к перераспределению электронов по скорости, а именно электроны, инжектируемые в камеру, перемещаются к противоположному торцу ускорительной камеры. Головные электроны пучка за счет кулоновского взаимодействия приобретают дополнительную энергию аксиального движения и попадают на торцовую стенку ускорительной камеры.

Аналогичный процесс происходит и у противоположного торца ускорительной камеры, где установлен инжектор. Число электронов, ускоряемых в одном цикле, оказывается малым по сравнению с тем количеством электронов, которое способно удержать управляющее магнитное поле.

Известен способ ускорения электронов в цилиндрическом бетатроне [2] включающий инжекцию электронов в область С₁ азимутально-симметричным магнитным полем, показатель спада которого n=0, радиальная фокусировка электронного пучка осуществляется основным управляющим магнитным полем, а аксиальная фокусировка созданием потенциального барьера отрицательным напряжением, поданным на пластины из проводящего материала относительно проводящего слоя ускорительной камеры и установленные на концах ускоряющего зазора.

Устройство, реализующее этот способ, также известно [2] Цилиндрический бетатрон, содержащий электромагнит, цилиндрическую ускорительную камеру, внутри которой с двух торцов камеры для обеспечения стабильности движения электронов в аксиальном направлении установлены два отражателя (пластины из проводящего материала), к которым относительно проводящего слоя ускорительной камеры подключен выход источника отрицательного напряжения.

Недостатком указанного способа является то, что величина потенциального барьера в аксиальном направлении не меняется в течение всего времени инжекции и ускорения и для электронов различных энергий в момент инжекции созданный потенциальный барьер будет постоянным.

Недостатком устройств [1] и [2] является низкий КПД.

Наиболее близким к предлагаемому способу и, может быть, прототипом является способ ускорения электронов в цилиндрическом бетатроне [3] включающий инжекцию электронов в ускорительную камеру, где фокусировка в аксиальном направлении образуется магнитными пробками и потенциальными барьерами на границах области устойчивого движения электронов, создаваемыми на момент инжекции электронами, выпадающими из пучка на пластины из проводящего материала.

Также имеется устройство, реализующее способ [3] Цилиндрический бетатрон, содержащий электромагнит, ускорительную камеру, внутри которой на границах области устойчивого движения электронов в аксиальном направлении установлены пластины из проводящего материала, инжекторное устройство, расположенное вблизи одной из пластин, пластины соединены с проводящим покрытием камеры через коммутирующее устройство.

Данный способ позволяет увеличить фокусирующие силы в аксиальном направлении.

Прототип имеет следующие недостатки.

1. Величина потенциального барьера в аксиальном направлении достигается за счет потенциала, создаваемого зарядом потерянных частиц из пучка в момент инжекции, тем самым значительно уменьшая число частиц, захваченных в ускорение.

В каждом цикле величина потенциального барьера за время инжекции увеличивается от нуля до максимального значения, т.е. потенциала емкости С между пластинами и слоем ускорительной камеры, так как за это время на пластинах накапливается заряд от потерянных частиц.

3. Процесс формирования потенциального барьера стихийный, не регулируемый.

Во время инжекции в ускорительную камеру последовательно вводятся частицы с переднего фронта импульса инжекции, с вершин и заднего фронта импульса инжекции. Для частиц, инжектируемых с переднего фронта импульса инжекции, потенциальный барьер может оказаться недостаточным, так как выпало из пучка на пластины еще малое число частиц или совсем не выпало.

Для электронов, инжектируемых с вершин импульса инжекции, начальная энергия которых максимальная, потенциальный барьер может оказаться так же недостаточным. Для электронов, инжектируемых с заднего фронта импульса инжекции, потенциальный барьер может оказаться больше необходимого, так как заряд на пластинах вырос до максимального значения.

4. Используя данный способ, так же нельзя захватить электронный пучок с большим энергетическим спектром, что значительно увеличило бы захваченное число частиц.

В указанном случае оптимальный потенциальный барьер будет соответствовать только частицам с какой-то определенной энергией или узким энергетическим спектром.

5. В устройствах, используемых в работах [2] и [3] уменьшен рабочий объем ускорительной камеры в вертикальном направлении за счет расположения пластины из проводящего материала, что значительно уменьшает захваченное число частиц и снижает КПД ускорителя.

Предлагаемый способ и устройство лишены указанных недостатков.

Цель изобретения увеличение числа частиц, ускоряемых в одном цикле и увеличение КПД ускорителя.

Цель достигается тем, что: 1. В способе ускорения электронов в цилиндрическом бетатроне, включающем инжекцию электронов, фокусировку которых в аксиальном направлении осуществляют магнитными пробками и потенциальными барьерами на границах области устойчивого движения электронов, создаваемыми на момент инжекции с помощью пластин из проводящего материала потенциальные барьеры создаются импульсным отрицательным напряжением, по форме совпадающим с импульсом напряжения инжекции и синхронизированным с ним.

2. Реализовать предлагаемый способ можно с помощью устройства: цилиндрический бетатрон, содержащий электромагнит, ускорительную камеру с проводящим слоем, внутри которой на границах области устойчивого движения электронов в аксиальном направлении установлены пластины из проводящего материала, инжекторное устройство, расположенное вблизи одной из пластин к пластинам относительно проводящего слоя ускорительной камеры подсоединен отрицательный выход источника импульсного напряжения, управляющий вход которого соединен с тем же выходом синхронизирующего устройства, который подсоединен к управляющему входу источника отрицательного импульсного напряжения инжекции.

3. С целью увеличения рабочего объема ускорительной камеры, что приводит к большему увеличению числа частиц, ускоряемых за один цикл, и увеличению КПД ускорителя, пластины из проводящего материала выполнены в виде торцовых участков проводящего слоя ускорительной камеры и изолированы от цилиндрических участков проводящего слоя ускорительной камеры.

Предлагаемое техническое решение позволяет производить регулируемую фокусировку инжектируемых электронов в аксиальном направлении в соответствии с энергией вводимых электронов в течение всего времени инжекции. Это приводит к увеличению энергетического разброса частиц в захваченном пучке и числа захваченных и ускоренных частиц за один цикл.

Увеличение энергетического разброса в захваченном пучке позволяет повысить его устойчивость на протяжении всего цикла ускорения. Величину потенциального барьера можно регулировать, устанавливая его значение в строгом соответствии с энергией инжектируемых электронов.

На фиг.1 показано устройство цилиндрического бетатрона, реализующее способ ускорения электронов; на фиг.2 импульс напряжения 10 инжекции U_i, поданный на катод инжектора 5; на фиг.3 импульс напряжения U_пл 11, поданный на пластины 4 из проводящего материала; на фиг.4 - устройство цилиндрического бетатрона по п.3 формулы предлагаемого изобретения.

Бетатрон содержит электромагнит, состоящий из магнитопровода 1 и намагничивающих обмоток 2, ускорительную камеру 3, внутри которой на границах области устойчивого движения электронов в аксиальном направлении расположены пластины 4 из проводящего материала. Вблизи одной из пластин размещен инжектор электронов 5. На проводящие пластины относительно проводящего покрытия 6 ускорительной камеры 3 от источника напряжения 8 подается импульсное напряжение 11, по форме повторяющее импульс напряжения 10 на катоде инжектора 5. Источники импульсного напряжения 7 и 8 запускаются одновременно от синхронизирующего устройства 9. Управляющее магнитное поле имеет области магнитных пробок вблизи проводящих пластин.

Бетатрон работает следующим образом.

Электронный пучок из инжектора 5 вводится в ускорительную камеру 3. Электроны, вводимые в момент t₁ (фиг.2), имеют энергию, которая соответствует уровню поля и радиусу вблизи внутренней стенки ускорительной камеры 3. Оставаясь на этом радиусе, электроны движутся к магнитной пробке и потенциальному барьеру на противоположном конце ускорительной камеры. Благодаря точно установленному потенциальному барьеру аксиальная скорость пучка снижается до нуля, и он остается в рабочей области, а не теряется на стенках ускорительной камеры 3. С ростом напряжения инжекции электронами заполняются все другие радиусы ускорительной камеры, одновременно и синхронно растет величина потенциального барьера, и, таким образом, создаются условия для удержания в рабочей области электронов всех других энергий. В момент t₂ из инжектора 5 выходят электроны, энергия которых соответствует индукции и радиусу у наружной стенки ускорительной камеры 3. В этот момент заполнение ускорительной камеры электронами заканчивается. В итоге формируется интенсивный электронный пучок с широким энергетическим спектром, который способно удержать магнитное поле бетатрона.

Наличие большого энергетического разброса частиц в пучке обеспечивает его стабильность и устойчивость в течение всего цикла ускорения.

Эксперимент, проведенный на цилиндрическом бетатроне на 30 МэВ, показал, что при напряжении инжекции с амплитудой 50 кВ и напряжением на проводящих пластинах с амплитудой 10 кВ интенсивность тормозного излучения на выходе ускорителя возрастает в четыре раза по сравнению с вариантом, когда пластины заряжаются за счет электронов, теряемых во время инжекции, и разряжаются ключом после окончания инжекции, а напряжение инжекции остается таким же.

Устройство по п.3 формулы предлагаемого изобретения содержит: электромагнит, состоящий из магнитопровода 1 и намагничивающих обмоток 2, ускорительную камеру 3, внутри которой на границах области устойчивого движения электронов в аксиальном направлении установлены пластины 4 из проводящего материала, которые выполнены в виде торцовых участков проводящего слоя ускорительной камеры и изолированы от цилиндрических участков проводящего слоя 6 ускорительной камеры. Вблизи одного из торцовых участков 4 проводящего покрытия камеры размещен инжектор электронов 5. На проводящее покрытие на торцах 4 относительно проводящего покрытия на цилиндрических частях 6 ускорительной камеры от источника импульсного напряжения 8 подается отрицательный импульс 11, по форме повторяющий импульс напряжения 10 на катоде инжектора 5.

Источники импульсов напряжения 7 и 8 запускаются одновременно от синхронизирующего устройства 9.

Управляющее магнитное поле имеет области магнитных пробок вблизи проводящего покрытия 4 на торцах ускорительной камеры.

Бетатрон работает точно так же, как и бетатрон по п.2 формулы предлагаемого изобретения. В этом варианте ускорителя область устойчивого движения электронов в аксиальном направлении находится непосредственно у торцов ускорительной камеры, поэтому электронами заполняется весь объем ускорительной камеры, что позволяет дополнительно увеличить число электронов, захватываемых в ускорение, в 1,8 раза по сравнению с вариантом, указанным на фиг.1.

Источники информации, используемые в описании.

1. Акимочкин Ю.В. Гончаров В.Я. Москалев В.А. Николаев В.Л. Сергеев Г.И. Цимбалист А.В. Чахлов В.Л. Шашов В.В. Шестаков В.Г. Цилиндрический бетатрон. Атомная энергия, 1993, т. 75, вып. 3, с. 200-205.

Коробочко Ю.С. и Шилков К.С. Модель цилиндрического безжелезного бетатрона. Ж.Т.Ф. 1960, т. 30, вып. 8, с. 981-983.

3. Авторское свидетельство N 810063, кл. H 05 H 11/00, 1982.

Формула изобретения

1. Способ ускорения электронов в цилиндрическом бетатроне, включающий инжекцию электронов, фокусировку которых в аксиальном направлении осуществляют с помощью магнитных полей с конфигурацией силовых линий типа магнитной пробки и электростатических полей, создаваемых на границах области устойчивого движения электронов в момент инжекции с помощью пластин из проводящего материала, отличающийся тем, что на пластины подают импульсное отрицательное напряжение, совпадающее по форме с импульсом напряжения на катоде инжектора и синхронизированное с ним.

2. Устройство для ускорения электронов, содержащее электромагнит, ускорительную камеру с проводящим слоем, внутри которой на границах области устойчивого движения электронов в аксиальном направлении установлены пластины из проводящего материала, инжекторное устройство, расположенное вблизи одной из пластин, отличающееся тем, что к пластинам относительно проводящего слоя ускорительной камеры подсоединен отрицательный выход источника импульсного напряжения, управляющий вход которого соединен с тем же выходом синхронизирующего устройства, который подсоединен к управляющему входу источника отрицательного импульсного напряжения инжекции.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что пластины образованы торцевыми участками проводящего слоя ускорительной камеры, изолированными от цилиндрических участков проводящего слоя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4