способ ускорения электронов в цилиндрическом бетатроне и устройство для его реализации

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.

Описание изобретения к патенту

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.