Группирователь пучков заряженных частиц

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (!9) (11).

4p)) Н 05 Н 7/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

З1 ПгccoS mÄ)QÄ

l!!„-m

siin си"ссоз

2У где Ь вЂ” ширина прорези, d

1 сТ + +d о

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 32977.25/18-21 (22) 08.06.81 (46) 30.06.85. Бюл. Ф 24 (72) Э.Г. Галь (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте : им. С.M. Кирова (53) 621.384.6(088.8) (56) 1. Островский Е.К., Зыков А.И., Крамской Т.Д., Вишняков В.A. Формирователь электронных сгустков малой фазовой протяженности в инжекторном ускорителе, ПТЭ, N- 4,.1968.

2. Grammer John G. А new

technigue for the bunching of charget

particle beams. Nucl.Instrum!.and

Meth 1975, 28, Ф 3, 597-598 (прототип) . (54) (57) ГРУППИРОВАТЕЛЬ ПУЧКОВ

ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий инжектор заряженных частиц, устройство развертки пучка и магнитную систему, которые размещены соосно и последовательно друг за другом, . о т л .ич а ю шийся тем, что, с целью повышения эффективности за -счет уменьшения фазой. длины сгруппирован" ных сгустков заряженных частиц, устройство развертки пучка выполнено в виде резонатора круговой раз.вертки, а магнитная система выполнена в виде соленоидальной катушки, помещенной в цилиндрический магнитопровод с торцовыми входным и выходным ферромагнитными дисками, в которых выполнены прорези, внутренние части которых соединены вдоль цилиндрического магнитопровода ферромагнитным стержнем, при этом внутренний радиус кольцевых прорезей постоянен, ширина входной прорези переменна в азимутальном направлении, и выполняются следующие условия: — внутренний радиус прорези

Ь,- максимальная ширина прорези;

Т вЂ” период колебаний резонатора круговой развертки

V â€, ускоряющий потенциал инжектора заряженньи частиц;

d. — расстояйие между внутренними поверхностями ферромагнитных дисков; с — скорость света, Š— энергия покоя заряженных частиц;

М вЂ” азимутальный угол, отсчитываемый относительно места с максимальной шириной прорези; е - заряд частиц

hV=- Zum„

1 1 m;m ) где A — угловой сдвиг между пр тиволежащими точками с адинаковой шириной прорези входного и выходного ферромагнитных дисков.

3 107755

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке линейных ускорителей, микротронов, приборов

СВЧ. 5

Известное устройство, содержащее линейно-развертывающий резонатор и пластину с прямоугольной щелью, размещенные вдоль общей оси 1 .

Известное устройство работает 1О следующим образом.

В развертывающем резонаторе возбуждаются колебания от генератора

СВЧ, В качестве резонатора используется отрезок прямоугольного волно- 15 вода, в широких стенках которого выполнены круглые пролетные отверстия. При прохождении пучка через резонатор производится отклонение пучка поперечным магнитным полем

Н1щ волны. Затем пучок подается на пластину с прямоугольной щелью. Электроны, соответствующие определенной фазе возбуждающей волны, пролетают эту щель и формируются в пу- 25 чок, а остальные тормозятся пластиной. Таким образом, на выходе получается последовательность коротких сгустков частиц, длина которых пропорциональна ширине щели. ЗО

В данном устройстве уменьшение фазовой длины сгустков достигается уменьшением ширины диафрагмирующей щели, что сопровождается значитель" ной потерей частиц пучка и является основным недостатком известного устройства.

Прототипом данного изобретения является группирователь пучков заряженных частиц, содержащий,инжек- 4О тор заряженных частиц, устройство развертки пучка и магнитную систему, которые размещены соосно и последовательно друг за другом 2).

В известном устройстве устройство развертки выполнено в виде элек" тростатического дефлектора, который представляет собой две симметрично расположенные относительно оси пучка металлические пластины, а магнитная

: система выполнена в виде постоянного электромагнита.

В устройстве -имеется также электростатический конденсатор, пластины которого перпендикулярны плюсам электромагнита и параллельны оси группируемого пучка. Электростатический конденсатор подключен к источнику постоянного напряжения, а ! дефлектор — к генератору пилообразного напряжения .

Известно устройство работает следующим образом.

При подаче на электростатический дефлектор пилообразного напряжения группируемый пучок, пройдя между его пластинами, получает поперечный импульс, что вызывает его отклонение пропорционально приложенному напряжению. Частицы, попадая в скрещенные электрическое и магнитное поля постоянного электромагнита и электростатического конденсатора, с различным поперечным отклонением, проходят этот участок за различное время. Длина участка со скрещенным магнитным и электростатическим полями выбирается таким образом, чтобы частицы, соответствующая по времени окончанию напряжения развертки, догнала частицу, соответствующую началу напряжения развертки дефлектора. Таким образом, происходит группировка частиц. В известном устройстве фазовая длина сгустков определяется линейностью пилообразного напряжения, приложенного х дефлектору. На малых частотах создание линейно-изменяющегося напряжения на дефлекторе не представляет собой трудности, но при переходе

S к более высоким частотам формирование, такого напряжения затруднено.

Зто и обуславливает основной недостаток устройства, заключающийся в увеличении фазовой длины сгустков на высоких частотах.

Целью изобретения является повышение эффективности за счет уменьшения фазовой длины сгруппированных сгустков заряженных частиц.

Цель достигается тем, что в груп— пирователе пучков заряженных частиц, содержащем инжектор заряженных частиц, устройство развертки пучка и магнитную систему, которые размещены соосно и последовательно друг за другом, устройство развертки пучка выполнено в виде резонатора круговой развертки, а магнитная система выполнена в виде соленоидальной .катушки, помещенной в цилиндрический магнитопровод с торцовыми входным и выходным ферромагнитными дисками, в которых выполне-, ны кольцевые прорези и внутренние

1077551 4 щую линзу 10, выходную кольцевую прорезь 11, немагнитную пластину 12, петлю 13 возбуждения резонатора, фазовращатель 14, аттенюатор 15,- источник 16 ВЧ-мощности.

На фиг. 1 сплошной и пунктирной линией показаны также траектории пучка в двух сдвинутых на 180 положениях; на фиг. 3, 4 — стрелками показаны силовые линии электрического .Ф и магнитного 5 полей °

Устройство работает следующим образом.

Пучок заряженных частиц, формируемый инжектором 1 (например, электронной пушкой), пролетает резонатор 2 через его осесимметричные пролетные отверстия 3, при этом на пучок действуют поперечные компоненты ВЧ-поля, которые образуются при возбуждении резонатора через два ввода (петли возбуждения) разнесенных по азимуту на четверть окружности. Через каждый ввод возбуждается колебание типа Е1, с пучностью магнитного поля на оси, причем за счет фазовращателя 14 осуществляется сдвиг фаз между. вводами на 90, что обеспечивает круговую поляризацию магнитно-. го поля на оси резонатора. Аттенюатором 15 осуществляют выравниваийе мощности ВЧ в каждом вводе. Так как поперечная компонента ВЧ-поля резонатора вращается с постоянной угловои скоростью ы =

2Т

T 1 — п ериод колебаний в резонаторе, то осуществляется круговая развертка с угловой скоростью (а в область входной кольцевой прорези 4, выпол" ненной во входном ферромагнитном части которых соединены вдоль цилиндрического магнитопровода ферромагнитным стержнем, при этом внутренний радиус кольцевых прорезей постоянен, а ширина входной прорези переменна в азимутальном направлении, и выполняются следующие условия:

+ > (clrñ ñ Î ü tlat

1/ 1

sin arccaS m ——

1 2

2 /1

d г -15 сТ 1 +d еМ о

- внутренний радиус прорези; b„- максимальная ширина прорези;

Т вЂ” период колебаний резонатора

20 круговой развертки; — ускоряющий потенциал инжектора заряженных частиц;

d — расстояние между внутренними поверхностями ферромагнит25 ных дисков, см;

c — скорость света; энергия покоя заряженных частиц; е — заряд частиц; м — аэимутальныи угол, отсчи30 тываемый относительно места с максимальной шириной прорези;

4 2Ji-„r

35 где 6V- угловой сдвиг между противолежащими точками с одинаковой шириной прорези входного и выходного .ферромаг- 40 . нитных дисков.

Изобретение поясняется фиг. 1, 2, 3 и 4. На фиг. 1 схематически изображен группирователь пучков заря женных частиц; на фиг. 2 — входной 45 торцовый диск с прорезью; на фиг. 3 показано устройство развертки; на фиг. 4 - его сечение плоскостью, перпендикулярной медианной плоскости.

Устройство содержит инжектор 1 50 заряженных частиц, резонатор 2 круговой развертки, пролетное отверстие

3 в резонаторе, входную кольцевую прорезь 4, входной ферромагнитный диск 5, ферромагнитный стержень 6, цилиндрический магнитопровод 7,, соленоидальную катушку 8, выходной ферромагнитный диск 9, фокусирую55 где Ь вЂ” ширина прорези, диске 5, ширина которой меняется согласно соотношению

Ь! ш -ю з1 fl OY ВСОз М„ /

1 2

2 Т(и в которой соответственно меняется величина радиального магнитного поля, образованного за счет магнитного потока, который замыкается по цепи: цилиндрический магнитопровод

7, ферромагнитный входной диск 5, входная кольцевая прорезь 4, внутренняя часть ферромагнитного диска

5, ферромагнитный стержень 6, внутренняя часть выходного ферромагнитного диска 9, выходная кольцевая прорезь 11, выходной ферромагнитный

1077551

Ч г

М ЬЧ,-= — 1р 5jn41ссоз (т 1 -Ь ргссоз!в 111 с где Ч »

h м((3-5)Ь. диск 9 и цилиндрический магнитопровод 7. Если радиальное магнитное поле во входной кольцевой прорези 4 направлено к оси системы, то в выходной кольцевой прорези 11 электроны за счет радиального поля в области входной прорези 4 получают поперечные импульсы, касательные к окружности развертки. Затем электроны движутся в магнитном поле, созданном катушкой 8, часть потока которой замыкается по цепи: цилиндричес- кий магнитопровод 7, входной ферромагнитный диск 5, пространство дрейфа между дисками длиной . d,,выходной ферромагнитный диск 9, цилиндрический магнитопровод 7. Величина этого поля такова, что радиус обращения электронов в этом поле. не- 20 сколько больше радиуса развертки в плоскости входной кольцевой прорези

4. Благодаря выбранному .закону изменения магнитного поля во входной кольцевой щели, Продолная скорость частицы Ч после прохождения вход1 ной кольцевой прорези меняется линейно от угла влета во входную кольцевую прорезь 4 в плоскости ферромагнитного диска 5, отсчитываемого относительно максимально выбранного значения ширины прорези b„, Электрон, попадающий. во входную прорезь 4 с меньшим значением ширины прорези, получает большее значение поперечного импульса, а следовательно, имеет меньшее значение продольной скорости, чем электрон, попадающий во.входную прорезь 4 с большим значением ее ширины. Если параметры устройства выбраны согласно 45 принятым, соотношениям, то электроны, прошедшие во входную кольцевую прорезь в начале и в конце изменения ее ширины, приходят к выходной кольцевой прорези 11 одновременно.

Поскольку поперечные скорости частиц различны, необходимо осуществить сдвиг между противолежащими точками кольцевых прорезей с одинаковыми и противоположными по направлению полями на величину при этом частицы, провзаимодействовав с полем выходной кольцевой прорези 11, вылетают с продольной скоростью до влета во входную прорезь

4, т.е. в пространстве до фокуса F все электроны движутся с одинаковыми скоростями. Фокусировка кольцевого сгустка может быть осуществлена с помощью короткой магнитной линзы 10.

При выборе ширины кольцевой прорези или толщины ферромагнитного диска а необходимо учитывать влияние провисающего поля из области прорези. Дополнительный прирост азимутальной скорости d Чг, приобретаемый частицей в области рассеян4 ного поля, зависит от, соотношения с41Ъ . Измерения показывают практически линейный спад магнитного поля на расстоянии В в случае а< (2-5) Ь.

Наличие йЧ приводит к снижению линейности продольной составляющей скорости в пространстве дрейфа, в приближении линейного спада поля в направлении от прорези для и 4 получается следующее выражение: увеличение ширины сгустка выразится соотношением — продольная скорость частицы с учетом провисающего поля, »(,„ — азимутальная

- скорость, где Ч вЂ” полная скорость частицы.

Численные расчеты по проведенным формулам показывают, что при выпол- . нении условия

Увеличение фазовой протяженности сгустков аЧ не превосходит

0,01 рад, что является достаточно малой величиной.

Поле в области дрейфа частиц между ферромагнитными дисками регулируется током в соленоидальной катушке. Отношение магнитных полей в области кольцевой входной щели Н„

7 l

4 области дрейфа я определяется формулой. н„ вЂ” в1п (are cos (tn))

Н, И.m, Изменение величины последнего

"соотношения достигается изменением магнитного сопротивления ферромагнитного стержня, расположенного вдоль оси системы, путем изменения воздушного зазора между его частями.

Такнм образом, уменьшение фазовой длины сгустков группи-уемых частиц по сравнению с прот :. пом достигается тем, что использование круговой развертки с постоянной угловой скоростью и наличие соленоидальной катушки 8, помефенной в цилиндрический магнитопровод 7 с торцовыми ферромагнитными диска077551 8 ми 5 и 9, в которых выполнены кольцевые прорези, ширина которых меняется па определенному закону, позволяет значительно повысить линейность изменения продольной скбрости частиц в пространстве группировки.

Использование в виде устройства круговой развертки цилиндрического резонатора с типом возбуждаемых. колебаний E „р позволяет достичь высокого постоянства угловой скорости при минимальном энергетическом .разбросе. В данной конструкции развертывающего устройства пучность магнитного поля находится на om резонатора и-пучок, следовательно, проходит в области узла электричес- .. кого поля, что превыйиет электрическую прочность устройства и его на- — . дежность.ФиИ

107755!