Микротрон

 

МИКРОТРОН, содержащий поворотный электромагнит, между полюсами которого расположена вакуумная камера с резонатором и системы высоковольтного и высокочастотного питания, отличающийся тем, что, с целью увеличения интенсивности ускоренного тока, вдоль окружности, совпадающей с первой орбитой, установлен прямоугояьный токопроводящий корпус с входньм и выходным пролетными отверстиями в торцовых стенках, разделенный внутри по 1Ш1РОКОЙ стороне на две равные части перегородкой, расположенной в медианной плоскости, и в которой по дуге радиусом, равным радиусу окружности, совпадающей с первой . орбитой, и шириной, равной ширине пролетных отверстий, выполнена прорезь , а в центре каждой из частей в корпуса параллельно разделяющей их перегородке, на расстоянии друг от друга, превышающем вертикальный размер пучка, размещены шины прямоугольноГо сечения, причем один конец каждой шины гальванически соединен с выходной торцовой стенкой корпуса, а другой с положительным полюсом системы высоковольтного питания .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК () 91 (11) 4(51) Н 05 Н 13/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ус

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ !ц,К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ь» (21) 3559763/18-21 (22) 28.02.83 (46) 30.06.85. Бюл. В 24 (72) Э.Г. Галь (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском ордена Октябрьской Революции и Трудового .Красного Знамени политехническом институте им. С.M. Кирова (53) 621.384.6(088.8) (56) 1. Коломенский А.А. и пр, Тео" рия циклических ускорителей. И., Физматгиз, 1962, с. 268-275.

2. Hahson et ol Focusing propertirs of magnetic laminas and their

applications of the microtron. Rev.

Scient Jnstrumr. 1967, 38, N - 9, 1322-1326. (54) (57) MHKPOTPOH, содержащий поворотный электромагнит, между полюсами которого расположена вакуумная камера с резонатором и системы высоковольтного и высокочастотного питания, отличающийся тем, что,. с целью увеличения интенсивности ускоренного тока, вдоль окружности, совпадающей с первой орбитой, установлен прямоугольный токопроводящий корпус с входным и выходным пролетными отверстиями в торцовых стенках, разделенный внутри по широкой стороне на две равные части перегородкой, расположенной в медианной плоскости, и в которой по дуге радиусом, равным радиусу окружности, совпадающей с первой орбитой, и шириной, равной ширине пролетных отверстий, выполнена прорезь, а в центре каждой из частей корпуса параллельно разделяющей их перегородке, на расстоянии друг от друга, превышающем вертикальный размер пучка, размещены шины прямо-. угольного сечения, причем один конец каждой шины гальванически соединен с выходной торцовой стенкой корпуса, а другой с положительным полюсом системы высоковольтного питания.

1102480

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработках, предназначенных для работы микротронов в качестве инжектора синхротрона, а 5 также для микротронов прикладного использования в геологии, медицине, дефектоскопии.

Известен микротрон, содержащий поворотный магнит и расположенный в его медианной плоскости ускоряющий резонатор с входным и выходным пролетными отверстиями, совмещенный с общей точкой пересечения всех орбит (1), 15

Недостатком этого устройства является то, что частицы, вышедшие на первую и последующую орбиты, теряются из-за того, что амплитуда их вертикальных колебаний превосходит максимально допустимую. При этом вертикальные потери имеют двоякий характер. Во-первых, теряются все нерезонансные частицы: вследствие раскачки фазовых колебаний они попадают в неблагоприятные фазы СВЧ-поля, дефокусируются по вертикали и попадают на стенки резонатора. Во-вторых, если вертикальный размер эмиттера слишком велик, то теряются те резо- 30 нансные электроны, которые вылетают из верхнего и нижнего краев эмиттера, так как амплитуда их колеба— ний больше вертикальной апертуры.

Потери первого рода зависят от раз- З5 мера области захвата..Потери второго рода зависят не только от.вертикального размера эмиттера, но и от условий движения на первом полуобороте.

Кроме того, увеличение тока эмиссии 4р приводит к заметной дефокусировке .при вылете пучка из катодного отверстия, а также дополнительному увеличению вертикального размера пучка на первой орбите за счет дейст-45 вия кулоновских сил пространствен.ного заряда.

Расчеты и практика показывают, что 40Х пучка теряется на первой орбите, а общий коэффициент захвата 5р составляет 1/15-1/16, который значительно снижается при увеличении тока эмиссии. Таким образом, увеличение тока в известном устройстве достигается фиксированием режима . работы катода, что значительно снижает его срок службы, а увеличение

его радиуса приводит только к уменьшению коэффициента захвата и к потере СВЧ-мощности и соответственно уменьшению КПД ускорителя.

Наиболее. близким техническим решением к изобретению является микротрон, содержащий поворотный магнит, вакуумную камеру, ускоряющий резонатор с пролетными отверстиями, расположенный внутри вакуумной камеры между полюсами поворотного магнита, и магнитный диск или катушку и системы высоковольтного и высокочастотного,питания P2) . . Резонатор выполнен в виде ци-! линдра, в центрах торцовых стенок которого выполнены пролетные отверстия. Резонатор размещен между полюсами поворотного магнита так, что

его продольная и поперечная оси лежат в медианной плоскости микротрона.

Магнитный диск расположен в плоскости орбит внутри области первой орбиты так, что ось его вращения перпердикулярна медианной плоскости микротрона и пересекает поперечную ось резонатора на расстоянии

0,41 г (— радиус траектории первой орбиты) от продольной его оси. Вместо магнитного диска может быть установлена катушка, ось которой перпендикулярна медианной плоскости микротрона и которая делится этой плоскостью на две равные части. Высота катушки и магнитного диска значительно меньше их диаметра. Наличие диска или катушки создает радиальный градиент поля, приводящий к вертикальным силам, действующим на частицы первой орбиты. Здест потери электронов несколько снижены за счет аксиальной фокусировки, но величина этой фокусировки ограничена, т.е. искажение магнитного поля, вносимого системой, приводит к сужению фазовой устойчивости. Таким образом, снижение вертикальных потерь сопровождается потерями электронов за счет раскачки фазовых колебаний, и достигаемый эффект незначителен.

Целью изобретения является увеличение интенсивности ускоренного тока.

Поставленная цель достигается тем, что в микротроне, содержащем поворотный электромагнит, между полюсами которого расположена вакуумная камера с резонатором и системы высоковольтного и высокочастот1102480 реходе из верхней полуплоскости в нижнюю. В медианной плоскости KMC в прорези 6 рузельтирующее поле равно нулю. Таким образом, на электрон, проходящий КМС вне медианной плоскости микротрона, действует сила

Лоренца, направленна% к этой плоскости. Из пролетного отверстия 8 пучок электронов попадает во входное пролетное отверстие 2 сходящимся и с вертикальным размером, меньшим размера пролетного отверстия. Угол влета электронов в пролетное отверстие 2 выбирается таким, чтобы

5 обеспечить дальнейшее движение по орбитам с максимальными .вертикальными. колебаниями. Благодаря этому электроны, имеющие большие углы вылета в вертикальной плоскости, из пролетного отверстия 3 не обреза-, ются пролетным отверстием 2 и влетают в ускоряющий зазор с меньшими углами. Если они находились в области фазовой устойчивости, то они будут ускоряться и не потеряются на последующих орбитах за счет больших вертикальных колебаний. Таким образом, создаются благоприятные условия для захвата в режим ускоре- ния тех электронов, которые лежат на границе вертикальной устойчивости (в прототипе они терялись) . Предлагаемое устройство может быть использовано при конструировании мик ротронов с любым типом инжекции.

Пример. Расчет предлагаемого устройства проводился для микротрона с внешней инжекцией, имеющего максимальный коэффициент захвата 6X. Этот микротрон выбран за базовый объект .при сравнении техникоэкономических показателей. Расчетная область захвата режима ускорения o составляет 40 . Параметры режима ускорения: ширина ускоряющего зазора 1,815 см, координаты инжекции (V =0,3 см, Х 0,9 см). Внутренний радиус ускоряющего резонатора 4,35 см.

Безр рмерные величины E =-„1,079, Q = > = 1 2, где Š— напряженность поля в ускоряющем зазоре резонатора,, Н вЂ” напряженность магнитного поля поворотного магнита, о=. циклотронное поле (п e- — масса г и заряд электрона; с — скорость света, 9 — длина волны возбуждения резонатора). Угол влета инжектируеного питания, вдоль окружности, совпадающей с первой орбитой, установлен прямоугольный токопроводящий корпус с входным и выходным пролетными отверстиями в торцовых стенках, разделенный внутри по широкой стороне на две равные части перегородкой, расположенной в медианной плоскости, и в которой, по дуге радиусом, равным радиусу окружности, 1 совпадающей с первой орбитой, и шириной, равной ширине пролетных отверстий, выполнена прорезь, а в центре каждой из частей корпуса параллельно разделяющей их перегородке, 1 на расстоянии друг от друга, превышающем вертикальный размер пучка, . размещены шины прямоугольного сечения, причем один конец каждой шйны гальванически соединен с выходной 20 торцовой стенкой корпуса, а другой— с положительным полюсом системы высоковольтного питания.

На фиг. 1 схематически показано сечение резонатора микротрона и коак-> . сиальной магнитной системы (КМС) в плоскости, перпендикулярной к медиан1 ной ускорителя; на фиг. 2 — разрез

А-А на фиг. 1; на фиг. 3 — сечение

,резонатора и KMC в медианной плоскос-Зб ти микротрона.Устройство содержит ускоряющий резонатор 1 с входным 2 и выходным 3 пролетными отверстиями, корпус КМС 4, центральные шины 5, сквозную прорезь

6. в делящей стенке KMC входное 7 и выходное 8 пролетные отверстия в КМС. Сплошными круговыми линиями показаны первая и вторая орбиты микротрона, координаты М, Y расположены в медианной плоскости микротрона.

Устройство работает следующим образом. Электроны первой орбиты, пройдя пролетные отверстия 2 и 3, попадают 45 в пролетное отверстие 7 КМС и в сквозную прорезь 6. Одновременно с началом цикла ускорения в КМС подается импульс тока, плоская часть кото-.. рого. должна совпадать, с моментом у> прихода электронов в прорезь 6. Токи в центральных шинах имеют одно и то же направление и совпадают с вектором скорости электронов орбиты.

Магнитные поля, образованные токо- у несущими элементами KMC от оси проре зи 6 и до центральных шин линейно увеличиваются и меняют знак при пе1102480 мых электронов по отношению к продольной оси резонатора g = 20, кинетическая энергия инжектируемых электронов 140 кэВ. Диаметр и угло— вая расходимость инжектируемого пучка 3 мм и 0,02 рад соответственно. Входное 2 и выходное 3 пролетные отверстия резонатора выполняются прямоугольной формы и имеют размеры соответственно ь X = 1, 7 см, 62=0,7 см и Ь Х 2 см,g2 =1,2 см.

Размеры пролетных отверстий выбирались с учетом фокусирующего действия коаксиальной магнитной системы (КМС). КМС выполнена из меди и имеет длину вдоль оси

2 см. Ширина прорези 6 в общей стенке КМС выбирается равной 1,0 см при толщине стенки 0,2 см. Толщина общей стенки определяется величиной скин-слоя С и выбирается равной

2 . Центральная шина сечением (0,3 2,0) см размещается в плоскости коаксиала сечением 25 г

{1,2 3,0) см . Расстояние между центральными шинами 1,2 см. КМС запитывается через коаксиальные токопроводы, причем токи в центральных шинах совпадают с. вектором скорости электронов орбиты. Величина импульсного тока в каждом коаксиале составляет 500-800 А в зависимости от расходимости и величины тока в пучке электронов. Длительность импульса З5 тока 8 мкс. Положение КМС вщбрано на общем диаметре орбит, хотя его положение ничем не ограничено. Размер пролетных отверстий КИС 7 и 8 составляет (1 ° 1,2) см и в общем случае 40

1 определяется размерами пучка в месте его установки. Расчеты и эксперименты показывают, что коэффициент захвата базового объекта составляет

6Х при диаметре инжектируемого пуч- 45 ка. 0,3 см. При этом около 5Х резонансных электронов теряется за счет вертикальных потерь. Установка KMC позволяет поднять коэффициент захвата до 10Х. В предлагаемом устройстве 50 диаметр инжектнруемого пучка может быть увеличен до 0,6 см, т.е. в

2 раза при сохранении коэффициента захвата. Это позволит увеличить ускоренный ток в 4 раза.

Данное устройство позволяет увеличить ускоренный ток как за счет уменьшения вертикальных потерь, так и за счет увеличения вертикального размера эмиттера. При этом значительно повышается срок службы катода и надежность резонатора. Так как существует возможность снизить температуру катода и снизить бомбардировку пролетных отверстий электродами, имеющими большую величину вертикальных .колебаний. Вертикальные потери можно еще больше снизить, если расположить KMC на второй и третьей орбитах. Следует отметить, что за счет сокращения вертикальных потерь повышается КПД ускорителя, так как при этом экономится СВЧ-мощность, которая может пойти на дальнейшее повышение тока ускорителя .

Изобретение особенно эффективно при использовании режимов с большим приростом энергии за оборот. Так, во втором режиме ускорения область захвата может достигать до 50 С, а коэффициент захвата всего 57.

Выбирая оптимально степень фокусировки пролетными отверстиями для третьей и последующих орбит, и осуществляя фокусировку на первых двух орбитах предлагаемым устройством, можно получить коэффициент захвата 1DX и л чше. При этом увеличенный в 2 раза размер катода позволит поднять ток эмиссии в

4 и более раз. Кроме того, регулируя ток КМС, можно регулировать степень фокусировки с учетом пространственного заряда пучка.

Увеличение тока ускоренных электронов позволит повысить качество научных исследований, а в промышленности поднять качество контроля изделий.

Фиг. 1

Фие. д

Составитель Е. Громов

Редактор С.Титова Техред О.Ващишина

Корректор А. Зимокосов

Заказ 4510/4

Тираж 794 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул . Проектная, 4