Способ ускорения ионов

 

I. СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ИОНОВ, закхлочакицийся в том, что на пути ионного пучка создают электронный погок , величина тока которого превыоает порог образования ййртуального катода в области ускорения ионов, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа путем обес печения самосогласованного перемещения виртуального катода и ускоряемых, ионов, виртуальный катод образуют одновременно по всей длине области ;ускорения, инжектируя электронный поток поперек ионного пучка. г (Л

А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

l19 И}} (51)5 Н 05 Н 5/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

@ вюзи (1 1 @ @- 7ЕХй -""" 1ОТГ

Н д ВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (46) 30.09.90.вюл. Р 36 (21) 3846960/24-21 (22) 24.01 ° 85 (») А.Г. Лымарь, В.В. Беликов, А.В. Звягинцев, В.И. Приступа и Н.А. Хихняк (53) 621.384.6(088;.З) (56) С.L. Olson Jon Acceleration by

Electron Beams. — in: II Symposium

on Collective Methods of Acceleration, Dubna, September 29 - October 2, 1976, р. 101-1)3 °

С.Д. Гвоэдовер. Теория электронных приборов сверхвысоких частот.

ГИТТЛ, 1956, с. 95.

Э. Скотт. Волны в активных и нелинейных средах в приложении к электронике, М.: Советское радио, 1977, с. 130.

JI.Ã, Лымарь. Волны переброса в . активной линии передачи, нагрукекной неоднородностью. Препринт ХФТИ

AH УССР, ХФТИ 82-19, Харьков, 1982, Вс. (54)(57) 1 спосов ускоРкния ионов закяочающийся в том, что на пути ионного пучка создают электронный погок, величина тока которого превыюает порог образования виртуального катода в области ускорения монов, отличающийс я тем, что, с целью упрощения способа путем обес= печения самосогласованного перемещения виртуального катода н ускоряемых, ионов, виртуальный катод образуют одновременно по всей длине области

;ускорения, инспектируя электронный поток поперек ионного пучка.

126 3

2. Способ по и. I о т л и ч а вшийся тем, что ионы инкектируют вдоль области ускорения в виде сгустков, продольные размеры которых не превышают поперечного размера области ускорения, через промежутки времени большие, чем время пролета ионами области ускорения.

3. Способ по пп. 1 и 2, о. т л и— ч, а ю шийся тем, что вблизи границ области ускорения плотности инжектнруемого электронного потока устанавливают выше, чем в остальной

I87. его части, в которой плотность электронного потока,3 перед инжекцией ионов устанавливают в соответствии с неРавенством Зр с,3,3, где и 3 — плотности инжектируемого

Р электронного тока вдали от -границ области ускорения, при которых про-. исходит самопроизвольное уничтожение состояния с виртуальным катодом, соответственно для случаев, когда не увеличена и увеличена плотность инжектируемого тока вблизи границ об" ласти ускорения.

Изобретение относится к ускорительной технике и преимущественно может быть использовано при создании ускорителей положительных ионов, основанных на ускорении полями, возбужДаемыми в потоке электронов.

Целью изобретения является упрощение реализации способа ускорения ионов в виртуальном катоде (ВК) электронного потока за счет самосогласованного перемещения его границы синхронно с ионами.

На фиг. 1 изображена схема устройства, в котором может быть получено распределенное состояние с ВК; на фиг. 2 показана зависимость от продольной координаты значения потен.циала в плоскости симметрии области ускорения — ускоряющего канала (УК) для случая, .когда в УК создана волна перехода между состояниями с ВК и беэ ВК; на фиг. 3 изображена зависимость приведенного минимального значения потенциала от приведенной величины плотности тока инжекции для системы электродов, изображенной на фиг. 2; на фиг. 4 показана зависи.мость приведенного значения потенциала от расстояния от центра УК для системы электродов, изображенной на фиг. 1 на фиг. 5 представлен .пример устройства, реализующего способ.

В отличие от известного способа(1) по предлагаемому способу виртуальный катод (ВК) образуют одновременно по всей длине области ускорения, инжектируя сверхкритнческий электронный пучок (ЭП) поперек него.

Ионы можно инжектировать вдоль УК в виде сгустков, продольные размеры

5 которых не превышают поперечный размер УК, через промежутки времени большие, чем время пролета сгустком УК.

Вблизи границ УК плотность ннжектируемого ЭП может быть установле1О на выше, чем в остальной его части, в которой плотность ЭП 3 перед ннжекцией ионного сгуста (ИС) устанавливают в соответствии с соотношением

«1р, с 3 ),, где ) и ) — плотности

ЭП вдали от границ УК, йри которых происходит самопроизвольное уничтожение состояния с ВК в УК соответственно для случаев, когда не увеличена и увеличена плотность инжектируемого о тока вблизи границ УК.

Благодаря тому, что в УК по всей его длине в ЭП образовано состояние с ВК, возможно создать волну перехода

ЭП иэ состояния в ВК в состояние без

2S ВК, которая распространяется в УК от входа к выходу, и полем этой волны ускорять ионы.

Обоснование предлагаемого способа мокко провести на примере устройства

З плоской геометрии, схематически иэоб30 раженного на фиг. 1. Здесь 1 — катод, 2 сеточный анод, 3 — коллектор, 4 - ускорительный канал, 5 - источник питания. Электроны, ускоренные в зазоре катод - анод, проходят сквозь сеточный анод 2 и попадают в пространство дрейфа между анодом и

1ж 3187 коллект> ром, которое является УК, поскольку в этом пространстве в дальнейшем происходит ускорение ионов.

Поведение ЭП в УК устройства фиг. 1 теоретически исследовано (на- 5 пример, (2) ).

Состояние ЭП в УК определяется величиной плотности инжектируемого в него тока (при заданных неличйнах

d u Uo эту величину, как известно, можно изменять в пределах от нуля ло

4 2е U — E,(— ), гдееиш!

Поскольку значение потенциала в состояние с ВК, как это видно на фиг. 3 и 4, киже, чем в состоянии беэ

ВК, на границе состояний имеет место перепад потенциала (фиг. 2) ° Этим перепадом можно ускорять положительные .ионы, если испольэовать волну, при,которой. состояние без ВК ."наступает" на состояние с ВК, т.е. волну, >> % которая имеет место при 4 )

Увеличение фазовой скорости волны, необходимое для синхронизации движения волны и ИС, очевидно может быть

Ф достигнуто уменьшением величины 5 заряд и масса электрона; f, — электрическая постоянная, изменяя температуру и соответственно эмиссионную способность катода).

На фиг. 3 приведена зависимость и величины U = --, где U — минимальное

U значение потенциала в УК, от величины ) = > —, где,! — плотность иижек,)в тируемого сквозь анод тока;

4 2е U

> 0

9 m

Eo () . На фиг. 4 прнD ведены распределения потенциала

Ъ в УК (зависимости !1„) для некоторых фиксированных эначе>>ий j, обозначенных буквами А,Б...,>3 на фиг. 3.

На фиг. 3 видно, что если увели\ « чивать,) от нуля до 8, !! монотонно уменьшается по кривой АБВГ. Для состояний на этой кривой все инжектируемые электроны пересекают УК. При 3g

=8 ЭП за время, сравнимое с временем пролета электрона через УК, необратимо переходит в состояние Д (фиг. 3). После такого перехода сос,4, тояния ЭП при j 4 описываются ли- 40 нией ЕДЖЗ (фиг.. 3). Характерной особенностью этих состояний является наличие электронов, которые не ,пересекают УК, а возвращаю.ся на анод, как если бы они были кспущены 45 катодом, расположенным в месте,где

% !.! =О, т.е. равен потенциалу реального катода. Эти состояния называются состояниями с ВК. Как видно из кривых E,Ä,Æ,3 (фиг. 3), положение 50 минимума потенциала y;„ =f(j ) и при

% 1>) Ф ур 4 у ;„ — 2 . При j =4ЭП за время, сравнимое с пролетным, ИЕобратимо переходит в состояние Б (фиг.3) .- у состояние без ВК, при этом U увелиФ

3 чивается от нуля до «4 °

Как видно иэ фиг, 3, каждому значению ) в интервале 4 - J 8 соотяетФ 1 ствуют два различных состояния ЭП— состояние беэ ВК и состояние с ВК.

В зависимости от предыстории изменения ) поток существует либо в одном, либо в другом состоянии, т.е. имеет место гистерезис состояний.

В случае, когда слева от плоскости х-О создано состояние беэ BK со>> ответствующее некоторому значению J из интервала гистерезиса, а справа состояние с ВК, соответствующее тому же значению j, изменения могут происходить только на границе состояний, так как вдали от границы имеют место уже описанные устойчивые состояния.

Поведение границы между состояниями в рассматриваемой системе еще не исследовалось, однако имеющийся об>пирный материал. о поведении аналогичных систем с гистереэисом состояний (например, j3)) позволяет сформулировать общие закономерности поведения таких систем: I) в однородной системе граница между состояниями движется с некоторой постоянной скоростью — одно нз состояний поглощает другое; 2) в интервале гистерезиса имеется некоторое »равновесное > значение параметра, определяющего состояние системы, при котором граница неподвижна; 3) при переходе параметра через "равновесное" значение меняется знак скорости движения границы, при этом скорость тем выше> чем больше значение параметра отличается от равновесного.

Если )" =.1 и граница между состояP

« ниями неподвижна, то при,1 ;,1 граница движется влево, состояние с HK поглощает состояние беэ ВК, а при граница движется вправо, состояние беэ ВК поглощает состояние с ВК.!

87 Ь а(1 мума нелнчнны ---I ил«тиос гь ЭП ВсР дх еще возрастает, поэтому ЬЧ несколь" ко подрастает после перехода коорднBl.! наты, где - — максимален затем ах I

ЬЧ достигает максимального значения при некоторой координате и при дальнейшем перемещении ИС дальше вправо спадает до нуля, так как плотность заряда достигает насыщения, а величина

3U х

Прн описанной зависимости добавки к скорости движения перепада от положения ИС система перепад — ИС устойчива прн положении ИС слева от положения, где Ч максимально. Если какое-либо возмущение смещает перепад нлрано (влено) от равновесного положения, то н новом положении ИС скорость перепада больше (меньше) и он начинает уходнть нлрано (влево), по-. . ка ИС не займет равновесное состояние. Наличие такой устойчивости позволяет снизить допуски на точность задания зависимости скорости перепада от лродольной координаты, Из изложенного следует, что если центр ИС раслоложен между хоордината3U мн, где — махсимален н hV максиЭх мально, то устойчивы ках форма ИС, тах н его положение относительно перепаДа.

S !26

f УпЕЛИЧЕНИЕМ РаЭНОСтн ) -1А ) llO НЕКОт«рому закону от входа к выходу УК.

Если я зазоре катод"анод величина тока ограничена законам "три вторых", «4 . 2еч u ." т.е.,((н)= — Е (— 1 — ет-, то

9 "а ш 17 (s! (x) 9 (x (x)= = ° Отсюда следу >x б х ет, что изменение величины ) (x) и соответственно 4азовой скорости может быть достигнуто подходящим выбором зависимости -

%(„.

Продольная устойчивость в поле перепада ИС; который при выбранной ,геометрии ЭП представляет собой однородный по оси z цилиндр, обеспечивается таким же образом, как и в классических линейных ускорителях, если центр ИС находится правее мак«(о симума — †„ — максимума электрического поля йерепада (предлолагается, что заряд ионного сгуста мало воз.мущает ускоряющее поле). Поперечная устойчивость ИС обеспечивается полем объемного заряда ЗП.

Наличие объемного заряда у ИС равноценно уменьшению плотности заря-, да ЭП в месте нахождения ИС. Это приводит к тому, что в присутствии ИС улучшены условия для образования ЭО состояния беэ ВК и оно .начинает "наступать на состояние с ВК быстрее.

Добавка к скорости hV зависит от того, в каком месте относительно перепада находится ИС. При этом необхо- З5 димо учитывать (и расчеты на модели подтверждают это (4)) .сонместное действие как величины возмущения ЭП .зарядом ИС, которое тем больше, чем больше плотность заряда ЭП в месте 40 нахождения ИС, так и величины неоднородности-ЗП в этом иере, характернэуеной пронэвоцной 1 — - j (eeqz

3»

ИС находится далеко слева или справа от перепада, где 1 †-. =0 то воэ- 45

8 1.(Оl( мущение ЭП ИС симметрично по х и нет причины, по которой перепад должен двигаться быстрее или медленнее в каком-либо направлении). Из .изложенного получается следующая качест- Ы венная зависимость величины dV от положения ИС относительно перепада лри приближении ИС к перепаду слева hV сначала возрастает,так как растут H плотность ЭП (плотность ЭП в состоя- нии с ВК выше, чем в состоянии без

) дд!

ВК) и величина 1 †!, в месте макси ахи

Можно отметить, что максимальная скорость движения ускоряющей волны по крайней мере сравнима со средней скоростью движения электронов н УК, т.е. таким способом можно ускорить протоны до энергий порядка 100 МэВ.

Можно также отметить, что переход из состояния с ВК н состояние беэ

ВК, лронсходФщнй н неограниченной системе при j"=4, одновременно во всех тачках системы может рассматриваться как происходящий с бесконечной фазоной скоростью.

Рассмотрим устройство с конечными раэмерамн (фиг. !), у которого нсе электроды — прямоугольники с раэмерамн 1» н 1-, н исследуем влияние границ, Ограниченное устройство можно представить себе xar вырезанное из системы с бесконечными электродамн линией, которая параллельна оси у и перемещается ло контуру прямоуГольника со стор(й(лмн 1» н 1-. Если

I as»e7 В теперь заменить удаленную часть сис- ма бокояых торцов, Проблемы бокояых темой электродов, которые подобно то- торцов, очевидно, нет и я устройстму, как это сделано в пушках Пирса, ве; где цилиндрический катод окружасоздают на границе (месте разреза) ет цилиндрическую сетку-анод и где распределение потенциалов, которое 5 УК является пространство внутри аноимеет место в неограниченной системе, да. то оставшаяся часть потока не будет Существенность отличий предлагае"чувствовать" разреза и поведение мого способа обуслонлена тем, что такой ограниченной системы не будет инжекцией сверхкритического ЭП по" отличаться от безграничной. . t0 перек УК формируют перед инжекцией

Если ограниченная система не име- ИС распределенное по всей длине УК ет таких окаомляющнх электродов, воэ- состояние с ВК и тем самым создают никает различие в поведении ограни- условия, когда в УК мо*ет,распростченно6 и безграничной систем, даже раняться от входа к выходу ускоряюесли выполнено условие 1„»D и 1 » D. <5 щий перепад потенциала. Движение

При увеличении J . состояние с ВК об- этого перепадя является результатом

% разуется при „1, практически раином перехода ЭП в более устойчивое сос8, как и в безграничной системе. Воз- тояние и не требует какого-либо никает Оно прежде всего н централь- переменного воздействия на ЭП иэнне ной части устройства, где влияние 0 во время ускорения, Ускоряемый ИС краев меньше, и, возникнув, распрост- оказывает н определенных пределах раняется к краям. Так как на краях синхрониэнрующее воздействие на поОграничен, влияние объемного 3apR ложение перепада, d результате чего да здесь Ослаблено, состояние <е3 ВК Ускорение носит самосогласованный возникает при уменьшении неличи, 25 характер.

М раньше, чем н безграничной снстеВ качестве примера конкретного выполнения способа можно рассмотреть а границах, это состояние распространяется От краев системы к центру стве, изображенном на фиг. 5. Здесь о разом, н этом случае вели- 0 введены дополнительные (к фиг. )) и а „ -,)„ <. —, поэтому максимальбозначения. 6 подогреватель като ответственно ионов, которую можно пода основной сек ии 7 — и г

Одо ревалучать в таком устройстве меньше

Из изложенного следует что н 35 тод входнон секции. Это устроиство может быть либо аксиально-симметричительных ионов области 4с,j =j состояние с ВК теряет устойчивость фигура, близ ая K зллипсоиду

;либо плоским (аа — плоскость симмети поэтому, чтобы полу- 40 чать состояние с „ 4 е с j „ — и соответст рии, ИС вЂ” стержень), либо представненно .Наиб аи Ольшими скорОстямн днижелять собой акснально-симметричную фиепада, нео ходимо создать гуру, которая получается, если тело

ПОДХОДЯЩИ изображенной геометрии вращать воОдходящие условия на границе. Помиисанного спосо а выРанни- 45 аа и нахо и б круг оси, которая параллельна оси вания потенциала н аа и находится на расстоянии R>D щью Окайючяющнх электродов может от нее (аа — цилиндр радиуса В, быть предложен способ создания вблизи KpaR более плОтнОгО слОя злект Онов кото т рыи может ыть получен ли- 50 симметрии, поскольку именно этот слубо уменьшением расстояния. между каточай был обсужден выше. Как ви но вид о из дом н анодом на ф м на периферии устройства, фиг. 5, нсе варианты устройства либо увеличение еличением температуры катода осущестнляют, н отличие от рассмотвблиэи ег лиэи его границ, ренного ранее случая, встречную инжекцию электронов. Это позволяет проЕсли устройство, состанленное из 55 изводить рекуперацию энергии ЭП и плоскостей с азме амн 1 р змерамн 1 и 1, снер-,улучшает симметрию ускоряющего поля нуть так, чтобы совместить передний относительно ьь н плоском и кольцеторец с задним, то отпадает пробле- ном вариантах.

10 секции создают условия, когда ИС инициирует ускоряющую волну, и затеи регулировкой токов эмиссии во всех секциях настраивакт систему на наилучший режим ускорения.- Средняя плотность ионов в инжектируемом сгустке

N; может составлять величину N;

- 0,1 п, где и — среднее значение плотности электронов в УК.

Вышеизложенное позволяет сделать вывад,что предлагаемый способ может быть реализован в простых устройствах, для работы которых необходимы лишь генератор 5 импульсов с плоской вершиной и инжектор 8 ИС.

Характеристику технико-экономической эффективности заявленного объекта изобретения рассмотрим в сравнении с прототипом. Предлагаемый способ белее прост в реализации, так как в нем отсутствуют элементы, которые извне управляют положением

ВК в прототипе: мощный импульсный лазер и световодьt, Следует отметить, чта в способе, принятом за прототип, неясна, будет ли нести себя желаемым образам система компенсирующий ианвый фон — сверхкритический ЭП, поскольку именно в этих условиях могут .иметь место различные варианты двухпучкавой неустойчивости, ликвидация которых может оказаться либо невозможной, либо может потребовать дальнейшего усложнения способа.

Для иллюстрации вазможностей способа можно привести параметры устройства,катарое подключается к типич-. ному выскавольтнаму генератору коротких импульсов (1 МВ, 30 кА, 20 нс).

Пусть 1„=1 =14 см, d=0,5 си, D=1 5 см. Критическое значение плотэ ности тока, при котором исчезает состояние с ВК, составит примерна

1 кА/си, соответственно полный ток

225 кА. Если применить рекуперацию энергии электронов и сетки с прозрачностью 957., та потребляемый ат генератора так может быть уменьшен примерно на порядок. Энергия ионов на выходе такого устройства составит .. и имерио 15 МэВ при числе ускоренных

f4 эа импульс ионов 10

Предлагаемый способ, в отличие от прототипа, позволяет производить ускорение ИС последовательно в нескольких расположенных соосно друг за другом секциях. Увеличение количества ИС, ускоряемых в устройстве

-9 1?63!8

Считается, что расстояние между катодом и анодом d=.const . эависиf масть Э(х) задана либо расчетои на

ЭВМ, либо найдена эмпирически (в неоптимальном режиме устройство может работать и при D=const ), анод заземлен, ускоряющий электроны потенциал прикладывается к катоду.

Для того, чтобы в устройстве можно было создать по всей длине состоя- б ние с ВК необходимо, чтобы по всей длине УК было выполнено условие

d - -ГОР(х), гогда максимальная плотность тока, которую можно получить в промежутке катод — анод в условиях 5 закона три вторых превысит крити% ческие значения 1 =8.

Для получения эффекта ускорения ионов подают напряжение на подогреватели 6 7,9 катода (фиг ° 5) и уста- 20 навливают эмиссионную способность катодов такой, чтобы при значении ускоряющего ЭП потенциала меньше номинального (U

4,1 -,) р, (фиг. 3).

Паличие и распределение состояния щ с ВК па длине УК может быть проверено измерением распределения потенциала вдаль УК, которое может быть правеДено с помощью ИС. Для этого подают напряжение U- UÄ па катод и одновременно .инжектируют ИС. Затеи выключают напряжение на катоде при различ ных положениях ИС в УК. Прирост энергии ИС равен глубине потенциальной ямы в том месте УК, где находился 40

ИС в момент выключения ЭП. При наличии состояния с ВК максимальный прирост энергии ионов сгустка равен eU где U — потенциал катода, 1 Величина 1 определяется, как

Ps значение J, при котором в УК исчезает состояние с ВК при условии, что эмиссионные способности входной, основной и выходной секций катода одинаковы (одинаковы их температуры). После определения величины 1 путем повьппения температуры входной и выходной секций увеличивают в них плотность инжектируемого тока и получают значение плотности тока инжек->5 . ции в основной секции, прн котором

% В пропадает состояние с ВК Jр <,)р, .

Подстройкой тока эмиссии во входной

<1

I263I87 12 эаданной длины, поэяоляет увеличить полнения, возможно увеличение КПД ток и KIQ устройства. Кроме того, устройства за счет рекуперации энеркак видно нз примера конкретного вы- гии ЭП.

Составитель А. Нестерович

Редактор Т. Юрчикова Техред О.Гортвайi Корректор Се Шекнар юлю вйю веем

Заказ 3333 ., Тирах 667-, Подписное

ЗНИИПИ Государственного конитета СССР ио делан изобретениЯ и открытиЯ

313035, Москва, N-35, Раушская иаб., д. 4/5

° » Ю ФЮ4\ «ЗФ Ю» ЮО 4\» Ю

Ороизводствеиноиолиграфическое предприятие, r. Ухгород, ул. Проектная, 4