Устройство для создания ускоряющего поля

 

Изобретение относится к ускорительной технике. Цель изобретения - уменьшение габаритов радиальной линии и расширение диапазона длитель кости фронта импульса питающего наI Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для ускорения пучков заряженных частиц. Целью изобретения является уменьшение габаритов радиальной линии и расширение диапазона длительности 1 фронта импульса питающего напряжения. На чертеже схематически изображено тфёдпвгаемое устройство. Устройство содержит злектроды 1 радиальной линии с наружным 2 и внутренним 3 слоями феррита и отверстием пряжения. Электроды 1 радиальной линии, заполненные наружным 2 и внутренним 3 слоями феррита, соединены с питакчцим импульсным генератором 5. В электродах 1 выполнено отверстие 4 для пролета пучка заряженных частиц. В описании изобретения приведены соотношения для выбора геометричес ких размеров и параметров материалов слоев 2 и 3. При поступлении импульса напряжения от генератора 5 в наружном слое 2 феррита образуется ударная электромагнитная волна. При происходит укорочение длительности фронта импульса. При распространении импульса в слое 3 происходит увеличение его амплитуды. Благодаря обострению фронта в наружном слое радиальной линии, его длительность на входе внутреннего слоя будет малой даже при большой его длительности на входе радиальной линии. Заполнение радиальной линии ферритом поз-/ воляет уменьшить ее габариты. 4 для пролета пучка, соединенные с питающим импульсным генератором 5. Устройство представляет собой радиальную линию, заполненную двумя слоями феррита: наружным и внутренним . Оно содержит два кольцевых металлических электрода 1, между которыми располагаются два слоя феррита. Наружный слой 2 феррита имеет внешний радиус R, внутренний слой 3 - радиус R,. В центре внутреннего слоя феррита и в электродах линии имеется отверстие 4 для пролета ускоряемого § (Л CZ О) 00 00 СО 01

5 А1

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСА 1У БЛИН (19) (И) (51)5 Н 05 Н 9 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (46) 23. 09. 90. Бюл. В 35 (21) 4279921/24-21 (22) 08.07.87 (72) В.В.Закутин, И.А.Ильичев, Н.Н.Насонов, В.В.Чернышов и А.Х.Шендерович (53) 62 1. 384.6(088 ° 8) (56) Авторское свидетельство CCCP

Е 322136, кл. Н 05 Н 9/00, 1970. .Закутин В.В., Ильичев И.А,, Шендерович А.М. К вопросу о полученйи ускоряющих полей с помощью радиальных линий, возбуждаемых внешним импульсным генератором. В сб. Тезисы докладов 9 Всесоюзного семинара по линейным ускорителям заряженных частиц (Харьков, 21-23 мая 1985),—

Харьков: 1985, с. 39. (54) УСТРОЙСТВО ДПЯ СОЗДАНИЯ УСКОРЯ1ЦПЕГО ПОЛЯ . (57) .Изобретение относится к ускори. тельной технике. Цель изобретения уменьшение габаритов радиальной линии и расширение диапазона длитель. ности фронта импульса питающего на1

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для ускорения пучков заряженных.частиц»

Целью изобретения является уменьшение габаритов радиальной линии и расширение. диапазона длительности .фронта импульса питающего напряжения, На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство, устройство содержит электроды 1 радиальной пинии с наружным 2 и внутренним 3 слоями феррита и отверстием пряжения. Электроды 1 радиальной линии, заполненные наружным 2 и внутренним 3 слоями феррита, соединены с питакщим импульсным генератором 5.

В электродах 1 выполнено отверстие 4 для пролета пучка заряженных частиц.

В описании изобретения приведены соотношения для выбора геометрических размеров и параметров материалов слоев 2 и 3. При поступлении импульса напряжения от генератора 5 в наружном слое 2 феррита образуется ударная электромагнитная волка. При этом происходит укорочение длительности фронта импульса. При распространении импульса в слое 3 происходит увеличение его амплитуды. Благодаря обострению фронта в наружном слое радиальной линии, его длительность на входе внутреннего слоя будет малой даже при большой его длительности на входе радиальной линии. Заполнение радиальной линии ферритом поз-, воляет уменьшить ее габариты, 1

4 для пролета пучка, соединенные с питающим импульсным генератором 5.

Устройство представляет собой радиальную линию, заполненную двумя слоями феррита: наружным и внутренним. Оно содержит два кольцевых металлических электрода 1, между которыми располагаются два слоя феррита.

Наружный слой 2 феррита имеет внешний радиус R<, внутренний слой 3радиус R, В центре внутреннего слоя феррита и в электродах линии имеется отверстие 4 для пролета ускоряемого

3 14683 пучка. Наружный и внутренний слои феррита имеют различные электромагнитные параметры, при этом поле насы-щения внутреннего слоя феррита Н> должно быть больше поля насыщения

Н наружного слоя феррита. К электрода радиальной линии равномерно Во на1 ужному радиусу подсоединен импульснь и генератор 5..

Геометрические размеры и параметры материалов слоев радиальной линии вы раны иэ условия

1 2 Н1 — ()

Ri E, Н (Я р А

1, где

М.

1 > n< 5 л

А= -- - — -,-« — (сон Ь „(Ь -8-) - со в б„Ь); (2О (2)

R„„„F<„E », Я, Н„, Н вЂ” соответст.вен о наружные радиусы (м), дизлектрич ские постоянные и величины напряжен ости магнитных полей насышения 25 нар жнопь и внутреннего слоев ферри" та А/м); p соответственно квадратичная нел нейность кривой намагничивания и вреМя релаксации наружного слоя фер" ЗО рита (с);

95 1 чины Ор, равной времени релаксации наружного слоя феррита. В результате на вход внутренней ч асти р ади an ьн ой линии поступает импульс с укороченным фронтом, При распространении в слое 3 происхоцит увеличение амплитуды импульса, как .в обычной радиальной линии. Как известно, эффект увеличения амплитуды импульса имеет тем большую величину, чем меньшую длительность имеет его фронт. Благодаря обострению фронта н наружном слое радиальной линии его длительность на входе внутреннего слоя будет малой даже при большой его длительности на входе радиальной линии.

Количественные соотношения получаются иэ рассмотрения образования ударной электромагнитной волны в наружном слое радиальной линии. Ис« ходят из уравнения Максвелла

ЗК ЗН 1 и (Нч) Внч, ЗГ 8t Н Н, дс дНЧ H« .aEz

+ (4)

Н где функция м(- ) описывает криную

Hi технического намагничивания феррита г

6 = --1" Р где с — скорость света (м/с);, относительная магнитная про- 35 ницаемость внутреннего слоя феррита; — длительность фронта импульса питающего напряжения (с); — функция Бесселя; 40

А - n-й корень уравнения I (4„) = о

=0

0 а вЕличины а и Ь определяются иэ условий дА дА 45

=О; --=0" (3) да Ж

Устройство работает следующим образом.

Импульс питаюшего напряжения амплитудой 11О и длительностью фронта от питающего импульсного генератора 5 ,поступает на вход радиальной линии.

Параметры наружного слоя 2 феррита выбнрают такими, чтобы при распространении в нем импульса происходило

55 образование ударной электромагнитной волны. При этом происходит укорочение . длительности фронта импульса до вели11,= у х(2)

Н где М - намагниченность (А/м);

Г - намагниченность насыщения (A/м);

Н (А/м)

H (8/м) - компоненты электромагнитного поля в линии;

r - текуший радиус (м);

С - скорость света (м/с);

Е - диэлектрическая постоянная наружного слоя феррита (при

Н 1 -1)ь

, - магнитная и электрическая постоянные.

Упрощают систему уравнений .(4), предполагая волковой процесс слаболинейным (при этом Р q <Н „ и функцию у» можно разложить в ряд по Hq/Н„, удержиная первые слагаемые, т,е, CO

Н Н чем у, (О. Переписывают уравнения (4) в ниде

Д rE11f1 а . E,Eo Н (— т — — . -)(Н .+ - — - Е ) дг с 3t 4" рp r 5 !4б

2(Х ) Р И ЗН

+ (6)

),, с где р, = 1 + х„М,/Н, — линейная магнитная проницаемость ненасыщенного ферромвгнетика.

Для волновых процессов, происходящих на расстояниях от центра радиальной линии r (м), больших по сравнению с характерным пространственным масштабом импульса (длииа фронта с

«I

1 = — — -- ;м, - длительность

Е,-р фронта импульса, с), правая часть ур авнения (6) является малой. При ! 1 Ро-1 этом для сходяшихся волн Е и из уравнения (б) следует г дЬ dh 1 (1 — 0(h} — + — h О, (7) дг 2r

me F „= í, h; Eн,"y ct; d

Ио!Хт! >Z)

= — — — = — — квадратичная нели)4,Н," х, нейность кривой намагничивания меррита..

Уравненив. (7) легко решить методом х ар акте ри стик. Имеют

h r F(g) . (8) где характеристическая переменная определяется формулой = r + q — 2atF(()r .. (9)

Функция F((} определяется началь" ным профилем импульса

h/r,o) e h,(r) .

Для аналитического .описания эволюции импульса пользуются сохранением величины (на характеристиках уравнения (9), Каждая i-я точка профиля импульса, задаваемая величиной магнитного поля и соответствующей координатой.г;(!), распространяется вдоль своей характеристики. Причем г,(о)

Г )о, а h ;(Î) * Ь 0(Г; Ь „. ИЗ уравнений (8) и (9) следует . Ь; ()) Ь1о + (10) dh 10

dr !О (1 2)

2a(r io(1 — " ) г!о

4р Переходя от безразмерной величины

h к полю Н, обозначая максимальное значение Н на входе линии через Но и выбирая наружный радиус Р внутренней линии в точке опрокидывания

45 г < = F<, получают нз выражения (12) — < Н (!3) о гж, E,ð, (! - -„— )

Или, выражая Н о через амплитуду импульса напряжения на входе линии Uo!

1 Ey Ea

Нe,) . 111 имеют

Н Я

5 (!4) 8395 6 (!0}, заключается в укручении перед" него фронта волн по мере распространения к центру линии. Поскольку ско5 рость нарастания крутизны фронта возрастает с увеличением амплитуды волны, то укручение фронта сходящейся цилиндрической волны в РЛ происходит быстрее по сравнению со )случаем р плоской волны вследствие эффекта компрессии.

Определяют аналитически значение радиуса линии г, на котором происходит опрокидывание фронта импульса

)5 (практически обострение фронта происходит до величины =9 ). В,точке, в которой начинается опрокидывание фронта, очевидно обращается в "О" дг l (r;0 L) производная . Иэ уравнений

20 дг;, (!Q} получают формулу гк -с(Ьо

1 «ю ) г. о «(Ь!0 + гг; ° — — )

dh o

1 )гfo

dhI 0

2 r о показываюшую, что эффект опрокидывания может воэникать только на участ" ке профиля импульса, на котором Магнитное поле h о(r ) является возрастающей функцией г;„ Согласно. уравнению (1)), для опрокидывания необходимо, чтобы крутизна фронта начального

35 импульса удовлетворяла условиуг

Одно из наиболее существенных свойств волн, описываеиах решениями

2efR, F, Е (1 (d - расстояние между электродами).

1ч68395

При выполнении этого неравенства в наружном слое радиальной линии происходят образование ударной волны и обострение фронта импульса до вели,чины С . Поэтому длительность фронта

5 н входе внутренней линии равна

Р"

Амплитуда импульса напряжения на, ГГ в оде внутренней линии равна U 1- .

П и этой амплитуде напряжения магнитн е поле во вйутреннем слое радиальн и линии равно

Ue О Е 4

Н m m2„Г---15.

)к,d. р М2РО (16)

А . - "- - — 1 соа 4 „(Ь вЂ” — ) " соа 6„bj, Й °

R у - текущий радиус;

1р ж

В

О

-Для того, чтобы внутренний слой ф рита не насыщался, необходимо, чтобы максимальное значение этого ( пойя было меньше поля насыщения Н, т.;е.

R) Ua 6 te Eo 2 -- -- -„- - — А(Н

1 "г О пр1я условии дА ЗН вЂ” " 0 — 0 йа Й дА — 0 аЬ

Из уравнений (15) и (17) следует, что, 11д Й Н2.Й0 $28 CRK 40

g E (1 ) 281EgЕо 1" А

R1 (19)

° прИ выполнении выражений (18), Для выполнения неравенства (19) достаточ- 4g но, чтобы левая часть неравенства была меньше правой, что приводит к следующему условию:

l Rtй

1з .R, прнчем А е 0 (21) да

Г

Ниже приведен пример конкретной реализации предлагаемого устройства.

В качестве материала наружного слоя

2 феррита выбирают феррит марки

О, l б ВТ с малым -полем насышения

Н, = 0,2 Э, а в качестве внутреннего слоя - фероит марки бОНН с большим, полем насыщения Н = 50 Э. Расстояние между электродами линии d = 2 см, наружный радиус внутреннего слоя феррита Р 9 см, Е, Eq 5. Подставляя реальные значения С = 0,3 нс, 0,3 в выражение (20) и (16), получают в результате расчетов при п

10 нс, А = 0,7, а следовательно, R = l5 см. При выбранных параметрах ударная волна развивается при напря" женин 0 д Ф ч кВ 1.в соответствии. с формулой (15)g . Усксряющее,напряжение на оси при этом достигает > 40 кВ.

Предлагаемое устройство обладает существенными преимуществами по срав" нению с известным. При одной и той . же величине отношения ускоряющего напряжения на оси линии к питающему напряжению габариты радиальной линии в предлагаемом устройстве значительно меньше, чем в известном. Например, для получения величины этого отноше" ния, равного 10, в известном устройстве использована радиальная линия с наружным радиусом Ь 90 см. В рассмотренном выше примере такое же значение отношения этих напряжений имеет место при R „ -- 15 см.

Кроме того, получение такого же отношения ускоряющего напряжения на оси радиальной линии к амплитуде

1 питающего напряжения, приложенного по ее наружному радиусу, в предлагаемом устройстве реализуется в значительно большем диапазоне длительности фронта импульса питающего напряжения, чем в известном устройстве, Величина этого отношения зависит от длительности фронта импульса напряжения и существенно возрастает при его уменьшении. Поэтому в известном устройстве для получения большой величины указаннрго отношения необходимо иметь малую длительность фронта импульса. При увеличении его длитель-, ности ускоряющее напряжение уменьшается, Предлагаемое устройство свободно от этого недостатка. Даже при большой длительности фронта импульса питающего напряжения в наружном слое радиальной линии происходит его обо- стрение,и на вход ее внутреннего слоя поступает импульс с коротким фронтом. Таким образом, предлагаемое!

4683

cos 6, Ь)р

Ф о р.м у л а и э о б р е т е н и я

Составитель И.Зацепина

Техред Л.Олийнык Корректор Y.Васильева

Редактор Т,Иванова

Заказ 3330 Тираж 664 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР I13035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина.!01 устройство эффективно работает в значительно более широком диапазоне длительности фронта импульса, чем известное. В рассмотренном выше примере достигается десятикратное превы-. шение ускоряющего напряжения по отношению к питающему, при длительности фронта импульса 2 < С < l0 нс.

В известном устройстве такой же эффект имеет место при с = 2 нс", при увеличении С до 5 нс ускоряющее напряжение уменьшается в 2 раза, а при а = l0 нс — в 3 раза, так что оно превышает питающее лишь в 3 ра- f5 эа.

Благодаря воэможности работы при большей длительности фронта импульса в предлагаемом устройстве существенно уменьшаются трудности при создании генератора и облегчаются условия подключения питающего генератора к радиальной линии, так как при этом меньший вклад в удлинен ие фронта вносят параэитные параметры схемы .25 (емкости и индуктивности).

Таким образом, применение предла гаемого устройства позволит уменьшить габариты радиальной линии и расширить диапазон длительности фронта импульса 30 питающего генератора.

Устройство для создания ускоряюще-. 35 го поля, содержащее подключенную к импульсному генератору радиальную линию с отверстием для пролета пучка заряженных частиц, состоящую из наружной и внутренней коаксиальных час- gg

95 /0 тей с различными электромагнитными параметрами, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения габаритов рапнальной линии и расширения диапазона длительности фронта импульса питающего генератора, радиальная линия заполпена двумя слоями феррита, геометрические размеры и параметры которых выбраны из условия

Е2 Н1 (Q5 1 " " "г Р о где

А= с. --" — сов о„(Ь вЂ” — ) д „ТР) " e

Е„Е, Е „Н z — соответственно наружные радиусы (м), диэлект" рические постоянные и величины напряженности магнитных полей насыщения наружного и внутренне го слое в ферри-. та (Л/м); ь — соответственно квадратич ноя нелинейность кривой намагничива-. ния и время релаксации наружного. слоя феррита (с);

E т

Р с с — скорость света (м/с); р - от но сительн ая магии тн ая проницаемость внутреннего слоя феррита; — длительность фронта импульса пит ющего напряжения (4I );

Т„ — функция Бесселя; („ — п-й корень уравнения I (6„)

= О, а величины а и Ь определены иэ условий

3А Д

=0 --"=0