Способ ускорения ионов

 

Изобретение относится к ускорительной технике. Способ ускорения ионов электрическим полем движущейся границы виртуального катода включает создание встречной инжекции электронных потоков с плотностью, превышающей критическое значение, синхронно движению ионов вдоль каналов ускорения из нескольких электронных пушек, последовательно расположенных вдоль канала ускорения. При этом вдоль направления инжекции электронных потоков обеспечивают поперечную компрессию электронного потока путем возбуждения продольного магнитного поля. Способ высокоэффективен и увеличивает темп ускорения. 8 ил.

СОЮЭ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„529 76 А1 (А!1 У 11 05 Н 5/00, 9/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБР1ЛЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Сл

I)P

М А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4053839/24-2! (22) 09.04.86 (46) 15.12.89. Бюл. Ф 46 (72) Е.Y. Лацко (53) 621.384.6(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 467707, кл. Н 05 Н 9/00, 1965.

Авторское свидетельство СССР

Н- !263187, кл. Н 05 H 5/00, 1985.

2 ся границы виртуального катода нключает создание встречной инжекции электронных потоков с плотностью, превышающей критическое значение, синхронно движению ионов вдоль кана— лов ускорения из нескольких электронных пушек, последовательно расположенных вдоль канала ускоренияеПри этом вдоль напранления инжекции электронных потоков обеспечивают поперечную компрессик электронного потока путем возбуждения продольного магнитного поля. Способ нысокоэффективен и увеличивает темп ускорения. 8 ил . (54) СПОСОЕ УСКОРЕНИЯ ИОНОВ (57) Изобретение относится к ускорительной технике ° Способ ускорения ионов электрическим полем движущейИзобретение относится к ускорительной технике, а именно к технике коллективных ускорителей,и может быть использовано при создании ускорителей положительных ионов.

Целью изобретения является увеличение темпа ускорения и повышение эффективности путем обеспечения режима многократных посылок.

На фиг. 1 схематически показано расположение электродов и контур магнитных силовых линий в поперечном сечении устройстна ленточной конфигурации, на фиг. 2 — зависимость приведенного провисания потенциала в электронном пучке на оси ускорительного канала от прчведенной плотности тока пучка; на фиг. 3 — мгновенное распределение вдоль ленточных электродов катод — сетка принеденного сеточного напряжения V и принеденной плотности тока 3»; на фиг. 4 — распределение вдоль оси ускоряюшего канала (УК) приведенного пронисания потенциала в режиме абрааананнн аиргуалннага канала (BK), соотнетстнуюшее распределению, приведенному на фиг. 3, на фиг. 5 -распре- 2 деление вдоль оси УК магнитного поля с

leeeL учетом его полярности (в пренебрежении краевыми эффектами), на фиг. 6 — проекции осевых плоскостей последовательности отдельных участков ленточного 1 © дипольного магнитного поля на перпен- М дикулярную плоскость, проходяшук че- 3 рез ось Z; штриховой линией показана ф0 характерная траектория иона с М =

= 50 ат.ед., при Е = 10 В/см, Н

2 1О 3, стартующего вдоль оси ускоряющего канала (УК) . пенного участ. а ка с нулевой начальной скоростью; на фиг. 7 — схема одной из секций устройства для реализации способа, поперечное сечение, на фиг. 8 — то же, сечение осевой плоскостью ББ.

Способ осуществляют слелуюшим образом.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1529476

Пример. На фиг. 1 показаны:

К - катод, С - сетка, А - анод,Ч сеточное напряжение, V — анодное напряжение, М вЂ” контур магнитных силовых линий. Катод эаземлен. Инжекция электронного пучка (ЭП) в анодное пространство АА происходит через прозрачную для электронов тонкую металлическую фольгу, сетку или ysкую щель.

Максимальная плотность тока в пространстве катод — сетка определяется законом трех-вторых" 15

V.З 1

Зкс 9 и 1 m с1

С

С применением оптики Пирса в пространстве сетка — анод производится ускорение ленточного ЭП вдоль сходящихся по ходу движения магнитных силовых. линий, вследствие чего происходит поперечное сжатие (компрессия) ЭП в К = — 1аэ, где h „- попе- 25

hj4 речный размер катода; h и — лоперечньп размер пучка после сжатия.

Таким образом, при выполнении закона непрерывности тока перед влетом в анодное пространство АА плотность электронного тока пучка станет

j К. Экспериментально в аксиальных

j4 C электронных пушках с магнитным сопровождением получены К ф10

В пространстве АА между эакорочен- 35 ными анодными электродами при прохождении ЭП будет иметь место провисание потенциала, обусловленное объемным зарядом пучка.

На фиг. 2 приведена зависимость 40 нормированного (V/ V ) потенциала провисания на оси УК от нормированной плотности тока пучка j ° С увеличеOI нием плотности тока провисание плавно увеличивается и при достижении кри- 45

° Ф тической плотности тока j = 8 пучок скачком переходит в новое состояние, при котором между электродами AA образуется виртуальный катод (ВК) с частичным отражением от него электро- 50 нов, при этом потенциал провисания падает до нуля и становится равным потенциалу катода. Нормированное значение критической плотности тока on" ределяется следующим выражением: 55

3 Я 8

-1 кр

Зи

4 2е Ч где j и 9 е ш Д а где d - расстояние между электродами АА.

При уменьшении плотности тока переход ЭП в состояние без ВК происхопРн 3 „р а пРн )"„. 1 „", блюдается так называемый гистерезис.

Потенциал провисания при j» 1» скачком увеличивается до 0,75

Поскольку производится встречная инжекция ЭП из двух электронных пушек, то для каждой пушки критическая плотность тока будет в 2 раза меньше

+ (j „ 4). Таким образом, чтобы в межэлектродном пространстве АА образовался ВК, необходимо, чтобы каждая пушка инжектировала пучок с плотно«1, К стью тока j — 44 — т,4. Переписав

"н это неравенство в явном виде, получим.

° » Vc с 11 71 °

С яр где Чс„р () (— ) ц, dс. 4/з 4 Ю

Сравнивая мгновенные распределения вдоль ленточных электродов катод— сетка нормированного сеточного напряжения Vc, плотности тока j „соответствующее им распределение вдоль оси. ускоряющего канала (УК) номированного потенциала (V / Ъ ) провисания, можно сделать вывод, что в результате нелинейности процесса образования и распада ВК косинусообраэная форма отпирающего импульса сеточного напряжения Т, бегущего вдоль ленточных электродов К вЂ” С, трансформируется в прямоугольную форму распределения провисания потенциала вдоль УК. Кроме того, задний фронт (ускоряющий ионы) ВК круче, чем передний, что отражает гистерезисный характер процесса образования и распада ВК.

Ширина заднего фронта(границы) ВК, изображенного на фиг. 3, равна Д =h /2.

Это справедливо до энергий ионов

j, â4È МэВ, когда выполняется условие стационарности v 4 (v (v е с) i ДЛя больших энергий необходимо учитывать уширение фронта за счет конечности

d времени распада ВК (i — в-). В этом

Ь 4 2v случае ширину. заднего фронта можно оценить, используя выражение

1529476 совершан т з стью v в лярном k u к пу ку нлп р АР сР

< с

:43,46 — „- 1! „,,с где Е;=ZЕ„L, 50

d v л=!г,„(2 + — в — -) . Так, например, когда лге

v =v h = 0,2 см, dе,=0,4 см, д станет шире исходного (v. = О) в 3 раI за и во столько же раз уменьшится темп ускорения ионов.

При наложении продольного магнитного поля на ЭП происходит компенсация электростатических сил объемного

1О заряда пучка силой Лоренца (еЕ е г— ч е Н ) ) . При этом электроны с лмкнутый дрейф со скоронаправлении, перпендикуН, смещаясь в поперечном рлвлении на величину сЕ еН где н = —, W

*р H се дгг 20

E — среднее значение электрического поля нл границе пучка (BK) .

Остальные обозначения — общепринятые .

Уширением границы ВК зл счет дрейфа 25 можно пренебречь если h ) 2 >г . О"1 >л сюда магнитное поле в области УК должно быть I! (кЭ) ) = 2 ° 410 (з с (В/сн1)

1! (..)

Зо

Взяв, например, !> =- 0,2 см., E

1О В/см, имеем I! „) 5,4 кЭ.

Оценивают эффективность управления

ЭП с помощью сеточной модуляции по сравненин с аноднг>г. Для этого определяют сеточное нлг!ряжение, полста- 35 вив в выражение для 7 C „q значения

d /d = 0,2, К = 100. В результлте поггучлн>т л, = V = V/!00. Таким обскр ц разом, сеточная модуляция по крайней мере нл гп>лторл порядка эффективнее по потребляемой мощности по сравнению с анодной, пргпченяе мой в прототипе, при одинаковых токах, анодном напряжении и прозрачности сетки.

В отличие от известного способа, 45 где в исходном состоянии ВК создается на всем канале ускорения, в предлагаемом способе аксиальный размер

ВК меньше длины скорения Ь. Отношение мощности, потребляемой от электронных пушек в предлагаемом способе,к мощности, потребляемой в известном сНосо бе пропорционально - Л /Ь. Следовательно, чем меньше это отношение, тем эффективнее данный способ. Минимальное значение Л можно оценить из условия стационлрности, которое имеет вид

t< (< t,, где t, — время пролета электроном пространства К вЂ” С/d /, =Я/ч;/1/ — время пролета ускоряемьг ионом расстояния Л v!/L/ — скорость иона вдоль оси ускорения.

Дпя нерелятивистских значений v.:

/v, (,/.

Л >) 4,66 10 1Гд L ° Д/м

4е„/е. - л,, где Š— поле, ускоряющее ионы;

Е, — поле между катодом и сеткой, начальная скорость иона принималась нулевой.

Для оценки полагают равным

Л 10 Лс, тогда

3 /1 0,46 1. ! Е !с Ес се ! л! — масса иона в лт.ед.

Подст лв ив, для примера, г! = 0, I см, L = I00 cws, Z = I, М = 50 лт.ед., Е = IO II/c ; F = 1О В/см, имеем л1 -е

- 210 . Таким образом в резульл тате аксиальной локализации ВК в предлаглемом способе увеличена мощно сть электро ггных пушек . Кроме того, КПД устройств i, реализующего способ, можно существь нно увеличить, используя аноды с узкими продольггыми щелями для пролета ЭП, л также осуществив рекуперлцию энергии ЭП.

Продольная устойчивость иона, уско— ряемого задним фронтом ВК, обеспечивается автоматически, поскольку величина ускоряющего поля нл фронте возрастает в направлении, противоположном направлешгю ускоренич. Наличие заряда в ускоряемом иошгом сгустке (заряд мало, возмущает ускорякщее поле) служит стлбилизирукщпм фактором, улучшающим продольнук устойчггвость.

Наличие больших поперечнь1х (рлцплльныХ) электрических полей, срлвшгмь х по величине с ускоряющими полями, обеспечивает в случае ускорении» ионе в в отсутствие магнитного поля нх гпперечную (радилльную устойг|гш>ос тi.) заключающуюся в том, что ион, уcKo— ряясь поперек магнитного полл, испы1529476 тывает воздействие силы Лоренца (1„ i = (v, к Й)) в направлении, пе рпепдикулярном УК, С увеличением скорости ионов ионный сгусток, (ИС) смещае вся в направлении сипы Лоренца, преодолевая фокусирующее электрическое поле, и при некотором значении скорости уходит из ускоряющего канала, что приводит к поперечной неустойчивости. Благодаря наличию больших поперечных фокусирующих электричес.<их полей до некоторых значений скоростей ионов можно пренебречь этим 15 смещением. Из баланса поперечных сил, считая начальную скорость иона нулевой, можно оценить величину относительного поперечного смещения центра ускоряемого ИС от прямолинейной оси УК!р

L1 Y

l чдр

25 энергия ускоренного иона (в эВ), равна (Z Е „1.); отклонение от центра ИС; поперечный размер ускоряющего канала (ВК); йУ

С Е»

v, = †---, фокусируюшее электриН чсское поле Е < = Е / / В/см °

Ф

Для j, = il Иэй, Е, 7 10 В/см;

5 йУ

II = 10" Э получаем =0,2.

Таким образом, не прибегая к ста- 40 бплпзациии неустойчивости, можно реализовать способ для ускорения ионов до энергий . 11 МэВ.

Чтобы обеспечить поперечную устойчивость ускоряемых ионов и снять or- 45 рапиченпе на их предельную энергию, в предлагаемом способе применяется знакоперемепное вдоль оси ускорения ленточное дипольное магнитное поле, образоваплое отдельными следующими один за другим участками с чередующимся направлением магнитного поля.

При этом осевая плоскость каждого последующего участка смещается относительно осевой плоскости предшествую55 щего участка в том же направлении и на такую же величину, что и ускоряемый ИС на предшествующем участке. В данном случае относительное смещение

ИС на j -м участке (начиная с ) - 2) определяется выражением

4 17 У1- о 4Р

«(Поскольку при ) ) 2 второй член под корнем меньше единицы, мы можем приближенно записать

Й Y . ч, d

Е

ha 2 чар Е1

dV d Vj

1-

5v, dEприращение скорости и энергии иона на j-м участке; где скорость и энергия в начале j-ro участка — длина j-ro участка ускоряющее поле; смещение ИС на j-м участке.

Из полученного выражения следует, что смещение центра ИС на j -м участке Л . 7 уменьшается с увеличением скорости и, таким образом, обеспечивается поперечная устойчивость ускоряемого ИС. На такую же величину (ЙjY) должна смещаться осевая плос1 кость (j+1)-го участка относительно

j-го. Направление смещения (j+1)-го участка совпадает с направлением сипы

Лоренца, действующей на ускоряемый пон па j-м участке, а поскольку магнитное поле участков периодически изменяет знак, то и смещение осевых плоскостей участков один относительно другого будет знакопеременным.

На фиг. 5 изображено распределение величины магнитного поля вдоль оси УК с учетом его полярности. На фиг ° 6 показаны проекции осевых плоскостей последовательности отдельных участков на перпендикулярную плоскость, проходящую через ось Z. Здесь же штриховой линией нанесена траектория иона с М = 50, при F IO В/см, Н = 210, стартующего с нулевой на4 чальной скоростью вдоль оси УК первого участка.

9 !5294

Обеспечить «о«еречнун1 устойчивость ускоряемого ИС можно н результате комценсаци« силы Лоренца центрос1ремительной силой в млгнитном иоле одного знака ° (v й1 — —"

M..÷1! Rz о, 10

При этом процесс ускорения осуществляется непрерывно, а ось ускорения должна быть криволинейной с изменяющимся вдоль УК радиусом кривизны

R=()(— )Ь

Mo<. Iyz e F. <1 1< g 15

Z eH H

Глм

Недостатком рассматриваемой стабилизации поперечной неустойчивости ускоряемого ИС является конструктивная связь устройства с неопределенным значением величины электрического поля Е

Нл фиг. 7 и 8 показано устройство для реализации способа, состоящее из последовательности отдельных секций, каждая из которых имеет возможность перемещаться н направлении, перпендикулярном осевой плоскости.

Устройство вклкчает подогреваемый ленточный катод 1, сетку 2 большой прозрачности, электроды Пирса 3, форма и расположение которых определяются в результате расчетов на ЭВМ или моделирования в электролитической ванне, исходя из требований совпадения электрических и магнитных силовых линий, аноды 4 с регулируемым расстоянием между ними и с продольной щелью, которую можно закрыть металлической фольгой, прозрачной для ЭП, или сеткой, витки 5 магнитной системы, форма и расположение которых, а также величина токов в них определяются в результате расчетов, исходя их необходимой конфигурации Н „„„ и отношения „" " K,; инжектор 6, гене- 50 ратор 7 управляющих импульсов или волны напряжений, представляющих собой, например, нагруженную Лехеровскую линик с параллельным выходом на катоды и сетки электронных пушек.

Окончательная геометрия и размеры устройства определяются его конкретным назначением. Так, например, 76 i

КОЛИ«ЕЕ Г«<1 ЕЕК««й II Л!«<«Л < I П< Г««n!I секции зля«< яг ог к< «f ч«< и <«рг«и ускпреннь<х ио«<гн, «х »всеь! « .<лряд«ости. Гример«ь<е цлрлм<. т! ь у рай!«тлл, «реднлзнлче«ного лля у<-к< р< ««я «< «< в с массой И = 200 лт.ел, гя﫫— стью Z = 5 дс з«ерг«« !00 t!<В, «лпряжение на лнодах K „ „ = =100 кВ; млг«итное поле Н „ = 104 кЭ I p:сстояние между лнодлм« d „ = 0,5 c», рлсстояние между клтод<» «сс I I«II d c — 0,1 см! пог<ереч«ьгй рлзмер ВК h „=

=(0,2-0,4) см, рлзмер ВК вдоль оси ускорения Д х.! см; кр«т«не< кое напряжение на сетке < „„ = 2 кВ, критическая плотность токл между лноплм«

1 "- 2,5 кА/см; полный 1< к 7

=1 h, < i I<6 < =!„Р,, /к/L/

/ л /(, ускоряюшее электрическое no Ie Еу = 1О В/см, количество ионов, ускоряемых за 1 с N (! ) -. . 10 с где Vp — частота «ось<лок н«клов ускорения; длина ускоряк щего канала(УК)

L = 20 см; относитель«ое смещение центров ИС от прямолинейной оси УК

= О, 14; количество сс кций — одh, на. Возможна, клк и в прототипе, рекуперация знергиии электронов.

Процесс ускорения ионов осуществляется следующим образом.

Подают напряжение на подогреватели 1 катодов. На зазор катод — сет- ка подают небольшое (несколько вольт) напряжение, за«ирающее ЭП в исходном состоянии, Затем включают источник тока и пропуска<ет ток нужнсгй величины через витки магнитной системы, при этом создается расчетная магнитная конфигурация с необходимь<м отношением t" „с /t к = 1 <,(rpe tt „ с«<с магнитное поле на оси УК; 1 « — голе на катодах пушек) и величиной

Н = 10 Э. После этого (или одм««с новременно) на аноды 4 подается высокое положительное напряжение (100 кВ) относительно катода и одновременно с делителя пода<ется напряжения на электроды Пирса 3. Напряжением на подогревателях устанлвливают такую эмиссию катодов, чтобы при подаче на зазор катод — сетка положительного отпираюшего импульса напряжения, величина которого больше Т „режду электродами 4 образовался ВК. При необходимости переход в режим с образованием ВК можно осу1529476

ВК длиной =-,, суи<гственно меньшей длины I, ускоряющего канала, что уменьшает общий электронный ток пушек

1 а следовательно, потребляемую мощ, ность и нагрузку !!а электроды пушек в L/ 7< раз по срлвнгник с прототипом.

В Результате предварительной компрессии электрош?ого»отака в = 100 раз уменыилется плотность тока эмиссии

25

30 щгств?1, ь;1< нолнительtt<3 изме<<ля в нека рых l ределлх л?илдное 1<лпряже— ние и расстояние между янодлми 4 (<1„). Зятем праизвОдится настройка с.лмого процесса ускорения. От гене-г рлторл упрлвлянин х сигналов на зазор клтод — сетка подлется бегущий рл»ноускоренно вдоль клтодл импу;?ьс (валил) отпиряюшега н<апряжения с нлдкр?ггичеcKJII«(> 3,„) знлче1 <ем лмплитуды. С помошьк блока синхрош?3 л ц?п?, электрически связанна го с ге»грлтс р<г<1 и инжектором ионов, в !Otfeltг времени, бллгаприятный для во»нече?тя и< нс в в процесс ускорения, произвсд<1тс!1 1 нжекция ионов B абллст?: эл;!1?его <ьронтл БК, образуемого IJ»a

1 1

cpeVJ яя платнс сть злеf . с»1<ив в В1<.

Скорост? ш?жектировлнгьi:; ft

cKopoca управ Ifj!

KopeI!IfIf; ионов . Если vc j ðo ic rllo состаит из lie cKCJII!:, сек??ий, «! »утем смещен; я клждой секции » J?atjpavлеIIIII! д< л< < < 11 I < )t? ° <.< !Iope fili <<э 1< JIIix ионов c Ta»n!! IITc!i максимальной при г,еизменнам законе

13о 3р<3 стлния фазовОй скорОсти у»р f»â€” ляющих импульсов (волны) .

Управление электронным потокам с помощью внеишего воздействия (сеточное управление) позволяет в данном способе создать каратк?Ю д? < жу<цийся

S0 вытягиваемого иэ катода, а следовательно, увеличивается срок службы катода и сетки.

Мощность, потребляемая от генератора управляющих импульсов при сеточном управлении электронным потоком, на порядки меныие, чем при анодном управлении, применяемом в известнь!х способах. В предлагаемом способе лмплитуда критического сеточного напряжения, необходимого для обраэовлния д „qð 1< .

ВК, в (— ) < (— ) раз tte!IJ t»e лнодс1с 4 ногс напряжения, а общий э I< ктранный ток пушек в L/Й рлз меньше, чем в прототипе. ф О р и у л а и э о 6 р е т е и и я

Способ ускаре?шя ионов э:ICK Tpltчеc«Ilf< полем дв?икущейся грлшшы виртулльнога катода, создаваемого встречной и?и?<екцией, в ускоряющий канал перпендикулярно его прадольнои оси элс.к- рон!Илх потакОв с платно стыл, ?1реь<ьии:.!i Ue!i критичгскае знлчеш?е, а тл и ч а н1щий с я тем, что, с l, ель<с павышеш?я темпа ускорения и э<13<1гктивности зл счет обеспечения раж?? 1?

529476

1529476

Фиг. 5 игй

1529476 фиг. 7

Составитель Е. Громов

Редактор А. Маковская Техред А.Кравчук Корректор 0.11ипле

1тодписное

Заказ 7762/57

Тираж 775

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС!

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. 1 агарпп:, 101