Устройство вывода ускоренного пучка электронов из бетатрона

 

Использование: относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке бетатронов с выведенным электронным пучком. Сущность изобретения: устройство содержит конденсатор, включающий пластины 1-3, полюса электромагнита , обмотку 4 смещения, генератор 5 импульсов тока и генератор 6 импульсов напряжения. Ускорительная камера 7 имеет проводящее покрытие 8 и снабжена инжектором 9. Пластины 1 и 2 электрически соединены с покрытием 8 и расположены симметрично относительно медианной плоскости с зазором для прохождения пучка. Полюса снабжены гребнями 10, при этом вход конденсатора размещен в одном из зазоров между гребнями полюсов. Инжектор 9 установлен в азимутальном промежутке между гребнями одного полюса над или под медианной плоскостью. 2 ил. СО С XI а и J4) ю ю

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 05 Н 7/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ (21) 4868909/21 (22) 25.09.90 (46) 23.09.92. Бюл. гв 35 (71) Научно-исследовательский институт интроскопии при Томском политехническом институте (72) В.С.Пушкин, В.Л.Чахлов и В.П.Зворцгин (56) Быстров Ю.A. и Иванов С.А. Ускорители и рентгеновские приборы. — М.: Высшая школа, 1976, с. 97,98.

Авторское свидетельство СССР

N 291654, кл, Н 05 Н 7/00, 1970. (54) УСТРОЙСТВО ВЫВОДА УСКОРЕННОГО ПУЧКА ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ БЕТАТРОНА (57) Использование: относится к ускорительной технике и может быть использовано при ,, Я2„„1764192 А1 разработке бетатронов с выведенным электронным пучком. Сущность изобретения: устройство содержит конденсатор, включающий пластины 1-3, полюса электромагнита, обмотку 4 смещения, генератор 5 импульсов тока и генератор 6 импульсов напряжения. Ускорительная камера 7 имеет проводящее покрытие 8 и снабжена инжектором 9. Пластины 1 и 2 электрически соединены с покрытием 8 и расположены симметрично относительно медиан ной плоскости с зазором для прохождения пучка.

Полюса снабжены гребнями 10, при этом вход конденсатора размещен в одном из зазоров между гребнями полюсов. Инжектор 9 установлен в азимутальном промежутке между гребнями одного полюса над или под медианной плоскостью. 2 ил.

1764192

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке бетатронов с выведенным электронным пучком.

В настоящее время достаточно хорошо отработаны и нашли применение 2 типа устройств вывода ускоренного пучка электронов из бетатрона (1). Первый основан на электромагнитном способе несимметричного смещения электронов с использованием секторной обмотки протяженностью

180, Секторная обмотка состоит из двух полуобмоток, соединенных согласно последовательно и расположенных в зазорах между камерой и полюсами, и подключается к генератору импульсов тока. При пропускании через секторную обмотку импульса тока бетатронное магнитное поле внутри области ее расположения ослабляется и изменяет частоту бетатронных колебаний частиц.

При определенном значении среднего показателя спада бетатронного поля возникает параметрический резонанс, приводящий к резкому возрастанию амплитуд радиальных колебаний электронов и выводу пучка из области действия фокусирующих сил бетатронного поля. Преимущества такого устройства вывода пучка заключаются в его конструктивной простоте исполнения и простоте настройки его на максимум тока выведенного пучка. Однако оно обладает существенными недостатками: низкой эффективностью (-30 p) вывода и большой расходимостью пучка на выходе из ускорительной камеры.

Второй тип устройства вывода основан на электростатическом способе отклонения ускоренных электронов. Он содержит электростатический конденсатор, расположенный внутри орбиты освобождения и подобную первому типу секторную обмотку для предварительной раскачки амплитуд радиальных колебаний электронов и подвода их к области расположения конденсатора, Это устройство по сравнению с первым позволяет увеличить вдвое эффективность вывода (1) и получить меньшую расходимость пучка.

Наиболее близким техническим решением является устройство вывода электронного пучка из бетатрона, совмещенное с инжектором (2), Оно содержит вакуумную ускорительную камеру с электронным инжектором, генераторы импульсов напряжения инжекции и тока вывода, смещаемую обмотку и две пластины конденсатора (по терминологии (2) — дефлекторные пластины). Отклоняющаяся (находящаяся под положительным потенциалом) пластина дефлектора закреплена на фокусирующем

55 электроде инжектора и подключена к генераторам импульсов напряжения инжекции и вывода. Такое совмещение инжекции и вывода электронов в одном устройстве позволяет упростить конструкцию ускорительной камеры и частично исключить потери электронов на инжекторе в процессе вывода. Однако совмещенное устройство инжекции и вывода не позволило устранить главный существенный недостаток вывода электронов с помощью конденсатора (дефлектора) — неизбежность потерь электронов в процессе вывода на заземленной пластине и необходимость тщательной юстировки положения конденсатора в ускорительной камере, Кроме этого необходимость расположения оси конденсатора по разворачивающейся спирали увеличивает в прототипе радиальный габарит инжектора и тем самым ухудшает условия захвата электронов в ускорение.

Цель изобретения — повышение эффективности вывода электронного пучка из бетатрона.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве вывода ускоренного пучка, включающем конденсатор вывода, обмотку смещения электронов, генераторы импульсов напряжения вывода и импульсов тока смещения, ускорительную камеру с проводящим покрытием, конденсатор выполнен в виде трех пластин, две из которых электрически соединены с проводящим покрытием ускорительной камеры и расположены симметрично относительно медианной плоскости с зазором, равным или большим вертикального размера ускоренного пучка электронов, вход конденсатора установлен под гребнем полюса, а инжектор установлен между соседними гребнями полюса над или под медианной плоскостью.

Отличительными от прототипа признаками предлагаемого технического решения являются: введение в конденсатор двух соседних электрически с проводящим покрытием ускорительной камеры пластин, расположенных симметрично относительно медианной плоскости межполюсного зазора; наличие зазора между введенными пластинами, равного или большего аксиального размера ускоренного пучка; установка входа конденсатора под гребнем полюса; установка инжектора между гребнями полюса над или под медианной плоскостью.

Все указанные отличительные признаки в устройствах вывода ускоренного пучка электронов из бататрона не описывались и не применялись. Введение двух электрически соединенных с проводящим покрытием пластина с зазором, равным или большим аксиального размера выводимого пучка, яв1764192

10 ляется принципиально новым предложени- ем устройства вывода, позволяющим исключить потери выводимых электройов на заземленной пластине, что в сочетании с симметричной обмоткой расширения орбиты электронов и размещением инжектора вне медианной плоскости, позволит существенно повысить эффективность вывода электронов. Отличительный признак, касающийся установки входа конденсатора под гребнем полюса, в прототипе и аналогах не мог быть осуществлен, так как в них использовались азимутально-однородные полюса.

Известно из литературы размещение инжекторного устройства над и под равновесной орбитой, но îío в отличие от предлагаемого решения имеет другое назначение: повышение эффективности процесса инжекции и предполагает" размещение инжекторов по всей границе апертуры ускорительной камеры.

Выполнение устройства вывода ускоренного пучка электронов из бетатрона с предлагаемыми отличительными признаками до сих пор не осуществлялось, следовательно, заявляемое решение по мнению авторов соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг.1 показана схема устройства вывода ускоренного пучка электронов из бетатрона; на фиг.2 изображено распределение эквипотенциалей электрического поля, сформированного пластинами конденсатора и проводящим покрытием ускорительной камеры. Картина поля получена на электролитической ванне.

Устройство вывода содержит (фиг.1) конденсатор, включающий пластины 1 — 3, обмотку 4 симметричного смещения ускоренных электронов; генератор 5 импульсов тока для питания обмотки 4; генератор 6 импульсов напряжения, подключенный к пластине 3; ускорительную камеру 7 с проводящим покрытием 8 и инжектором 9, расположенным между гребнями полюса 10.

Пластины 1 и 2 электрически соединены с проводящим покрытием 8. На фиг.1 также изображена траектория 11 вывода электронов из ускорительной камеры 7 и введены обозначения: ro- радиус равновесной орбиты; Л вЂ” зазор между пластинами 1-3; 12— медианная плоскость межполюсного пространства; г — радиус орбиты освобождения электронов.

Напряженность электростатического поля, образованного пластинами 1-3 и проводящим покрытием 8, обозначена на фиг.2 вектором Е.

" Пластины 1 — 3 конденсатора имеют радиальный изгиб, определяемый траекторией 11 вывода ускоренных электронов.

Предлагаемое устройство работает следующим образом, После набора электронами максимальной энергии на потенциальную пластину 3 от генератора 6 подается импульс напряжения положительной полярности с плоской вершиной, длительность которой выбирается большей времени вывода электронов из камеры. В момент времени, когда в конденсаторе сформирована требуемая для вывода электронов напряженность электростатического поля Е (на начальном участке плоской вершины импульса напряжения, подаваемого на "пластину 3), в обмотку 4 симметричного смещения подается импульс тока полисинусоидальйой формы, который формирует дополнительное импульсное магнитное поле, совпадающее по направлению внутри обмотки 4 с бетатронным магнитным полем, формируемым полюсами 1. В результате увеличения магйитного потока внутри обмотки 4 нарушается бетатронное соотношение 2;1 на равновесной орбите го и электроны начинают двигаться по разворачивающейся спирали с некоторым шагом h, В момент времени, когда амплитуда тока в обмотке 4 приближается к максимальному значению, электроны достигают орбиты, на которой расположены пластины 1,2 конденсатора.

В связи с тем, что положительный потенциал пластины 3 провисает через зазор, образованный пластинами 1 и 2, внутрь камеры 7 (фиг.2), электроны при подходе к пластинам 1 и 2 попадают в локальное, относительно слабое электростатическое поле, вектор напряженности Е которого направлен к равновесной орбите ro. В результате взаимодействия электронов, движущихся по разворачивающейся спирали, с этим полем возможна некоторая раскачка амплитуд радиальных колебаний электронов, которая увеличивает шаг h и способствует более быстрому захвату электронов конденсатором. Попав во внутренне электростатическое поле конденсатора на электроны помимо силы Лоренца Fn = IvBZ (r) и в Р центробежной Fö — начинает заметно действовать сила электростатического поля Fi = IE, где I, V — заряд и скорость электрона; B> — напряженность бетатронного магнитного поля; г — текущий радиус.

Для того, чтобы электроны были выведены за орбиту освобождения г рс8, а затем и из ускорительной камеры по траектории вы1764192 вода 11, необходимо обеспечить равенство

Fp = I Рд! I Рц I на всем азимутальном протяжении конденсатора. Так как шаг разворачивающейся орбиты электронов h < Л, то до момента захвата электронов полем конденсатора они могут многократно пересекать без потерь зазор между пластинами

1 и 2, равный или больший вертикального размера пучка. Пройдя без потерь область конденсатора, электроны входят в краевое поле бетатрона за орбитой освобождения

roce и выводятся из ускорительной камеры по траектории 11, Установка входа конденсатора под гребнем увеличивает радиальный шаг разворачивания траектории вывода 11, так как процесс отклонения электронов конденсатором происходит в магнитном поле с уменьшающимся по ходу движения электронов значением магнитной индукции В .

Увеличение радиального шага разворачивания траектории в свою очередь позволяет за более короткий азимутальный промежуток вывести электроны за орбиту освобождения гос8 и тем самым сократить длину конденсатора и соответственно потери электронов на его пластинах 1-3, т,е. повысить эффективность вывода. Например, в четырехгребневой конструкции полюсов бетатрона, изображенной на фиг.1, процесс электронов за орбиту освобождения r< >, как показали расчеты, занимает азимутальную протяженность 45 и позволяет вывести электроны за орбиту r«> в области магнитного поля с минимальной напряженностью

Bz.

В предлагаемом устройстве инжектор 9 расположен между гребнями полюсов 10 в области границы действия фокусирующих сил бетатронного поля в аксиальном направлении и поэтому в процессе вывода ускоренного пучка в медианной плоскости 12 потери частиц на инжекторе 9 отсутствуют.

5 Таким образом, в предлагаемом устройстве исключены все элементы, на которых возможна потеря электронов в процессе вывода электронов из ускорительной камеры, и при выполнении указанных отличитель10 ных признаков устройство позволяет довести эффективность вывода до 100 . Кроме этого наличие зазора между пластинами 1 и

2 в сочетании с симметричным смещением электронов обмоткой 4 снижают требова15 ния к точности расположения конденсатора в ускорительной камере, что позволяет изготавливать ее в отпаянном варианте, Формула изобретения

Устройство вывода ускоренного пучка

20 электронов из бетатрона, содержащее конденсатор вывода, полюса электромагнита, обмотку смещения электронов, генераторы импульсов напряжения вывода и импульсов тока смещения, ускорительную камеру с

25 проводящим покрытием и инжектором, о тлича ющееся тем,что,с целью повышения эффективности вывода, конденсатор вывода выполнен в виде трех пластин, две из которых электрически соединены с про30 водящим покрытием ускорительной камеры и расположены симметрично относительно медианной плоскости с зазором для прохождения ускоренного пучка электронов, полюса снабжены гребнями, при этом вход

35 конденсатора размещен в одном из зазоров между гребнями разноименных полюсов, а инжектор установлен в азимутальном промежутке между гребнями одного полюса над или под медианной плоскостью.

1764192

Составитель В. Пушин

Редактор М. Кузнецова Техред М.Моргентал Корректор А. Ворович

Заказ 3465 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101