Устройство для получения импульсного пучка поляризованных электронов

 

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано при генерации пучков поляризованных электронов. Цель изобретения - упрощение вывода поляризованных электронов. Устройство выполнено в виде герметичного корпуса, в котором расположены последовательности одинаковых полых цилиндрических электродов на противоположных концах, расположены источник поляризованных атомов водорода и источник электронов. Соосно источнику электронов, охватывая его, установлен импульсный соленоид. Соседние электроды соединены между собой индуктивностями с общей шиной конденсаторами , которые образуют искусственную линию задержки. Вне корпуса соосно электродам расположен соленоид, подключенный к источнику постоянного напряжения. Такое выполнение позволяет образовывать поляризованные электроны вдоль всей системы . 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 H 05 Н 7/08

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

00 Э 4 4

К)

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4782404/21 (22) 12.01.90 (46) 15.07.93. Бюл. ¹ 26 (71) Харьковский физико-технический институт (72) В,П.Ефимов, B,В.Закутин, И.А.Ильичев, В.Ф.Покас, В.П.Ромасько, Б.Г.Сафронов и

А,Н.Шендерович (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1564739, кл. Н 05 Н 7/00, 1987.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1670825,,кл. Н 05 Н 7/00, 1988. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ПУЧКА ПОЛЯРИЗОВАННЫХ

ЭЛ EKTPOHOB (57) Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано при генерации пучков поляризованных электронов.

Изобретение относится к устройствам для получения поляризованных частиц и может быть использовано при создании источников поляризованных электронов для ускорителей.

Цель изобретения — упрощение получения и вывода поляризованного пучка электронов, Указанная цель достигается тем, что каналы транспортировки поляризованного атомарного пучка водорода и электронного пучка совмещены и расположены вдоль оси соленоида, подключенного к источнику постоянного тока, источник электронного пучка установлен в области торца соленоида, противоположного месту расположения источника атомарного пучка водорода, внутри второго импульсного соленоида, подклюав Жпо 1 827725 А1

Цель изобретения — упрощение вывода поляризованных электронов. Устройство выполнено в виде герметичного корпуса, в котором расположены последовательности одинаковых полых цилиндрических электродов на противоположных концах, расположены источник поляризованных атомов водорода и источник электронов. Соосно источнику электронов, охватывая его, установлен импульсный соленоид. Соседние электроды соединены между собой индуктивностями с общей шиной конденсаторами, которые образуют искусственную линию задержки. Вне корпуса соосно электродам расположен соленоид, подключенный к источнику постоянного напряжения.

Такое выполнение позволяет образовывать поляризованные электроны вдоль всей системы. 3 ил. ченного к источнику импульсного тока, в катоде и аноде источника электронов на оси канала транспортировки выполнены соосные отверстия, между источниками поляризованного атомарного пучка водорода и пучка электронов установлен набор последовательно расположенных соосных одинаковых отрезков металлической трубы, внутренний диаметр которых превышает диаметр атомарного пучка, наружный диаметр меньше диаметра первого соленоида, а длина каждого из них не превышает их диаметра, соседние отрезки трубы соединены между собой катушками индук,ивности, а с землей — конденсаторами, образующими искусственную линию с временем задержки, равным требуемой длительности тока пучка поляризованных электронов, которая

1827725

10 а

50 (1) 1 +21n— а

55 подключена к источнику напряжения отрицательной полярности.

Изобретение иллюстрируется фиг. 1 — 3.

Устройство состоит из источника поляризованного атомарного пучка водорода 1, соленоида 2, подключенного к источнику постоянного тока 3, электронной пушки 4, расположенной в конце канала транспортировки 5 атомарного пучка вне соленоида 2 внутри второго, импульсного соленоида 6, подключенного к источнику импульсного тока 7, набора последовательно расположенных одинаковых отрезков металлической трубы 8, размещенных внутри соленоида 2 и соединенных между собой катушками индуктивности 9, а с землей— конденсаторами 10. B катоде 11 и аноде 12 электронной пушки сделаны соосные отверстия 13 и 14 с диаметром, не меньшим диаметра атомарного пучка. Анод электронной пушки соединен с землей, а катод — с источником импульсного напряжения отрицательной полярности 15. Катод подогревается нитью накала 16, соединенной с источником тока накала 17. Для фокусировки пучка использован электрод 18.

Отрезки трубы 8 расположены соосно друг другу и каналу транспортировки 5, Первый отрезок трубы (со стороны источника 1 поляризованного атомарного пучка) соединен с генератором импульсного напряжения 19.

Электронная пушка 4, отрезки трубы 8, катушки индуктивности 9, конденсаторы 10 и соленоид 6 расположены внутри вакуумной камеры 20, В устройстве предусмотрена возможность юстировки соленоида 2 и электронной пушки 4.

Работа устройства происходит следующим образом.

В источнике 1, состоящем из источника молекулярного водорода, диссоциатора и устройства типа Штерна-Герлаха, образуется поляризованный по спинам электронов пучок атомарного водорода. Этот пучок направляют вдоль канала транспортировки 5 внутри отрезков трубы 8 и соленоида 2. B соленоиде 2 с помощью источника тока 3 создают вдоль оси накала транспортировки

5 продольное магнитное поле Н, Наличие магнитного поля необходимо для сохранения поляризации электронов атомарного пучка. Если это поле отсутствует, то спины электронов, находящихся в магнитных полях магнитных моментов протонов, начнут прецессировать, в результате чего поляризация пучка нарушается. Поскольку магнитное поле магнитного момента прототипа в месте нахождения электрона составляет

= 3 А/м, то магнитное поле соленоида должно существенно превышать эту величи5

45 ну. В рассматриваемом примере выбрано Н:

= 12 А/м.

Пучок поляризованных атомов водорода, двигаясь вдоль оси соленоида, достигает анода 12 электронной пушки, проходит через отверстия 14 и 13 в аноде и катоде, после чего он откачивается вакуумными насосами. Внутри вакуумной камеры 20 давление остаточного газа должно быть существенно ниже давления в пучке атомарного водорода. Как известно, практически получена интенсивность потока поляризованных атомов водорода 10 атомов в секунду. При их скорости 10 м/с это соответствует плотности n = 10" атомов/см, что соответствует давлению

-5

= 3 10 Торр. В рассматриваемом примере выбрано давление остаточного газа

10 Торр, что технически легко осуществимо.

На предварительно разогретый с помощью источника накала 17 и нити 16 катод

11 электронной пушки подают импульс высокого напряжения отрицательной полярности, Эмитируемый из катода электронный пучок 21,фокусируясь электродом 18,проходит через отверстие 14 в аноде 12, Попадая после этого в магнитное поле соленоида 2, электронный пучок распространяется вдоль его оси в направлении продольного магнитного поля, Путем юстировки электронной пушки 4 и соленоида 2 электронный пучок направляюттаким образом, чтобы он пролетал сквозь поляризованный пучок атомов водорода. При этом происходит ударная ионизация атомов водорода электронным пучком.

Электронный пучок пролетает внутри последовательности отрезков 8 металлической трубы. Эти отрезки выполняют две функции. Во-первых, они обеспечивают прохождение вдоль оси канала транспортировки достаточно интенсивного электронного пучка. Известно, что наибольший, критический ток l

Второй функцией отрезков трубы является вывод образованных при ионизации атомов водорода поляризованных электронов. Для этой цели расположенные рядом отрезки трубы соединены между собой ин1827725

IC=(= ), tN 2 п (2) где N — число отрезков трубы, Выбирая, например t< = 2 мкс, N = 25, получим LC = 6,4 10 с . После подачи на первый (со стороны источника атомарного пучка 1) отрезок трубы импульса напряжения U, В, отрицательной полярности от генератора 19 между первым и вторым отрезками трубы возникает разность потенциалов U, под действием которой поляризованные электроны, находящиеся в первом отрезке трубы, ускоряются до энергии eU (е — заряд электрона), Когда волна напряжения достигает второго отрезка трубы, между ним и третьим отрезком возникает разность потенциалов V, под действием которой поляризованные электроны ускоряются до той же энергии eU. Этот процесс повторяется и дальше, пока через время, равное t<, волна напряжения в искусственной линии достигнет левого конца канала транспортировки, где расположена электронная пушка 4. B результате образуется пучок поляризованных электронов с энергией eU и длительностью импульса t>. Этот пучок проходит через отверстия 14 и 13 в аноде 12 и катоде

11 электронной пушки 4 и выводится наружу. Поскольку в области электронной пушки отсутствует постоянное магнитное поле соленоида 2, то для транспортировки пучка поляризованных электронов используют продольное импульсное магнитное поле той же величины и направления, создаваемое импульсным соленоидом 6. Импульс тока в этом соленоиде создают с помощью импульсного генератора 7 в тот же момент времени, когда на вход искусственной линии подают импульс напряжения от генератора 19, Рассчитываем амплитуду импульса тока пучка поляризованных электронов, получаемого с помощью предлагаемого устройства. Сечение о, см, ионизации атомарного водорода быстрыми электронами определяется, как известно, формулой дуктивностями I, Гн, а с землей — емкостями

С, Ф. Эти индуктивности и емкости образуют искусственную линию передачи. Величины индуктивностей и емкостей выбраны таким образом, что величина задержки равна требуемой длительности импульса тока пучка поляризованных электронов t<, с. Для этого, очевидно, должно выполняться условие

10 и= In(6,1 е ), (3) где е — энергия электронов, электронвол ьт.

Вероятность P ионизации атома водорода электроном, прошедшим путь см,равна

13 10 п

P = n (7 1= In(61 ° е) (4)

При амплитуде импульса тока пучка электронов I, А и его длительности t, с, полный заряд поляризованных электронов, образованный при ионизации атомов водорода на длине (, равен

13 10 n 3l ò

Pit 1п(6,1 е ), (5)

Если электроны выводятся за время t>. с, то импульсный ток пучка поляризованных электронов равен

13.10 и 11

Величина тока ионизирующего пучка! ограничивается двумя факторами: эмиссионной способностью катода и критическим током пучка в трубе (1), который в нерелятивистком случае можно записать в виде

2,6 10 ео (7)

40 1+!и R а где ео — энергия электронов на выходе из электронной пушки, в электрон-вольтах.

45 При заданной эмиссионной способности катода и заданных поперечных размерах трубы 8 и электронного пучка 2 1 энергию электронов 6» необходимо выбирать возможно меньше, так как согласно

50 формул (3), (6) 1 » возрастает с уменьшением энергии электронов. При выборе! = р, как известно, электроны в трубе тормозятся, так что в нерелятивистком случае е =1/3е,.

55 Учитывая это, произведем оценку тока пучка поляризованных электронов, При использовании, например, оксидного катода легко можно получить плотность тока эмиссии 10 А/см . Выбирая диаметр катода 3 см, а отверстия в нем 1,2 см, получим площадь катода 6 см, т,е. ток эмиссии 60 А. При радиусе отрезков трубы R = 2 см и радиусе пучка а = 0,6 см получим, полагая в формуле

1827725

40

55 (7) IKp =60À, 6 » =39 кэВ, Выбирая, например, (= 100 см получим, пользуясь формулой

<о (6) и учитывая, что е = — = 13 кэВ, что при ь=2 10 с, п =10 см,с=1 5 10 с, IA=

-3 . -4

=0,4 А, Таким образом, предлагаемое устройство позволяет получить импульсный ток пучка поляризованных электронов 0,4 А в импульсе длительностью 2 10 с. Из изложенного ясно, что зти параметры являются далеко не предельными, так как практически получают ток эмиссии, значительно превышающий 10 А/см . Поэтому представляется возможным получение значительно большего тока пучка поляризованных электронов, либо такого же тока — 0,4 А при значительно меньшей длительности t импульса тока ионизирующего пучка электронов, Определим теперь требуемую величину импульса напряжения, подаваемого на искусственную передающую линию. При ионизации атомов водорода кроме свободных поляризованных электронов образуются свободные протоны (ионы водорода).

Положительный заряд протонов будет препятствовать выводу поляризованных электронов. Расчет показывает, что протонный остов создает задерживающий потенциал

hр,в

h<ð =9 10" к епра (1+ In ), (8) а где np — объемная плотность протонов, см з; е — заряд электрона, К.

В рассмотренных выше условиях имеем

h,p = 25 кВ. Таким образом, прикладывая к передающей искусственной линии импульс напряжения отрицательной полярности амплитудой более 25 кВ, например 30 кВ можно обеспечить вывод пучка поляризованных электронов.

Параметры ячеек искусственной линии выбираются согласно формуле (2), B рассмотРенном выше пРнмеое 1тн = 2 10 ее, N=

=25) имеем LC = 6,4 10 с, что обеспечивается, например, при выборе L = 6,4 мкГн, С = 2000 пФ, или при L = 20 мкГн, С = 300 пФ.

Расположение и схема соединений элементов предлагаемого устройства не обязательно должно быть такими, как это показано на фиг. 1. Так электронная пушка не обязательно должна быть установлена вне соленоида 2. Часть схемы другого примера практической реализации предлагаемого способа, в котором электронная пушка

30 расположена внутри соленоида, показан; на фиг. 2. Здесь электронная пушка 1 распо. ложена внутри соленоида 2, присоединен. ного к источнику постоянного тока 3, L внутри соосно с ним импульсного соленоида 4, присоединенного к источнику импуль сного тока 5. Во время работы электронноР пушки на импульсный соленоид 4 подается импульс тока противоположной полярност по отношению к току в соленоиде 2 и такой величины, чтобы магнитное поле в области катода и анода электронной пушки равнялось нулю. Тогда работа электронной пушки будет происходить в тех же условиях, что и в приведенном выше примере (фиг. 1). После окончания импульса тока пучка электронной пушки ток в соленоиде 4 выключается, так что вывод поляризованных электронов будет происходить в однородном магнитном поле соленоида 2, B остальном работа устройства в данном варианте не отличается от его работы в рассмотренном выше примере.

Третий возможный пример практической реализации предлагаемого способа показан на фиг. 3. Здесь использованы те же элементы, что и в рассмотренном выше примере (фиг. 1). Отличие состоит в подключении искусственной линии и электронной пушки. В данном случае искусственная линия подключена к источнику 19 постоянного напряжения отрицательной полярности, анод 12 электронной пушки не заземлен, а присоединен к искусственной линии через дополнительную катушку индуктивности 21, идентичную катушкам линии 9 и коммутатору (например, разрядник) 22.

Работа устройства в данном варианте происходит следующим образом.

На катод 11 электронной пушки от источника 15 подают импульсное напряжение отрицательной полярности и такой амплитуды, чтобы получить требуемую разность потенциалов между катодом и анодом электронной пушки с учетом того, что анод находится под отрицательным потенциалом

U, создаваемым источником 19. После окончания импульсного тока пучка электронной пушки ее анод с помощью коммутатора 22 закорачивается на землю. В результате этого между первым (со стороны электронной пушки) отрезком трубы и анодом 12 пушки возникает разность потенциалов U, под действием которой поляризованные электроны находящиеся в этом отрезке трубы ускоряются до энергии eU и выводятся через отверстия 14 и 13 в аноде и катоде электронной пушки 4. При срабатывании коммутатора 22 образуется разрушающая искусственную линию волна напряжения, 10

1827725

50

55 распространяющаяся слева направо. Когда эта волна достигает первого (слева) отрезка трубы, напряжение на нем обратится в нуль.

В результате возникает разность потенциалов U между вторым и первым отрезком трубы, что приведет к ускорению электронов, находящихся внутри второго отрезка трубы до энергии eU. Этот процесс будет повторяться до тех пор, пока волна напряжения достигнет противоположного конца искусственной линии и все поляризованные электроны будут выведены. В остальном работа устройства в этом варианте не отличается от описанного выше примера (фиг. 1) и остаются в силе приведенные выше результаты расчетов и значения параметров за исключением величины напряжения, прикладываемого к катоду электронной пушки.

Если, как в приведенных выше оценках, для вывода поляризованных электронов требуется напряжение U = 30 кВ, а между катодом и анодом электронной пушки необходимо приложить напряжение 39 кВ, то амплитуда им пул ьса нап ряжения, подаваемого от генератора 15 на катод электронной пушки, должна составлять, очевидно,69 кВ, Предлагаемое устройство, обеспечивая получение не меньшей, чем в прототипе, интенсивности пучка поляризованных электронов, обладает по сравнению с ним существенным преимуществом, состоящим в упрощении получения и вывода пучка поляризованных электронов. В прототипе необходимо использовать высокочастотный резонатор, возбуждать в нем электрическое поле значительной амплитуды, порядка сотен киловольт на сантиметр, использовать для возбуждения резонатора модулированный сильноточный электронный пучок, затрудняя сбор и вывод поляризованных электронов, образованных во всем объеме резонатора. B предлагаемом устройстве высокочастотный резонатор отсутствует, нет необходимости использовать модулированный электронный пучок, а требуемая интенсивность ионизирующего электронного пучка, как показано в приведенных выше

5 примерах, составляет десятки ампер. Используемые источники напряжения имеют величины порядка десятков киловольт на сантиметр, т.е. на порядок меньше, чем в прототипе. Легко осуществляется вывод

10 пучка поляризованных электронов прямо в направлении продольного магнитного поля, Формула изобретения

Устройство для получения импульсного пучка поляризованных электронов, содер15 жащее источник и канал транспортиров атомарного пучка водорода, источник и канал транспортировки электронного пучка, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения вывода поляризованного пучка электронов, 20 в него введены два соленоида, один из которых подключен к источнику постоянного тока, а второй к источнику импульсного тока, последовательность соосно расположенных одинаковых полых цилиндрических

25 электродов, ЕС линия задержки, подключенная к источнику напряжения, при этом оба канала транспортировки совмещены и размещены вдоль оси соленоида постоянного тока, источники атомарного водорода и

30 электронов расположены на противоположных концах канала транспортировки, импульсный соленоид расположен соосно источнику электронов и охватывает его, в аноде и катоде источника электронов вы35 полнены пролетные отверстия, а последовательность электродов расположена вдоль оси канала транспортировки внутри постоянного соленоида, длина каждого из электродов не превышает их внешний ди40 аметр, индуктивности линий задержки включены между соседними электродами, а емкости — между электродами и общей шиной.

1827725

1827725

Составитель В.Ефимов

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор П.ГеРеши

Редактор

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

Заказ 2362 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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