Устройство для получения пучка поляризованных электронов

 

Изобретение относится к устройствам для получения поляризованных частиц и может быть использовано при создании источников поляризованных электронов для ускорителей. Целью изобретения является упрощение устройства для получения пучка поляризованных электронов и обеспечение работы устройства как в импульсном, так и в непрерывном режиме в устройстве для получения пучка поляризованных электронов, содержащем каналы транспортировки и источники ионизирующего электронного пучка и атомарного поляризованного пучка водорода, расположенные на противоположных концах каналов транспортировки, соленоид, охватывающий источник электронного пучка и каналы транспортировки атомарного и электронного пучков, последовательность соосно расположенных полых цилиндрических электродов 5. Поставленная цель в предлагаемом устройстве достигается тем, что между источником электронного пучка 4 и началом последовательности соосно расположенных цилиндрических электродов 5, параллельно оси соленоида установлены два параллельных плоских металлических электрода 6 таким образом, чтобы часть канала транспортировки ионизирующего и поляризованного электронных пучков до начала последовательности цилиндрических электродов 5 была расположена между ними, один из плоских электродов заземлен, а другой подсоединен к источнику постоянного напряжения 7, длина пластин l, м, выбрана из условия , где d - поперечный размер пучка поляризованных электронов, м; D - поперечный размер корпуса источника электронов, м; h - расстояние между плоскими электродами, м; V_o и V_п - скорости соответственно электронного пучка и выводимых поляризованных электронов, м/сек, c - скорость света, м/сек, В - индукция магнитного поля соленоида, Т_л; U_c - напряжение, приложенное между плоскими электродами, В, ось источника электронов смещена относительно оси канала транспортировки атомарного пучка на величину Х_o, м, равную. 2 ил.

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

Известно устройство для получения импульсного пучка поляризованных электронов [1] содержащее источник и канал транспортировки поляризованного атомарного пучка водорода, источник и канал транспортировки электронного пучка: СВЧ-резонатор, источник ультрафиолетового излучения. В качестве источника поляризованного атомарного пучка водорода использовано устройства типа Штерна-Герлаха. Поляризованный атомарный пучок водорода направляют в резонатор на ТЕ_отп-волне, который возбуждают сильноточным модулированным электронным пучком. Ультрафиолетовое излучение возбуждает атомы водорода, часть которых затем ионизируется сильным высокочастотным электрическим полем в резонаторе. Дополнительная ионизация осуществляется за счет ударной ионизации оставшихся атомов электронами. Образовавшиеся при этом поляризованные электроны затем выводятся из резонатора.

Наиболее близким решением, принятым в данной заявке за прототип, является устройство 2 для получения пучка поляризованных электронов, содержащее каналы транспортировки и источники электронного пучка и атомарного поляризованного пучка водорода, расположенные на противоположных концах каналов транспортировки, соленоид, охватывающий источник электронного пучка и каналы транспортировки атомарного и электронного пучков, последовательность соосно расположенных полых цилиндрических электродов. Каналы транспортировки электронного и атомарного пучков совмещены и расположены вдоль оси соленоида, соленоид подключен к источнику постоянного тока, источник электронного пучка установлен в области соленоида, противоположному месту расположения источника атомарного пучка водорода, внутри второго импульсного соленоида, подключенному к источнику импульсного тока, в катоде и аноде источника электронов на оси канала транспортировки выполнены соосные отверстия, соседние отрезки цилиндрических электродов соединены между собой катушками индуктивности, а с землей конденсаторами, образующими искусственную линию с временем задержки, равной требуемой длительности импульса тока пучка поляризованных электронов, которая подключена к источнику напряжения отрицательной полярности.

Недостатками прототипа является его сложность и возможность работы только в импульсном режиме. Сложность прототипа обусловлена, во-первых, сложностью конструкции электронной пушки, в аноде и катоде которой должны быть сделаны отверстия для пролета поляризованных электронов. Создание такой электронной пушки встречает серьезные трудности, связанные с нагревом катода такой формы до требуемой температуры и проводкой пучка от катода в канал транспортировки. Во-вторых, сложность прототипа обусловлена необходимостью использования дополнительного импульсного соленоида, с соответствующим высоковольтным импульсным источником питания. Использование этого соленоида, а также искусственной линии для вывода поляризованных электронов дает возможность получения только импульсного пучка поляризованных электронов и не позволяет осуществлять работу в непрерывном режиме.

Целью изобретения является упрощение устройства для получения пучка поляризованных электронов и обеспечение работы устройства как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Указанная цель в устройстве для получения пучка поляризованных электронов, содержащем каналы транспортировки и источники ионизирующего электронного пучка и атомарного поляризованного пучка водорода, расположенные на противоположных концах каналов транспортировки, соленоид, охватывающий источник электронного пучка и каналы транспортировки атомарного и электронного пучков, последовательность соосно расположенных полых цилиндрических электродов достигается тем, что между источником электронного пучка и началом последовательности соосно расположенных цилиндрических электродов, параллельно оси соленоида установлены два параллельных плоских металлических электрода таким образом, чтобы часть каналов транспортировки ионизирующего и поляризованного пучков до начала последовательности цилиндрических электродов была расположена между ними: один из плоских электродов заземлен, а другой подсоединен к источнику постоянного напряжения, длина пластин l, м выбрана из условия где d поперечный размер пучка поляризованных электронов, м; D поперечный размер корпуса источника электронов, м; h расстояние между плоскими электродами, м; V_o скорость электронного пучка, м/сек; V_п скорость выводимых поляризованных электронов, м/сек; С скорость света, м/сек; В индукция магнитного поля соленоида, Т_л, U - напряжение, приложенное между плоскими электродами, В; ось источника электронов смещена относительно оси канала транспортировки атомарного пучка на величину Х_o, м, равную Авторы не обнаружили в других технических решениях признаков, сходных с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа. Поэтому можно сделать вывод, что предлагаемое решение обладает существенными отличиями.

Предлагаемое решение позволяет получить положительный эффект, состоящий в упрощении устройства для получения пучка поляризованных электронов и в обеспечении работы устройства как в импульсном, так и в непрерывном режиме.

Схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1. Устройство состоит из источника поляризованного атомарного пучка водорода 1, соленоида 2, подключенного к источнику постоянного тока 3, электронной пушки 4, набора последовательно расположенных одинаковых отрезков металлической трубы 5, двух плоских металлических электродов 6, один из которых заземлен, а другой подключен к источнику постоянного напряжения 7. Отрезки металлической трубы 5 расположены внутри соленоида соосно с ним. Электронная пушка 4 расположена внутри соленоида и смещена относительно его оси на величину X_o. Каналы транспортировки пучка электронов 8 и выводимого поляризованного пучка электронов 9 разделены в пространстве. Плоские электроды 6 установлены таким образом, чтобы часть каналов транспортировки электронного ионизирующего 8 и поляризованного 9 пучка от электронной пушки 4 до первого отрезка 5 трубы была расположена между ними. Длина электродов l выбрана из условия (1).

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 оси соленоида 2 внутри отрезков трубы 5. В соленоиде 2 с помощью источника тока 3 создают продольное магнитное поле с индукцией В, необходимое для сохранения поляризации электронов атомарного пучка. Пуск атомов водорода, пройдя через систему цилиндров 5, затем откачивается вакуумными насосами в области плоских электродов 6. Как известно [3] практически получена интенсивность потока поляризованных атомов водорода 10¹⁷ атомов в секунду. При их скорости 10³ м/с это соответствует плотности n 10¹² атомов/см³, т.е. давлению ≈ 3.10^-5 торр. Следовательно, давление остаточного газа в камере должно быть выбрано существенно меньше этой величины, например ≈ 10^-7торр, что технически легко осуществимо.

Эмитируемый из источника 4 электронный пучок 8 влетает в промежуток между плоскими электродами 6. Между этими пластинами под действием приложенного от источника 7 напряжения U возникает поперечное электрическое поле с напряженностью E=U/h. В скрещенных электрическом с напряженностью Е и магнитном с индукцией В (направленном вдоль оси соленоида) полях пучок электронов дрейфует в направлении Х, перпендикулярном векторам и со скоростью Двигаясь с этой скоростью пучок на длине пластин l сместится на расстояние Если электронная пушка расположена таким образом, что ось выходящего из нее пучка смещена относительно оси атомарного пучка водорода на расстояние Х_o, то после выхода из промежутка между плоскими электродами пучок электронов будет двигаться вдоль оси атомарного пучка. При этом происходит ударная ионизация атомарного пучка.

Образовавшиеся в результате ионизации поляризованные электроны выводятся с помощью выводящих напряжений, приложенных к отрезкам трубы 5. Попадая в промежуток между плоскими электродами 6 пучок поляризованных электронов совершает дрейф в скрещенных полях с той же скоростью (3). Благодаря этому на длине пластин l он смещается на расстояние

где V_п скорость поляризованных электронов, м/с.

Для того, чтобы пучок поляризованных электронов не попал на корпус электронной пушки, суммарное смещение ионизирующего и поляризованного пучков Х+Х_o должно быть больше половины суммы поперечного размера электронной пушки D/2 и поперечного размера пучка поляризованных электронов d/2.

Подставляя сюда (4) и (5) и учитывая, что Е=U/h, имеем

При выполнении этого условия пучок поляризованных электронов пройдет мимо электронной пушки, не задевая ее, и затем выводится наружу.

Рассмотрим пример практической реализации предлагаемого устройства. Пусть из электронной пушки вылетает пучок электронов с энергией 4 кэВ, импульсным током пучка 2,5 А, длительностью импульса 2.10^-4 сек. Пролетая в продольном магнитном поле с индукцией 0,5 тесла между плоскими электродами с h 2,5 см пучок при U 20 кВ на длине l 0,5 м сместится к оси соленоида на Х_o 2,2 см. В рассматриваемом примере первый и последний отрезки 5 металлической трубы заземлены, а ко всем остальным приложено постоянное напряжение +1 кВ. Влетая в эти цилиндры, электроны пучка 8 увеличивают свою энергию до 5 кэВ. С другой стороны, если диаметр цилиндров выбран равным 35 мм, то ток пучка 2,5 А при энергии 5 кэВ близок к критическому. При этом энергия электронов уменьшится до 1,7 кэВ. Расчет показывает, что при такой энергии и токе электронного пучка при интенсивности потока атомов водорода 10¹⁷ ат/сек диаметром 1 см на длине 1 метр образуется, благодаря ионизации 3.10¹² поляризованных электронов. Эти электроны удерживаются электростатической ловушкой, образованной двумя крайними заземленными цилиндрами 5 и остальными цилиндрами 5, к которым приложено напряжение +1 кВ. После окончания импульса тока ионизирующего пучка напряжение +1 кВ выключают, а к последнему цилиндру прикладывают напряжение -1 кВ, которое равномерно делится между всеми цилиндрами таким образом, чтобы на первом цилиндре было приложено напряжение, например, 900 Вольт. Тогда под действием этого напряжения поляризованные электроны выводятся влево (на фиг. 1). Если время вывода составляет, например, 10^-6 сек, то импульсный ток пучка поляризованных электродов равен 0,5 А. Попадая в промежуток между плоскими электродами, пучок поляризованных электронов на их длине 0,5 м отклоняется на Х 6 см. Если поперечный размер электронной пушки составляет, например, 8 см, а размер выводимого поляризованного пучка электронов 1 см, то в данном случае (6) выполняется
Х + Х_o 6 + 2,2 8,2 см > 4 + 1 5 см (8)
Таким образом, в рассмотренном примере может быть получен пучок поляризованных электронов с током 0,5 А в импульсе длительностью в 1 мксек. Вывод поляризованных электронов не обязательно должен осуществляться таким образом, как в описанном примере. Это можно сделать, например, с помощью искусственной линии, запитываемой от источника импульсного напряжения, как в прототипе.

В рассмотренных примерах реализации предлагаемого устройства может быть получен только импульсный пучок поляризованных электронов, т.к. выводящее поляризованные электроны напряжение подают после окончания импульса тока ионизирующего электронного пучка. Однако предлагаемое устройство позволяет получать и непрерывный пучок поляризованных электронов, что иллюстрируется следующим примером его практической реализации. Схема устройства в данном примере соответствует фиг. 1. В отличие от рассмотренного выше примера к цилиндрическим электродам 5 прикладывают постоянное напряжение отрицательной полярности, постепенно уменьшающееся от последнего цилиндра к первому. Это можно, например, сделать с помощью омического делителя 10 и источника постоянного напряжения 11, как показано на фиг. 2.

Пусть, например, из электронной пушки 4 на фиг. 1 вылетает непрерывный пучок электронов с энергией 6 кэВ и током пучка 2,5 А. Пролетая в продольном магнитном поле с индукцией 0,5 тесла между плоскими электродами с h 2,5 см пучок при U 20 кВ на длине l 0,5 м сместится к оси соленоида на Х_o 1,8 см. Пусть, например, к последнему цилиндрическому электроду 12 приложено постоянное напряжение U_в -1000 В, которое с помощью омического делителя равномерно уменьшается к первому электроду до -900 В. Тогда электронный пучок 8, войдя в систему цилиндров, уменьшит свою энергию до ≈ 5 кэВ, а за счет провисания потенциала при диаметре цилиндров 36 мм до 1,7 кэВ. При такой энергии и потоке поляризованных атомов 10¹⁷ атомов/сек на длине 1 метр каждый электрон с вероятностью 7.10^-4 ионизирует атом водорода. Поэтому при постоянном токе ионизирующего пучка 2,5 А в рассмотренном примере будет получен непрерывный поток поляризованных электронов с током 1,8 мА. Вывод этого пучка производят таким же образом, как и в рассмотренном выше примере.

Предлагаемое устройство обладает существенными преимуществами по сравнению с прототипом. Обеспечивая получение не меньшей, чем в прототипе, интенсивности поляризованного пучка электродов, предлагаемое устройство является существенно более простым. В нем нет необходимости использовать дополнительный импульсный соленоид для вывода поляризованного пучка, значительно упрощается конструкция электронной пушки нет необходимости использовать ее катод с отверстием. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет получать как импульсный, так и непрерывный пучок поляризованных электронов, что невозможно в прототипе.

Формула изобретения

Устройство для получения пучка поляризованных электронов, содержащее каналы транспортировки и источники ионизирующего электронного пучка и атомарного поляризованного пучка водорода, расположенные на противоположных концах каналов транспортировки, соленоид, охватывающий источник электронного пучка и каналы транспортировки атомарного и электронного пучка, последовательность соосно расположенных полых цилиндрических электродов, отличающееся тем, что, с целью упрощения устройства и обеспечения работы устройства как в импульсном, так и в непрерывном режиме, между источником электронного пучка и началом последовательности соосно расположенных цилиндрических электродов параллельно оси соленоида установлены два параллельных плоских металлических электрода таким образом, чтобы часть каналов транспортировки ионизирующего и поляризованного электронных пучков до начала последовательности цилиндрических электродов была расположена между электродами, один из плоских электродов заземлен, а другой подсоединен к источнику постоянного напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2