Устройство для получения импульсов тока пучка электронов пикосекундной длительности

 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть применено для получения импульсов тока электронных пучков пикосекундной длительности. Сущность изобретения: дефлекторные пластины 1 расположены внутри соленоида 2, установленного вдоль канала 3 транспортировки пучка, расстояние между пластинами уменьшается вдоль транспортировки при постоянном его отношении к ширине пластин, длина пластин выбрана из условия адиабатичности изменения магнитного поля, вдоль всей длины пластин перпендикулярно их поверхностям установлена металлическая стенка 7 с отверстием 8 для вывода пучка, расположенным от дальнего конца пластин на расстоянии, не меньшем зазора между ними. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для получения импульсов тока электронных пучков пикосекундной длительности.

Известно устройство для получения коротких импульсов тока пучка электронов, представляющее собой ускоряющий промежуток, к которому приложен импульс напряжения малой длительности [1] Однако возможности уменьшения длительности импульса тока пучка в таком устройстве ограничиваются длительностью импульса напряжения на ускоряющем промежутке, которая практически не может быть сделана меньше наносекунды из-за влияния паразитных индуктивностей и емкостей.

Меньшая длительность импульса тока пучка может быть получена с помощью принятого в данной заявке за прототип устройства, содержащего расположенные вдоль канала транспортировки пучка дефлекторные пластины, присоединенные к внешнему питающему генератору [2] Дефлекторные пластины при подаче на них высокочастотного напряжения от генератора создают электрическое и магнитное поля, которые периодически отклоняют пучок, осуществляя его развертку. На выходе дефлекторных пластин установлен коллиматор, через который пучок проходит в течение малой части периода высокочастотных колебаний. Поэтому при наносекундной длительности периода колебаний может быть получен пучок с длительностью импульса тока в пикосекундном диапазоне. С помощью таких устройство в [2] получен пучок электронов с длительностью импульса 70 псек и энергией частиц 40 кэВ.

Недостатками прототипа являются ограничение возможностей повышения интенсивности пучка и сокращение его длительности. Оба эти ограничения связаны с силами саморасталкивания пучка. При повышении интенсивности пучка на длине траектории частиц вдоль дефлекторных пластин благодаря силам саморасталкивания диаметр пучка увеличивается и через выводное отверстие коллиматора пройдет только часть пучка, так что интенсивность выведенного пучка не увеличится. Если же увеличить диаметр отверстия, то в него будет попадать пучок в течение большего отрезка времени, т.е. длительность импульса тока пучка увеличится. Для уменьшения длительности импульса тока выведенного через отверстие пучка необходимо уменьшать диаметр пучка, т.к. время сканирования пучка по отверстию зависит от диаметра пучка. При уменьшении диаметра пучка возрастают силы саморасталкивания, в результате чего на длине траектории частиц вдоль дефлекторных пластин диаметр пучка снова увеличится и достигнуть сокращения длительности импульса тока пучка без уменьшения его интенсивности не удастся.

Целью изобретения является уменьшение длительности импульса тока пучка при заданной интенсивности и повышение импульсной мощности электронного пучка.

Указанная цель в устройстве для получения импульсов тока пучка электронов пикосекундной длительности, содержащем дефлекторные пластины, подключенные к импульсному источнику питания, достигается тем, что в устройство введены соленоид и металлическая стенка с отверстием, соленоид охватывает дефлекторные пластины и расположен вдоль канала транспортировки пучка в дефлекторных пластинах, металлическая стенка с отверстием перпендикулярна поверхности пластин, ориентирована вдоль канала транспортировки пучка в дефлекторных пластинах, расположена вдоль всей длины пластин и смещена от оси соленоида в направлении траектории отклонения пучка электронов, в качестве импульсного источника питания использован генератор наносекундных импульсов, дефлекторные пластины закорочены на конце, противоположном месту подключения генератора, расстояние между пластинами и их ширина уменьшаются вдоль канала транспортировки пучка, при этом отношение расстояния между пластинами к их ширине остается по всей длине пластин постоянным и выполнено условие , где D диаметр отверстия в металлической стенке (м), а радиус пучка (м), H_z напряженность продольного магнитного поля соленоида (А/м), Н_рк напряженность магнитного поля, создаваемого дефлекторными пластинами в месте расположения отверстия (А/м). Дефлекторные пластины могут быть разделены в продольном направлении на отрезки, длина которых меньше расстояния пробега электромагнитной волны вдоль пластин за время фронта импульса генератора наносекундных импульсов, при этом каждый из отрезков подключен к генератору наносекундных импульсов.

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 устройство позволяет получить положительный эффект, заключающийся в уменьшении длительности импульса тока пучка при заданной его интенсивности и повышении импульсной мощности электронного пучка.

Схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1. Здесь дефлекторные пластины 1 расположены внутри соленоида 2, установленного вдоль канала транспортировки пучка 3 от его источника 4. Дефлекторные пластины подключены с одной стороны к генератору наносекундных импульсов 5, а с другой стороны к нагрузочному сопротивлению 6. Ширина пластин b и расстояние между ними d уменьшаются вдоль канала транспортировки таким образом, что отношение b/d остается постоянным. При этом волновое сопротивление двухпроводной линии, образованной пластинами, остается постоянным вдоль всей длины пластин. Вдоль всей длины пластин перпендикулярно их поверхностям установлена металлическая стенка 7 с отверстием 8 для вывода пучка пикосекундной длительности. Отверстие расположено на расстоянии от дальнего по ходу канала транспортировки конца пластин 9 на расстоянии g, не меньшем расстояния между пластинами в месте расположения отверстия. Диаметр отверстия 8 равен диаметру пучка 2а, отнесенному к синусу угла между направлением суммарного магнитного поля соленоида 2 и дефлекторных пластин 1 и металлической стенкой 7 в месте расположения отверстия 8. Соленоид 2 подключен к источнику его питания 10.

Работа устройства происходит следующим образом. От источника 10 через соленоид 2 пропускают электрический ток. Этот ток создает внутри соленоида продольное магнитное поле H_z. После этого из источника 4 вдоль канала транспортировки пропускают электронный пучок 3. Продольное магнитное поле удерживает пучок, препятствуя увеличению его диаметра под действием сил поперечного саморасталкивания частиц. Затем от наносекундного импульсного генератора 5 к дефлекторным пластинам 1 прикладывают импульс напряжения. Под действием этого напряжения в двухпроводной линии, образованной дефлекторными пластинами, распространяется волна напряжения и тока в положительном направлении оси Z. При выбранных размерах пластин, когда отношение ширины пластин к зазору между ними остается постоянным вдоль всей их длины, остается постоянным вдоль всей длины пластин и волновое сопротивление линии. Поэтому волна напряжения и тока в линии распространяется без отражения. В случае, когда нагрузочное сопротивление 6 выбрано равным волновому сопротивлению линии, эта волна поглощается в нагрузочном сопротивлении 6. Но нагрузочное сопротивление 6 не обязательно должно быть равно волновому сопротивлению линии, образованной дефлекторными пластинами. Например, в случае, когда нагрузочное сопротивление равно нулю, происходит отражение волны от закороченного конца линии с удвоением амплитуды тока. Если линия согласована со стороны наносекундного генератора 5, то отраженная волна поглощается в генераторе и на этом процесс в линии заканчивается. Ток в линии создает поперечное магнитное поле Н_x, которое увеличивается в положительном направлении оси Z, поскольку H_x≈1/b, а ширина пластин b уменьшается в положительном направлении оси Z. В связи с ростом поля H_x и постоянством Н направление суммарного магнитного поля постепенно изменяется, как это показано на фиг. 2, где приведены силовые линии магнитного поля в один и тот же момент времени, начинающиеся вблизи оси соленоида. Если выполнено условие адиабатичности, когда длина пластин существенно превышает длину, на которой совершается одно циклотронное колебание пучка в магнитном поле, траектории частиц будут практически совпадать с силовыми линиями магнитного поля. Поэтому частицы, двигаясь в положительном направлении оси Z, будут постепенно смещаться в поперечном направлении (х) и, наконец, попадут на стенку (7 на фиг. 1). Если ток в пластинах и их размеры выбраны таким образом, что силовые линии суммарного магнитного поля соленоида и пластин проходят от оси соленоида в начале пластин через отверстие (8 на фиг. 1), то по такой же траектории будут двигаться и частицы пучка. При этом пучок выйдет через отверстие, если его диаметр будет равен отношению диаметра пучка 2а к синусу угла α между направлением суммарного магнитного поля соленоида и пластин и металлической стенкой 7, что ясно из простых геометрических соображений (см. фиг. 1). Во время фронта импульса напряжения генератора ток в линии постепенно нарастает, поэтому постепенно нарастает поперечное магнитное поле Н_x (см. фиг. 3). Благодаря этому ход силовых линий суммарного магнитного поля также изменяется со временем, что видно из фиг. 4, где силовая линия 11 соответствует моменту времени t₁ на фиг. 3, силовая линия 12 моменту t₂, силовая линия 13 моменту t₃, силовая линия 14 моменту t t окончания фронта импульса. На фиг. 4 поз. 7 показана металлическая стенка и поз. 8 отверстие. Из фиг. 4 видно, что в данном случае пучок пройдет через отверстие в течение отрезка времени вблизи t t₃, значительно меньшего длительности фронта импульса напряжения. Поскольку практически t может быть сделано равным ≈1 нсек, то длительность импульса выведенного пучка будет иметь величину в пикосекундном диапазоне длительности.

Для достижения этой цели длина пластин должна быть выбрана из условия адиабатичности изменения суммарного магнитного поля, создаваемого соленоидом и дефлекторными пластинами. При невыполнении условия адиабатичности траектории частиц не будут совпадать с силовыми линиями магнитного поля, частицы будут двигаться по спирали увеличивающегося радиуса и пучок не будет выходить через отверстие (8 на фиг. 1). Для достижения поставленной цели ширина пластин должна уменьшаться вдоль оси Z, т.к. только в этом случае могут получиться силовые линии магнитного поля, показанные на фиг. 2, 4, обеспечивающие получение соответствующих траекторий частиц. Отношение ширины пластин к их зазору должно оставаться постоянным вдоль всей длины пластин, т.к. при этом волновое сопротивление линии, образованной пластинами, будет постоянным вдоль всей их длины. При невыполнении этого условия при распространении волны вдоль линии будут возникать отраженные волны, которые исказят распределение магнитного поля вдоль длины линии, а следовательно, и ход силовых линий, нарушат условие адиабатичности, в результате чего поставленная цель не будет достигнута. К тому же результату приведет расположение отверстия (8 на фиг. 1) на расстоянии, меньшем зазора между пластинами от конца пластин (9 на фиг. 1), т.к. при этом распределение магнитного поля вблизи отверстия исказится из-за действия краевых полей дефлекторных пластин. Влияние краевых полей будет несущественным, если расстояние от отверстия до конца пластин будет больше зазора между ними в месте расположения отверстий.

Произведем расчет предлагаемого устройства. Обозначим максимальное значение Н_x в начале пластин (z 0) и в месте расположения отверстия соответственно через Н_oн и H_ок, "рабочее" значение Н_x, при котором пучок проходит в отверстие в стенке (см. фиг. 3, 4), в тех же точках через Н_рн и H_рк, расстояние между пластинами в тех же точках d_н и d_к. Поскольку (см. фиг. 1) , то диаметр отверстия 8 D, м, равен Уравнение силовой линии магнитного поля имеет, как известно, вид d_x/d_z H_x/H_z. Интегрируя это уравнение, находим для смещения частицы от ее начального положения в направлении оси X в месте расположения отверстия при рабочем значении магнитного поля Н_x(Z) H_р(Z) Например, в случае линейного изменения имеем Выбирая максимально-возможное значение X_к d_н, при котором частица в начале пластин находится еще в однородном поле, получим из (3)
Найдем теперь, насколько должно измениться магнитное поле Н_x относительно его "рабочего" значения Н_р, чтобы траектория частицы (или силовая линия магнитного поля) заканчивалась в точке, сдвинутой на величину диаметра отверстия D в направлении оси Z. Пользуясь (1) и (4), находим (учитывая, что D<l)

Из определения ΔH_к следует, что длительность импульса тока выведенного в отверстие пучка будет равна времени, в течение которого магнитное поле Н_x изменяется на ΔH_к. Если магнитное поле (в точке Z l) изменяется, например, по закону

то длительность импульса выведенного пучка будет очевидно

сопоставляя (5), (7) и (4), получим

Если максимальное напряжение наносекундного генератора равно U_o, то в случае, когда сопротивление 6 равно волновому сопротивлению линии, образованной дефлекторными пластинами,

В случае, когда нагрузочное сопротивление 6 равно нулю (дефлекторные пластины закорочены на конце),

Наконец, условие адиабатичности означает, что длина l должна быть существенно больше длины, на которой укладывается одно циклотронное колебание:

где m масса электрона, кг, v его скорость, м/с, γ энергия электрона, отнесенная к энергии покоя, m_o магнитная постоянная, .

Проведенный выше расчет справедлив, когда найденное по формуле (11) значение l меньше длительности фронта импульса наносекундного генератора, умноженной на скорость света. Если это условие не выполняется, то при проведении расчета необходимо учитывать запаздывание при прохождении волны по дефлекторным пластинам. Однако этого можно избежать при выполнении предлагаемого устройства с дефлекторными пластинами, разделенными в продольном направлении на отрезки длиной, меньшей длительности фронта генератора наносекундных импульсов, умноженной на скорость света, причем каждый из отрезков присоединен к генератору наносекундных импульсов. Схема дефлекторных пластин и их присоединения в таком устройстве приведена на фиг. 5. Здесь 5 - генератор наносекундных импульсов, 1 отрезки дефлекторных пластин, 6 - нагрузочные сопротивления. Остальные элементы устройства совпадают с элементами, показанными на фиг. 1. Если выбраны такие условия, при которых импульсы напряжения на вход всех отрезков дефлекторных пластин поступают одновременно (что может быть достигнуто, например, с помощью линии задержки), то работа такого устройства ничем не отличается от описанной выше, т.к. в данном случае, очевидно, запаздывание прихода импульсов напряжения на различные отрезки дефлекторных пластин будет отсутствовать.

Рассмотрим пример практической реализации предлагаемого устройства. Пусть из источника 4 (фиг. 1) в положительном направлении оси Z пропускают электронный пучок диаметром 2а 4 мм с кинетической энергией электронов 2·10⁴ эВ внутри соленоида 2, создающего продольное магнитное поле Н_z 8·10⁴ А/м. Отклонение пучка осуществляют дефлекторными пластинами с d_н 30 мм, d_к 5 мм, подключенными к генератору наносекундных импульсов с длительностью фронта импульса τ=10^-9 сек.. Пользуясь условием адиабатичности (11), находим, что в данном случае оно выполняется при l>30 мм. Выбираем, например, l 150 мм. Пользуясь формулой (4), находим "рабочее" значение напряженности магнитного поля H_рк 3,2·10⁴ А/м. Выбирая Н_ок H_рк, получим, пользуясь формулой (8), τ_и=7·10^-11 сек.. Наконец полагая, что пластины закорочены на конце (сопротивление 6 равно нулю), пользуясь формулой (10), найдем напряжение генератора наносекундных импульсов U_o 30 кВ. Таким образом, в рассмотренном примере при подаче от генератора наносекундных импульсов импульса напряжения амплитудой 30 кВ с длительностью фронта 1 нсек на дефлекторные пластины длиной 15 см можно вывести через отверстие (8 на фиг. 1) электронный пучок длительностью 70 псек с энергией электронов 20 кэВ. Диаметр отверстия в данном примере согласно формуле (1) равен ≈11 мм.

Рассмотрим другой пример практической реализации предлагаемого устройства. Пусть из источника в положительном направлении оси Z пропускают электронный пучок диаметром 2а 6 мм с кинетической энергией электронов 5·10⁴ эВ внутри соленоида, создающего продольное магнитное поле напряженностью H_z 4·10⁴ А/м. Отклонение пучка осуществляют дефлекторными пластинами c d_н 60 мм, d_к 12 мм, подключенными к генератору наносекундных импульсов с τ=10^-9 сек.. Пользуясь (11), находим l>100 мм. Выбираем, например, l 600 мм, разделяем полную длину пластин на 6 отрезков длиной 100 мм и подключаем каждый из них к генератору наносекундных импульсов, как показано на фиг. 5. Подбираем задержки подачи импульсов на отрезки пластин таким образом, чтобы импульсы напряжения на вход всех отрезков пластин подавались одновременно. Пользуясь формулой (4), находим рабочее значение напряженности магнитного поля Н_рк 8·10³ А/м. Выбирая H_ок 2H_рк, получим, пользуясь формулой (8), t_и 2,5·10^-11 сек. Полагая, что пластины закорочены на конце, пользуясь (10), находим U_o 36 кВ. Таким образом, в рассмотренном примере при подаче от генератора наносекундных импульсов импульса напряжения амплитудой 36 кВ с длительностью фронта 1 нсек на отрезки дефлекторных пластин общей длиной 60 см можно вывести через отверстие (8 на фиг. 1) электронный пучок длительностью 25 псек с энергией электронов 50 кэВ. Диаметр отверстия в данном примере составляет 30 мм.

Предлагаемое устройство обладает существенными преимуществами по сравнению с прототипом. Оно позволяет получить меньшую длительность импульса тока пучка при заданной его интенсивности либо повысить интенсивность пучка при заданной его длительности. Это связано с тем обстоятельством, что в прототипе существенное значение имеют силы поперечного саморасталкивания пучка. Так, в рассмотренном выше примере (ε 50 кэВ, а 0,3 см) пучок с импульсным током 0,1 А под действием сил саморасталкивания увеличивает свой размер в 2 раза на длине 80 см, с током 1 А на длине 26 см. Поэтому с ростом тока пучка в прототипе должны использоваться все более короткие дефлекторные пластины, что приводит к увеличению длительности импульса тока пучка. В предлагаемом устройстве повышение интенсивности пучка не приводит к увеличению длительности импульса тока выводимого через отверстие пучка. Поскольку в этом случае пучок движется в продольном магнитном поле, то силы саморасталкивания не приводят к увеличению поперечного размера пучка, а лишь к азимутальному дрейфу частиц. Следовательно, никаких дополнительных ограничений на длину дефлекторных пластин в предлагаемом устройстве не предъявляется. Поэтому предлагаемое устройство позволяет по сравнению с прототипом увеличить интенсивность пучка при заданной его длительности. По той же причине в прототипе ограничены возможности уменьшения длительности импульса тока пучка при заданной его интенсивности. Из изложенного выше следует, что для сокращения длительности импульса тока пучка необходимо увеличивать длину дефлекторных пластин. Однако при этом увеличивается путь, проходимый пучком между этими пластинами, а следовательно, и увеличивается поперечный размер пучка из-за саморасталкивания его частиц, что препятствует сокращению длительности импульса тока пучка. В предлагаемом устройстве эти ограничения отсутствуют благодаря действию продольного магнитного поля, не позволяющего пучку увеличивать свой диаметр под действием сил саморасталкивания. Поэтому предлагаемое устройство позволяет по сравнению с прототипом уменьшить длительность импульса тока пучка при заданной его интенсивности.

Формула изобретения

1. Устройство для получения импульсов тока пучка электронов пикосекундной длительности, содержащее дефлекторные пластины, подключенные к импульсному источнику питания, отличающееся тем, что, с целью уменьшения длительности импульса тока пучка при заданной интенсивности и повышения импульсной мощности электронного пучка, в него введены соленоид и металлическая стенка с отверстием, соленоид охватывает дефлекторные пластины и расположен вдоль канала транспортировки пучка в дефлекторных пластинах, металлическая стенка с отверстием перпендикулярна поверхности пластин, ориентирована вдоль канала транспортировки пучка в дефлекторных пластинах, расположена вдоль всей длины пластин и смещена от оси соленоида в направлении траектории отклонения пучка электронов, в качестве импульсного источника питания использован генератор наносекундных импульсов, дефлекторные пластины закорочены на конце, противоположном месту подключения генератора, расстояние между пластинами и их ширина уменьшаются вдоль канала транспортировки пучка, при этом отношение расстояние между пластинами к их ширине остается по всей длине пластин постоянным и выполнено условие

где D диаметр отверстия в металлической стенке, м;
a радиус пучка, м;
Н_z напряженность продольного магнитного поля соленоида, А/м;
Н_рк напряженность магнитного поля, создаваемого дефлекторными пластинами в месте расположения отверстия, А/м.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дефлекторные пластины разделены в продольном направлении на отрезки, длина которых меньше расстояния пробега электромагнитной волны вдоль пластин за время фронта импульса генератора наносекундных импульсов, при этом каждый из отрезков подключен к генератору наносекундных импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5