Микротрон

,Н 05 Н 13 УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ Й О И ОЛ ЕЛЬСТВ КОМУ(54)(57)воротныйсами котокамера ссоковольтпитания,ОТРО Н, сод агнит, положе ром и сокоч чаю ржащий .по- между полю- а вакуумная истемы выстотного щ и й с я лектроого раезонатого и о т л и тани(71) Научно-исследтут ядерной физикиордена Октябрьскойдового .Красного Знческом институте им(56) 1. Коломенскирия циклических усФизматгиз, 1962, с2. НаЬзоп ег о 1гз ой ша 8 пег 1 с 1арр 1 дсае 1 опв ой СЬБс 1 епг. Лпзйгщпг.,1322-1326,вательский инстипри ТомскомРевблюции и Трумени политехниС.М. Кирова8)А.А. и пр, Тео"орителей. И.,268-275.Росиздп 8 ргорега 1 пав апс 1 СЬедгшдсго 1 гоп. Кеч.967, 38, У 9,тем, что, с целью увеличения интенсивности ускоренного тока, вдольокружности, совпадающей с первойорбитой, установлен прямоугопьныйтокопроводящий корпус с входными выходным пролетными отверстиямив торцовых стенках, разделенный внутри по широкой стороне на две равныечасти перегородкой, расположеннойв медианной плоскости, и в которойпо дуге радиусом, равным радиусуокружности, совпадающей с первойорбитой, и шириной, равной ширинепролетных отверстий, выполнена прорезь, а в центре каждой из частейкорпуса параллельно разделяющейих перегородке, на расстоянии другот друга, превышающем вертикальныйразмер пучка, размещены шины прямо-.угольного сечения, причем один конец каждой шины гальванически соединен с выходной торцовой стенкойкорпуса, а другой Р с положительнымполюсом системы высоковольтного пи 1102480Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработках, предназначенных для работы микротронов в качестве инжектора синхротрона, а 5также для микротронов прикладногоиспользования в геологии, медицине,дефектоскопии.Известен микротрон, содержащийповоротный магнит и расположенныйв его медианной плоскости ускоряющийрезонатор с входным и выходным пролетными отверстиями, совмещенныйс общей точкой пересечения всех орбит 1 Д,15Недостатком этого устройства является то, что частицы, вышедшиена первую и последующую орбиты, теряются из-за того, что амплитуда ихвертикальных колебаний превосходит 0максимально допустимую. При этом вертикальные потери имеют двоякий характер, Во-первых, теряюТся все нерезонансные частицы: вследствие раскачки фазовых колебаний они попадаютв неблагоприятные фазы СВЧ-поля,дефокусируются по вертикали и попадают на стенки резонатора. Во-вторых,если вертикальный размер эмиттераслишком велик, то теряются те резонансные электроны, которые вылетаютиз верхнего и нижнего краев эмиттера, так как амплитуда их колеба -ний больше вертикальной апертуры.Потери первого рода зависят от раз- З 5мера области захвата,.Потери второгорода зависят не только от.вертикального размера эмиттера, но и от условий движения на первом полуобороте.Кроме того, увеличение тока эмиссии 40приводит к заметной дефокусировке.при вылете пучка из катодного отверстия, а также дополнительномуувеличению вертикального размерапучка на первой орбите за счет дейст вия кулоновских сил пространствен.,ного заряда.Расчеты и практика показывают,что 403 пучка теряется на первойорбите, а общий коэффициент захвата 50составляет 1/15-1/16, который значительно снижается при увеличениитока эмиссии. Таким образом, увеличение тока в известном устройстведостигается фиксированием режима 55. работы катода, что значительно снижает его срок службы, а увеличениеего радиуса приводит только к уменьшению коэффициента захвата и к потере СВЧ-мощности и соответственноуменьшению КПД ускорителя,Наиболее. близким техническим решением к изобретению является микротрон, содержащий поворотный магнит, вакуумную камеру, ускоряющийрезонатор с пролетными отверстиями,расположенный внутри вакуумнойкамеры между полюсами поворотногомагнита, и магнитный диск или катушку и системы высоковольтного и высокочастотного,питания 21.Резонатор выполнен в виде цилиндра, в центрах торцовых стеноккоторого выполнены пролетные отверстия. Резонатор размещен между полюсами поворотного магнита так, чтоего продольная и поперечная оси лежат в медианной плоскости микротрона.Магнитный диск расположен в плоскости орбит внутри области первой орбиты так, что ось его вращения перпердикулярна медианной плоскостимикротрона и пересекает поперечнуюось резонатора на расстоянии0,41 г (- радиус траектории первойорбиты) от продольной его оси. Вместо магнитного диска может быть установлена катушка, ось которой перпендикулярна медианной плоскости микротрона и которая делится этой плоскостью на две равные части. Высотакатушки и магнитного диска значительно меньше их диаметра. Наличиедиска или катушки создает радиальный градиент поля, приводящий к вертикальным силам, действующим начастицы первой орбиты. Здест потериэлектронов несколько снижены за счетаксиальной фокусировки, но величинаэтой фокусировки ограничена, т.е.искажение магнитного поля, вносимогосистемой, приводит к сужению фазовой устойчивости, Таким образом,снижение вертикальных потерь сопровождается потерями электронов засчет раскачки фазовых колебаний,и достигаемый эффект незначителен.Целью изобретения является увеличение интенсивности ускоренноготока,Поставленная цель достигаетсятем, что в микротроне, содержащемповоротный электромагнит, между полюсами которого расположена вакуумная камера с резонатором и системывысоковольтного и высокочастот1102480 реходе из верхней полуплоскости внижнюю. В медианной плоскости КМСв прорези 6 рузельтирующее поле равно нулю. Таким образом, на электрон, 5 проходящий КМС вне медианной плоскости микротрона, действует силаЛоренца, направленнай к этой плоскости. Из пролетного отверстия 8пучок электронов попадает во входное 0 пролетное отверстие 2 сходящимсяи с вертикальным размером, меньшимразмера пролетного отверстия. Уголвлета электронов в пролетное отверстие 2 выбирается таким, чтобы 5 обеспечить дальнейшее движение поорбитам с максимальными .вертикальными. колебаниями. Благодаря этомуэлектроны, имеющие большие углывылета в вертикальной плоскости,из пролетного отверстия 3 не обреза-,ются пролетным отверстием 2 и влетают в ускоряющий зазор с меньшимиуглами, Если они находились в области фазовой устойчивости, то онибудут ускоряться и не потеряютсяна последующих орбитах за счет больших вертикальных колебаний. Такимобразом, создаются благоприятныеусловия для захвата в режим ускоре-ния тех электронов, которые лежатна границе вертикальной устойчивости (в прототипе они терялись) . Предлагаемое устройство может быть использовано при конструировании микротронов с любым типом инжекции.П р и м е р. Расчет предлагаемого устройства проводился для микротрона с внешней инжекцией, имеющего максимальный коэффициент захватадэ 6 Х. Этот микротрон выбран за базовый объект при сравнении техникоэкономических показателей. Расчетнаяобласть захвата режима ускоренияъсоставляет 40 . Параметры режимаускорения: ширина ускоряющего зазора 1,815 см, координаты инжекции( Ъ =0,3 см, Х 0,9 см), Внутреннийрадиус ускоряющего резонатора 4,35 см,Безрдмерные величины Я =-1,079,й = Н = 1,2, где.Е - напряженностьполя в ускоряющем зазоре резонаторамиН - напряженность магнитного попяповоротного магнита,о 6%циклотронное поле ( пъ Е - массаи заряд электрона; С - скоростьсвета, Э в . длина волны возбуждениярезонатОра). Угол влета инжектируеного питания, вдоль окружности,совпадающей с первой орбитой, установлен прямоугольный токопроводящий корпус с входным и выходным пролетными отверстиями в торцовых стенках, разделенный внутри по широкойстороне на две равные части перегородкой, расположенной в медианнойплоскости, и в которой, по дуге радиусом, равным радиусу окружности, 1совпадающей с первой орбитой, ишириной, равной ширине пролетныхотверстий, выполнена прорезь, а вцентре каждой из частей корпуса параллельно разделяющей их перегородке, 1на расстоянии друг от друга, превышающем вертикальный размер пучка,размещены шины прямоугольного сечения, причем один конец каждой шйныгальванически соединен с выходной 20торцовой стенкой корпуса, а другой -с положительным полюсом системы высоковольтного питания.На фиг. 1 схематически показаносечение резонатора микротрона и коак. сиальной магнитной системы (КМС) вплоскости, перпендикулярной к медиан 1ной ускорителя; на фиг. 2 - разрезА-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение;резонатора и КМС в медианной плоскос-З 0ти микротронаУстройство содержит ускоряющийрезонатор 1 с входным 2 и выходным 3пролетными отверстиями, корпус КМС 4,центральные шины 5, сквозную прорезь356. в делящей стенке КМС, входное 7и выходное 8 пролетные отверстияв КМС. Сплошными круговыми линиямипоказаны первая и вторая орбиты микротрона, координаты Х , 1 расположены в медианной плоскости микротрона.Устройство работает следующим образом.Электроны первой орбиты, пройдяпролетные отверстия 2 и 3, попадают 45в пролетное отверстие 7 КМС и всквозную прорезь 6. Одновременно сначалом цикла ускорения в КМС подается импульс тока, плоская часть кото-.рого. должна совпадать, с моментом50прихода электронов в прорезь 6. Токив центральных шинах имеют одно и тоже направление и совпадают с вектором скорости электронов орбиты.Магнитные поля, образованные токо- унесущими элементами КМС от оси прорези 6 и до центральных шин линейноувеличиваются и меняют знак при пемых электронов по отношению к продольной оси резонатора: 20 , кинетическая энергия инжектируемых электронов 140 кэВ. Диаметр и угло - вая расходимость инжектируемого пучка 3 мм и 0,02 рад соответственно. Входное 2 и выходное 3 пролетные отверстия резонатора выполняются прямоугольной формы и имеют размеры соответственно ь 1 = 1,7 см, 62 ф 0,7 см и Ь У 2 см,62 =1,2 см.Размеры пролетных отверстий выбирались с учетом фокусирующего действия коаксиальной магнитной . 15 системы (КМС). КМС выполнена из меди и имеет длину вдоль оси2 см. Ширина прорези 6 в общей стенке КМС выбирается равной 1,0 см при толщине стенки 0,2 см. Толщина20 общей стенки определяется величиной скин-слоя б и выбирается равной2 б, Центральная шина сечением (0,3 2,0) см размещается в плоскости коаксиала сечением 25г(1,2 3,0) см . Расстояние между центральными шинами 1,2 см. КМС запитывается через коаксиальные токо- проводы, причем токи в центральных шинах совпадают с. вектором скорости З 0 электронов орбиты. Величина импульсного тока в каждом коаксиале составляет 500-800 А в зависимости от расходимости и величины тока в пучке электронов. Длительность импульса 35 тока 8 мкс. Положение КМС выбрано на общем диаметре орбит, хотя его положение ничем не ограничено. Размер пролетных отверстий КИС 7 и 8 составляет (11,2) см и в общем случае 40гопределяется размерами пучка в месте его установки. Расчеты и эксперименты показывают, что коэффициент захвата базового объекта составляет 6 Х при диаметре инжектируемого пуч ка. 0,3 см. При этом около 5 Х резонансных электронов теряется за счет вертикальных потерь. Установка КМС позволяет поднять коэффициент захвата до 10 Ж. В предлагаемом устройстве 50 диаметр инжектнруемого пучка может быть увеличен до 0,6 см, т.е. в 2 раза при сохранении коэффициента захвата. Это позволит увеличить ускоренный ток в 4 раза.Данное устройство позволяет увеличить ускоренный ток как за счет уменьшения вертикальных потерь, так и за счет увеличения вертикального размера эмиттера, При этом значительно повышается срок службы катода и надежность резонатора. Так как существует возможность снизить температуру катода и снизить бомбардировку пролетных отверстий электродами, имеющими большую величину вертикальных .колебаний. Вертикальные потери можно еще больше снизить, если расположить КМС на второй и третьей орбитах. Следует отметить, что за счет сокращения вертикальных потерь повышается КПД ускорителя, так как при этом экономится СВЧ-мощность, которая может пойти на дальнейшее повышение тока ускорителя .Изобретение особенно эффективно при использовании режимов с большим приростом энергии за оборот. Так, во втором режиме ускорения область захвата может достигать до 50 С, а коэффициент захвата всего 57, Выбирая оптимально степень фокусировки пролетными отверстиями для третьей и последующих орбит, и осуществляя фокусировку на первых двух орбитах предлагаемым устройством, можно получить коэффициент захвата 107 и л .чше. При этом увеличенный в 2 раза размер катода позволит поднять ток эмиссии в4 и более раз. Кроме того, регулируя ток КМС, можно регулировать степень фокусировки с учетом пространственного заряда пучка.Увеличение тока ускоренных электронов позволит повысить качество научных исследований, а в промышленности поднять качество контроля изделий.1102480 ставитель Е. Гром хред О.Ващишина Корректор А актор С.Титов осо аказ 4510/4 о 5 ПП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная Тираж 794 НИИПИ Государст по делам изоб 13035, Москва, Подпинного комитета СССРтений и открытий35, Раушская наб., д.