Устройство вывода ускоренного пучка электронов из бетатрона

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 64192 5 Н 05 Н 7/О ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИАВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ кии институт инолитехническом ов и В.П.ЗворьС.А. Ускорители- М.: Высшаяво СССР1970. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(54) УСТРОЙСТВО ВЫВОДА УСКОРЕННОГО ПУЧКА ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ БЕТАТРОНА(57) 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 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.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) 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 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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, яв5 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 оно 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; ъ- радиус равновесной орбиты; Ь - зазор между пластинами 1-3; 12 - медианная плоскость межполюсного пространства; госв - радиус орбиты освобождения электронов. Напряженность электростатического поля, образованного пластинами 1-3 и проводящим покрытием 8, обозначена на фиг.2 вектором Е. 15 20 25 30 35 40 45 50 55"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 полисинусоидальйойформы, 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 г и электроны начинают двигаться по разворачивающейся спирали с некоторым шагом и, 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 гс. В результате взаимодействия электронов, движущихся по разворачивающейся спирали, с этим полем возможна некоторая раскачка амплитуд радиальных колебаний электронов, которая увеличивает шаг и и способствует более быстрому захвату электронов конденсатором, Попав во внутренне электростатическое поле конденсатора на электроны помимо силы Лоренца Р =чВ(г) ивРцентробежной Рц - начинает заметно действовать сила электростатического поля Е = Е, где 1, Ч - заряд и скорость электрона; В - напряженность бетатронного магнитного поля; г - текущий радиус.Для того, чтобы электроны были выведены за орбиту освобождения г осв, а затем и из ускорительной камеры по траектории вывода 11, необходимо обеспечить равенство Ге =ЕлРцна всем азимутальном протяжении конденсатора. Так как шаг разворачивающейся орбиты электронов йЛ, 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 госв 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 Вг. Увеличение радиального шага разворачивания траектории в свою очередь позволяет за более короткий азимутальный промежуток вывести электроны за орбиту освобождения госв 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 госв, как показали расчеты, занимает азимутальную протяженность 45 и позволяет вывести электроны за орбиту гоев в области магнитного поля с минимальной напряженностью Вг.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 отличитель 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 требова ния к точности расположения конденсаторав 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,сцельюповышения эффективности вывода, конденсатор вывода выполнен в виде трех пластин, две из которых электрически соединены с про водящим покрытием ускорительной камерыи расположены симметрично относительно медианной плоскости с зазором для прохождения ускоренного пучка электронов, полюса снабжены гребнями, при этом вход 35 конденсатора размещен в одном из зазоровмежду гребнями разноименных полюсов, а инжектор установлен в азимутальном промежутке между гребнями одного полюса над или под медианной плоскостью.1764192 ставитель В. Пушред М.Моргента эктор М. Кузнецова Тех л Корректор А, Ворович Гагарина, 101 одственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгор аз 3465 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5