Группирователь пучков заряженных частиц

(5 Н 05 Н 704 . ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССПО ЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТН ний р таяне(71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте: им. С.М, Кирова(56) 1. Островский Е.К., Зыков А.И Крамской Т.Д., Вишняков В.А. Формирователь электронных сгустков малой фазовой протяженности в инжекторном ускорителе, пТэ, )(1 4,.1968.2. Сгашшег,)оп С. А пеы йесЬп 18 ие Еог СЬе Ьцпсй 1 пя ой сЬагде рагй 1 с 1 е Ьеашз. Иис 1.1 пягишапс 1 МеЬ 1975, 28, В 3, 597-598 (прототип) .(54)(57) ГРУППИРОВАТЕЛЬ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий инжектор заряженных частиц, устройство развертки пучка и магнитную систему, которые размещены соосно и последовательно друг задругом, о т л .ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности за -счет уменьшения фазой. длины сгруппирован" ных сгустков заряженных частиц, устройство развертки пучка выполнено в виде резонатора круговой раз.вертки, а магнитная система выполнена в виде соленоидальной катушки, помещенной в цилиндрический магнитопровод с торцовыми входным и выходным ферромагнитными дисками, в которых выполнены лрорези, внутренние части которых соединены вдоль цилиндрического магнитопровода ферромагнитным стержнем, при этом внутадиус кольцевых прорезейширина входной прорезивазимутальном направлеолняются следующие услопеременн нии, и в ьцгссоз е) ширина прорези,д йсТ + +до утренний радиус проре максзи; ая а период колебаний резонатора круговой развертки ускоряющий потенциал инжектора заряженных частиц;расстояйие между внутренними 1 поверхностями ферромагнитных дисков;скорость света,энергия покоя заряженных частиц;азимутальный угол, отсчитываемый относительно места с максимальной шириной рорези; п з яд частиц Е;1 П )угловой сдвиг между пр е волежащими точками с адинаковой шириной прорези вход"ного и выходного ферромагнитных дисков. АЕ РЫТИИ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ20 В устройстве имеется также электростатический конденсатор, пластины которого перпендикулярны плюсам 55 электромагнита и параллельны оси группируемого пучка, Электростатический конденсатор подключен к ис 1 107755Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке линейных ускорителей, микротронов, приборовСВЧ. 5Известное устройство, содержащеелинейно-развертывающий резонатори пластину с прямоугольной щелью,размещенные вдоль общей оси 1.Известное устройство работает 1 Оследующим образом.В развертывающем резонаторе возбуждаются колебания от генератораСВЧ, В качестве резонатора используется отрезок прямоугольного волновода, в широких стенках котороговыполнены круглые пролетные отверстия. При прохождении пучка черезрезонатор производится отклонениепучка поперечным магнитным полемН 1 О 1 волны. Затем пучок подается напластину с прямоугольной щелью, Электроны, соответствующие определенной Фазе возбуждающей волны, пролетают эту щель и формируются в пучок, а остальные тормозятся пластиной. Таким образом, на выходеполучается последовательность коротких сгустков частиц, длина которых пропорциональна ширине щели. ЗОВ данном устройстве уменьшениефазовой длины сгустков достигаетсяуменьшением ширины диафрагмирующейщели, что сопровождается значитель"ной потерей частиц пучка и являетсяосновным недостатком известногоустройства,Прототипом данного изобретенияявляется группирователь пучков заряженных частиц, содержащий,инжектор заряженных частиц, устройстворазвертки пучка и магнитную систему,которые размещены соосно и последовательно друг за дРугом 2.В известном устройстве устройство развертки выполнено в виде элек"тростатического дефлектора, которыйпредставляет собой две симметричнорасположенные относительно оси пучкаметаллические пластины, а магнитная: система выполнена в виде постоянного электромагнита. точнику постоянного напряжения, адефлектор - к генератору пилообразного напряжения.Известно устройство работаетследующим образом,При подаче на электростатическийдефлектор пилообразного напряжениягруппируемый пучок, пройдя междуего пластинами, получает поперечныйимпульс, что вызывает его отклонение пропорционально приложенномунапряжению. Частицы, попадая вскрещенные электрическое и магнитное поля постоянного электромагнитаи электростатического конденсатора,с различным поперечным отклонением,проходят этот участок за различноевремя, Длина участка со скрещенныммагнитным и электростатическим полями выбирается таким образом, чтобы частицы, соответствующая по времени окончанию напряжения развертки , догнала частицу, соответствующую началу напряжения разверткидефлектора. Таким образом, происходит группировка частиц. В известном устройстве фазовая длина сгустков определяется линейностью пилообразного напряжения, приложенногох дефлектору, На малых частотахсоздание линейно-изменяющегося напряжения на дефлекторе не представляетсобой трудности, но при переходек более высоким частотам формирование, такого напряжения затруднено.Зто и обуславливает основной недостаток устройства, заключающийсяв увеличении фазовой длины сгустковна высоких частотах.Целью изобретения является повышение эффективности за счет уменьшения Фазовой длины сгруппированныхсгустков заряженных частиц,Цель достигается тем, что в группирователе пучков заряженных частиц, содержащем инжектор заряженныхчастиц, устройство развертки пучкаи магнитную систему, которые размещены соосно и последовательно другза другом, устройство разверткипучка выполнено в виде резонаторакруговой развертки, а магнитнаясистема выполнена в виде соленоидальной катушки, помещенной в цилиндрический магнитопровод с торцовыми входным и выходным Ферромагнитными дисками, в которых выполне-,ны кольцевые прорези и внутренние77551 4щую линзу 10, выходную кольцевуюпрорезь 11, немагнитную пластину 12,петлю 13 возбуждения резонатора,фазовращатель 14, аттенюатор 15, источник 16 ВЧ-мощности.На фиг. 1 сплошной и пунктирнойлинией показаны также траекториипучка в двух сдвинутых на 180 положениях; на фиг. 3, 4 - стрелкамипоказаны силовые линии электрическогоФЕ и магнитного б полей.Устройство работает следующимобразом.Пучок заряженных частиц, формируемый инжектором 1 (например, электронной пушкой), пролетает резонатор 2через его осесимметричные пролетныеотверстия 3, при этом на пучок действуют поперечные компоненты ВЧ-поля,которые образуются при возбуждениирезонатора через два ввода (петливозбуждения) разнесенных по азимутуна четверть окружности. Через каждый ввод возбуждается колебаниетипа Е, с пучностью магнитного поля на оси, причем за счет фазовращателя 14 осуществляется сдвиг фазмежду. вводами на 90, что обеспечивает круговую поляризацию магнитно-.го поля на оси резонатора. Аттенюатором 15 осуществляют выравниваийемощности ВЧ в каждом вводе. Так какпоперечная компонента ВЧ-поля резонатора вращается с постояннойугловои скоростью ы:ч2 Т(7Т - период колебаний в резонаторе, тоосуществляется круговая разверткас угловой скоростью й в областьвходной кольцевой прорези 4, выпол"ненной во входном ферромагнитномдиске 5, ширина которой меняетсясогласно соотношению 10 з 1 ьйссзз 1 о сгссфз т --1 22// ЫсТ 1+ +4еМЕ- внутренний радиус прорези; Ъ - максимальная ширина прорези; Т - период колебаний резонатора20круговой развертки;Ч - ускоряющий потенциал инжектора заряженных частиц;- расстояние между внутренними поверхностями ферромагнит 25ных дисков, см;с - скорость света;энергия покоя заряженныхчастиц;е - заряд частиц;м - аэимутальныи угол, отсчич30тываемый относительно местас максимальной ширинойпрорези;1=2 ЛФ 1 щ35 где й 1- угловой сдвиг между противолежащими точками с одинаковой шириной прорези входного и выходного ферромаг. нитных дисков.Изобретение поясняется фиг. 1,2, 3 и 4. На фиг. 1 схематическиизображен группирователь пучков заряженных частиц; на фиг. 2 - входной 4торцовый диск с прорезью; на фиг. 3показано устройство развертки; нафиг, 4 - его сечение плоскостью, перпендикулярной медианной плоскости.ойство содержит инжектор 1ных частиц, резонатор 2 круазвертки, пролетное отверсти3 в резонаторе, входную кольцевуюпрорезь 4, входной ферромагнитныйдиск 5, ферромагнитный стержень 6,цилиндрический магнитопровод ,дальную катушку 8, выходнойф рр нитный диск 9, фокусирую 5 з 1 и и л Устр заряжен говой р е части которых соединены вдоль цилиндрического магнитопровода ферромагнитным стержнем, при этом внутренний радиус кольцевых прорезейпостоянен, а ширина входной прорезипеременна в азимутальном направлении,и выполняются следующие условия: где Ь - ширина прорези,в которой соответственно меняется величина радиального магнитного поя, образованного за счет магнитного потока,. который замыкается по цепи: цилиндрический магнитопровод 7, ферромагнитный входной диск 5, входная кольцевая прорезь 4, внутренняя часть ферромагнитного диска 5, ферромагнитный стержень 6, внутренняя часть выходного ферромагнитного диска 9, выходная кольцевая прорезь 11, выходной ферромагнитныйя цы е нымпо проведе что при вып л протяженности ие Фазов ьЧ не что явл Увеличен.сгустков0,01 рад,вел ревосходитется достаточ ин мал оиПол фа частиц меж ками регулирульной катуши полей в обв области дрей магнитными дис ом в соленоида шение магнитнь льцевой входн ду Ферр ется то ке. Отн ласти к=г 2) ,ой щел диск 9 и цилиндрический магнитопровод 7. Если радиальное магнитноеполе во входной кольцевой прорези 4направлено к оси системы, то в выходной кольцевой прорези 11 электроны за счет радиального поля в области входной прорези 4 получаютпоперечные импульсы, касательные кокружности развертки, Затем электроны движутся в магнитном поле, созданном катушкой 8, часть потока которой замыкается по цепи: цилиндрический магнитопровод 7, входной ферромагнитный диск 5, пространство дрейфа между дисками длиной, д , выходной ферромагнитный диск 9, цилиндрический магнитопровод 7. Величинаэтого поля такова, что радиус обращения электронов в этом поле. несколько больше радиуса развертки вплоскости входной кольцевой прорези4, Благодаря выбранному .закону изменения магнитного поля во входнойкольцевой щели, Продолная скоростьчастицы Ч после прохождения входной кольцевой прорези меняется линейно от угла влетаво входную кольцевую прорезь 4 в плоскости Ферромагнитного диска 5, отсчитываемого относительно максимально выбранного значения ширины прорези Ъ,Электрон, попадающий. во входную прорезь 4 с меньшим значением ширины прорези, получает большее значение поперечного импульса, а следовательно, имеет меньшее значение продольной скорости, чем электрон, попадающий во.входную прорезь 4 с большим значением ее ширины, Если параметры устройства выбраны согласно принятым, соотношениям, то электроны, прошедшие во входную кольцевую прорезь в начале и в конце изменения ее ширины, приходят к выходной кольцевой прорези 11 одновременнб. Поскольку поперечные скорости частиц различны, необходимо осуществить сдвиг между противолежащими. точками кольцевых прорезей с одинаковыми и противоположными по направлению полями на величину при этом частицы, провзаимодействовав с полем выходной кольцевой прорези 11, вылетают с продольной скоростью до влета во входную прорезь4, т.е, в пространстве до фокуса Гвсе электроны движутся с одинаковыми скоростями. Фокусировка кольцевого сгустка может быть осуществле на с помощью короТкой магнитнойлинзы 10.При выборе ширины кольцевой про.рези или толщины ферромагнитногодиска а необходимо учитывать влия ние провисающего поля из областипрорези, Дополнительный прирост азимутальной скорости ДЧ, приобретаемый частицей в областирассеянного поля, зависит от,соотношения 20 бЬ . Измерения показывают практически линеиныи спад магнитного поля нарасстоянии В в случае о(2-5)Ь.Наличие ЬЧ приводит к снижению линейности продольной составляющей 25 скорости в пространстве дрейфа, вприближении линейного спада поляв направлении дт прорези для йЧполучается следующее выражение: Ч гЗО ЬЧ;= - 1 р зоагссоз Гт 1 -Ь ргссоз(в 9 с увеличение ширины сгустка выразится соотношением где Ч - полная с 45 Численные расче Формулам показываю ненни условия7 1 й области дрейфа Я определяется формулой .Ф- в 1 со ссо 5 тЦ .н, и.,Изменение величины последнего "соотношения достигается изменением магнитного сопротивления ферромагнитного стержня, расположенного вдоль оси системы, путем изменения воздушного зазора между его частями.Такнм образом, уменьшение фазовой длины сгустков группи уемых частиц по сравнению с прот :.пом достигается тем, что.использование круговой развертки с постоянной угловой скоростью и наличие соленоидальной катушки 8, помеЩенной в цилиндрический магнитопровод 7 с торцовыми ферромагнитными диска 077551 8ми 5 и 9, в которых выполнены кольцевые прорези, ширина которых меняется па определенному закону,позволяет значительно повысить линейность изменения продольной скбростичастиц в пространстве группировки.Использование в виде устройствакруговой развертки цилиндрическогорезонатора с типом возбуждаемых.1 О колебанийр позволяет достичьвысокого постоянства угловой скорости при минимальном энергетическом.разбросе, В данной конструкции развертывающего устройства пучностьмагнитного поля находится на орирезонатора и-пучок, следовательно,проходит в области узла электричес-,.кого поля, что превыШает электрическую прочность устройства и его на- -дежность.