Способ ускорения ионов

(фТО. РЕЩ Б 1 БАЛИС 1 Г еликов,ступа Волны переброса вередачи, нагруаенноПрепринт ХФТИв 9, Харьков, 1982ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) С.Ь. 01 воп акоп Ассе 1 егаИоп Ь Е 1 есСгоп Веера. - п: 11 Бушров 1 цщ оп Со 11 ес 11 че МеСЬойв оГ Ассе 1 егаС 1 оп, 0 цдпа, БерСещдег 29 - Ос 1 одег 2, 1976, р. 101-113С.Д. Гвоэдовер. Теория электро ных приборов сверхвысоких частот. ГИТТЛ, 1956, с. 95.Э. Скотт, Волны в активных и и линейных средах в приложении к эл ронике, М,: Советское радио, 1977 с. 130,Л.Г. Лымарь.активной линии инеоднородностью.АН УССР, ХФТИ 828 с(54)(57) 1 СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ИОНОВ закяочающийся в том, что на пути ионного пучка создают электронный погок, величина тока которого превыюает порог образования виртуального катода в области ускорения ионов, .о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью упрощения способа путем обес-. печения самосогласованного перемещения виртуального катода н ускоряемых, ионов, виртуальный катод образуют одновременно по всей длине области ;ускорения, инзектнруя электронный поток поперек ионного пучка.Ь 2 Ь 32. Способ по и. 1, о т л и ч а вщ и й с я тем, что ионы инжектируют вдоль области ускоренияв виде сгустков, продольные размеры которых не превышают поперечного размера области ускорения, через промежутки времени большие, чем время пролета ионами области ускорения,3. Способ по пп. 1 и 2, о. т л и - ч, а ю щ и й с я тем, что вблизи границ области ускорения плотности инжектнруемого электронного потока устанавливают выше, чем в остальной1 187его части, в которой плотность электронного потока,З перед инжекцией ионов устанавливают в соответствиис неравенством Р с Р , где Ри 1 - плотности инжектируемогоРэлектронного тока вдали от .границобласти ускорения, при которых про-.исходит самопроизвольное уничтожениесостояния с виртуальным катодом,соответственно для случаев, когда неувеличена и увеличена плотность инжектируемого тока вблизи границ об"ласти ускорения.Изобретение относится к ускорительной технике и преимущественноможет быть использовано при созданииускорителей положительных ионов, основанных на ускорении полями, возбуждаемыми в потоке электронов,Целью изобретения является упрощение реализации способа ускоренияионов в виртуальном катоде (ВК)электронного потока за счет самосогласованного перемещения его границысинхронно с ионами,На фиг, 1 изображена схема устройства, в котором может быть полученораспределенное состояние с ВК; нафиг. 2 показана зависимость от продольной координаты значения потен.циала в плоскости симметрии областиускорения - ускоряющего канала (УК)для случая, .когда в УК создана волна перехода между состояниями с ВК ибеэ ВК; на фиг. 3 изображена зависимость приведенного минимального значения потенциала отприведенной величины плотности тока инжекции длясистемы электродов, изображенной нафиг. 2; на фиг. 4 показана зависи.мость приведенного значения потенциала от расстояния от центра УК длясистемы электродов, изображеннойна фиг. 1; на фиг. 5 представленлример устройства, реализующего способеВ отличие от известного способа Япо предлагаемому способу виртуальныйкатод (ВК) образуют одновременно повсей длине области ускорения, инжектируя сверхкритнческий электронныйпучок (ЭП) поперек него.Ионы можно инжектировать вдоль УКв виде сгустков, продольные размеры 5которых не превышают поперечный размер УК, через промежутки времени большие, чем время пролета сгустком УК.Вблизи границ УК плотность ннжектируемого ЭП может быть установле О на выше, чем в остальной его части,в которой плотность ЭП З перед ннжекцией ионного сгуста (ИС) устанавлива"ют в соответствии с соотношениемЗр, 3 3 Р где 3 и 3 Р, - плотностиЭП вдали от границ УК, йри которыхпроисходит самопроизвольное уничтожение состояния с ВК в УК соответственно для случаев, когда не увеличенаи увеличена плотность инжектируемого о тока вблизи границ УК.Благодаря тому, что в УК по всейего длине в ЭП образовано состояниес ВК, возможно создать волну переходаЭП иэ состояния в ВК в состояние без 25 ВК, которая распространяется в УКот входа к выходу, и полем этой волныускорять ионы.Обоснование предлагаемого способаможно провести на примере устройства 3 плоской геометрии, схематически иэображенного на фиг. 1. Здесь 1 - катод,2 - сеточный анод, 3 - коллектор,4 - ускорительный канал, 5 - источник питания. Электроны, ускоренныев зазоре катод - анод, проходятсквозь сеточный анод 2 и попадают впространство дрейфа между анодом и126 31181 коллектором, которое является УК, поскольку в этом пространстве в дальнейшем происходит ускорение ионов.Поведение ЭП в УК устройства фиг. 1 теоретически исследовано (на пример, 21).Состояние ЭП в УК определяется величиной плотности инжектируемого в него тока (при заданных неличйнах Й и 1 ц эту величину, как известно, можно изменять в пределах от нуля ло4 2 е п 13,,)= - е ( - )где е и ш9ш й ет место гистерезис состояний.В случае, когда слева от плоскости х-"О создано состояние беэ ВК, соответствующее некоторому значению 1 из интервала гистерезиса, а справа состояние с ВК, соответствующее тому же значению ) , изменения могут прозаряд и масса электрона; , - электрическая постоянная, изменяя темпе 5 ратуру и соответственно эмиссионную способность катода).На фиг. 3 приведена зависимостьф 11величины 11 = , где О - минимальноеОазначение потенциала в УК, от величины ) = 1 - , где,1 - плотность инжек,)втируемого сквозь анод тока;4 2 е1.1 а= - Еа( в ) 1 . На фиг. 4 прн 9ш 0ведены распределения потенциалаЪв УК (зависимости 11) для некоторых фиксированных значейий ) , обозначенных буквами А,БЗ на фиг. 3.30 исходить только на границе состояний,так как вдали,от границы имеют местоуже описанные устойчивые состояния.Поведение границы между состояниями в рассматриваемой системе еще не исследовалось, однако имеющийся обширный материал о поведении аналогичных систем с гистерезисом состояний (например, Я ) позволяет сформулировать общие закономерности поведения таких систем: 1) в однородной системе граница между состояниями движется с некоторой постоянной скоростью - одно нз состояний поглощает другое; 2) винтервале гистерезиса имеется некоторое равновесное значение параметра, определяющего состояние системы, при котором граница неподвижна; 3) при11переходе параметра через равновесное" значение меняется знак скорости движения границы, при этом скорость тем выше, чем больше значение параметра отличается от равновесного. На фиг. 3 видно, что если увели 4чивать ) от нуля до 8, О монотонноуменьшается по кривой АБВГ. Для состояний на этой кривой все инжектируемые электроны пересекают УК, При З 5=8 Э 11 за время, сравнимое с временем пролета электрона через УК, необратимо переходит в состояние Д(фиг. 3). После такого перехода сос,1,тояния ЭП при,)4 описываются линией ЕДЖЗ (фиг 3). Характернойособенностью этих состояний является наличие электронов, которые не,пересекают УК, а возвращаю,ся наанод, как если бы они были кспущены 45катодом, расположенным в месте,где11 =О, т.е. равен потенциалу реального катода. Эти состояния называются состояниями с ВК. Как видно изкривых Е,Д,Ж,З (фиг. 3), положение 50минимума потенциала у; =Х") и при% 1) Ф4 у -ф - . При ) =4 ЭП за время,2сравнимое с пролетным, нЕобратимопереходит в состояние Б (фиг.3) .- 55состояние без ВК, при этом У увели 3чивается от нуля до 4,Если )ф =,)ф и граница между состояРФниями неподвижна, то при Д ;,) граница движется влево, состояние с ВК поглощает состояние беэ ВК, а при ,) (,1 граница движется вправо, состояРние беэ ВК поглощает состояние с ВК. Поскольку значение потенциала в состояние с ВК, как это видно на фиг. 3 и 4, киже, чем в состоянии беэ ВК, на границе состояний имеет место перепад потенциала (фиг, 2)Этим перепадом можно ускорять положительные ионы, если использовать волну,11 при,которой состояние без ВК . наступает" на состояние с ВК, т.е. волну,с " фкоторая имеет место при 4 с,) -,) р Увеличение фазовой скорости волны, необходимое для синхронизации движения волны и ИС, очевидно может быть достигнуто уменьшением величины,) Как видно иэ Фиг. 3, каждому эначению ) в интервале 41 с 8 соответствуют два различных состояния ЭП -состояние беэ ВК и состояние с ВК.В зависимости от предыстории изменения ) поток существуетлибо в одном, /либо в другом состоянии, т.е. име 5 26(, увеличением разности ) - 1 ф ) по некотрому закону от входя к выходу УК,Если я зазоре катод"анод величина тона ограничена законом "три вторых",4, 2 е ф цт,е.,)(х)= - Е ( в ) в - , то59 а р) 1) рь (х) В(х(х)= ) =Отоодв следуЮ ет, что изменение величины ) (х) и соответственно фаэовой скора)сти может быть достигнуто подходящим выбоом з висниости -(ИПродольная устойчивость в поле перепада ИС; который при выбранной ,геометрии ЭП представляет собой однородный по оси х цилиндр, обеспечивается такии же образом, как и в классических линейных ускорителях, если цент ИС находится правее мак 3 осимума - в- максимума электрического поля йерепада (предлолагается, что заряд ионного сгуста мало воз.мущает ускоряющее поле). Поперечная устойчивость ИС обеспечивается полем объемного заряда ЗП.25Наличие объемного заряда у ИС равноценно уменьшению плотности заря-, да ЭП в месте нахождения ИС. Это приводит к тому, что в присутствии ИС улучшены условия для образования 30 состояния беэ ВК и оно .начинает "наступать на состояние с ВК быстрее, Добавка к скорости ЕЧ зависит от того, в каком иесте относительно перепада находится ИС, При этом необхо- З 5 димо учитывать (и расчеты на модели подтверждают это (4 совместное действие как величины возмущения ЭП .зарядом ИС, которое тем больше, чем больше плотность заряда ЭП в месте 40 нахождения ИС, так и величины неоднородности ЗП в этом иере, характернзуевой пропзвоцпой-( если3)(ИС находится далеко слева или справа от перепада, где 1 в -, =О, то воэ808иущение ЭП ИС симметрично по х инет причины, по которой перепад дол)кен двигаться быстрее или медленнеев каком-либо направлении). Из изложенного получается следующая качественная зависимость величины ЬЧ от положения ИС относительно перепада лри приближении ИС к перепаду слева ЬЧ сначала возрастает,так как растут и плотность ЭП (плотность ЭП в состоя нии с ВК выше, чеи в состоянии безд(ВК) и величина 1 в , в иесте макси ах 87 Ь)мума неннчцн .1 ц,н)тцость ЭП вседхеще воэрастдет, поэтому ЬЧ несколько подрастает после перехода.коорднднаты где - - максимален затема.%ЬЧ достигает максимального значениялрн некоторой координате и при даль"нейшеи перемещении ИС дальше вправоспадает до нуля, так как плотностьзаряда достигает насыщения, а величинаЮГхПри описанной зависимости добавки к скорости движения перепада отположения ИС система перепад - ИС устойчива прн положении ИС слева отположения, где ЬЧ максимально. Есликакое-либо возмущение смещает перепадвправо (влево) от равновесного положения, то в новом положении ИС скорость перепада больше (меньше) и онначинает уходнть вправо (влево), по-,ка ИС не займет равновесное состояние, Наличие такой устойчивости позволяет снизить допуски на точностьзадания зависимости скорости перепада от лродольной координаты,Из изложенного следует,что еслицентр ИС раслоложен между хоординатад ж.)ми где - махсимален н ВЧ максиЭхмальца, та устойчивы ках фариа ИС,тах и его положение относительноперепаДа,Можно отметить, что максимальная скорость движения ускоряющей волны ло крайней мере сравнима со средней скоростью движения электронов в УК, т.е. таким способом можно ускорить протоны до энергий порядка 00 МэВ. Можно также отметить, что переход из состояния с ВК в состояние беэ ВК, лроисходФщнй в неограниченной системе при,)"=4 т одновременно во всех тачках системы может рассматриваться как происходящий с бесконечной фазовой скоростью.Рассмотрим устройство с конечными размерами (фиг. ), у которого все электроды - прямоугольники с раэмерамн 1 )( и 1-, и исследуем влияние границ, Ограничецное устройство иожно представить себе как вырезанное из системы с бесконечными электродамн линией, которая лдрдллельна оси у и перемещается ла хацтуру прямоуГольника со стор(цдмц 1 ц 1-. Если187 Втеперь заменить удаленную часть сис- ма боковых торцов, Проблемы боковых темой электродов, которые подобно то- торцов, очевидно, нет ия устройстму, как это сделано в пушках Пирса, ве; где цилиндрический катод окружасоздают на границе (месте разреза) ет цилиндрическую сетку-анод и где распределение потенциалов, котороеУК является пространство внутри аноимеет место в неограниченной системе, да.то оставшаяся часть потока не будет Существенность отличий предлагае"чувствовать" разреза и поведение мого способа обусловлена тем, что такой ограниченной системы не будет инжекцией сверхкритического ЭП по" отличаться от безграничной. . 10 перек УК формируют перед инжекциейЕсли ограниченная система не име- ИС распределенное по всей длине УКет таких окаОмляющнх электродов, воэ- состояние с ВК и тем самым создаютникает различие в поведении ограни- условия, когда в УК может,распростчецной и безграничной систем, даже раняться от входа к выходу ускоряюесли выполнено условие 1 Ю и 3 м В. 5 щий перепад потенциала, ДвижениеПри увеличении ) . состояние с ВК об- этого перепадя является результатом%разуется при 1 , практически равном перехода ЭП в более устойчивое сос 8, как и в безграничной системе. Воз- тояние и не требует какого-либоникает Оцо прежде всего в централь- переменного воздействия на ЭП извненой части устройства, где влияние 0 во время ускорения, Ускоряемый ИСкраев меньше, и, возникнув, распрост- оказывает в определенных пределахрацяется к краям, Так как ца краяхсицхронизцрующее воздействие на поЭП огРаничен, влияние объемного зар ложение перепада, в Результате чегода здесь Ослаблено, состояние без ВК ускорение носит самосогласованныйвозникает при уменьшении величины 2 характер.раньше, чем в безграничной сцстеВ качестве примера конкретноговыполнения способа можно рассмотретьа границах, это состояние раслростслучацу который Реализуется устройТаким образоЗ стве, изображенном ца фиг 5 Здесьо разом, в этом случае веливведены дополнительные (к фцг, )и а 3 -,) с, - , поэтому максимальцая скорость движения перепада ц озцачецця 6 подогреватель катоответствецно ионов, которую можно пода основной сек ци 7 - и годо ревалучать в таком устройстве мен е ель катода дополнительной секцииИз изложенного следует, что в ццжектор ионов, 9 - подогревательинтересной;.ля целей ускорения по - катода входной секции. Это устройство" " может быть либо аксиально-симметричительных ионов области 4 с, :,) сос- цым щцым (аа - ось вращения, ускоряемыйИС - фигура, блц к эллипсоиду,либо плоским (аа плоскость снимети поэтому, чтобы получать состояние с" - 4е с- и соответстриц, ИС - стержень), либо представвенно .Наибаи ольшимц скоростями движелять собой аксцальцо-симметричную фиепада, нео ходцмо создатьгуру, которая получается, если телоподходящцизображенной геометрии вращать воодходящие условия ца границе. Помцисанного спосо а выравци аа / и цахо цбкруг оси, которая параллельна осивания потенциала цаа и находится на расстоянии ВРщью окайкпяющих электродов можетот цее (аа - цилиндр радиуса В,быть предложен способ создания вблизи края более плОтнОГО слОЯ элект 0 нов котот рыи может ыть получек лисимметрии, поскольку именно этот слубо уменьшением расстояния. между каточай был обсужден выше. Как ви новид о издом н анодом ца фм ца периферии устройства,фцг. 5, все варианты устройствалибо увеличениеелцчением температуры катодаф осуществляют, в отличие от рассмотвблиэи еглиэи его границ,ренного ранее случая, встречную инжекццю электронов. Это дозволяет проЕсли устройство, составленное изизводить рекупераццю энергии ЭП иплоскостей с азме амн 1р змерамн 1 и 1 , свер- ,улучшает симметрию ускоряющего понянуть так, чтобы совместить переднийотносительно ьь в плоском и кольцеторец с задним, то отпадает пробле- вом вариантах.1 О секции создают условия, когда ИСинициирует ускоряющую волну, и затемрегулировкой токов эмиссии во всехсекциях настраивакт систему на наилучший режим ускорения. Средняя плотность ионов в инжектируемом сгусткеЙ; может составлять величину Я;с-0,1 йе, где йе - среднее значениеплотности электронов в УК.Вышеизложенное позволяет сделатьвывод,что предлагаемый способ можетбыть реализован в простых устройствах, для работы которых необходимылишь генератор 5 импульсов с плоскойвершиной и инжектор 8 ИС.Характеристику технико-экономической эффективности заявленного объекта изобретения рассмотрим в сравнении с прототипом. Предлагаемыйспособ бслее прост в реализации,так как в нем отсутствуют элементы,которые извне управляют положениемВК в прототипе: мощный импульсныйлазер и световоды, Следует отметить,что в способе, принятом за прототип,неясно, будет ли нести себя желаемым образом система компенсирующийионный фон - сверхкритический ЭП,поскольку именно в этих условиях могут иметь место различные вариантыдвухпучковой неу:тойчивости, ликвидация которых может оказаться либоневозможной, либо может потребоватьдальнейшего усложнения способа.1Для иллюстрации возможностей способа можно привести параметры устройства,которое подключается к типичному высковольтному генератору коротких импульсов (1 МВ, 30 кА, 20 нс).смО,5 см,Р=1 5 см. Критическое значение плотфности тока, при котором исчезаетсостояние с ВК, составит примерно1 кА/см , соответственно полный ток225 кА. Если применить рекуперациюэнергии электронов и сетки с прозрачностью 957 то потребляемый от генератора ток может быть уменыпен примерно на порядок, Энергия ионов навыходе такого устройства составити имерио 15 МэВ при числе ускоренныхР14эа импульс ионов 1 О Предлагаемый способ, в отличие от прототипа, позволяет производить ускорение ИС последовательно в нескольких расположенных соосно друг за другом секциях, Увеличение количества ИС, ускоряемых в устройстве.9 126318Считается, что расстояние междукатодом и анодом б=,сопвС эависимость Э(х) задана либо расчетом наЭВМ, либо найдена эмпирически (в неоптимальном режиме устройство можетработать и при О=сопв 1 ), анод заземлен, ускоряющий электроны потенциалприкладывается к катоду,Для того, чтобы в устройстве можно было создать по всей длине состояние с ВК необходимо, чтобы по всейдлине УК было выполнено условией"18 Р(х), гогда максимальная плотность тока, которую можно получитьв промежутке катод - анод в условиях 15законатри вторых превысит крити%ческие значения 1 =8.Для получения эффекта ускоренияионовподают напряжение на подогреватели 6,7,9 катода (фиг5) и уста" Онавливают эмиссионную способность катодов такой, чтобы при значении ускоряющего ЭП потенциала меньше номинального (Ос 11 ц) в УК образовывалосьпо всей длине состояние с ВК и при 25номинальном значении ускоряющего ЭПпотенциала (3=Ц) для величины инжектируемого тока выполнялось условиебс",) р, (фиг, 3).Паличие и распределение состояния ЗОс ВК по длине УК может быть проверено измерением распределения потенциала вдоль УК, которое может быть проведено с помощью ИС. Для этого подаютнапряжение Б-Ц на катод и одновременно .инжектируют ИС. Затеи выключают напряжение на катоде при различных положениях ИС в УК. Прирост энергии ИС равен глубине потенциальнойямы в том месте УК, где находился 4 ОИС в момент выключения ЭП. При наличии состояния с ВК максимальный прирост энергии ионов сгустка равен еЦ,где О - потенциал катода,Величина ) определяется, как45р 1значение ) , при котором в УК исчезает состояние с ВК при условии,что эмиссионные способности входной,основной и выходной секций катодаодинаковы (одинаковы их температуры). После определения величины )путем повьппения температуры входнойи выходной секций увеличивают в нихплотность инжектируемого тока и получают значение плотности тока инжек% Впропадает состояние с ВК )р 5 рПодстройкой тока эмиссии во входной111263187 )гэаданной длины, поэяоляет увеличить полнения, возмозно увеличение КПД ток и КПЛ устройства. Кроме того, устройства за счет рекуперации энеркак видно из примера конкретного вы- гии ЭП.1 263187 Составитель А. НестеровичЮрчикова Техред 0 Гортвай Корректв Шеки едактор аказ 33 о е вв евеввев 4 вввв вев вевПроизводственно иолнграфическое лреднриятие, г. Укгород, ул. Проектная, 4 Тиранк 6 ЗНИИПК Государстве ио делан изобре 313035, Москва, В Подписого комитета СССРний и открытийРаушская наб., д. 4