Способ ускорения ионов

(5 ТЕН К АВТОРСКОМУ ЕТЕЛЬСТ У ся границы ви чает создание электронных п превышающей к синхронно движ лов ускорения ронньх пушек, ложенцых вдол а нклюциитью,уальцого кастречной ццж токов с плотнос итическое зцаче ецию ионов вдол из нескольких э последовательноканала ускорен ие,ка) Е.М. Ла ) 621.384 ) Лнторск 67707, кл 6(088,8)е свидетельство СССН 05 Н 9/00, 1966.свидетельство СССРН 05 Н 5/00, 985 лект распояеПрн вторское 63187, к этом в ктро ццьречную путемного пи увел ем днижуще онов электричес рителей,и мож оллективных ри создании ускоых ионов,использовано ей лоложцтел лью изобрететемпа ускор тивцости пут ть ця является увели овьппець н чени эффе жима м обеспечения репосылок.тически п гократнь ац На фиг. 1 схемсположение элек родов и контур ма инин в поперечном на ленточной коцф нитных силовых л сечении устройст гурации, на фиг. веденного провис ктронном пучке канала от прчвед пучка; ца фиг. 3 деление вдоль ле висимость приотенциала в корительно тности ток ннои и нное распр- мгноточных электродовго сеточцогцой плотнонеденцо ринеден катод - сетка пр напряжения 1 и сти тока е- УК) распредго канала на фиг. си ускоряюше вдо ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЮЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗ(54) СПОСОЕ УСКОРЕНИЯ ИОНРВ (57) Изобретение относится к уско тельной технике . Способ ускорения Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к технике ь напранления нцжекцци элепотоков обеспечивают попекомпрессию электронного потока оэбуждеция продольного магнитля. Способ нысокоэффективец чивает темп ускорения. 8 цл . приведенного провисания потенциала в режиме обрааонаннн аиргуалнного канала С (ВК), соответствующее раслределециюр приведенному на фиг,3,ца фиг,5 -распре- Б деление вдоль оси УК магнитного поля с3 веай учетом его полярности (в пренебрежении краевыми эффектамц), на фцг, 6 - проекции осевых плоскостей последовательности отдельных участков ленточного СФ дипольного магнитного поля на перпец Ь дикулярную плоскость, лроходяшую че- ф 3 рез ось 2; штриховой линией локазана ф характерная траектория иона с М == 50 ат.ед., при Е = 1 О В/см, Н2 О Э, стартующего вдоль оси ускоряющего канала (УК) . пеоного участ. а ка с нулевой начальной скоростью;на фиг. 7 - схема одной из секцийустройства для реализации способа,поперечное сечение, на фцг. 8 - тоже, сечение осевой плоскостью 88.Способ осуществляют следующим образом.П р и м е р. На фиг, 1 показаны: К - катод, С - сетка, А - анод, Ч - сеточное напряжение, Ч - анодное напряжение, М - контур магнитных силовых линий. Катод эаземлен. Инжекция электронного пучка (ЭП) в анодное пространство АА происходит через прозрачную для электронов тонкую металлическую фольгу, сетку или уз кую щель.Максимальная плотность тока в пространстве катод - сетка определяется законом трех-вторых"4 ( 2 е Ч ьт3 кс 9 иш с 1 тСС применением оптики Пирса в пространстве сетка - анод производитсяускорение ленточного ЭП вдоль сходящихся по ходу движения магнитныхсиловых. линий, вследствие чего происходит поперечное сжатие (компрессия) ЭП в К = - 1 аэ где Ь- попеЬречный размер катода; Ь и, - лоперечньп размер пучка после сжатия.Таким образом, при выполнении закона непрерывности тока перед влетомв анодное пространство АА плотностьэлектронного тока пучка станетК. Экспериментально в аксиальныхКсэлектронных пушках с магнитным сопровождением получены К )10В пространстве АА между эакороченными анодными электродами при прохождении ЭП будет иметь место провисание потенциала, обусловленное объемным зарядом пучка,На фиг. 2 приведена зависимость 40нормированного ( Ч/ Ч ) потенциала провисания на оси УК от нормированнойплотности тока пучка 3С увеличением плотности тока провисание плавноувеличивается и при достижении критической плотности тока 3, = 8 пучокскачком переходит в новое состояние,при котором между электродами АА образуется виртуальный катод (ВК) с частичным отражением от него электронов, при этом потенциал провисанияпадает до нуля и становится равнымпотенциалу катода. Нормированное значение критической плотности тока оп"ределяется следующим выражением: 553 кЯ 83 кр =3 и 4 2 е Ч где 3- Е и 9 ф ш Ф а где Д - расстояние между электродами АА.При уменьшении плотности тока переход ЭП в состояние без ВК происходит не при 3, а при 11 наблюдается так называемый гистерезис. Потенциал провисания при 33скачком увеличивается до 0,75Поскольку производится встречная инжекция ЭП из двух электронных пушек, то для каждой пушки критическая плотность тока будет в 2 раза меньше (3 р ак 4), Таким образом, чтобы в межэлектродном пространстве АА образовался ВК, необходимо, чтобы каждая пушка инжектировала пучок с плотно 3 Кстью тока 1 - а -- Ъ 4. Переписав3 нэто неравенство в явном виде, получим,ЧсЧ т 1Скргде Ч,=( ) ( ) ЧГс. 4/3 4 ЮСравнивая мгновенные распределения вдоль ленточных электродов катод - сетка нормированного сеточного напряжения Чс плотности тока 3соответствующее им распределение вдоль оси. ускоряющего канала (УК) номированного потенциала (Ч / Ч ) провисания, можно сделать вывод, что в результате нелинейности процесса образования и распада ВК косинусообраэная форма отпирающего импульса сеточного напряжения Ч, бегущего вдоль ленточных электродов К - С, трансформируется в прямоугольную форму распределения провисания потенциала вдоль УК. Кроме того, задний фронт (ускоряющий ионы) ВК круче, чем передний, что от" ражает гистерезисный характер процесса образования и распада ВК.Ширина заднего фронта(границы) ВК, изображенного на фиг. 3, равна Д " Ьс,/2. Это справедливо до энергий ионов : в 4 М МэВ, когда выполняется условие СтацИОНаРНОСТИ Ч 4 С Ч юю (Ч Р т С) е ДЛЯ больших энергий необходимо учитывать уширение фронта за счет конечностийвремени распада ВК ( - в-). В этомь -2 ч,случае ширину, заднего фронта можнооценить, используя выражение1529476 совершан т зстью ч влярном Е ик пу 1 ку цдпр ЛЛРсе дс 43,46 - - 1 сгде Е;=ЕЕЬ,50 55 д чД=11 (2+ - в - -). Так, например, когда2 чеч, = ч , Ь = 0,2 см, де, = 0,4 см, д станет шире исходного (ч = 0) в 3 раза и во столько же раз уменьшится темп ускорения ионов.При наложении продольного магнитного поля на ЭП происходит компенсация электростатических сил объемного10 заряда пучка силой Лоренца (еЕег -ч е Н ) . При этом электроныс дР амкнутый дрейф со скоро- направлении, перпендику- Н, смещаясь в поперечном равлении на величину сЕ еНгде ч = - ; УР Нсе шс 20 Е - среднее значение электрического поля ца границе пучка (ВК). Остальные обозначения - общепринятые . Уширецием границы ВК за счет дрейфа 25 можно пренебречь если Ь ) 2 р . Ое 1 ЕЕ уЛсюда магнитное поле в области УК должно быть 1 (кЭ) ) = 2 410 (- зс (В/см)мсекс Л Ь (см)ее30 Взяв, например, 11 = 0,2 см., Е0 В/см, имеем П ) 5,4 кЭ.Оценивают эФфективность управления ЭП с помощью сеточной модуляции по сравцецинл с ацодцой, Длл этого определяют сеточное цдцрлжецие, полста ВИВ В ВЫРажЕНИЕ ДЛЯ с .Р ЗНДЧЕЦИЯ дс/д = 0,2, К = 00, В результате полУчан 1 т Лс = Ч = 1/00. Таким обскр цразом, сеточная модуляция по крайней мере на полтора порядка эффективнее по потребляемой мощности по сравнению с ацодной, применяемой в прототипе, при одинаковых токах, анодцом напряжении и прозрачности сетки.В отличие от известного способа, 45 где в исходном состоянии ВК создается на всем канале ускорения, в предлагаемом способе аксиальный размер ВК меньше длины скореция Ь, Отношение мощности, потребляемой от электронных пушек в предлагаемом способе,к мощности, потребляемой в известном способе пропорционально - Л /Ь, Следовательно, чем меньше это отношение, тем эффективнее данный способ, Минимальное значение Л можно оценить из условия стациоцарцости, которое имеет вид 1 е ( Т где , - время пролета электроном пространства К - С/дс/ =Я/ч;/Ь/ - время пролета ускоряемь и ионом расстояния Л ч/Ь/ - скорость иона вдоль оси ускорения.Дпя нерелятивистских значений ч.: /ч ( 1 е/е 3 4,66 10 1 Гд Ь Й/М"ъЕ /ЕЛ где Е у - поле, ускоряющее ионы,Е, - поле между катодом и сеткой,начальная скорость иона принималасьнулевой.Для оценки полагают равнымЛес 10 Лс, тогДа Л /Ь - 0,46 1. 1 Е ес Ес дсеМ - масса иона в ат.ед,Подставив,длл примера, д = О,см,Ь = 100 см, Е = 1, М = 50 дт.едЕ = 10В/см; Г, = 1 ОВ/см, имеем1,- 210 . Таким образом в резульВ С утате аксиальцой локализации ВК впредлагаемом способе увеличена мощность электрошьых пушек. Кроме того,КПД устройств , реализующего способ,можно существс цно увеличить, используя диоды с узкими продольцьми щелямидля пролета ЭП, а также осуществиврекупераццю энергии ЭП.Продольная устойчивость иона, уско -ряемого задним Фронтом ВК, обеспечивается автоматически, поскольку величина ускоряющего поля цд Фронте возрастает в направлении, противоположном направлецин 1 ускорецнч. Наличиезаряда в ускоряемом ионном сгустке(заряд мало,возмущает ускоряющее поле) служит стабилизирующим фдктс ром,улучшающим продольную устойчивость.Наличие больших поперечць 1 х (рдпцдльных) электрических полей, срдвцимыхпо величине с ускоряющими полями,обеспечивает в случае ускореццл поповв отсутствие магнитного поля цх поперечную (радиальную устойчгп 1 ость)заключающуюся в том, что цоц, ускоряясь поперек магнитного полл, испы 1529476ч о скорецного а Д Е 1) е от центр эВ), рав отклоне оперечь го канала ИС;оряю размер у-- фокусМ Н ческое поле Е 4 элект иую Е / / В/см,о 1о В/см Для . М Изй, Е1И = 1 О" Э получаем е прибегая к ставости, можно рея ускорения ионов образом,ц це стойч бцз ации у апзовать спог до эцергцй Е. -" 1 Чтобы обесдл эВ оперечную т чивос коряемых ионов и рацичецце ца их предельную энергю,в редлагаемом способе применяетсязакоерееое вдоль оси ускоренияленточное дцпольное магнитное поле,образоцаццое отдельными следующимиодин за другим участками с чередующимся направлением магнитного поля.При этом осевая плоскость каждого последующего участка смещается относительно осевой плоскости предшествующего участка н том же направлении ица такую же величину, что и ускоряеиьп ИС ца предшествующем участке. Вданном случае относительное смещение гьвлет воздействие силы Лоренца(1 1 = ч; к Й)в направлении,пепедикулярном УК, С увеличениемскорости ионов ионный сгусток, (ИС)смещаегся в направлении сипы Лоренца,преодолевая фокусирующее электрическое поле, и при некотором значениискорости уходит из ускоряющего канала, что приводит к поперечной неустойчивости. Благодаря наличию больших поперечных фокусирующих электрических полей до некоторьх значенийскоростей попов можно пренебречь этим 15смещением. Из баланса поперечных сил,с 1 тдначальную скорость иона нулевой, можно оценить величину относитет цого поперечного смещения центраускоряемого ИС от прямолинейной оси УКОИС на 1-м участке (начиная с 1 - 2)определяется выражением й У ч 1-1 о 4 Р торой член под мы можем прн Поскольку при 1 ) 2 корнем меньше едини ближенно записать аЛ . ч;., йЕ 1, 2 ч 4 Р Е дч дчлр ч, дЕприращение скорости энергии иона на 1-м час тке;Г ускоряющее поле;Й У - смещение ИС ца 1 аст ке.Из полученного ныражения следует, что смещение центра ИС на 1-м участке Д У уменьшается с увеличением скорости и, таким образом, обеспечивается поперечная устойчивость ускоряемого ИС. На такую же величину (Й 17) должна смещаться осевая плоскость (+1)-го уастка относительно -го. Направление смещения (1+1)-го участка совпадает с направлением сипы Лоренца, действующей на ускоряемый цоц ца 1-м участке, а поскольку магнитное поле участков периодически изменяет знак, то и смещение осевых плоскостей участков один относительно другого будет зиакопеременным.На фиг. 5 изображено распределение величины магнитного поля вдоль оси УК с учетом его полярности. На фиг6 показаны проекции осевых плоскостей последонательности отдельных участков на перпендикулярную плоскость, проходящую через ось Е. Здесь же штрихоной линией нанесена траектория иона с М = 50, при Р э 10 В/см, Н = 210 , стартующего с нулевой на 4чальцой скоростью вдоль оси УК первого участка.9 15294Обеспечить иоеречну 1 устойчивость ускоряемого ИС можно н результате компенсации силы Лоренца центрос 1 ремительной силой в магнитном поле одного знака.ч Й 1 -- " д1, ч1 д о,1 О При этом проддесс ускорения осуществляется непрерывно, а ось ускорения должна быть криволинейной с изменяющимся вдоль УК радиусом кривизныК =( ) ( - ) ЬМое д с Е д д 152 еН Н(дГлмНедостатком рассматриваемой стабилизации поперечной неустойчивости ускоряемого ИС является конструктивнаясвязь устройства с неопределеннымзначением величины электрического поля Е25На фиг. 7 и 8 показано устройстводля реализации способа, состоящее изпоследовательности отдельных секций,каждая из которых имеет возможностьперемещаться н направлении, перпендикулярном осевой плоскости,Устройство включает подогреваемыйленточный катод 1, сетку 2 большойпрозрачности, электроды Пирса 3, форма и расположение которых определяются в результате расчетов на ЭВМ илимоделирования в электролитическойванне, исходя из требований совпаденияэлектрических и магнитных силовыхлиний, аноды 4 с регулируемым расстоянием между ними и с продольнойщелью, которую можно закрыть металлической фольгой, прозрачной для ЭП,или сеткой, витки 5 магнитной системы,форма и расположение которых, а такжевеличина токов в них определяются врезультате расчетов, исходя их необходимой конфигурации Ни отношениЯ Н к" Г. К,; инжектоР 6, гене Оратор 7 управляющих импульсов иливолны напряжений, представляющих собой, например, нагруженную Лехеровскую линию с параллельным выходомна катоды и сетки электронных пушек,Окончательная геометрия и размерыустройства определяются его конкретным назначением. Так, например,76к 1 личегт 1 гекий л п л ой секции чади ят о г и и 1 й 1 ч ргнп ускоренных иони, их асс, и арядности. Примерные парам. т 1 ь у 1 рой тва, предназначенного лля у. р ния жн 1 в с массой М = 200 ат.ел., , пц - стью 2 = 5 до зерги ОО МВ, напряжение на анодах д= ОО кВ; магнитное поле Н= 01 кЭ рсстояние между анодами= 0,5 см, расстояние между катод и и гс кой= - 0,1 см поперелй размер ВК Ь ,= =(0,2-0,4) см, р зм р ВК вдоль оси ускорения Л х. см; критиче кое напряжение на сетке. 2 кВ, критическая плотность тока ежпу анодами ,1 р "- 2,5 кА/см; полный 1 с к1 дРКу /к/Ь/ / Л /, ускоряющее электрическое поле Еу = 1 О В/см, количество ионов, ускоряемых зас 1 () -,. 10сгде- частота посылок циклов ускорения; длина ускоряющего канала(УК) Ь = 20 см; относительное смещение центров ИС от дрямолииейдой оси УК= 0,14, количество секций - одЭна. Возможна, как и в прототипе, рекуперация знергиии электронов,Процесс ускорения ионов осуществляется следующим образом,Подают напряжение на подогреватели 1 катодов. На зазор катод - сет-ка подают небольшое (несколько вольт)напряжение, заирающее ЭП в исходномсостоянии, Затем включают источниктока и пропускают ток нужной величины через витки магнитной системы, при этом создается расчетная магнитная конфигурация с необходимым отношением Н/Н, = К(гре Н,с магнитное поле на оси УК; 1 - полена катодах пушек) и величинойФН = 10 Э. После этого (или одл ксновременно) на аноды 4 подается высокое положительное напряжение(100 кВ) относительно катода и одновременно с делителя подаются напряжения на электроды Пирса 3. Напряжением на подогревателях устанавливают такую эмиссию катодов, чтобы при подаче на зазор катод - сетка положительного отпираюшего импульса напряжения, величина которого больше 7 к/вежду электродами 4 образовался ВК. При необходимости переход в режим с образованием ВК можно осу1529476 ВК дпицат;:,т , сущгстцеццо меньшей длицы , ускаряни 1 ега кацапа, что умецшдет общий электронный ток пушек а следавдтепьцо, потребляемую мощ, ность и нагрузку цд электроды пушек в 1./, раз по срдццгцию с прототипом.Б Результате цредварительцаи компрессии электроццого отака в: 100 раз умецыиаетсл цлотцасть тока эмиссии 10 15 20 25 30 щгсттц,;ацапцительца, цзмецяя вцет(а 1 ьх 1 ределлх дватисе цдцряжецце и расстояние между диодами 41 ). Затеи производится цдстройкдсамого процесса ускорения. От геце-.рдтард упрдвляницх сигналов ца эдзар катод - сетка подается бегущийрдцаускореццо вдоль катода импу;тьс(цапцд) атпирающего ттапряжеция сцдкртгцческимт,) зцачецем амплитуды. С цомашю блока сицхраштзцтт, электрически свлзаццагос гецгрдтсрам и ицжектором ионов,ц мамецг времени, блдгаприятцый длявацлечетцтя ис цс 1 ц в процесс ускорения,производится сцжекция ионов в аблдстт зддцега фрацта БК, образуемого ц цдчлпг УК тт р спрострдцятищегося затем рд цаускарсцто цдапь оси ускарсццяспицд 11 С - т 1 арядка прадольцога рлзмерд эдпцега 13 рацтд ВК. Средняя пиатцос;ь цсцац 1 1 С 3, мажет состдцпять це:ичтцу г, , и где 1с 1 эедяя пттст 1 ссть эЗсь . га От ц ВК.Скараст, ицжектиро 3 дц,т( апов должа бит пдт 3 яд цдч дп 1 ац фд 3 а ц Оц ска росии уцрдцпянщега 1 мцуяьсд дцряжгция, 110 д васьОГО цд се-к, 1:. ,б 31 чется тдкац темп цозрлстдштя 1 д:агни"тскорости упрат 3 тяюитцх цн 3 пулсатз, чта -бы в катцг ускаритспьцага клцд.3; получтГт 1 .н симдттьцы 1 поток (1, у . ) ускареццьтх иацав, Если устройство состоит из цескспькцх сет(ц, та путем смещец;3 я каждой секции ц цлпрдцлешш действия сипы 1 арап;3, д т(ц ц ттреиестцут ие 1 секции иацэтс пятя ДатагитттгтЬЦД 1 Ца СТРС 1 йн,: СссЕ.и С цепью абеспечеция цат;еречцсй устойчивости ускоряспега ИС, Прт этс м каждая секция фтк струе тс я в тталсж е т 3 ии, при катарам ца ее выходе тзс.:тичиц потока ускореццых иотов стдцацится максимальной при г,еизмеццам злкаце возрдстдция фазавай скорости управляющих ттмпульсав (цалцы).Управление эпектраццьпи патокам с; помощью вцеишего воздействия (сетачцое управттеттие) позвопяет в ддццом способе создать каратктй дццжуттйся 35 1 О 50 вытягиваемого иэ катода, а следовательцо, увеличивается срок службы катодди сетки. Мощцасть, потребляемая от гецератара управляющих импульсов при сеточцом управлении электронным потоком, ца порядки мецьие, чем при ацадцам упрдвлеции, цримецяемам в известцьх способах. В предлагаемом способе дмплитуда критического сетачцога цацряженин, цеобходимаго для обраэовдтияс ( 4 р 1 с. /эВК, в ( в ) ( в) раз мецьше диод(с цагс цдпряжеция, а обИи э.сктраццыйток пушек в Е/д рдз меньше, чем впрототипе. Фсрнулаиэобретецця Способ ускарсцця ионов э:ектрическтм полем дцскущейся грдшшы циртудльцога катода, создаваемого встречной цтжекцией, в ускоряющий кацап перпеппикупярцо его прадальцои оси эл с. т ." 1 э а цплх и О та 1(0 ц с ппа т па с т иГ), прецьиид шей критичЕское зцдчеше, атпичдюитийся тем, чта, с т,епьс павышеция темпа ускорения и эИгктивцости зд счет абеспечеция ражма многократных посылок, ццжек цин 3 электрацов асуиествляют сицхроццо дцижецтю иацац вдаль кацапа ускарецця из нескольких паследацдтельца рдспалсн ешых вдоль кацапа ускореция электронных пушек, при этом цдапь тдпрацттгция ицжекции эпектрацць.х потоков обеспечивают паперечцую канцрессин электронного патака путем цазбуждеция праттольттага магцитного полл.тодписное Заказ 7762/57 Тираж 775 ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКТ О.С 113035, Москва, Ж, РауШская наб., д, 4/5