Способ модуляции релятивистского пучка заряженных частиц

 

СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ РЕЛЯТИВИСТСКОГО ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, включаюпщй операцию проведения трубчатого пучка через волновод, в котором возбуждают СВЧ-поле, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью уменьшения длины пространства группирования и уменьшения необходимой СВЧ-мощности при модуляции пучков с токами , не превышающими 100 А, в волноводе возбуждают симметричную волну типа HO и накладывают постоянное внешнее продольное магнитное поле с индукцией, определяемой неравенством ., 84 д t з к---- г ТГ m Е f индукция магнитного поля, Тл; где а е tti заряд частиц, Кл; масса частицы, кг; напряженность азимутальной Efi электрической компоненты СВЧ-поля, В/м; (Л Д1- расстояние от среднего радиуса трубчатого пучка до стен ки волновода, м, а на выходе из волновода пучок пропускают через коллиматор. Од со о 00

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГ1УБЛИН

SU 111 903 511 1 Н 01 3 25/00

1 (1

t у дщЯЯД

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

s å 1 — Е и t)rnEq

° Ф °

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

llO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3454970/18-21 (22) 18.06.82 (46) 07. 12.85. Бюл. М 45 (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им. С,M.Кирова (72) С.А.Новиков и Ю.Г.Юшков (53) 621.385.6(088.8) (56) Гайдук В.И. и др. Физические основы электроники СВЧ. M., "Сов. радио", 1971, с.34-44.

Вальднер О.А. и др. Линейные ускорители. M., Атомиздат, 1969, с. 35-46. (54)(57) СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ РЕЛЯТИВИСТСКОГО ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, включающий операцию гроведения трубчатого пучка через волновод, в котором возбуждают СВЧ-поле, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью уменьшения длины пространства группирования и уменьшения необходимой СВЧ-мощности при модуляции пучков с токами, не превышающими 100 А, в волноводе возбуждают симметричную волну типа Н, и накладывают постоянное внешнее продольное магнитное поле с индукцией, определяемой неравенством где Ь вЂ” индукция магнитного поля, Тл; е — заряд частиц, Кл; т — масса частицы, кг;

Š— напряженность азимутальной электрической компоненты

СВЧ-поля, B/ì;

At - расстояние от среднего радиуса трубчатого пучка до стен ки волновода, м, а на выходе иэ волновода пучок пропускают через коллиматор.

111б903 торе запишется так

Здесь с)—

Изобретение относится к обласги релятивистской электроники и может бьггь использовано для формирования потоков заряженных частиц с целью их использования в мощных электронноволноных приборах СБЧ, Известен клистр нкый способ группировки частиц пучка, который заключается н том, что электронный поток, промодулираванный па продольной скорости „, при своем дальнеишем движении н этом же направлении приобретает модуляцию по плотности. Периодическое изменен ие скоростей частиц осущестнляетс.я с помощью палого резонатора, н котором направление электрических силовых линий совпадает с направлением продольной скорости и который возбуждается от внешнего генератора СВЧ. Приращение кинетической энергии частицы в резона5 н 8/

8/й

eiJ 5 круговая частота СВЧ поля; угол пролета; начальная скорость частиц; амплитудное значение напряжения в пролеткам зазоре резонатора; напряженке на инжекторе, связанное с начальной энергией формулой bl = U (эВ) .

Рассмотрим характеристики дакного способа для модуляции пучка с энергией в кескалько мегаэлектроннольт, например М4 10 МэБ. Тогда Ц =10 NB.

0 „ ограничено электрической прочностью резонатора и для пролетного зазора 3 см составит не более

U 400 кБ.

Поскольку пучок релятивистский, то и- С и при < 0 прирост составит

flL < 400 кБ, Соответствующий прирост — (у скорости частиц н РЭП будет А" =4-10 с

2 i@ и длина Участка дРейфа l,< - 2ра и) 1

Тогда очевидными недостатками клистронного способа для группировки РЭП будут, во-первых, необходимость использовать СВЧ-генераторы мощностью

5 ИБт для создания высоких уровней полей B тороидальных или цилиндрических резонаторах и, но-вторых, слишком большая длина участка дрейфа, что делает установку неудобной н эксплуатации и ставит дополни5

45 гельные сложные задачи по транспортировке пучка.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ модуляции пучков заряженных частиц, основанный на длительном взаимодействии частиц с продольной электричес-. кой компонентой СВЧ-поля Е „„ волны в замедляющей структуре.

К замедляющей системе, работающей на ГС,1 волне, СВЧ-мощность подводится в течение времени инжекции импульса тока. Если частица инжектируется н систему н ускоряющий нолупериод нолн, то она доускоряется и в процессе движения вдоль структуры опережает равновесную фазу. Это означает, что частица попадает н область замедляющего поля, тормозится и попадает в область ускоряющего поля и т.д. Такие же колебания испытывает частица, инжектируемая в отрицательный палупериод. Таким образом, группировка продольным электрическим полем в замедляющей структуре с постоянной фазовой скоростью волны происходит в процессе колебаний вокруг равновесной фазы, Группировка осуществляется с частотой, соответствующей частоте используемого высокочастотного генератора и достигающей величин вплоть до f 10 ГГц.

Недостатком этого способа для группировки релятивистских пучков является большая длина группирующего участка, а также необходимость использовать СВЧ-генераторы, мощность когорых сравнима с мощностью пучка.

Например, для группировки в волнонаднай секции продольной компоненЗ/т . той электрического поля 1 1 A(f Ук ) у где 1 — длина секции; „ — относительная начальная скорость частиц е„= V„(c; c — скорость света;

А — длина волны генератора; относительная амплитуда напряженности ускоряющего электрического поля, равная A =2 для максимально достижимых полей, ограниченных пробойными явлениями.

Для энергии частиц в пучке 4„ х 10 МэВ и 4 =-10 см длина волноводной секции должна составить

10 м. При такой длине, ускоряющем поле Е„, 15 MB/м и сравнительно небольшом импульсном такер „=10 А потребуется мощность СВЧ-источника

P„„„5 10 Вт, Поэтому описанный т

1116903 выше способ модуляции экономически невыгоден.

Целью изобретения является уменьшение длины пространства группирования и уменьшение необходимой СВЧ- 5 мощности при модуляции пучков с токамии, не пр е вышающими 1 00 А.

Цель достигается тем, что, в слов собе модуляции релятивистского пучка заряжеиных частиц, включающем 10 операцию проведения трубчатого пучка через волновод, в котором возбуждается СВЧ-поле, в волноводе возбуждают симметричную волну типа Н и накладывают постоянное внешнее про- 15 дольное магнитное поле с индукцией, Ь 6Ь определяемой неравенством q c сз, zòã где б — индукция магнитного поля, Тл;

E — заряд частиц, Кл; 20

nt — масса частицы, кГ;

Š— напряженность азимутальной

У электрической компоненты

СВЧ-поля, В/м; — расстояние от среднего ради- 25 уса трубчатого пучка до стенки волновода, м, а на выходе из волновода пучок пропускают через коллиматор.

Рассмотрим процесс модуляции на примере трубчатого электронного пучка. Электронный пучок проводят в волноводе, в котором возбуждают СВЧ-волну H q -типа. На участок взаимодействия пучка с СВЧ-полем волны накладывают продольное магнитное поле индукцией Ь . При равенстве скорости пучка »/р и фазовой скорости Ч,р волны я = »/р С (так как пучок релятивистский) поперечное движение частиц мож- 4р но рассмотреть в движущейся системе координат Ч» = Y . B областях максимальных значений аксиальной электрической компоненты СВЧ-поля Е р остальные компоненты Им волны отсутствуют, 45 и движение частиц происходит в скрещенных электрическом и магнитном полях. Траектория движения электрона вдоль радиуса имеет характер циклоиды, средняя скорость составляет Y„=Å »1, i В, 5О а направление зависит от взаимного направления векторов 5 и Е . Если векторы E.,S Y. образуют правую тройку, то электроны смещаются в сторону увеличения радиальной координа- 55 ты. В противном случае электроны дрейфуют к центру в обратную сторону.

g, постоянно по величине и по направлению, а,р имеет противоположные направления на расстоянии половины дли6С ны волны в волноводе г - 1 =, . Взаимодействие пучка с электромагнитным полем приводит к тому, что электроны, находящиеся в пучке на расстоянии Jg/2 по оси, смещаются в противоположные стороны. Модулируя, например, трубчатый пучок, на выходе волноводной секции длиной »- будет иметь гофрированный пучок с глубиной гофра 2И=

=Е,р р(./(6,1/ь ), где » Z. — радиальное отклонение частиц пучка. Вследствие переменной площади поперечного сечения гофрированный пучок будет иметь модуляцию по плотности. В большинстве электронно-волновых приборов СВЧ используется сгруппированный по оси пучок, представляющий собой последовательность периодически следующих сгустков определенной длины. Пучок такого типа получается, если модулированный по данному способу пучок пропустить через коллиматор на выходе из волноводной секции. При этом из пучка удаляются электроны, получившие отклонение в сторону стенки волновода. Пропущенный через коллиматор пучок будет иметь 1ОО глубину модуляции при уменьшении первоначального тока не более, чем на 50 .

Уменьшение длины группирующего участка и снижение требуемой мощности СВЧ питания физически объясняется тем, что мощность СВЧ в предлагаемом способе расходуется на изменение поперечной скорости заряженных час- тиц, начальное значение которой Ч й0, при неизменной дрейфовой скорости

Y + <. В прототипе, напротив, модулируется продольная скорость частиц Ч„

А группировка релятивистских пучков за счет модуляции продольной скорости V к с требует высокого уровня

СВЧ-мощности и большой длины группирующего участка.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение пучка и волновода в плоскости -const, показано распределение

E+(t) и направление силы, действующей на электрон. На фиг. 2 изображено продольное поперечное сечение промодулированного потока. На фиг.3 приведено схематическое изображение устройства, реализующего данный способ, взятого в качестве примера.

На фиг. 1 и фиг. 5 построены графи20

25 плазменной частоты ки траекторий электронов пучка при различных значениях P ..

На фиг. 1 обозначено; 6 — вектор индукции магнитного поля, Еч — азимутальная составляющая электрического поля но,)ны; Š— результирующая сила, действующая .на электрон. Орты цилиндрической системы координат

Ъ -+ образуют правую тройку (z, р, g ) .

Здесь же приведен график р спределения Е, (Z ) в интервале (o,p,), где радиус внутренней поверхности волновода. В изображенном сечении сила, действующая на электрон, направлена в сторону увеличения радиальной координаты. Поэтому при совпадении скоростей ) и = Y элект— рон при движении вдоль волнонода смещается к стенке волновода.

На расстоянии Л.6 /2 по оси Z от сечения, изображенного на фиг. 1, Е, меняет знак, и сила, действующая на электрон, будет направлена н другую сторону. Все электроны„ находящиеся н этом сечении, смещаются к центру.

В случае модуляции трубчатого пучка, на выходе структуры получим гофрированный пучок, продольное 30 поперечное сечение которого изображено на фиг. 2.

Ограничение тока пучка величиной

Т 100 А вызвано необходимостью проникновения СВЧ-поля внутрь пучка.

Известно, что скин-gQ$exò проявляется на частотах близких или меньших где y — релятивистский фактор; концентрация частиц н пучке.

Для пучков с токами (=(10-100) А концентрация составляет и =(0,18—

1,8) 1/см, а д1 =(0,1 — 0,4) П ц.

При таких условиях СВЧ-поле полностью проникает в пучок, так как 3, .,>>)1 приблизительно н десять раз.

Выберем систему координат, днижущуюся с релятивистской частицей.

Тогда движение происходит только в плоскости L const при условии, что продольная координата л. соответствует максимуму Е электромагнитной волны. В э :ой плоскости остальные компоненты волны равны нул:н 1 = Е,=О, Поперечная скорость невелика и для нее релятивистской поправкой можно пренебречь. Записав вектор4 ное произведение ч,g) н выражении для силы Лоренца в цилиндрической системе координат, получим еВ

{ г гпту

a е ;(1 еь >one dt

Здесь f, z — аксиальная и радиальная координаты.

Траектории частиц, рассчитанные по этим уравнениям для различных значений радиуса циклотронного вращения

К, =) Е+ (e 2) и соответственно для различных 5 изображены на фиг. 4 и фиг. 5. Фиг. 4 относится к плоскости

g-const в которой векторы Г,У, образуют левую тройку (электроны дрейфуют к центру). Фиг. 5 — к плоскости, -+ + в которой Е, $, z образуют правую тройку, а электроны при этом дрейфуют от центра. На фиг. 4 и 5 изображено поперечное сечение трубчатого пучка, проходящего внутри волновода, d, б,с, d — расчетные траектории. Кривая 5 соответствует К = AX/211 или

B- " 2. )1 m Е < ((e. e, где д Z = К- Ъ п "„К I ° ннутреннии радиус нолновода; — средний радиус трубчатого пучка, Кривая с на фиг. 4 и фиг. 5 соответ - ствует Е = z/4 11, кривая 4 — К = А /<Й.

При 1 )= Л1/11 (криная 4 ) частицы, смещающиеся к центру, незначительно изменяют свою радиальную координату и получают большой прирост аэимутальной составляющей скорости )(,„. Для модуляции, напротив, необходимо наибольшее радиальное смещение, и этому условию наилучшим образом удовлетворяют кривые, с, d полученные при условии

Выбирать значение & > ® н1 Е 1а д < смысла не имеет, так как эго приводит к увеличению энергетических затрат на возбуждение внешнего магнитного поля и увеличению необходимого группирующего участка, а траектории частиц при этом будут весьма близки к кривой 4

Таким образом, самые подходящие значения 8 для предлагаемого способа лежат в интервале

1116

Например, требуется промодулировать трубчатый пучок электронов с энергией частиц л/ 10 МэВ и сред5 ним радиусом „ 3 см. Ток не превышает 100 А. Энергия частиц и радиус c„ -исходные параметры. Поперечные размеры пучка определяют по данному способу необходимый радиус поперечного сечения круглого волновода 9 и таким образом частоту СВЧ-генератора 1, и частоту модуляции j Для того, чтобы с„ совпало с координа15 той максимума азимутальной составляющей Е, (г) волны Но„, необходимо использовать 4 =-6 см. Связано это с тем, что распределение E>,(z) описывается как f+(z) j, (p, a I I ) где I — функция Бесселя действи20 тельного аргумента первого порядка; первый корень функции Бесселя, удовлетворяющий соотношению

J (P>q) =О. Радиус волновода Ц =б см

25 соответствует 10 см диапазону длин волн и, =,„3 ГГц. Для осуществления группировки радиальная координата части электронов должна увеличиться на ьr

В волноводе Е « =(1-3) ЙВ!м большая напряженность нецелесообразна ввиду ограниченной электрической прочности устройств возбуждения

903 8 участка волновода 2 и соосно с группирующим участком, который расположен внутри соленоида 6. На выходе волновода 2 расположена диафрагма 7 с отверстием, равным первоначальному диаметру пучка, электрически соединенная с анодной сеткой 8 инжектора 1 и являющаяся коллиматором.

Во всех известных в настоящее время устройствах возбуждения Н« волны в круглых волноводах мощность

СВЧ вводится с торца. Поэтому осуществить инжекцию в прямолинейный волновод через устройство возбуждения не представляется возможным.

Одно из возможньгл решений заключается в том, что Ч „ волна подается к группирующему участку по изогнутой начальной части волновода, а инжекция осуществляется через патрубок, расположенный соосно с группирующим участком. Для предотвращения трансформации Н о1 волны в изгибе в волну E.„„ сам изгиб должен быть выполнен на основе гофрированного или гладкого эллиптического волновода с плавным переходом к круглому поперечном сечению группирующего участка волновода. Группирующий участок волновода 2, в котором фазовая скорость У, СВЧ-волны замедляется . до скорости пучка, может быть выполнен также гофрированным или же частично з полненным диэлектриком.

Но, волны. Примем Ь = lr 3TI p /(e g z.) 35

Тогда б= 0,07 Тл. При энергии электронов в пучке =10 МэВ с достаточ ной для наших расчетов точностью можВ

Но положить g «» . Отсюда g n c dt

n- ° Р 40

„"0,5 м. С учетом потерь электрической энергии в стенках волновода требуемая мощность СВЧ-питания составит

Р=500 кВт.

В качестве примера устройства, 45 реализующего предлагаемый способ, рассмотрим устройство, схематично изображенное на фиг. 3. Устройство включает в себя инжектор 1, направляющую.волновод 2, внешний СВЧ-гене- 50 ратор 3, устройство связи 4.

Отличие данного устройства заключено в том, что возбуждающее устройство связи 4 для И„ волны расположено в торце волновода 2. Начальный участок волновода 2 изогнут, патрубок 5 инжектора расположен по касательной к дуге изгиба начального

СВЧ-мощность поступает от генератора 3, через устройство связи 4 в волновод 2, в котором возбуждается

Н „ волна. Непрерывный пучок из ин— жектора 1 по патрубку 5 поступает в группирующий участок волновода 2, в котором движется с постоянной продольной скоростью. Если в области максимального электрического поля вектора,Я, образуют правую тройку, то электроны пучка будут смещаться в радиальном направлении со скоростью „ = E cp(8o . На расстоянии

R.1/2 вдоль оси Е имеет обратный знак и на электроны будет действовать сила, направленная к оси пучка, В конце волноводной секции получим пучок, внешняя поверхность которого промодулирована синусоидальной функцией с периодом, равным периоду колебаний внешнего СВЧ-генератора. Если диаметр отверстия в диафрагме 4 не превышает первоначальный диаметр пучка, то все электроны, увеличившие свою ра9 1116903 диальную координату, попадут на ди- г афрагму 4, и на выходе устройства к получим последовательность сгустков 0 электронов с частотой следования, К равной частоте СВЧ-генератора 3.

5 н

Приведем пример расчета характе-, Ч ристик устройства для пучка параметв рами М(= 10 МэВ и z,--3 см. Ток не н превышает 100 А. Это пучок репятивист- у ский, и скорость частип Yi, C . Для 1О 3 того, чтобы 7 совпало с координаи той максимума азимутальной составляющей Е волны H, необходимо к в качестве направляющей волновода 2 з (фиг. 3) испольэовать круглый гофри- 15 и рованный волновод с внутренним радиусом К =6 см.

Длина прямолинейного участка 2

i3? составляет 1 = с бт Ь/Г, где с?2 = k- q, =1 продольное магнитное поле соле- 2О и ноида 6, Š— напряженность электрического поля в бегущей волне, Л скорость света. Поэтому две из трех 1 величии 1, 8, Е могут быть выбраны н формально произвольно. Однако по

25 причинам, указанным ранее, в кач честве исходного значения принимается Е =1-3 MB/м. Для обеспечения т наилучших характеристик промодулиро ванного пучка магнитное поле соленоида 6 состави? /3= у $7 Е ) {p y ) = g i- г<

Учитывая значения Ь и Г,{, длина

10 руппирующего прямолинейного участа волновода 2 составит ?- =0,5 м. учетом потерь в волноводе 2 еобходимая мощность высокочастотого генератора 3 будет Р =500 кВт. астота генератора „ выбирается близи частоты отсечки гофрированого волновода, чтобы выполнялось словие „ =V >c и составляет

ГГц. Поскольку t> =3 см, внутрений радиус патрубка Х составляет ,5 см, а его длина х10 см. С таими размерами патрубок 5 является апредельным отрезком и излучения з во? новода 2 не происходит.

Следовательно, устройство, предазначенное для модуляции реляти?стского пучка электронов Н/=

0 МэВ и z„=3 см, имеет прямолиеиный группирующий участок длиной

0,5 м, радиусом К =6 см, соосно римыкающий к нему патрубок длиной

0 см и радиусом 3 5 см, Прямолинейый участок размещен внутри соленоиа, создающего поле В =0,07 Тл. Наальный участок гофрированного волвода изогнут и подключен к генераору мощностью Р =500 кВт.

По сравнению с базовым объектом предложенное решение позволяет снизить мощность ВЧ-генератора в 10 раз и в 20 раэ уменьшить длину груп-, пирующего участка.

1116903

1116903

Редактор О.Юркова Техред Т.Дубинчак Корректор М.Самборская

Заказ 8124/1 Тираж 678 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г,ужгород, ул.Проектная, 4