Ускоритель электронов

 

Использование, в ускорительной технике, а более конкретно в ускорителях электронов, имеющих коаксиальный резонатор. Сущность изобретения: ускоритель электронов содержит первый источник, излучающий пучок электронов, которому должно быть придано ускорение, и коаксиальный резонатор, образованный внешним цилиндрическим проводником и внутренним цилиндрическим проводником, расположенными на одной оси и соединенными с двумя фланцами. Пучок электронов вводится в срединную плоскость, которая перпендикулярна к оси, проходящей вдоль первого диаметра внешнего проводника. Ускоритель содержит второй источник, излучающий пучок, который замедляется радиальным электрическим полем, когда проходит через коаксиальный резонатор. Плоскость, вдоль которой вводится второй пучок электронов, отличается от срединной области. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области улучшений, выполненных в ускорителях электронов, а более конкретно к ускорителям электронов, имеющим коаксиальный резонатор.

Ускорители электронов, имеющие коаксиальный резонатор, обеспеченные источником высокочастотного поля, обычно называемым ВЧ-генератором, и источник электронов, способный накачивать эти электроны в резонатор, известны всем. Если соблюдаются определенные фазовые и частотные условия, то эти электроны ускоряются электрическим полем при их проходе через резонатор.

Обычно создаются ускорители, работающие в импульсном режиме и имеющие пучок электронов со слабой интенсивностью излучения.

Согласно документу комиссии по атомной энергии [2] была предложена новая конструкция ускорителя электронов с рециркуляцией.

В этом документе описывается ускоритель электронов, который отличается тем, что объемным резонатором является коаксиальный резонатор, образованный наружным цилиндрическим проводником и внутренним цилиндрическим проводником, имеющими одну и ту же ось. Электронный пучок накачивается в этот резонатор средней плоскости, которая перпендикулярна оси, проведенной вдоль первого диаметра. Электронный отражатель отражает пучок электронов, как только он пройдет через объемный резонатор первый раз, и вновь накачивает его в резонатор, где пучок электронов испытывает второе ускорение и т.д.

Такое устройство называется также родотроном, поскольку пучок электронов проходит через объемный резонатор несколько раз по траектории, которая напоминает рисунок лепестков цветка.

Это устройство обладает несколькими преимуществами, т.е. его конфигурация очень проста и компактна. В дополнение к этому принцип работы, согласно которому это устройство функционирует, помогает получить интенсивный и однородный пучок электронов, которого не было у ускорителей обычной конструкции, работающих в импульсном режиме.

Кроме того, раскрываемое в патенте устройство обладает самофокусировкой. Это стало возможным благодаря отражателям магнитного поля, которые имеют входные фазы по форме очень широкого двугранного угла, чтобы обеспечить необходимую фокусировку пучка электронов. Следовательно, нет необходимости вводить дополнительные элементы, обеспечивающие фокусировку.

И наконец, пучок электронов, вводимый вдоль средней плоскости, не испытывает отклонения. Это из-за того, что на пучок электронов не воздействует магнитное поле, которое имеет нулевое значение в упомянутой срединной плоскости согласно конструкции, описанной в вышеупомянутом документе.

Однако настоящему ускорителю электронов требуется объемный резонатор, оборудованный источником высокочастотного поля. В частности, в описанном ускорителе электрическое поле с частотой изменения в несколько сотен мегагерц генерируется внешним ВЧ-генератором.

Подобные ВЧ-генераторы с мощностью почти 200 кВт, которые могут создавать электрические поля с частотой колебания несколько сотен мегагерц, являются относительно дорогостоящими устройствами. В основном они используют электронные лампы типа триод, тетрод или пентод и используют современные, следовательно, дорогие технологии сварки металла и керамики, а также используют сетки из тугоплавкого материала или нити накала из торированного вольфрама.

Известен способ торможения пучка частиц, в котором энергия, создаваемая за счет торможения частиц, накапливается для того, чтобы можно было использовать для ускорения электронов другим ускорителем [1].

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства, которое позволит избежать использования очень дорогих ВЧ-генераторов, между тем сохраняя преимущества, свойственные исходной конструкции ускорителя электронов [2].

Поставленная задача решается тем, что ускоритель электронов согласно изобретению содержит второй источник, излучающий второй пучок электронов, устройство для модуляции интенсивности пучка и также выполнен с возможностью ввода второго пучка в резонатор в тот момент, когда возможно его торможение радиальным электрическим полем E, и также плоскость, вдоль которой вводится второй пучок электронов, отличается от срединной плоскости. Желательно, чтобы он содержал по крайней мере один отражатель электронов, расположенный снаружи резонатора, на который попадает первый пучок, который прошел сквозь резонатор вдоль первого диаметра, и выполненный с возможностью отражения пучка и его введения вовнутрь резонатора все еще в срединной плоскости вдоль второго диаметра внешнего проводника.

Второй источник пучка электронов обеспечивается устройством, которое позволяет модулировать интенсивность получаемого пучка электронов, в частности, управляющей сеткой или перераспределителем. Подобные устройства общеизвестны в оборудовании, использующем действия электронных пучков. Интенсивность пучка электронов моделируется таким образом, что электроны от второго источника появляются в резонаторе в тот момент, когда они сталкиваются с тормозящим радиальным электрическим полем. Энергия электронов, вводимых вторым источником обычно выбирается так, что эти электроны достигают стенки резонатора с малым, но не нулевым значением остаточной энергии. В этом смысле преобразование энергии между пучком электронов и резонатором может достичь значений 80 - 90%.

На фиг. 1 представлено сечение, проведенное вдоль срединной плоскости ускорителя, имеющего резонатор; на фиг. 2 - полувид сечения параллельной главной оси коаксиального резонатора предлагаемого ускорителя электронов.

Фиг. 1 представляет сечение, проведенное вдоль срединной плоскости коаксиального резонатора ускорителя электронов в соответствии с изобретением.

Резонатор 5 образуется из внешнего цилиндрического проводника 10 и внутреннего цилиндрического проводника 20, расположенных на одной и той же оси, и двух фланцев 15 и 25, расположенных перпендикулярно к оси 30 проводников.

В соответствии с подобной конструкцией электрическое поле E имеет чисто радиальную ориентацию. Оно имеет максимум в срединной плоскости 40 и спадает с каждой стороной этой плоскости, достигая нулевого значения на фланцах 15 и 25. Аналогичным способом магнитное поле М имеет максимум вдоль фланцев и спадает до нуля в срединной плоскости, меняя при этом свой знак.

Главный пучок электронов 1 накачивается от источника 100 в коаксиальный резонатор 5 вдоль срединной плоскости 40 и, следовательно, не испытывает отклонения потому, что существующее в нем магнитное поле М равно нулю.

Пучок электронов 1 протекает в резонатор через отверстие 11 вдоль первого диаметра внешнего проводника 10. Они проходят через внутренний проводник 20 через два диаметрально противоположные отверстия 21 и 22 и покидают резонатор через отверстие 12.

Если соблюдаются определенные фазовые и частотные условия, то главный пучок электронов будет ускоряться по всему проходу через коаксиальный резонатор 5.

В частности, удобно, что электрическое поле E уменьшается до нуля при проходе пучка электронов через внутренний проводник 20, так как поле вызывает ускорение во время прохода через первую часть резонатора (между внешним проводником 10 и внутренним проводником 20), и снова обеспечивает ускорение, но теперь уже во время обратного порядка при проходе второй части траектории, другими словами, между внутренним проводником 20 и внешним проводником 10.

По меньшей мере один отражатель 51 располагается снаружи коаксиального резонатора 5 и отражает главный пучок электронов 1, и вновь его накачивает вдоль второго диаметра внешнего проводника 10. Вновь введенный пучок электронов проходит через отверстие 13 в резонатор, где он снова испытывает ускорение и вновь появляется через отверстие 14.

Когда пучок электронов выходит из резонатора, то он снова отражается отражателем 53 и вновь вводится вдоль третьего диаметра внутри резонатора, где пучок электронов будет испытывать третье ускорение и т.п.

Магнитные отражатели 51, 53, ... выгодно имеют входные лобовые поверхности в форме очень широкого двугранного угла, чтобы фокусировать главный пучок электронов 1.

На фиг. 2 изображается полувид сечения параллельной главной оси коаксиального резонатора.

В соответствии с главной характеристикой изобретения ускоритель электронов, имеющий коаксиальный резонатор, включает второй источник 200, оборудованный устройством 210 для модуляции интенсивности пучка, который излучает пучок электронов 2, чтобы ввести в резонатор 5 в тот момент, когда электрическое поле E обеспечивает торможение. Это делает возможным генерацию электромагнитного поля, необходимого для ускорения первого пучка электронов 1.

Потери кинетической энергии электроном, который замедляется, помогает создать ВЧ электромагнитное поле в коаксиальном резонаторе 5.

Предпочтительно этот второй пучок 2 вводится в коаксиальный резонатор 5 вдоль плоскости, которая отличается от срединной плоскости 40. Результатом этого является то, что электроны будут отражаться прямо на стенки резонатора, что позволяет им покинуть резонатор.

Предпочтительно, чтобы электроны не замедлялись на столько, чтобы остаться в самом резонаторе, поскольку в этом случае электроны подвергаются ускорению в противоположном направлении электромагнитным полем и, следовательно, повторно ускоряются.

Вследствие этого для электронов от вторичного пучка 2 необходимо еще иметь некоторый запас остаточной кинетической энергии, чтобы достичь стенок резонатора 5.

Из-за этого степень преобразования кинетической энергии электронов в электромагнитную энергию ограничивается до значений 80 - 90%.

Этот способ выгодно освобождает от необходимости использовать внешние ВЧ-генераторы, которые, в частности, являются дорогостоящими устройствами. Фактически они составляют почти 30%-ую часть общей стоимости ускорителя электронов.

Кроме того, конструкция ускорителя в соответствии с настоящим изобретением упрощается, что намного повышает надежность ускорителя электронов.

Формула изобретения

1. Ускоритель электронов, состоящий из первого источника, излучающего первый пучок электронов, которые должны быть ускорены, коаксиального резонатора, образованного внешним цилиндрическим проводником и внутренним цилиндрическим проводником, расположенных на одной и той же оси и соединенных двумя фланцами, причем пучок электронов вводится в срединную плоскость, которая перпендикулярна к оси, проходящей вдоль первого диаметра внешнего проводника, отличающийся тем, что содержит второй источник, излучающий второй пучок электронов, устройство для модуляции интенсивности пучка, а также выполнен с возможностью ввода второго пучка в резонатор в тот момент, когда возможно его торможение радиальным электрическим полем Е, и плоскость, вдоль которой вводится второй пучок электронов, отличается от срединной плоскости.

2. Ускоритель по п. 1, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере один отражатель электронов, расположенный снаружи резонатора, на который попадает первый пучок, который прошел сквозь резонатор вдоль первого диаметра, и выполненный с возможностью отражения пучка и его введения вовнутрь резонатора вновь все еще в срединной плоскости вдоль второго диаметра внешнего проводника.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2