Сильноточный микротрон

 

Изобретение относится к ускорителям электронных пучков и может быть использовано при создании сильноточных циклических СВЧ-ускорителей электронов - сильноточных микротронов. Микротрон содержит электромагнит, вакуумную камеру, в которой расположены взрывоэмиссионный катод, выполненный в виде прозрачной для электронов металлической фольги или металлической сетки, цилиндрический ускоряющий резонатор с торцевыми стенками, на которых расположены прозрачные для электронов диафрагмы, выполненные также в виде плоской прозрачной для электронов металлической фольги или металлической сетки, а также приемник пучка и источник высоковольтного импульсного питания, подключенный к катоду. В вакуумной камере размещен, по меньшей мере, один находящийся под потенциалом резонатора проводящий экран в виде прозрачной для электронов металлической фольги или металлической сетки в форме участка цилиндрической поверхности, охватывающей катод и резонатор. Технический результат: существенное уменьшение негативного влияния собственного электрического поля пучка в области дрейфа, что позволяет исключить срыв процесса ускорения электронов. 1 ил.

Изобретение относится к технике ускорителей электронных пучков и может быть использовано при создании сильноточных циклических СВЧ-ускорителей электронов - сильноточных микротронов.

Известны микротроны, содержащие электромагнит, вакуумную камеру, в которой расположены электронный источник со своим источником питания, цилиндрический ускоряющий резонатор с торцевыми стенками, на которых расположены прозрачные для электронов диафрагмы в виде отверстий, а также приемник пучка (например, мишень тормозного излучения или окно вывода пучка), причем в качестве электронного источника используется термоэмиссионная электронная пушка, а ускоряющий резонатор подключен с помощью специального согласующего волноводного тракта к внешнему СВЧ-генератору [1] (Капица С.П., Мелехин В.Я. Микротрон. - М.: Наука, 1969).

Недостатком известных микротронов является малый ток ускоренных электронов (всего несколько сотен миллиампер).

Наиболее близок к предлагаемому решению микротрон [2] (Дубинов А.Е. Микротрон. - Патент РФ 2157600, Н 05 Н 13/06, 31.05.1999, опубл. 10.10.2000, БИ 28), содержащий электромагнит, вакуумную камеру, в которой расположены взрывоэмиссионный катод, выполненный в виде прозрачной для электронов металлической фольги или металлической сетки, цилиндрический ускоряющий резонатор с торцевыми стенками, на которых расположены прозрачные для электронов диафрагмы, выполненные также в виде плоской прозрачной для электронов металлической фольги или металлической сетки, а также приемник пучка и источник высоковольтного импульсного питания, подключенный к катоду.

Принцип действия этого микротрона, выбранного за прототип, основан на создании условий для формирования в ускоряющем резонаторе виртуального катода, который модулирует электронный пучок, то пропуская их, то отражая назад, и возбуждает мощные СВЧ-колебания в резонаторе. При этом проходящие через виртуальный катод электроны находятся в ускоряющей фазе СВЧ-поля резонатора, за счет чего приобретают энергию при первом пролете через резонатор. Далее эти электроны выходят из резонатора и, дрейфуя в вакуумной камере в поперечном магнитном поле, попадают на прозрачный катод, проходят сквозь него и снова попадают в ускоряющий резонатор, где вновь приобретают энергию и т.д.

Подбором величины магнитного поля, величины напряжения питания, подаваемого на катод, и величины зазора катод - ближайшая к нему торцевая стенка резонатора можно добиться того, чтобы ускоряемая фракция электронов попадала в резонатор всегда в ускоряющей фазе СВЧ-поля резонатора.

Недостатком прототипа является следующее обстоятельство. В вакуумной камере в области дрейфа (вне ускоряемого резонатора) после нескольких оборотов ускорения головных электронов накапливается несколько витков электронного пучка, пространственный заряд которого создает электрическое поле, способствующее сбою фазы пучка, срыву процесса его ускорения и полному развалу пучка.

Технической задачей изобретения является уменьшение негативного влияния собственного электрического поля пучка в области дрейфа.

Техническим результатом предлагаемого решения является существенное уменьшение негативного влияния собственного электрического поля пучка в области дрейфа, что позволяет в свою очередь исключить срыв процесса ускорения электронов.

Этот результат достижим за счет того, что предлагаемый микротрон, как и известный микротрон [2], содержит электромагнит, вакуумную камеру, в которой расположены взрывоэмиссионный катод, выполненный в виде прозрачной для электронов металлической фольги или металлической сетки, цилиндрический ускоряющий резонатор с торцевыми стенками, на которых расположены прозрачные для электронов диафрагмы, выполненные также в виде плоской прозрачной для электронов металлической фольги или металлической сетки, а также приемник пучка и источник высоковольтного импульсного питания, подключенный к катоду, но в отличие от прототипа в его вакуумной камере размещен по меньшей мере один находящийся под потенциалом резонатора проводящий экран в виде прозрачной для электронов металлической фольги или металлической сетки в форме участка цилиндрической поверхности, охватывающей катод и резонатор.

Проводящие экраны, размещенные в вакуумной камере микротрона, способствуют уменьшению негативного действия пространственного заряда пучка за счет того, что выравнивают распределение электрического потенциала в области дрейфа и экранируют электростатическое взаимодействие между различными витками ускоряемого электронного пучка.

Если экраны выполнить в форме участка цилиндрической поверхности, охватывающей катод и резонатор, то отдельные витки ускоряемого электронного пучка на участке дрейфа будут экранированы друг от друга наилучшим образом.

Если же положение экранов выбрано не точно, так, что отдельные витки пучка будут пересекать экраны, то для предотвращения потерь пучка экраны необходимо выполнить прозрачными для электронов (например, в виде металлической сетки или тонкой металлической фольги).

Пример конструкции микротрона показан на чертеже, где обозначено: 1 - вакуумная камера; 2 - взрывоэмиссионный катод; 3 - цилиндрический ускоряющий резонатор; 4 - мишень тормозного излучения; 5 - источник питания; 6 - набор прозрачных для электронов экранов; ВК - виртуальный катод; стрелками показана траектория ускоряемых электронов; электромагнит, полностью идентичный электромагнитам известных микротронов [1, 2], не показан, направление магнитного поля показано значком ⊗H. Конструкция вакуумной камеры 1 также не отличается от известных [1, 2]. Катод 2 может быть выполнен, например, из тонкой (50-100 мкм) титановой фольги либо из вольфрамовой проволочной сетки с диаметром проволочек 200-500 мкм и размером ячеек сетки 1-2 мм. Такими же можно выполнить и диафрагмы на торцевых стенках ускоряющего резонатора 3, а также экраны 6. Это позволит предохранить потери пучка в случае, если экраны 6 будут установлены не точно так, как показано на чертеже.

Материал мишени тормозного излучения 4 - тантал, толщина ее выбирается в соответствии с конечной энергией ускорения. К промежутку "катод 2 - ближайшая к нему торцевая стенка резонатора 3" подключается внешний источник питания (источник высокого импульсного напряжения) 5, например, типа тех, что описаны в [3] (Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. - М. : Атомиздат, 1972).

Опишем работу микротрона. При подаче импульса высокого напряжения с помощью источника питания 5 на промежуток "катод 2 - ближайшая к нему торцевая стенка резонатора 3" на поверхности катода, обращенной к резонатору, образуется тонкий слой электровзрывной плазмы микроострий катода. Это же напряжение является ускоряющим для электронов, которые покидают эту плазму, набирают энергию и инжектируются в эквипотенциальную полость резонатора 3. Внутри резонатора формируется виртуальный катод, который, то пропускает электроны вперед, то отражают их назад в диод, возбуждая интенсивные электромагнитные СВЧ-колебания в резонаторе. Эти колебания уже на первом пролете резонатора позволяют заметно повысить энергию пролетных электронов на выходе из резонатора почти в два раза по сравнению с энергией на входе в резонатор [4] (Долгачев Г. И. , Закатов Л.П., Орешко А.Г., Скорюпин В. А. Увеличение энергии электронов в магнитно-изолированном диоде с виртуальным катодом. - Физика плазмы, 1985, т. 11, 11, с. 1425). Далее пролетные электроны дрейфуют в магнитном поле в вакуумной камере 1 по круговым траекториям практически без изменения энергии. При подлете к катоду электроны частично замедляют свое движение и снова ускоряются при подлете к резонатору.

Если правильно подобрать фазу влета электронов в резонатор с тем, чтобы они попали туда в укоряющей фазе электромагнитных СВЧ-колебаний, то при вторичном пролете резонатора они вновь приобретут энергию. И далее, при всех последующих пролетах электрона резонатора будет происходить последовательное ускорение электронов до тех пор, пока радиус окружности оборота электронов в магнитном поле не станет таким, чтобы траектория электронов коснулась мишени.

Оптимальный подбор фазы влета электронов в резонатор можно осуществить регулированием трех параметров: величины напряжения в диоде, величины диодного промежутка, величины магнитного поля.

Негативное действие пространственного заряда пучка на этапе дрейфа скомпенсировано экранами 6.

Формула изобретения

Сильноточный микротрон, содержащий электромагнит, вакуумную камеру, в которой расположены взрывоэмиссионный катод, выполненный в виде прозрачной для электронов металлической фольги или металлической сетки, цилиндрический ускоряющий резонатор с торцевыми стенками, на которых расположены прозрачные для электронов диафрагмы, выполненные также в виде плоской прозрачной для электронов металлической фольги или металлической сетки, а также приемник пучка и источник высоковольтного импульсного питания, подключенный к катоду, отличающийся тем, что в вакуумной камере размещен, по меньшей мере, один, находящийся под потенциалом резонатора, проводящий экран в виде прозрачной для электронов металлической фольги или металлической сетки в форме участка цилиндрической поверхности, охватывающей катод и резонатор.

РИСУНКИ

Рисунок 1