Способ формирования электронного пучка в высокочастотном ускорителе
METHOD OF FORMING AN ELECTRON BEAM IN A HIGH-FREQUENCY ACCELERATOR

Способ относится к области ускорительной техники и предназначен для формирования электронного пучка в высокочастотном (ВЧ) ускорителе.
Известен способ формирования электронного пучка в ВЧ-ускорителе, содержащем электронную ВЧ-пушку с сеточным управлением и ВЧ ускоряющую структуру (УС), характеризующийся тем, что на зазор сетка-катод ВЧ-пушки подают управляющий ВЧ-сигнал, получают пучок в виде последовательности электронных сгустков, частота следования которых f совпадает с частотой последующего ускорения, и затем ускоряют в УС. С этой целью на зазор сетка-катод ВЧ-пушки подают либо ВЧ-сигнал частоты f, как в аналоге [1], либо ВЧ-сигнал частоты f и одновременно ВЧ-сигнал на гармонике частоты f, например, частоты 3f, как в прототипе [2]. При подаче ВЧ-сигналов в зазоре между катодом и управляющей сеткой ВЧ-пушки создается ВЧ-напряжение и за сетку эмитируется последовательность сгустков электронов на частоте f. Пучок инжектируется в УС и ускоряется в ней на частоте f.
А
А
Однако, при формировании пучка, как в аналоге, длительность электронных сгустков Т на входе в УС соответствует соотношению Т~1/2f, что близко к величине области захвата при последующем ускорении. Поэтому, как показывают расчеты, на выходе УС формируется пучок с широким энергетическим и фазовым спектром.
П
При формировании пучка, как в прототипе, длительность электронных сгустков на входе в УС соответствует соотношению T~1/6f, меньше, чем в аналоге, что позволяет при последующем ускорении получать ускоренный пучок с относительно узким энергетическим и фазовым спектром. Однако, для такого управления пучком необходимо суммировать мощности двух ВЧ сигналов разных частот и подавать на зазор сетка-катод пушки, что представляет сложную техническую задачу.
Задачей изобретения является разработка эффективного способа управления электронным пучком, а именно формирование электронного пучка в ВЧ-ускорителе, содержащем электронную ВЧ-пушку с сеточным управлением и ускоряющую структуру, позволяющего путем подачи на зазор сетка-катод пушки управляющего ВЧ-сигнала и последующего ускорения в УС получать пучок с узким энергетическим и фазовым спектром, не требующего сложения мощностей ВЧ-сигналов разных частот.
Поставленная задача решается предложенным способом формирования электронного пучка, по которому в соответствии с аналогом и прототипом на зазор сетка-катод электронной ВЧ-пушки подают управляющий ВЧ-сигнал, получают электронный пучок в виде последовательности электронных сгустков, и ускоряют в УС. Изобретение характеризуется тем, что на зазор сетка-катод подают ВЧ-сигнал, частота которого вдвое превышает частоту последующего ускорения.
В соответствии с аналогом на зазор сетка-катод электронной пушки подают ВЧ-сигнал одной частоты, однако, в отличие от аналога, эта частота не равна частоте последующего ускорения. В соответствии с прототипом на зазор сетка-катод подают ВЧ-сигнал на гармонике основной частоты, однако, в отличие от прототипа, не проводят сложение мощностей ВЧ-сигналов разных частот.
Способ формирования электронного пучка реализуется в высокочастотном ускорителе, который включает ВЧ ускоряющую структуру - для ускорения пучка, ВЧ электронную пушку - для инжекции пучка в ВЧ ускоряющую структуру и систему формирования управляющего ВЧ-сигнала для подачи на ВЧ-пушку.
И
Способ формирования электронного пучка в высокочастотном ускорителе осуществляется следующим образом. На зазор сетка-катод пушки подают управляющий ВЧ-сигнал частоты 2f, где f - частота последующего ускорения. При подаче на зазор сетка-катод пушки управляющего ВЧ-сигнала частоты 2f вне зазора за сеткой формируется последовательность сгустков электронов на частоте 2f, при этом длительность каждого сгустка определяется соотношением T~1/4f. При последующем ускорении в УС, работающей на частоте f, сгустки попадают в разные условия и в режим ускорения захватывается только каждый второй сгусток. Например, если сгусток 1 попадает в ускоряющую фазу поля и далее ускоряется, то следующий за ним сгусток 2 попадает в тормозящую фазу и тормозится, отдает энергию ускоряющему полю, останавливается и под действием пространственного заряда оседает на управляющую сетку пушки и стенки ускорителя. Соответственно, из последовательности сгустков на частоте 2f формируется последовательность сгустков на частоте f, которые захватываются в режим ускорения и далее ускоряются.
Поскольку длительность сгустков на входе в УС вдвое меньше, чем в аналоге, на выходе УС, как показывают расчеты, формируется пучок с относительно узким энергетическим и фазовым спектром.
Поскольку при формировании пучка в ВЧ-пушке используется ВЧ-сигнал одной частоты, не требуется сложение мощностей ВЧ-сигналов разных частот, что упрощает техническую реализацию способа.
Источники информации:
1. А.с. №438357, МПК H01J 1/00 от 09.03.1972, опуб. 23.04.1976 в Б.И. №47, Импульсный инжектор электронов;
2. Патент US 8564224 (Заявка US 2011304283) от 2011-12-15, МПК H01J 23/0, Электронный инжектор (High Average Current, High Quality Pulsed Electron Injector). - прототип