МИКРОТРОН на 5 Мэв

И 3 В Е С Т И я

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНААШП11 ПОЛГГГЕХНИЧЕСКОП

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

1062

Том 122

МИКРОТРОИ на 5 Мэв

Б. 3. КАНТЕР, В. В. ЛЕРМОНТОВ, Д. А. НОСКОВ, Ю. Г. ЮШКОВ

Принцип действия микротрона был предложен в 1944 году советским ученым В. И. Векслером. Микротрон представляет собой циклический резонансный ускоритель с постоянным магнитным управляющим полем и постоянной частотой ускоряющего электрического поля. Электроны, получающие энергию от электрической ноля при прохождении зазора резонатора, свободно движутся в постоянном магнитном поле по круговым орбитам и попадают снова в зазор резонатора. В этом ускорителе возрастание периода обращения электронов с увеличением их энергии равно или кратно периоду ускоряющего высокочастотного электрического поля резонатора.

Устойчивость движения электронов обеспечивается, как и в других резонансных ускорителях, действием принципа автофазировки, В отличие от линейных ускорителей и синхротронов величина фазостабильной области микротрона составляет 20-:-30°.

Микротрон имеет ряд достоинств, выгодно выделяющих его перед другими ускорителями. Это, во-первых, простота конструкции ускорителя и необходимого оборудования, во-вторых, высокая моноэнергетичность спектра ускоренных электронов. Большое расстояние между биортами значительно упрощает задачу вывода электронов из ускорительной камеры микротрона.

Основными узлами микротрона являются: электромагнит со схемой питания, вакуумная камера, резонатор с высокочастотным трактом, генератор сверхвысокой частоты и система управления. Блок-схема микротрона показана на рис. 1. В межполюсном пространстве помещается вакуумная камера (рис. 2), изготовленная из нержавеющей стали. Необходимый для нормального ускорения электронов вакуум создается в камере с помощью форвакуумного насоса РВН-20 и диффузионного насоса Н-о.

т

Си

Ж

)

ФЬ

У

d

м г

Рис. 1. Блок-схема микротрона м. г.—магпетронный генератор, ф. в.—фазовращатель, С. Н.—согласованная нагрузка, в. к. — вакуумиа:-: камера.

у качестве ускоряющего элемента в мпкротроне используется тороидальный резонатор, между полыми конусами которого разминается ускоряющее напряжение.

Для нормальной работы микротрона необходимо в зазоре резонатора получить напряжение около (300 ко.

Резонатор, применяемый в микротроне, изготовлен из латуни ? рис. 2). После серебрения и хромирования он имеет добротность О 2П00, при диаметре отверстия связи 2,2 см. При этом коэффициент отражения по мощности к 19,5 % ^К С В—2,0). Возбуждение резонатора осуществляется через круглое отверстие связи от волн о водного высокочастотного тракта, подключенного к магнетроппому генератору (рис. 1),

Для обеспечения устойчивой работы магнетрона мощность, поступающая от генератора, делится между резонатором п согласован-

Рис. Вакуумная камера мпкротропа со снято!! верхней крышкой и резонатор.-

'нагрузкой (СН). С целью изменения электрической длины участ-у; волновода между тройником и резонатором используется фазовра-;уатель (ФВ).

Перед тройником в высокочастотном тракте также помещен фазо-у;лп.атель, изменяющий электрическую длину участка тройник -маг-чеуроп, что позволяет обеспечить более благоприятный режим работы для магнетрона.

Зазор между полюсами принят 12,5 см с учетом размеров резо-тагора, толшины стенок камеры и зазоров между стенами камеры и пол юсами.

Диаметр полюсов определяется радиусом последней орбиты

17,43_см) с учетом спадания поля па краях полюсов и принят разным о 5 сл.

Сечение магинтопровода микротрона определяется величиной магнитного потока с учетом рассеяния и равно 30X12 см2.

Коэффициент рассеяния и распределение поля в межполюсном "лостранстве проверены на модели электромагнита, выполненного в

масштабе 1: 2,5.

Основные детали микротрона были изготовлены к 195Э году, и еулзу начались работы по наладке отдельных узлов и их испытание.

Измерение параметров резонатора и согласование В. Ч. тракта проводились в непрерывном режиме на малой мощности. После этого тракт испытывался на большой мощности в импульсном режиме.

Параллельно проводились работы по наладке вакуумной системы и устранению течи в вакуумной камере микротрона. Одновременно проводились измерения энергии электронов, ускоренных в зазоре резонатора. Для этого была изготовл ена вспомогательная вакуумная камера и электростатический анализатор скоростей электронов. Измерения показали, что с существующей конструкцией резонатора и В. Ч. системы можно получить напряжение в ускоряющем зазоре 250^-300 кв.

На основании измерений и анализа недостатков конструкции резонатора был разработан и изготовлен новый резонатор, позволяющий получить напряжения до 400 кв.

С этим резонатором микротрон был запущенна энергию 2,5 Мэн. Был зарегистрирован ток на 9 орбитах, и наблюдалось свечение на экране, перемещающемся внутри камеры.

Для исследования возможности увеличения мощности, отдаваемой генератором резонатору, был проведен ряд опытов, одним из которых явилось исследование влияния диаметра отверстия связи резонатора с волноводом на величину высокочастотной мощности, проходящей в резонатор.

Диаметр отверстия связи менялся от 16 до 26 мм через 2 мм и в каждом случае измерялся КСВ около резонатора.

Проведенный опыт позволяет сделать следующие выводы.

1. С увеличением диаметра отверстия связи мощность, поступающая в резонатор, увеличивается.

2. С увеличением диаметра отверстия связи ухудшается добротность связанного резонатора.

3. С увеличением диаметра отверстия связи улучшается согласование резонатора с волноводом, т. е. увеличивается доля мощности, идущая к резонатору.

Суммарное действие этих факторов приводит к тому, что с увеличением диаметра отверстия связи напряжение в резонаторе вначале увеличивается, достигает максимума и затем уменьшается.

После этих опытов диаметр отверстия связи был увеличен до 2,2 см, и напряжение на зазоре резонатора удалось повысить до 650 кв, что позволило запустить микротрон в основном режиме на энергию 5 Мэв. Прибором ЭППВ записан ток на 9 орбитах (рис. 3), орбиты наблюдались и визуально на экране через окно в ускорительной камере.

В основном режиме, как и в „половинном" (2,5 Мэв), наблюдается быстрый спад тока и на 9 орбите ток в импульсе составляет несколько мка.

В процессе запуска на микротроне проводилась работа, направленная на увеличение тока путем применения холодных и накаленных катодов в резонаторе.

В большинстве микротронов ввод электронов в ускорение— инжекция — осуществляется за счет автоэлектронной эмиссии с поверхности электродов ускоряющего резонатора. Расчет показывает, что длительность импульсов тока инжекции составляет око-

i орд

Хл.

Рис. 3. Распределение тока на орбитах микротрона.

ло 1/10 периода высокочастотного напряжения, а по фазе эти импульсы совпадают с высокочастотным напряжением. Описанный метод инжекции обладает существенными недостатками: во-первых, эмиссионные свойства холодной поверхности электродов резонатора почта не поддаются регулировке и сильно изменяются со временем; во-вто-рых, из за большой ширины энергетического спектра лишь относительно небольшая часть электронов входит на вторую и последующие орбиты, т. е. велика бесполезная электронная нагрузка резонатора.

Известно, что путем использования термоавтоэлектронпой эмиссии с накаленного катода можно добиться расширения импульса тока инжекции, что должно привести к сужению энергетического спектра и сдвигу максимума его в сторону больших энергий.

Результаты измерений показывают, что энергетический спектр н случае инжекции с холодного катода отличается тупым максимумом, соответствующим энергии около 70 % от наибольшей, и пологим спадом в сторону верхнего края спектра (рис. 4).

Характерным отличием энергетического спектра уско-ренных электронов при инжекции с накаленного катода является острый максимум вблизи верхней границы спектра. Этот максимум приходится на энергию около 90 % от наибольшей и переходит к резкому спаду

> колл

¿00 г

--т —

^ __________ ^

0<

и

- ТГ"

I

АХ

'5 . г л . л а0рб'<*> со *э6 зоо кП

1

I - СО/ЬУ/по А14 f 1 / —1- ( и-1

| г> * 1 \

— Оси 6 (<1*2 ем) 1 1 ) / \ \ к

гк ; Д

/ / / 1 1 »

м( / / / 1 1

1 1 Г / / / * / г' -

1 Г- - 1 ✓

25 2350

3 2600

2650

3100 т*с*)

Рис. 4. Энергетические спектры электронов: 1-е холодного катода. 2—температура катода 2500 К, 3 —температура катода ЗОООК.

Рис. 5. Изменение тока на орбитах с увеличением температуры катода: 1—ток на шестой орбите, 2—ток па питон орбите.

в сторону верхнего края спектра. Характерная форма его сохраняется в большом диапазоне температур 2500-^3000°К. Сравнение кривых 1 и 2 на рис. 4 показывает, что электронный ток, который может выйти на вторую и последующие орбиты при инжекции с накаленного катода, в несколько раз больше, чем при инжекции с холодного катода при неизменной электронной нагрузке.

Работа накаленного катода была проверена в режиме ускопения до 2,5 Мэв.

Зависимость тока на пятой и шестой орбитах от температуры катода показана на рис. 5. Из графика видно, что применение накаленного катода первой когс" рукции позволило регулировать ток ускоренных электронов в пч ; ких пределах. Даже при несогласованном

резонаторе были получены средние токи на шестой орбите около 2.10~!| а.

Так как мощность, вводимая в резонатор во время эксперимента, была небольшой, то увеличение электронной нагрузки приводило к уменьшению напряжения на резонаторе и нарушению режима ускорения, что видно по максимуму на графиках.

Из камеры данного микротрона предполагается вывести пучок ускоренных электронов. Так как расстояние между двумя соседними электронными орбитами в микротроне составляет около 3 см, то вывод пучка электронов можно осуществить с помощью магнитного шунта.

Для вывода пучка с различных орбит разработано устройство, позволяющее вводить железную трубу, выполняющую роль шунта, в камеру и поворачивать ее по азимуту в необходимых пределах.

В настоящее время проводятся работы по выяснению причин спада тока на орбитах и увеличению тока ускоряемых электронов.

4. И :ж. ТГШ, т. 122.