УСТРОЙСТВО ПРОВОДКИ ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
DEVICE FOR CHARGE-PARTICLE BEAM CONDUCTING

Изобретение относится к ускорительной технике и сильноточной электронике. Устройство проводки может быть использовано при конструировании систем ввода в бетатроны, синхротроны и другие ускорители, работающие в режиме однократных импульсов, и для фокусировки сильноточного пучка заряженных частиц.
Известно «Устройство для ввода заряженных частиц в циклический ускоритель», см. авторское свидетельство СССР №357892, кл. МПК Н05Н 7/08 с приоритетом от 10.03.1967 г., опубликовано в БИ №9 1973 г., А.И.Павловский, Г.Д.Кулешов, А.Д.Тарасов и В.О.Кузнецов. Устройство проводки пучка заряженных частиц по прототипу, не рассматривая инжектор, являющийся источником частиц, содержит металлический экранирующий корпус, фокусирующую систему и наружный экран. Корпус устройства проводки пучка заряженных частиц и наружный экран выполнены из металла с высокой проводимостью, причем образующие профиля экрана имеют форму магнитных силовых линий в месте его расположения. Принцип действия наружного экрана, так же как и экранирующего корпуса, основан на относительно малой скорости проникновения магнитного поля в глубь металла, что позволяет экранировать одну часть пространства, разделенного экраном, от возмущения поля в другой ее части. Недостатками известного решения являются влияние пучка на магнитное поле фокусирующей системы, нестабильность и недостаточность фокусировки пучка.
В известном изобретении по патенту РФ №2281622, кл. МПК НО5Н 11/02 с приоритетом от 14.12.2004 г.«Способ сохранения числа электронов в процессе ускорения в бетатроне» Л.Н. Робкин, В.Д. Селемир, технический результат достигается тем, что сформирован в инжекторе либо в устройстве для ввода электронный пучок с максимально плоской формой сечения в виде эллипса. К недостаткам известного изобретения по прототипу следует отнести ограничения по оптимальной фокусировке электронного пучка в процессе проводки его в ускорительную камеру.
При создании данного изобретения решалась задача разработки устройства проводки пучка заряженных частиц для получения на выходе устройства стабильного и сфокусированного пучка, чтобы осуществить надежный захват частиц в режим ускорения.
Техническим результатом при решении данной задачи является уменьшение потерь тока при транспортировке пучка, улучшение фокусировки и формирование стабильного выходного импульса тока пучка заданной формы.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с прототипом, который содержит металлический экранирующий корпус, фокусирующую систему и наружный экран, в заявляемом устройстве проводки пучка заряженных частиц фокусирующая система выполнена ступенчатой, состоящей, по меньшей мере, из двух магнитных линз и выходного формирователя, причем в магнитных линзах расположен внутренний ступенчатый токопроводящий экран, а ступень выходного формирователя выполнена конусообразной формы с плавным переходом от круглого сечения на входе к эллипсоидальному сечению на выходе. Каждая из магнитных линз подключена к независимому источнику импульсного питания.
Выполнение фокусирующей системы трехступенчатой, состоящей, по меньшей мере из двух магнитных линз и выходного формирователя, позволяет последовательно выполнять следующие функции: первая магнитная линза осуществляет проводку пучка частиц с минимальными потерями, вторая магнитная линза осуществляет фокусировку пучка, а выходной формирователь - формирование импульса тока пучка заданной формы. Уменьшить потери при прохождении пучка частиц удалось, во-первых, за счет уменьшения собственной индуктивности первой магнитной линзы применением в соленоиде линзы двухслойной намотки с определенным шагом и, во-вторых, подбором параметров электрического импульсного питания первой магнитной линзы. Особенностью устройства проводки является резкое сужение его на выходе, необходимое для обеспечения условий захвата электронного пучка в бетатрон. Внутренний ступенчатый металлический экран в линзах, представляющий собой тонкостенную трубу разного диаметра из нержавеющей стали, служит обратным токопроводом для транспортируемой части пучка и поглотителем заряженных частиц малоэнергетичной его части. Он также экранирует влияние пучка на магнитное поле фокусирующей системы, что улучшает стабильность пучка. Толщина трубы ступенчатого экрана определяется из условия прозрачности ее для обратного влияния магнитного поля фокусирующей системы на транспортируемый пучок. Металлическая ступень выходного формирователя, выполненная конусообразной формы с плавным переходом от круглого сечения на входе к эллипсоидальному на выходе, позволяет сформировать на выходе устройства эллипсоидальную форму сечения пучка необходимого размера. Размеры пучка, зависящие от параметров системы питания магнитных линз фокусирующей системы, и форма пучка оптимизировались по выходу излучения, генерируемого ускорителем, в частности бетатроном, в импульсе.
Подключение магнитных линз к независимым источникам питания позволяет более точно настроить магнитное поле фокусирующей системы, а значит, и форму выходного импульса тока пучка.
На чертеже изображено заявляемое устройство проводки пучка заряженных частиц, где:
1 - металлический экранирующий корпус;
2 - первая магнитная линза;
3 - внутренний токопроводящий экран;
4 - диэлектрическая вставка;
5 - сетка-анод инжектора;
6 - вторая магнитная линза;
7 - выходной формирователь;
8 - наружный экран;
9 - высоковольтные вводы;
10, 11, 12 - измерительные датчики;
13 - переходник с сильфоном.
Заявляемое устройство проводки пучка заряженных частиц содержит металлический экранирующий корпус 1, фокусирующую систему и наружный экран 8. Фокусирующая система выполнена ступенчатой и состоит, по меньшей мере, из двух магнитных линз 2 и 6 и выходного формирователя 7. В магнитных линзах расположен внутренний ступенчатый токопроводящий экран 3. Ступень выходного формирователя выполнена конусообразной формы с плавным переходом от круглого сечения на входе к эллипсоидальному сечению на выходе. Магнитные линзы подключены к независимым источникам импульсного питания через высоковольтные вводы 9.
1
2
В примере реализации заявляемое устройство проводки пучка заряженных частиц служит для эффективной проводки (транспортировки) электронного пучка от анода автоэмиссионного диода до точки ввода пучка в бетатрон. Конструкция устройства проводки показана на чертеже. Механической основой устройства проводки служит экранирующий корпус в виде медной трубы (1)⌀102 мм, толщиной 5 мм и длиной 470 мм. В корпусе находится первая магнитная линза (2), представляющая собой двухслойный соленоид, каркас которого изготовлен из капролона. Каркас имеет пазы под укладку провода с лаковой изоляцией. Внутри линзы расположен внутренний экран, представляющий собой тонкостенную трубку (3)⌀64 мм и толщиной стенки 0.2 мм из нержавеющей стали. Линза юстируется в корпусе с помощью диэлектрической вставки (4). На входе тракта проводки находится сетка (5), которая служит анодом инжектора. Корпус устройства проводки имеет резко сужающийся участок-ступень, в котором расположена вторая магнитная линза (6) фокусирующей системы, представляющая собой однослойный соленоид. Вторая линза имеет гладкий капролоновый каркас, внутри которого расположен аналогичный внутренний экран из тонкостенной трубки меньшего диаметра. На выходе устройства проводки находится ступень выходного формирователя (7), изготовленная из медной трубы, представляющая собой со стороны магнитной линзы цилиндрическую втулку, а со стороны выхода сплющенный усеченный конус с сужающимся эллипсоидальным отверстием на выходе. Граница перехода втулка-конус сделана сглаженной. Часть устройства проводки со стороны, обращенной к центру электромагнита бетатрона, снабжена наружным медным экраном (8), локализующим возмущение силовых линий магнитного поля бетатрона, так как образующие профиля наружного экрана имеют форму магнитных силовых линий в месте его расположения. Соленоиды магнитных линз намотаны медным проводом ⌀ 2 мм, первая линза - с определенным шагом в два слоя, а вторая линза - плотно в один слой. Индуктивности первой и второй линз, помещенных в экран, равны соответственно L=25,8µH и L=9,6µH. Полярность напряжения питания для магнитных линз должна быть такой, чтобы их магнитные поля складывались. Запитка магнитных линз осуществляется через специальные высоковольтные вводы (9). В широкой торцевой части устройства проводки со стороны автоэмиссионного диода перед сеткой-анодом в специальном пазу, экранирующем от рассеянных электронов, расположен пояс Роговского (10), измеряющий ток диода. За сеткой, в аналогичном пазу, расположен пояс Роговского (11), измеряющий входной ток электронного пучка. На выходе устройства проводки размещена обечайка с пазом под индукционный датчик (12), измеряющий ток электронного пучка на выходе. Переходник с сильфоном (13) служит для вакуумплотного соединения устройства с ускорительной камерой бетатрона.
Работает заявляемое устройство следующим образом. Инжектируемый пучок электронов с анода автоэмиссионного диода попадает в фокусирующую систему (ФС) устройства проводки. Действие фокусирующей системы устройства проводки основано на фокусировке цилиндрического пучка электронов продольным магнитным полем. Первая магнитная линза ФС настраивается так, чтобы обеспечить максимальное прохождение пучка вдоль канала проводки, а вторая магнитная линза корректирует расходимость его на выходе из устройства проводки, обеспечивая фокусировку электронного пучка, а вместе с выходным формирователем и согласование пучка с апертурой бетатронной камеры. Металлический экранирующий корпус обеспечивает экранировку пучка от магнитного поля бетатрона и экранировку бетатронного поля от поля фокусирующей системы устройства проводки. Для уменьшения искажений, вносимых устройством проводки в магнитное поле бетатрона, он снабжен профилированным наружным экраном, корректирующим ход силовых линий магнитного поля бетатрона в зоне выхода пучка. Внутренний экран, представляющий собой тонкостенную трубу из нержавеющей стали, толщина которой определяется из условия прозрачности ее для магнитного поля фокусирующей системы, экранирует ФС от влияния транспортируемого электронного пучка. Экранирующий корпус устройства проводки обеспечивает экранировку бетатрона от магнитного поля фокусирующей системы в течение первых 30-50 мкс. Ускорительный цикл в бетатроне длится от сотен микросекунд до миллисекунды и для того чтобы исключить влияние ФС на пучок в бетатроне, ФС запитывается от импульсных электрических источников импульсами тока длительностью в десятки микросекунд. Для эффективного контроля параметров пучка, транспортируемого в устройстве проводки, оно снабжено системой индуктивных датчиков - поясов Роговского.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое устройство проводки транспортирует необходимый для инжекции в бетатрон пучок электронов, уменьшив потери тока пучка на 20% и обеспечивая лучшую стабильность и фокусировку пучка на выходе устройства проводки для надежного захвата частиц в режим ускорения, одновременно не внося помех, препятствующих нормальной работе бетатрона. Форма и размер поперечного сечения электронного пучка соответствуют оптимальным и составляют 8 мм и 4 мм по осям эллипса. При данных параметрах получена максимальная интенсивность излучения бетатрона.