УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ

Во многих ускорителях, промышленного применения использующихся в установках радиационной обработки материалов применяется способ ускорения электронов СВЧ энергией в резонансной структуре, состоящей из последовательности объемных резонаторов [1]. К недостаткам подобной схему ускорения можно отнести сложность изготовления и настойки ускоряющих секций, состоящих из большого числа резонаторов. Принципиальные проблемы, возникающие при изготовлении подобных структур, связаны с нелинейным характером кулоновских сил, играющих существенную роль в процессе транспортировки электронных сгустков и их энергообмена с электромагнитными полями.
В предлагаемой конструкции сделана попытка обойти эти ограничения. В значительной степени нелинейность взаимодействия электронных сгустков можно исключить при использовании поперечной группировки электронного пучка, дрейфующего в постоянном продольном магнитном поле. При этом, за счет воздействия силы Лоренца, происходит деформация электронного пучка в поперечном направлении без образования электронных сгустков. На принципах поперечного взаимодействия электромагнитного поля с электронным пучком созданы такие приборы как электронно-лучевые параметрические усилители, лампы с бегущей циркулярно поляризованной волной, циклотронный преобразователь энергии (ЦПЭ) и ряд других, которые можно считать аналогами предлагаемой конструкции [2]. В качестве прототипа предлагаемой конструкции можно рассматривать ЦПЭ [3]. В резонаторе накачки ЦПЭ с поперечным электрическим высокочастотным полем происходит преобразование энергии СВЧ источника в энергию вращательного движения электронного пучка на циклотронной частоте. Затем в области спадающего магнитного поля, энергия вращения преобразуется, в энергию поступательного движения электронов и с помощью рекуперации в коллекторе преобразуется в энергию постоянного электрического тока, протекающего в нагрузке.
Ускорение за счет преобразования вращательного движения электронного пучка в поступательное в спадающем магнитном поле используется и в предлагаемой конструкции. На предприятии заявителе настоящего патента проводились работы по расчетам и изготовлению преобразователей энергии. Экспериментально был получен КПД преобразования более 80% при выходной мощности постоянного тока до нескольких десятков киловатт [4].
Во всех разрабатывавшихся ЦПЭ изучалась возможность получения на выходе энергии постоянного тока (выпрямление СВЧ сигнала), а использование подобной конструкции для ускорения электронов до настоящего времени не рассматривалась, что показывает техническую новизну предложенной конструкции по первому пункту формулы изобретения. Внешний вид конструкции показан на фиг.1.
Известно, что КПД преобразования СВЧ энергии в энергию вращения пучка в ЦПЭ может превышать 90% [6], однако необходимость осадить электронный пучок на поверхность с потенциалом, равным потенциалу пучка, может привести к появлению отраженных электронов, что приводит к снижению технического КПД устройства. В конструкции ускорителя это ограничения снимается. Предлагаемый ускоритель электронов предназначен для промышленного применения в установках радиационной обработки материалов. При этом, после преобразования энергии вращения в поступательное движение пучка электронов остается поперечное движение пучка, что в данном случае, является преимуществом, т.к. исключается устройство развертки пучка на выходе ускорителя [5].
Энергия вращения электронов на выходе из резонатора накачки может существенно, до 10 раз [7], превосходить энергию инжекции электронов. Таким образом, при энергии электронов на входе в резонатор в 50 Кэв на выходе ускорителя можно получит энергию более 500 Кэв. Ускорение до более высоких энергий ограничено, в основном, необходимостью иметь большую апертуру выходного отверстия в резонаторе.
Помимо энергии электронов в ускорителях важна также средняя мощность пучка. В п.2 формулы полезной модели для повышения средней мощности предлагается, многолучевая конструкция ускорителя. Предлагается использовать электронную пушку, формирующую несколько электронных лучей, которые инжектируются в резонатор накачки коаксиального типа. Форма резонатора выбирается так, чтобы подводимая СВЧ энергия возбуждала в резонаторе колебания высокочастотного поперечного электрического поля с минимальным градиентом.
В резонаторе по п.1 формулы полезной модели напряженность поля имеет вид:
0
где V - разность потенциалов между электронами резонатора, d - зазор между электродами. Между электродами поле однородно. В резонаторе коаксиального типа с цилиндрическими внешним и внутренним электродами напряженность поля определяется по формуле:
0
1
2
где V - разность потенциалов между внутренним и внешним электродами, r - радиус внутреннего электрода, r - радиус внешнего электрода. Из формулы видно существование сильной зависимости поля от радиуса, что приводит к искажению формы пучков и снижению эффективности преобразования энергии. Получить высокую однородность поперечного высокочастотного электрического поля можно в резонаторе с прямоугольной формой внутреннего и внешнего электродов. На фиг 3 в качестве примера изображен резонатор для четырех пучков. Распределение поперечного электрического поля в областях расположения электронных пучков однородно, поэтому процесс преобразования энергии СВЧ излучения в энергию вращения отдельных электронных пучков и дальнейшее ускорение лучей в приведенной конструкции полностью идентично п.1 формулы патента.
Можно сделать оценку мощности, достижимой в многолучевой конструкции ускорителя. Энергоемкость ЦПЭ [4] составляла 50 кВт. Если взять в качестве примера многолучевого ускорителя четырехлучевую конструкцию, то суммарная мощность лучей ускорителя увеличится до 200 кВт.
Многолучевая конструкция ускорителя с независимым управлением током каждого пучка дает возможность варьировать в широких пределах мощность пучков ускорителя при заданной энергии инжектируемого пучка, изменяя только СВЧ мощность от внешнего источника при сохранении высокого КПД, что в случае традиционных ускорителей требует создания линейки ускорителей на разную мощность [5].
В пункте 3 формулы полезной модели предлагается многолучевая конструкция ускорителя с уменьшенными массогабаритными параметрами.
ц
Частота циклотронных колебаний ω определяется формулой:
0
где, B - индукция магнитного поля, e, m - соответственно заряд и масса ускоряемой частицы, в нашем случае электрона. В рассмотренной выше конструкции резонатора накачки с двумя электродами при повышении частоты СВЧ сигнала накачки в режиме циклотронного резонанса величина магнитного поля должна быть также пропорционально увеличена в соответствии с формулой (3), что увеличивает массу магнитов и соответственно габариты ускорителя. Обойти это ограничение можно, применяя мультипольный (квадрупольный или более высокого типа) резонатор. В этом случае частота источника СВЧ энергии
ц
где n=2, 3, … - число пар электродов, а пучок вращается с частотой ω.
Для выполнения условия (4) следует либо уменьшить магнитное поле в n раз при сохранении частоты источника СВЧ сигнала, либо при сохранении магнитного поля увеличить частоту СВЧ сигнала в n раз, что приводит к уменьшению габаритов резонатора накачки. Уменьшение магнитного поля возможно до величин, минимально необходимых для электронно-оптической фокусировки и транспортировки электронного пучка.
В частности, такой резонатор предлагается для применения в мультипольных СВЧ умножителях [8]. При расположении центров пучков на одном диаметре можно использовать мультиполный резонатор в предлагаемом ускорителе. Для формирования пучков, вращающихся вокруг общего центра, можно использовать отдельные прямоточные электронные пушки с нулевым магнитным полем на катоде и нарастающее магнитное поле [9] или так называемые кикеры [10] для придания пучкам вращения.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
Фиг.1 Схема ускорителя на циклотронном резонансе и распределение магнитного поля по длине ускорителя.
Фиг.2 Поперечное сечение резонатора с 4 электронными пучками и распределение поля в резонаторе.
Фиг.3 Схема мультипольного (квадрупольного) резонатора.
0
1
2
1
2
Конструкция ускорителя на циклотронном резонансе (Фиг.1) содержит катод 1 инжектирующий электронный пучок 3 в резонатор накачки 2, в котором создано однородное продольное магнитное поле величиной B и область ускорения электронов 3 (область спадающего магнитного поля на участке Z-Z). Величина магнитного поля и частота настройки резонатора связаны формулой (3). Поперечное сечение резонатора представляет из себя H-образный волновод. Длина резонатора для промышленной частоты 2450 МГц составляет около 60 мм. Поперечные размеры зависят от уровня подводимой мощности. Работа ускорителя электронов осуществляется следующим образом. Инжектированный со скоростью V электронной пушкой пучок попадает в резонатор накачки, где за счет силы Лоренца, создаваемой поперечным СВЧ электрическим полем и продольным магнитным, происходит эффективное преобразование энергии внешнего СВЧ сигнала в энергию вращения пучка с циклотронной частотой как единого целого (режим циклотронного резонанса). На выходе из резонатора накачки в области спадающего магнитного поля, (область между координатами Z и Z), существует радиальная компонента магнитного поля B, под воздействием которой энергия вращения электронного потока преобразуется в дополнительную энергию его поступательного движения, и на выходе электроны имеют скорость V+ΔV. При этом преобразовании происходит значительное увеличение апертуры пучка за счет сил кулоновского расталкивания в отсутствие продольной магнитной фокусировки, как схематично показано на фиг.1. Ускоренный электронный пучок в дальнейшем можно использовать для электронно-лучевой обработки материалов или осадить на анод, с целью получения источника интенсивного рентгеновского излучения с большой апертурой.
На Фиг.2 обозначен внутренний проводник резонатора 1, четыре электронных пучка 2 и показаны силовые линии электрического поля, рассчитанные по программам трехмерного моделирования. Для промышленной частоты 2450 МГц сечение внутреннего проводника примерно 16×4 мм, сечение резонатора 30×20 мм. Длина резонатора как и в первом пункте 60 мм. Плотность силовых линий соответствует величине электрического поля. Из рисунка видно существование областей с однородным распределением высокочастотного электрического поля, в которых помещены электронные пучки, и где может эффективно происходить преобразование СВЧ энергии в энергию вращения электронных пучков. Работа ускорителя происходит аналогично однолучевой конструкции описанной в пункте 1.
На фиг.3 в качестве примера мультипольного резонатора по п.3 формулы патента показано сечение квадрупольного (с двумя парами электродов) резонатора с двумя электронными пучками. Также показана схема изменения потенциалов на электродах резонатора.
Для эффективного преобразования СВЧ энергии в энергию вращения необходима определенная фазировка электронных пучков. Согласно обозначений фиг.3, на электроды резонатора подается напряжение вида
0
ц
U=Ucos(2ωt)
ц
Электроны пучков влетевших в область квадрупольного поля с фазой -π/4 и 3 π/4, будут испытывать ускоряющее действие и их энергия будет возрастать. Через половину периода ω пучки попадут в области с фазой π/4 и -3 π/4, и поскольку частота накачки вдвое превышает циклотронную частоту, то пучки опять окажутся в ускоряющей фазе электрического поля, процесс повторится, и радиус вращения пучков будет возрастать. В случае попадания поля в противоположные фазы (квадранты π/4 и -3 π/4) будет происходить торможение электронных пучков и смещение их к общей оси, что ограничивает число пучков двумя в случае квадрупольного резонатора. Аналогичные процессы происходят в мультипольных резонаторах более высоких порядков. Допустимое число пучков при этом увеличивается и составляет n, где n - число пар электродов в резонаторе.
Предлагаемая конструкция ускорителя электронов позволяет упростить конструкцию и обеспечить следующие характеристики устройства:
- малые размеры ускорителя;
- высокую эффективность использования СВЧ мощности;
- большой суммарный ток ускоренных пучков;
- большую высокую апертуру ускоренных пучков.
Конструкция технологична в исполнении и проста в эксплуатации.
Источники информации.
1. Основы физики и техники ускорителей. Лебедев А.Н., Шальнов А.В. М:. 1981 г.
2. Поперечные волны электронного потока в микроволновой электронике. В.А.Ванке. УФН, т.175, №9. 2003 г.
3. Патент RU 2119691
4. Нетрадиционная вакуумная СВЧ-электроника на основе поперечных волн электронного потока. Ю.А.Будзинский, С.В.Быковский, В.А.Ванке. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. №4. 2005 г.
5. Мощные ускорители электронов для промышленного применения. Р.А.Салимов. УФН, т.170, №2, 2000 г.
6. Пространственный заряд, вторичная эмиссия и виртуальный катод в циклотронном преобразователе энергии. Казарян Г.М., Магтесян М.А., Саввин В.Л., Пеклевский А.В. // Научная сессия МИФИ, 2011, т.2, стр.159.
7. Пространственный заряд и рекуперация энергии в циклотронном преобразователе. В.Л.Саввин, Г.М.Казарян, А.В.Коннов, Д.А.Михеев, А.В.Пеклевский. Журнал радиоэлектроники №11, 2011 г.
8. Патент RU2356124
9. Формирование винтовых электронных пучков в адиабатической пушке. Гольденберг А.Л., Петелин М.И. Изв. вузов. Радиофизика. 1973, т.16, №1
10. Электронно-оптическая система гиротрона с большой орбитой. В.Л.Братман, Ю.К.Калынов, В.Н.Мануйлов, С.В.Самсонов. Журнал технической физики. 2005, т.75, вып 12.