RU2187915C1

RU2187915C1 - Heavy-current electron cyclotron

Info

Publication number: RU2187915C1
Application number: RU2000129196A
Authority: RU
Inventors: А.Е. Дубинов; И.Д. Дубинова; И.Л. Львов; К.Е. Михеев
Original assignee: Дубинов Александр Евгеньевич; Дубинова Ирина Дмитриевна; Львов Игорь Львович; Михеев Константин Евгеньевич
Priority date: 2000-11-21
Filing date: 2000-11-21
Publication date: 2002-08-20

Abstract

FIELD: electron beam accelerators; microwave electron cyclotrons. SUBSTANCE: electron cyclotron has electromagnet, vacuum chamber accommodating explosion-emissive cathode in the form of electron- permeable metal foil or metal mesh, cylindrical accelerating cavity with end walls mounting electron- permeable diaphragms also in the form of flat electron-permeable metal foil or metal mesh, as well as beam receiver and high-voltage pulsed power supply connected to cathode. Vacuum chamber accommodates at least one conducting screen placed at cavity potential and made in the form of electronpermeable metal foil or metal mesh around cathode shaped as cylindrical surface section; it also holds cavity. EFFECT: reduced adverse effect of inherent electric field of beam in drift area which prevents electron acceleration failure. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике ускорителей электронных пучков и может быть использовано при создании сильноточных циклических СВЧ-ускорителей электронов - сильноточных микротронов. The invention relates to techniques for electron beam accelerators and can be used to create high-current cyclic microwave electron accelerators - high-current microtrons.

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). Microtrons are known that contain an electromagnet, a vacuum chamber in which an electronic source with its power source, a cylindrical accelerating resonator with end walls, on which diaphragms are transparent for electrons in the form of holes, and a beam receiver (for example, a bremsstrahlung target or an output window) are located beam), moreover, a thermionic electron gun is used as an electronic source, and the accelerating resonator is connected using a special matching waveguide path to an external microwave generator [1] (Kapitsa SP, Melekhin V.Ya. Mikrotron. - M .: Nauka, 1969).

Недостатком известных микротронов является малый ток ускоренных электронов (всего несколько сотен миллиампер). A disadvantage of the known microtrons is the low current of accelerated electrons (only a few hundred milliamps).

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. The microtron is closest to the proposed solution [2] (Dubinov AE Mikrotron. - RF Patent 2157600, Н 05 Н 13/06, 05/31/1999, publ. 10.10.2000, BI 28), containing an electromagnet, a vacuum chamber, which has an explosive emission cathode made in the form of electron-transparent metal foil or metal mesh, a cylindrical accelerating resonator with end walls, on which electron-transparent diaphragms are located, made also in the form of a plane electron-transparent metal foil or metal mesh, as well as e beam receiver and a source of high voltage pulsed power connected to the cathode.

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. The principle of operation of this microtron, chosen as the prototype, is based on creating conditions for the formation of a virtual cathode in the accelerating cavity, which modulates the electron beam, then passing them, then reflecting back, and exciting powerful microwave oscillations in the cavity. In this case, the electrons passing through the virtual cathode are in the accelerating phase of the microwave field of the resonator, due to which they gain energy during the first passage through the resonator. Then these electrons exit the resonator and, drifting in a vacuum chamber in a transverse magnetic field, fall on the transparent cathode, pass through it and again fall into the accelerating resonator, where they again gain energy, etc.

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. By selecting the magnitude of the magnetic field, the magnitude of the supply voltage supplied to the cathode, and the gap size of the cathode — the end wall of the resonator closest to it, it is possible to ensure that the accelerated fraction of electrons enters the resonator always in the accelerating phase of the microwave field of the resonator.

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. The disadvantage of the prototype is the following circumstance. After several turns of acceleration of the head electrons in the vacuum chamber in the drift region (outside the accelerated resonator), several turns of the electron beam are accumulated, the space charge of which creates an electric field, which contributes to the failure of the phase of the beam, disruption of the process of its acceleration and complete collapse of the beam.

Технической задачей изобретения является уменьшение негативного влияния собственного электрического поля пучка в области дрейфа. An object of the invention is to reduce the negative impact of the intrinsic electric field of the beam in the drift region.

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. The technical result of the proposed solution is a significant reduction in the negative influence of the beam’s own electric field in the drift region, which in turn eliminates the disruption of the electron acceleration process.

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. This result is achievable due to the fact that the proposed microtron, like the well-known microtron [2], contains an electromagnet, a vacuum chamber in which an explosive emission cathode is located, made in the form of a metal foil transparent to electrons or a metal mesh, a cylindrical accelerating resonator with end walls, on which there are located diaphragms transparent for electrons, made also in the form of a flat metal foil or a metal mesh transparent for electrons, as well as a beam receiver and a high source pulsed volt supply connected to the cathode, but unlike its prototype in the vacuum chamber is placed at least one is under the conductive shield of the resonator potential as transparent to electrons of the metal foil or metal mesh-shaped portion of the cylindrical surface enveloping the cathode and the cavity.

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. Conducting screens placed in the vacuum chamber of the microtron help to reduce the negative effect of the space charge of the beam due to the fact that they equalize the distribution of the electric potential in the drift region and shield the electrostatic interaction between different turns of the accelerated electron beam.

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. If the screens are made in the form of a section of a cylindrical surface covering the cathode and resonator, then individual turns of the accelerated electron beam in the drift section will be screened from each other in the best way.

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). If the position of the screens is not chosen exactly so that individual turns of the beam intersect the screens, then to prevent loss of the beam, the screens must be transparent for electrons (for example, in the form of a metal mesh or thin metal foil).

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.An example of the design of the microtron is shown in the drawing, where it is indicated: 1 - vacuum chamber; 2 - explosive emission cathode; 3 - cylindrical accelerating resonator; 4 - target bremsstrahlung; 5 - power source; 6 - a set of transparent screens for electrons; VK - virtual cathode; arrows indicate the trajectory of accelerated electrons; an electromagnet that is completely identical to the electromagnets of the known microtrons [1, 2] is not shown, the direction of the magnetic field is indicated by ⊗H.
The design of the vacuum chamber 1 also does not differ from the known [1, 2]. The cathode 2 can be made, for example, of thin (50-100 microns) titanium foil or of a tungsten wire mesh with a wire diameter of 200-500 microns and a mesh size of 1-2 mm. The same can be done and the diaphragm on the end walls of the accelerating resonator 3, as well as screens 6. This will prevent loss of the beam if the screens 6 are not installed exactly as shown in the drawing.

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). The target material of bremsstrahlung 4 is tantalum; its thickness is selected in accordance with the final acceleration energy. An external power source (a high pulse voltage source) 5, for example, of the type described in [3] (GA Mesyats Generation of powerful nanosecond pulses, is connected to the gap “cathode 2 — the closest end wall of the resonator 3”) - M .: Atomizdat, 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. We describe the work of the microtron. When a high voltage pulse is applied using a power source 5 to the gap "cathode 2 - the closest end wall of the resonator 3" on the cathode surface facing the resonator, a thin layer of electroexplosive plasma of the micropoint of the cathode is formed. The same voltage is accelerating for the electrons that leave this plasma, gain energy and are injected into the equipotential cavity of the resonator 3. A virtual cathode is formed inside the resonator, which then passes the electrons forward, then reflect them back into the diode, exciting intense electromagnetic microwave oscillations in resonator. These oscillations already on the first flight of the resonator can significantly increase the energy of the passing electrons at the exit from the resonator by almost two times compared with the energy at the entrance to the resonator [4] (Dolgachev G.I., Zakatov L.P., Oreshko A.G. , Skoryupin V. A. Increase of electron energy in a magnetically insulated diode with a virtual cathode. - Plasma Physics, 1985, v. 11, 11, p. 1425). Next, the passing electrons drift in a magnetic field in the vacuum chamber 1 along circular paths with virtually no change in energy. When approaching the cathode, the electrons partially slow down their movement and again accelerate when approaching the resonator.

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. If the phase of the electron entry into the resonator is correctly selected so that they get there in the reproaching phase of electromagnetic microwave oscillations, then during the secondary passage of the resonator they will again gain energy. And then, with all subsequent passes of the resonator electron, a sequential acceleration of electrons will occur until the radius of the circle of the electron revolution in the magnetic field becomes such that the electron path touches the target.

Оптимальный подбор фазы влета электронов в резонатор можно осуществить регулированием трех параметров: величины напряжения в диоде, величины диодного промежутка, величины магнитного поля. The optimal selection of the phase of electron entry into the resonator can be achieved by adjusting three parameters: the magnitude of the voltage in the diode, the magnitude of the diode gap, and the magnitude of the magnetic field.

Негативное действие пространственного заряда пучка на этапе дрейфа скомпенсировано экранами 6. The negative effect of the space charge of the beam at the drift stage is compensated by screens 6.

Claims

A high-current microtron containing an electromagnet, a vacuum chamber in which an explosive emission cathode is located, made in the form of a metal foil transparent to electrons or a metal grid, a cylindrical accelerating resonator with end walls, on which there are diaphragms transparent for electrons, made also in the form of a planar transparent for electrons metal foil or metal mesh, as well as a beam receiver and a source of high voltage switching power connected to the cathode, characterized in that at least one conductive screen is located in the vacuum chamber in the form of a metal foil transparent to electrons or a metal mesh in the form of a portion of a cylindrical surface covering the cathode and resonator.