RU1400467C

RU1400467C - Charged-particle accelerator

Info

Publication number: RU1400467C
Authority: RU
Inventors: В.Ф. Мартынов; В.И. Переводчиков; М.А. Завьялов; А.Л. Шапиро; В.Н. Лисин; Л.А. Неганова
Original assignee: Всесоюзный электротехнический институт им. В.И.Ленина
Priority date: 1986-01-02
Filing date: 1986-01-02
Publication date: 1994-06-30

Abstract

FIELD: electron accelerators. SUBSTANCE: charged-particle accelerator has housing 1; evacuating system 2, electron gun 3 assembled in insulator 4 and having thermal cathode assembly 5 with cathode 6; anode 7 located on water-cooled flange 8, inner cylindrical shields 9, 10 and outer shield 11 mounted on insulator 12 with built-in magnetic discharge pump 13 having two groups of permanent magnets 14 and planar grid-like electrodes 15. The charged-particle accelerator furthermore has cylindrical beam guide 17 composed of inner and outer cylinders 21 and 20, respectively, between the end-faces of which spaced from electron gun 3 there is annular partition 23; getter system built in inner cylinder 21 and composed of symmetrically located hollow shaped blades sealingly coupled with cylindrical beam guide 17. Hollow flanges 27 and 28 are sealingly coupled by tubular housings of heaters to form a coolant circulation system. EFFECT: widened operating capabilities due to regulating parameters of gas medium in the space behind the anode. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к ускорителям электронов прямого действия и предназначено для использования в электрофизических приборах и технологических установках. The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to direct-action electron accelerators and is intended for use in electrophysical devices and technological installations.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение удельной мощности. The aim of the invention is to expand the functionality and increase the specific power.

На фиг.1 представлен общий вид устройства; на фиг.2 - лучевод; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 - кривые, характеризующие режим самооткачки рабочего объема ускорителя p = f(Q), где р - давление, Q - расход газа. Figure 1 presents a General view of the device; figure 2 - beam path; figure 3 is a section aa in figure 2; figure 4 - curves characterizing the mode of self-pumping of the working volume of the accelerator p = f (Q), where p is the pressure, Q is the gas flow.

Ускоритель содержит корпус 1, откачную систему 2, электронную пушку 3, собранную в изоляторе 4. Пушка 3 содержит термокатодный узел 5 с катодом 6, анод 7, установленный на водоохлаждаемом фланце 8, внутренние цилиндрические экраны 9 и 10 и внешний экран 11, установленный на дополнительном изоляторе 12 с встроенным магниторазрядным насосом 13. Насос собран из двух групп постоянных магнитов 14 и плоских решетчатых электродов 15. Питание к пушке подводится через токовводы 16. Цилиндрический лучевод 17 охвачен магнитным соленоидом 18 и переходит в рабочую камеру 19, которая может быть снабжена стационарным откачным насосом. Лучевод собран из двух цилиндров - внешнего 20 и внутреннего 21, покрытого титановой губкой 22, между удаленными от пушки 3 торцами цилиндров 20 и 21 установлена кольцевая перегородка 23. В частном случае лопатки состоят из сегментных частей цилиндров 24, ориентированных по эвольвенте вокруг оси лучеводa и трубчатых корпусов 25 дополнительных подогревателей 26 из нихрома, изолированных алундом. Полые фланцы 27 и 28 лучевода герметично соединены трубчатыми корпусами подогревателей, образуя систему для циркуляции хладагента (азота). Эта герметичная охлаждающая структура лучевода и геттерной системы снабжена штуцерами 29 и 30 для ввода и вывода хладагента. Устройство содержит также металлокерамические вводы 31 к нагревателям геттерной системы, а в отпаянном автономным варианте специальные натекатели 32 газа (типа генераторов водорода). The accelerator contains a housing 1, a pumping system 2, an electronic gun 3 assembled in an insulator 4. The gun 3 contains a thermocathode assembly 5 with a cathode 6, an anode 7 mounted on a water-cooled flange 8, inner cylindrical screens 9 and 10, and an external screen 11 mounted on additional insulator 12 with an integrated magnetic discharge pump 13. The pump is assembled from two groups of permanent magnets 14 and flat lattice electrodes 15. Power to the gun is supplied through current leads 16. A cylindrical beam guide 17 is surrounded by a magnetic solenoid 18 and goes into a working chamber Measure 19, which may be equipped with a stationary pump. The beam guide is assembled from two cylinders - the outer 20 and the inner 21, covered with a titanium sponge 22, an annular partition 23 is installed between the ends of the cylinders 20 and 21 remote from the gun 3. In the particular case, the blades consist of segmented parts of the cylinders 24 oriented along the involute around the axis of the beam guide and tubular bodies 25 additional heaters 26 of nichrome, insulated with alundum. The hollow flanges 27 and 28 of the beam guide are hermetically connected by tubular bodies of the heaters, forming a system for the circulation of refrigerant (nitrogen). This sealed cooling structure of the beam guide and getter system is equipped with fittings 29 and 30 for introducing and discharging refrigerant. The device also contains ceramic-metal inputs 31 to getter system heaters, and in a sealed-off autonomous version special gas leakages 32 (such as hydrogen generators).

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

После включения откачной системы 2 и получения в электронной пушке 3 рабочего вакуума ≈ 10^-6 мм рт.ст. включают накал термокатодного узла 5. Одновременно подают хладагент через штуцера 29 и 30 в геттерную систему, встроенную в лучевод 17. После выхода катода 6 пушки на заданный режим эмиссии подают питание на магнитный соленоид 18 и включают ускоряющее напряжение пушки через токоввод 16. Электронный пучок с высокой компрессией формируется в промежутке катод 6-анод 7 пушки и в полости лучевода взаимодействует с газом, поступающим от натекателя 32. Геттерная система, встроенная в лучевод, обеспечивает перепад давлений между пушкой и рабочей камерой примерно на два порядка. Поэтому даже в случае развития в рабочей камере пучковоплазменного разряда обеспечивается надежная развязка процессов формирования и ускорения пучка в пушке и процесса транспортировки энергии за пределами лучевода.After turning on the pumping system 2 and receiving in the electron gun 3 a working vacuum ≈ 10 ^-6 mm Hg turn on the heat of the cathode assembly 5. At the same time, coolant is supplied through the nozzles 29 and 30 to the getter system integrated in the beam guide 17. After the cathode 6 of the gun reaches the specified emission mode, power is supplied to the magnetic solenoid 18 and the accelerating voltage of the gun is turned on through the current lead 16. The electron beam with With high compression, the cathode 6-anode 7 of the gun is formed in the gap and interacts with the gas coming from the leak pipe 32 in the cavity of the beam duct. The getter system integrated in the beam path ensures a pressure differential between the gun and the working chamber about two orders of magnitude. Therefore, even in the case of the development of a beam-plasma discharge in the working chamber, reliable isolation of the processes of formation and acceleration of the beam in the gun and the process of energy transportation outside the beam guide is ensured.

Поток газа и заряженных частиц, попадающий из рабочей камеры через отверстие в нижнем фланце в полость лучевода, собирается на полых лопатках, состоящих в частном конкретном случае из сегментных частей цилиндров 24 и трубчатых корпусов 25, а также на поверхности внутреннего цилиндра 21 лучевода. Полые фланцы 27 и 28 лучевода разделяют зоны низкого давления со стороны пушки и высокого давления со стороны рабочей камеры. Скорость сорбции регулируется подбором типа хладагента и его расхода в зависимости от параметров электронного пучка и уровня тока утечки на лопатки. Для восстановления работоспособности геттерной системы по истечении заданной длительности рабочего цикла через штуцера 29 и 30 откачивают хладагент, а нихромовые подогреватели 26 через вводы 31 подключают к источнику накала. Подогреватели, расположенные осесимметрично в трубчатых корпусах 25 лопаток по всей высоте лучевода могут включаться между собой последовательно или параллельно. Происходит разогрев геттерной системы до температуры десорбции поглощенного газа, который поглощается автономным приемником-генератором водорода 32. Разогрев лопаток может производиться несфокусированным электронным пучком при отключении соленоида 18. The flow of gas and charged particles that enters from the working chamber through an opening in the lower flange into the cavity of the beam path is collected on hollow blades, consisting in a particular case of segmented parts of cylinders 24 and tubular bodies 25, as well as on the surface of the inner cylinder 21 of the beam path. The hollow flanges 27 and 28 of the beam guide separate the low pressure zones from the gun side and the high pressure from the working chamber side. The sorption rate is controlled by the selection of the type of refrigerant and its flow rate depending on the parameters of the electron beam and the level of leakage current to the blades. To restore the functionality of the getter system after a predetermined duration of the working cycle, the refrigerant is pumped out through the nozzles 29 and 30, and the nichrome heaters 26 are connected to the glow source through the inputs 31. Heaters located axisymmetrically in the tubular bodies of 25 vanes along the entire height of the beam path can be switched on in series or in parallel. The getter system is heated to the desorption temperature of the absorbed gas, which is absorbed by an autonomous hydrogen generator 32. The blades can be heated by an unfocused electron beam when the solenoid 18 is turned off.

Энергия пучка может варьироваться в пределах от десятков до 200 кэВ, интенсивность от единиц до десятков ампер в непрерывном режиме и до сотен ампер в частотно-импульсном. В указанном диапазоне параметров длина электронно-лучевого тракта до выхода в рабочую камеру может составлять 100-200 мм. The beam energy can vary from tens to 200 keV, the intensity from units to tens of amperes in continuous mode and up to hundreds of amperes in pulse-frequency. In the specified range of parameters, the length of the cathode ray path before reaching the working chamber can be 100-200 mm.

Результаты экспериментальной отработки режима самооткачки в лучеводе (см. фиг. 4) при различных температурах геттерной системы и расходах газа Q (Л˙мм рт.ст./с) показали, что перепад давлений на входе и выходе из лучевода при комнатной температуре составляет 1,5-2 порядка, при температуре жидкого азота 2,5-3 порядка. Габариты лучевода с встроенной геттерной системой и подогревателями составили - диаметр 120 мм, высота - 100 мм, причем диаметр внутреннего цилиндра 21, покрытого титановой губкой, составил 100 мм, диаметр цилиндрической осевой зоны 12 мм, диаметр трубчатых корпусов подогревателей 25, установленных симметрично у вершин правильного шестиугольника, ≈ 70 мм. The results of experimental testing of the self-pumping mode in the beam guide (see Fig. 4) at various getter system temperatures and gas flow rates Q (L Qmm Hg / s) showed that the pressure drop at the inlet and outlet of the beam guide at room temperature is 1 , 5-2 orders of magnitude, at a temperature of liquid nitrogen of 2.5-3 orders of magnitude. The dimensions of the beam guide with an integrated getter system and heaters were 120 mm in diameter, 100 mm in height, and the diameter of the inner cylinder 21 covered with a titanium sponge was 100 mm, the diameter of the cylindrical axial zone was 12 mm, and the diameter of the tubular bodies of the heaters 25 mounted symmetrically at the vertices regular hexagon, ≈ 70 mm.

Жидкий азот подается через штуцер 29 во внутреннюю герметичную полость нижнего фланца лучевода 28, затем поступает по трубчатым корпусам подогревателей в полость верхнего фланца лучевода 27 и выходит через второй штуцер 30. Liquid nitrogen is supplied through the nozzle 29 into the inner sealed cavity of the lower flange of the beam guide 28, then enters through the tubular bodies of the heaters into the cavity of the upper flange of the beam guide 27 and exits through the second nozzle 30.

В качестве рабочего газа используется водород, поступающий в рабочую камеру 19 после включения накала генератора 32 водорода. Скорость сорбции водорода в полости лучевода - на лопатках и поверхности внутреннего цилиндра 21 регулируется расходом хладагента. As the working gas, hydrogen is used, which enters the working chamber 19 after turning on the glow of the hydrogen generator 32. The rate of hydrogen sorption in the cavity of the beam guide - on the blades and the surface of the inner cylinder 21 is regulated by the flow of refrigerant.

В режиме десорбции геттерной системы водород может вновь поглощаться генератором 32. Поэтому устройство может функционировать в отпаянном исполнении, обеспечивая необходимые вакуумные условия в области формирования и ускорения пучка и регулируемый режим самооткачки. In the desorption mode of the getter system, hydrogen can again be absorbed by the generator 32. Therefore, the device can function in a sealed design, providing the necessary vacuum conditions in the field of beam formation and acceleration and an adjustable self-pumping mode.

Положительный эффект от применения изобретения обусловлен увеличением удельной мощности ускорителя, достигаемой за счет конструктивного совмещения геттерной системы и лучевода, а также электронной пушки и откачной системы, выполненной в виде секционированного магниторазрядного насоса, встроенного в экран катодного узла пушки. Такая структура основных узлов ускорителя обеспечивает одновременно расширение его функциональных возможностей за счет регулируемого изменения параметров газовой среды в заанодном пространстве, позволяющего в итоге увеличить характеристическую проводимость всего электронно-лучевого тракта, а следовательно, и мощность прибора в заданных габаритах, а также позволяет разрабатывать компактные, автономные приборы, механически развязанные от внешних откачных систем. The positive effect of the application of the invention is due to an increase in the specific power of the accelerator achieved by constructively combining the getter system and the beam guide, as well as the electron gun and the pumping system, made in the form of a sectioned magnetic discharge pump integrated into the screen of the cathode gun assembly. Such a structure of the main components of the accelerator provides at the same time the expansion of its functional capabilities due to the controlled change in the parameters of the gaseous medium in the anode space, which allows one to ultimately increase the characteristic conductivity of the entire cathode ray path and, consequently, the power of the device in the given dimensions, and also allows the development of compact, autonomous devices mechanically isolated from external pumping systems.

Использование ускорителя заряженных частиц в зависимости от уровня рабочего напряжения (от десятков до сотен киловольт) позволяет улучшить технико-экономические показатели электронно-лучевых технологических установок и электрофизических приборов, в частности применяемых в СВЧ-технике и в экспериментах по исследованию взаимодействия релятивистских пучков с плазмой в импульсном и непрерывном режимах. The use of a charged particle accelerator depending on the level of operating voltage (from tens to hundreds of kilovolts) can improve the technical and economic indicators of electron-beam processing units and electrophysical devices, in particular those used in microwave technology and in experiments to study the interaction of relativistic beams with plasma in pulsed and continuous modes.

Claims

1. THE CHARGED PARTICLE ACCELERATOR, comprising a housing, an evacuation system, an electron gun, a getter system, a cylindrical beam path covered by a magnetic solenoid and a working chamber, characterized in that, in order to expand the functionality and increase the specific power, the beam path is made in the form of two axisymmetric cylinders , between the ends of which are remote from the gun, an annular partition is installed, while the getter system is built into the inner cylinder and is made of symmetrically hollow profiled ones opatok, wherein the surface of the inner cylinder and the vanes are covered with getter material, and the beam guide is provided with hollow flanges, which are hermetically connected to the hollow blades, and nozzles for coolant input and output.

2. The accelerator according to claim 1, characterized in that the blades of the getter system are made in the form of segmented parts of metal cylinders oriented along the involute around the axis of symmetry of the beam guide, and tubular bodies of additional heaters coated with a titanium sponge are installed along the outer generatrices of the cylindrical segments.