RU2073965C1

RU2073965C1 - Device for producing picosecond-length current pulses of electron beam

Info

Publication number: RU2073965C1
Authority: RU
Inventors: Валерий Викторович Закутин; Александр Маркович Шендерович
Original assignee: Харьковский физико-технический институт
Priority date: 1990-08-31
Filing date: 1990-08-31
Publication date: 1997-02-20

Abstract

FIELD: acceleration engineering. SUBSTANCE: deflector plates 1 are placed inside base 2 mounted along beam transport channel 3; distance between plates reduces along transport channel at its constant ratio to plate width; plate length is chosen considering adiabatic variation of magnetic field; metal wall 7 with beam exit hole 8 is installed perpendicular to their surfaces along entire length of plates; distance from hole 8 to distant end of plate is at least as large as gap between them. EFFECT: improved design. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для получения импульсов тока электронных пучков пикосекундной длительности. The invention relates to accelerator technology and can be used to obtain current pulses of picosecond electron beams.

Известно устройство для получения коротких импульсов тока пучка электронов, представляющее собой ускоряющий промежуток, к которому приложен импульс напряжения малой длительности [1] Однако возможности уменьшения длительности импульса тока пучка в таком устройстве ограничиваются длительностью импульса напряжения на ускоряющем промежутке, которая практически не может быть сделана меньше наносекунды из-за влияния паразитных индуктивностей и емкостей. A device for producing short pulses of current of an electron beam is known, which is an accelerating gap to which a voltage pulse of short duration is applied [1] However, the possibility of reducing the duration of a beam of current pulses in such a device is limited by the duration of the voltage pulse in the accelerating gap, which can hardly be made less nanoseconds due to the influence of stray inductances and capacitors.

Меньшая длительность импульса тока пучка может быть получена с помощью принятого в данной заявке за прототип устройства, содержащего расположенные вдоль канала транспортировки пучка дефлекторные пластины, присоединенные к внешнему питающему генератору [2] Дефлекторные пластины при подаче на них высокочастотного напряжения от генератора создают электрическое и магнитное поля, которые периодически отклоняют пучок, осуществляя его развертку. На выходе дефлекторных пластин установлен коллиматор, через который пучок проходит в течение малой части периода высокочастотных колебаний. Поэтому при наносекундной длительности периода колебаний может быть получен пучок с длительностью импульса тока в пикосекундном диапазоне. С помощью таких устройство в [2] получен пучок электронов с длительностью импульса 70 псек и энергией частиц 40 кэВ. A shorter duration of the beam current pulse can be obtained using the prototype device adopted in this application, containing deflector plates located along the beam transport channel connected to an external supply generator [2]. Deflector plates generate high-frequency voltage from the generator and generate electric and magnetic fields. which periodically deflect the beam, carrying out its development. A collimator is installed at the output of the deflector plates, through which the beam passes during a small part of the period of high-frequency oscillations. Therefore, with a nanosecond duration of the oscillation period, a beam with a current pulse duration in the picosecond range can be obtained. Using such a device, an electron beam with a pulse duration of 70 psec and a particle energy of 40 keV was obtained in [2].

Недостатками прототипа являются ограничение возможностей повышения интенсивности пучка и сокращение его длительности. Оба эти ограничения связаны с силами саморасталкивания пучка. При повышении интенсивности пучка на длине траектории частиц вдоль дефлекторных пластин благодаря силам саморасталкивания диаметр пучка увеличивается и через выводное отверстие коллиматора пройдет только часть пучка, так что интенсивность выведенного пучка не увеличится. Если же увеличить диаметр отверстия, то в него будет попадать пучок в течение большего отрезка времени, т.е. длительность импульса тока пучка увеличится. Для уменьшения длительности импульса тока выведенного через отверстие пучка необходимо уменьшать диаметр пучка, т.к. время сканирования пучка по отверстию зависит от диаметра пучка. При уменьшении диаметра пучка возрастают силы саморасталкивания, в результате чего на длине траектории частиц вдоль дефлекторных пластин диаметр пучка снова увеличится и достигнуть сокращения длительности импульса тока пучка без уменьшения его интенсивности не удастся. The disadvantages of the prototype are the limitation of the possibility of increasing the intensity of the beam and reducing its duration. Both of these limitations are associated with the forces of self-repulsion of the beam. As the beam intensity increases along the particle path along the deflector plates, due to the self-repulsive forces, the beam diameter increases and only a part of the beam passes through the collimator exit hole, so that the intensity of the extracted beam does not increase. If the hole diameter is increased, then the beam will fall into it for a longer period of time, i.e. the beam current pulse duration will increase. To reduce the duration of the current pulse output through the hole of the beam, it is necessary to reduce the diameter of the beam, because the scanning time of the beam through the hole depends on the diameter of the beam. As the beam diameter decreases, self-repulsive forces increase, as a result of which the beam diameter increases again along the particle path along the deflector plates and it will not be possible to achieve a reduction in the beam current pulse duration without decreasing its intensity.

Целью изобретения является уменьшение длительности импульса тока пучка при заданной интенсивности и повышение импульсной мощности электронного пучка. The aim of the invention is to reduce the pulse duration of the beam current at a given intensity and increase the pulse power of the electron beam.

Указанная цель в устройстве для получения импульсов тока пучка электронов пикосекундной длительности, содержащем дефлекторные пластины, подключенные к импульсному источнику питания, достигается тем, что в устройство введены соленоид и металлическая стенка с отверстием, соленоид охватывает дефлекторные пластины и расположен вдоль канала транспортировки пучка в дефлекторных пластинах, металлическая стенка с отверстием перпендикулярна поверхности пластин, ориентирована вдоль канала транспортировки пучка в дефлекторных пластинах, расположена вдоль всей длины пластин и смещена от оси соленоида в направлении траектории отклонения пучка электронов, в качестве импульсного источника питания использован генератор наносекундных импульсов, дефлекторные пластины закорочены на конце, противоположном месту подключения генератора, расстояние между пластинами и их ширина уменьшаются вдоль канала транспортировки пучка, при этом отношение расстояния между пластинами к их ширине остается по всей длине пластин постоянным и выполнено условие

,
где D диаметр отверстия в металлической стенке (м), а радиус пучка (м), H_z напряженность продольного магнитного поля соленоида (А/м), Н_рк напряженность магнитного поля, создаваемого дефлекторными пластинами в месте расположения отверстия (А/м). Дефлекторные пластины могут быть разделены в продольном направлении на отрезки, длина которых меньше расстояния пробега электромагнитной волны вдоль пластин за время фронта импульса генератора наносекундных импульсов, при этом каждый из отрезков подключен к генератору наносекундных импульсов.The specified purpose in the device for receiving current pulses of an electron beam of picosecond duration, containing deflector plates connected to a switching power supply, is achieved by introducing a solenoid and a metal wall with a hole into the device, the solenoid encompasses the deflector plates and is located along the beam transport channel in the deflector plates , the metal wall with the hole is perpendicular to the surface of the plates, oriented along the beam transport channel in the deflector plates, It is located along the entire length of the plates and is offset from the axis of the solenoid in the direction of the electron beam deflection path, a nanosecond pulse generator is used, the deflector plates are shorted at the end opposite the generator connection point, the distance between the plates and their width decrease along the beam transport channel, the ratio of the distance between the plates to their width remains constant over the entire length of the plates and the condition

,
where D is the diameter of the hole in the metal wall (m), and the radius of the beam (m), H _z is the longitudinal magnetic field strength of the solenoid (A / m), N _pk is the magnetic field generated by the deflector plates at the location of the hole (A / m). The deflector plates can be divided in the longitudinal direction into segments whose length is less than the mean free path of the electromagnetic wave along the plates during the pulse front of the nanosecond pulse generator, with each of the segments connected to the nanosecond pulse generator.

Авторы не обнаружили в других технических решениях признаков, сходных с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа. Поэтому можно сделать вывод, что предлагаемое решение обладает существенными отличиями. The authors did not find in other technical solutions features similar to those that distinguish the claimed solution from the prototype. Therefore, we can conclude that the proposed solution has significant differences.

Предлагаемое устройство позволяет получить положительный эффект, заключающийся в уменьшении длительности импульса тока пучка при заданной его интенсивности и повышении импульсной мощности электронного пучка. The proposed device allows to obtain a positive effect, which consists in reducing the duration of the beam current pulse at a given intensity and increasing the pulse power of the electron beam.

Схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1. Здесь дефлекторные пластины 1 расположены внутри соленоида 2, установленного вдоль канала транспортировки пучка 3 от его источника 4. Дефлекторные пластины подключены с одной стороны к генератору наносекундных импульсов 5, а с другой стороны к нагрузочному сопротивлению 6. Ширина пластин b и расстояние между ними d уменьшаются вдоль канала транспортировки таким образом, что отношение b/d остается постоянным. При этом волновое сопротивление двухпроводной линии, образованной пластинами, остается постоянным вдоль всей длины пластин. Вдоль всей длины пластин перпендикулярно их поверхностям установлена металлическая стенка 7 с отверстием 8 для вывода пучка пикосекундной длительности. Отверстие расположено на расстоянии от дальнего по ходу канала транспортировки конца пластин 9 на расстоянии g, не меньшем расстояния между пластинами в месте расположения отверстия. Диаметр отверстия 8 равен диаметру пучка 2а, отнесенному к синусу угла между направлением суммарного магнитного поля соленоида 2 и дефлекторных пластин 1 и металлической стенкой 7 в месте расположения отверстия 8. Соленоид 2 подключен к источнику его питания 10. A diagram of the proposed device is shown in FIG. 1. Here, the deflector plates 1 are located inside the solenoid 2 installed along the beam transport channel 3 from its source 4. The deflector plates are connected on one side to the nanosecond pulse generator 5 and, on the other hand, to the load resistance 6. The width of the plates b and the distance between them d decrease along the transport channel so that the ratio b / d remains constant. In this case, the wave impedance of the two-wire line formed by the plates remains constant along the entire length of the plates. Along the entire length of the plates perpendicular to their surfaces, there is a metal wall 7 with an opening 8 for outputting a picosecond beam. The hole is located at a distance from the farthest along the transport channel of the end of the plates 9 at a distance g not less than the distance between the plates at the location of the hole. The diameter of the hole 8 is equal to the diameter of the beam 2a, related to the sine of the angle between the direction of the total magnetic field of the solenoid 2 and the deflector plates 1 and the metal wall 7 at the location of the hole 8. The solenoid 2 is connected to its power source 10.

Работа устройства происходит следующим образом. От источника 10 через соленоид 2 пропускают электрический ток. Этот ток создает внутри соленоида продольное магнитное поле H_z. После этого из источника 4 вдоль канала транспортировки пропускают электронный пучок 3. Продольное магнитное поле удерживает пучок, препятствуя увеличению его диаметра под действием сил поперечного саморасталкивания частиц. Затем от наносекундного импульсного генератора 5 к дефлекторным пластинам 1 прикладывают импульс напряжения. Под действием этого напряжения в двухпроводной линии, образованной дефлекторными пластинами, распространяется волна напряжения и тока в положительном направлении оси Z. При выбранных размерах пластин, когда отношение ширины пластин к зазору между ними остается постоянным вдоль всей их длины, остается постоянным вдоль всей длины пластин и волновое сопротивление линии. Поэтому волна напряжения и тока в линии распространяется без отражения. В случае, когда нагрузочное сопротивление 6 выбрано равным волновому сопротивлению линии, эта волна поглощается в нагрузочном сопротивлении 6. Но нагрузочное сопротивление 6 не обязательно должно быть равно волновому сопротивлению линии, образованной дефлекторными пластинами. Например, в случае, когда нагрузочное сопротивление равно нулю, происходит отражение волны от закороченного конца линии с удвоением амплитуды тока. Если линия согласована со стороны наносекундного генератора 5, то отраженная волна поглощается в генераторе и на этом процесс в линии заканчивается. Ток в линии создает поперечное магнитное поле Н_x, которое увеличивается в положительном направлении оси Z, поскольку H_x≈1/b, а ширина пластин b уменьшается в положительном направлении оси Z. В связи с ростом поля H_x и постоянством Н направление суммарного магнитного поля постепенно изменяется, как это показано на фиг. 2, где приведены силовые линии магнитного поля в один и тот же момент времени, начинающиеся вблизи оси соленоида. Если выполнено условие адиабатичности, когда длина пластин существенно превышает длину, на которой совершается одно циклотронное колебание пучка в магнитном поле, траектории частиц будут практически совпадать с силовыми линиями магнитного поля. Поэтому частицы, двигаясь в положительном направлении оси Z, будут постепенно смещаться в поперечном направлении (х) и, наконец, попадут на стенку (7 на фиг. 1). Если ток в пластинах и их размеры выбраны таким образом, что силовые линии суммарного магнитного поля соленоида и пластин проходят от оси соленоида в начале пластин через отверстие (8 на фиг. 1), то по такой же траектории будут двигаться и частицы пучка. При этом пучок выйдет через отверстие, если его диаметр будет равен отношению диаметра пучка 2а к синусу угла α между направлением суммарного магнитного поля соленоида и пластин и металлической стенкой 7, что ясно из простых геометрических соображений (см. фиг. 1). Во время фронта импульса напряжения генератора ток в линии постепенно нарастает, поэтому постепенно нарастает поперечное магнитное поле Н_x (см. фиг. 3). Благодаря этому ход силовых линий суммарного магнитного поля также изменяется со временем, что видно из фиг. 4, где силовая линия 11 соответствует моменту времени t₁ на фиг. 3, силовая линия 12 моменту t₂, силовая линия 13 моменту t₃, силовая линия 14 моменту t t окончания фронта импульса. На фиг. 4 поз. 7 показана металлическая стенка и поз. 8 отверстие. Из фиг. 4 видно, что в данном случае пучок пройдет через отверстие в течение отрезка времени вблизи t t₃, значительно меньшего длительности фронта импульса напряжения. Поскольку практически t может быть сделано равным ≈1 нсек, то длительность импульса выведенного пучка будет иметь величину в пикосекундном диапазоне длительности.The operation of the device is as follows. An electric current is passed from a source 10 through a solenoid 2. This current creates a longitudinal magnetic field H _z inside the solenoid. After that, an electron beam 3 is passed from the source 4 along the transport channel. A longitudinal magnetic field holds the beam, preventing its diameter from increasing under the influence of transverse self-repulsive particles. Then, a voltage pulse is applied from the nanosecond pulse generator 5 to the deflector plates 1. Under the action of this voltage, a voltage and current wave propagates in the two-wire line formed by the deflector plates in the positive direction of the Z axis. For the selected plate sizes, when the ratio of the plate width to the gap between them remains constant along their entire length, remains constant along the entire length of the plates and line impedance. Therefore, the voltage and current wave in the line propagates without reflection. In the case when the load resistance 6 is chosen equal to the wave resistance of the line, this wave is absorbed in the load resistance 6. But the load resistance 6 does not have to be equal to the wave resistance of the line formed by the deflector plates. For example, in the case when the load resistance is zero, the wave is reflected from the shorted end of the line with a doubling of the current amplitude. If the line is matched by the nanosecond generator 5, then the reflected wave is absorbed in the generator and the process in the line ends there. The current in the line creates a transverse magnetic field H _x , which increases in the positive direction of the Z axis, since H _x ≈1 / b, and the width of the plates b decreases in the positive direction of the Z axis. Due to the growth of the field H _x and the constancy of H, the direction of the total magnetic field gradually changes, as shown in FIG. 2, which shows the magnetic field lines at the same moment in time, starting near the axis of the solenoid. If the adiabaticity condition is fulfilled, when the plate length substantially exceeds the length at which one beam cyclotron oscillates in a magnetic field, the particle trajectories will practically coincide with the magnetic field lines. Therefore, particles moving in the positive direction of the Z axis will gradually shift in the transverse direction (x) and, finally, will fall onto the wall (7 in Fig. 1). If the current in the plates and their sizes are selected in such a way that the lines of force of the total magnetic field of the solenoid and plates pass from the axis of the solenoid at the beginning of the plates through the hole (8 in Fig. 1), then the beam particles will also move along the same trajectory. In this case, the beam will exit through the hole if its diameter is equal to the ratio of the diameter of the beam 2a to the sine of the angle α between the direction of the total magnetic field of the solenoid and the plates and the metal wall 7, which is clear from simple geometric considerations (see Fig. 1). During the front of the generator voltage pulse, the current in the line gradually increases, therefore, the transverse magnetic field H _x gradually increases (see Fig. 3). Due to this, the course of the lines of force of the total magnetic field also changes with time, as can be seen from FIG. 4, where the power line 11 corresponds to time t ₁ in FIG. 3, the power line 12 to the moment t ₂ , the power line 13 to the moment t ₃ , the power line 14 to the moment tt of the end of the pulse front. In FIG. 4 poses 7 shows a metal wall and pos. 8 hole. From FIG. Figure 4 shows that in this case the beam will pass through the hole during a period of time near tt ₃ , which is much shorter than the duration of the voltage pulse front. Since practically t can be made equal to ≈1 nsec, the pulse duration of the extracted beam will have a value in the picosecond range of duration.

Для достижения этой цели длина пластин должна быть выбрана из условия адиабатичности изменения суммарного магнитного поля, создаваемого соленоидом и дефлекторными пластинами. При невыполнении условия адиабатичности траектории частиц не будут совпадать с силовыми линиями магнитного поля, частицы будут двигаться по спирали увеличивающегося радиуса и пучок не будет выходить через отверстие (8 на фиг. 1). Для достижения поставленной цели ширина пластин должна уменьшаться вдоль оси Z, т.к. только в этом случае могут получиться силовые линии магнитного поля, показанные на фиг. 2, 4, обеспечивающие получение соответствующих траекторий частиц. Отношение ширины пластин к их зазору должно оставаться постоянным вдоль всей длины пластин, т.к. при этом волновое сопротивление линии, образованной пластинами, будет постоянным вдоль всей их длины. При невыполнении этого условия при распространении волны вдоль линии будут возникать отраженные волны, которые исказят распределение магнитного поля вдоль длины линии, а следовательно, и ход силовых линий, нарушат условие адиабатичности, в результате чего поставленная цель не будет достигнута. К тому же результату приведет расположение отверстия (8 на фиг. 1) на расстоянии, меньшем зазора между пластинами от конца пластин (9 на фиг. 1), т.к. при этом распределение магнитного поля вблизи отверстия исказится из-за действия краевых полей дефлекторных пластин. Влияние краевых полей будет несущественным, если расстояние от отверстия до конца пластин будет больше зазора между ними в месте расположения отверстий. To achieve this goal, the length of the plates must be selected from the condition of adiabaticity of the change in the total magnetic field created by the solenoid and deflector plates. If the adiabaticity condition is not met, the particle paths will not coincide with the magnetic field lines, the particles will move in a spiral of increasing radius and the beam will not exit through the hole (8 in Fig. 1). To achieve this goal, the width of the plates should decrease along the Z axis, because only in this case can the magnetic field lines shown in FIG. 2, 4, providing the corresponding particle trajectories. The ratio of the width of the plates to their gap should remain constant along the entire length of the plates, because the wave resistance of the line formed by the plates will be constant along their entire length. If this condition is not met, when the wave propagates along the line, reflected waves will arise that distort the distribution of the magnetic field along the line length and, consequently, the course of the force lines, violate the adiabatic condition, as a result of which the goal will not be achieved. The same result will result in the location of the hole (8 in Fig. 1) at a distance less than the gap between the plates from the end of the plates (9 in Fig. 1), because the distribution of the magnetic field near the hole is distorted due to the action of the edge fields of the deflector plates. The influence of the marginal fields will be insignificant if the distance from the hole to the end of the plates is greater than the gap between them at the location of the holes.

Произведем расчет предлагаемого устройства. Обозначим максимальное значение Н_x в начале пластин (z 0) и в месте расположения отверстия соответственно через Н_oн и H_ок, "рабочее" значение Н_x, при котором пучок проходит в отверстие в стенке (см. фиг. 3, 4), в тех же точках через Н_рн и H_рк, расстояние между пластинами в тех же точках d_н и d_к. Поскольку (см. фиг. 1)

, то диаметр отверстия 8 D, м, равен

Уравнение силовой линии магнитного поля имеет, как известно, вид d_x/d_z H_x/H_z. Интегрируя это уравнение, находим для смещения частицы от ее начального положения в направлении оси X в месте расположения отверстия при рабочем значении магнитного поля Н_x(Z) H_р(Z)

Например, в случае линейного изменения

имеем

Выбирая максимально-возможное значение X_к d_н, при котором частица в начале пластин находится еще в однородном поле, получим из (3)

Найдем теперь, насколько должно измениться магнитное поле Н_x относительно его "рабочего" значения Н_р, чтобы траектория частицы (или силовая линия магнитного поля) заканчивалась в точке, сдвинутой на величину диаметра отверстия D в направлении оси Z. Пользуясь (1) и (4), находим (учитывая, что D<l)

Из определения ΔH_к следует, что длительность импульса тока выведенного в отверстие пучка будет равна времени, в течение которого магнитное поле Н_x изменяется на ΔH_к. Если магнитное поле (в точке Z l) изменяется, например, по закону

то длительность импульса выведенного пучка будет очевидно

сопоставляя (5), (7) и (4), получим

Если максимальное напряжение наносекундного генератора равно U_o, то в случае, когда сопротивление 6 равно волновому сопротивлению линии, образованной дефлекторными пластинами,

В случае, когда нагрузочное сопротивление 6 равно нулю (дефлекторные пластины закорочены на конце),

Наконец, условие адиабатичности означает, что длина l должна быть существенно больше длины, на которой укладывается одно циклотронное колебание:

где m масса электрона, кг, v его скорость, м/с, γ энергия электрона, отнесенная к энергии покоя, m_o магнитная постоянная,

.We will calculate the proposed device. We denote the maximum value of N _x early plates (z 0) in the position of the opening arrangement respectively via H _OH and H _c, "working" value H _x, wherein the beam passes through the hole in the wall (see. FIGS. 3 and 4), at the same points through Н _рн and H _рк , the distance between the plates at the same points d _н and d _к . Since (see Fig. 1)

, then the diameter of the hole 8 D, m, is

The magnetic field line equation has, as is well known, the form d _x / d _z H _x / H _z . Integrating this equation, we find to displace the particle from its initial position in the direction of the X axis at the location of the hole at the working value of the magnetic field H _x (Z) H _p (Z)

For example, in the case of a ramp

we have

Choosing the maximum possible value of X _to d _n at which the particle at the beginning of the plates is still in a uniform field, we obtain from (3)

We now find how much the magnetic field H _x should change relative to its “working” value H _p so that the particle path (or magnetic field line) ends at a point shifted by the diameter of the hole D in the direction of the Z axis. Using (1) and ( 4), we find (given that D <l)

From the definition of ΔH _k, it follows that the duration of the current pulse of the beam extracted into the hole will be equal to the time during which the magnetic field H _x changes by ΔH _k . If the magnetic field (at the point Z l) changes, for example, according to the law

then the pulse duration of the extracted beam will be obvious

comparing (5), (7) and (4), we obtain

If the maximum voltage of the nanosecond generator is equal to U _o , then in the case when the resistance 6 is equal to the wave impedance of the line formed by the deflector plates,

In the case when the load resistance 6 is zero (the deflector plates are shorted at the end),

Finally, the adiabaticity condition means that the length l must be significantly greater than the length on which one cyclotron oscillation fits:

where m is the mass of the electron, kg, v its speed, m / s, γ is the electron energy, referred to as the rest energy, m _{o is the} magnetic constant,

.

Проведенный выше расчет справедлив, когда найденное по формуле (11) значение l меньше длительности фронта импульса наносекундного генератора, умноженной на скорость света. Если это условие не выполняется, то при проведении расчета необходимо учитывать запаздывание при прохождении волны по дефлекторным пластинам. Однако этого можно избежать при выполнении предлагаемого устройства с дефлекторными пластинами, разделенными в продольном направлении на отрезки длиной, меньшей длительности фронта генератора наносекундных импульсов, умноженной на скорость света, причем каждый из отрезков присоединен к генератору наносекундных импульсов. Схема дефлекторных пластин и их присоединения в таком устройстве приведена на фиг. 5. Здесь 5 - генератор наносекундных импульсов, 1 отрезки дефлекторных пластин, 6 - нагрузочные сопротивления. Остальные элементы устройства совпадают с элементами, показанными на фиг. 1. Если выбраны такие условия, при которых импульсы напряжения на вход всех отрезков дефлекторных пластин поступают одновременно (что может быть достигнуто, например, с помощью линии задержки), то работа такого устройства ничем не отличается от описанной выше, т.к. в данном случае, очевидно, запаздывание прихода импульсов напряжения на различные отрезки дефлекторных пластин будет отсутствовать. The above calculation is valid when the value of l found by formula (11) is less than the duration of the pulse front of the nanosecond generator multiplied by the speed of light. If this condition is not fulfilled, then during the calculation it is necessary to take into account the delay when the wave passes through the deflector plates. However, this can be avoided by performing the proposed device with deflector plates, longitudinally divided into segments of length shorter than the front of the nanosecond pulse generator multiplied by the speed of light, each of which is connected to a nanosecond pulse generator. A diagram of the deflector plates and their attachment in such a device is shown in FIG. 5. Here 5 is a nanosecond pulse generator, 1 segments of deflector plates, 6 are load resistances. The remaining elements of the device coincide with the elements shown in FIG. 1. If conditions are selected under which voltage pulses enter the input of all segments of the deflector plates simultaneously (which can be achieved, for example, using a delay line), then the operation of such a device is no different from that described above, because in this case, obviously, there will be no delay in the arrival of voltage pulses to different segments of the deflector plates.

Рассмотрим пример практической реализации предлагаемого устройства. Пусть из источника 4 (фиг. 1) в положительном направлении оси Z пропускают электронный пучок диаметром 2а 4 мм с кинетической энергией электронов 2•10⁴ эВ внутри соленоида 2, создающего продольное магнитное поле Н_z 8•10⁴ А/м. Отклонение пучка осуществляют дефлекторными пластинами с d_н 30 мм, d_к 5 мм, подключенными к генератору наносекундных импульсов с длительностью фронта импульса τ=10^-9 сек.. Пользуясь условием адиабатичности (11), находим, что в данном случае оно выполняется при l>30 мм. Выбираем, например, l 150 мм. Пользуясь формулой (4), находим "рабочее" значение напряженности магнитного поля H_рк 3,2•10⁴ А/м. Выбирая Н_ок H_рк, получим, пользуясь формулой (8), τ_и=7•10^-11 сек.. Наконец полагая, что пластины закорочены на конце (сопротивление 6 равно нулю), пользуясь формулой (10), найдем напряжение генератора наносекундных импульсов U_o 30 кВ. Таким образом, в рассмотренном примере при подаче от генератора наносекундных импульсов импульса напряжения амплитудой 30 кВ с длительностью фронта 1 нсек на дефлекторные пластины длиной 15 см можно вывести через отверстие (8 на фиг. 1) электронный пучок длительностью 70 псек с энергией электронов 20 кэВ. Диаметр отверстия в данном примере согласно формуле (1) равен ≈11 мм.Consider an example of the practical implementation of the proposed device. Let an electron beam with a diameter of 2a 4 mm with a kinetic energy of electrons of 2 • 10 ⁴ eV inside a solenoid 2, creating a longitudinal magnetic field H _z 8 • 10 ⁴ A / m, be transmitted from source 4 (Fig. 1) in the positive direction of the Z axis. Deflection of the beam is carried out with the deflector plates 30 mm d _n, d _to 5 mm, connected to a generator of nanosecond pulses with pulse rise time of τ = 10 ^-9 sec .. Using the adiabatic condition (11), we find that in this case it is performed at l > 30 mm. Choose, for example, l 150 mm. Using the formula (4), we find the “working” value of the magnetic field strength H _pk 3.2 • 10 ⁴ A / m. Choosing H _ok H _rk , we obtain, using the formula (8), τ _and = 7 • 10 ^-11 sec .. Finally, assuming that the plates are shorted at the end (resistance 6 is zero), using formula (10), we find the voltage of the nanosecond generator pulses U _o 30 kV. Thus, in the considered example, when a voltage pulse with an amplitude of 30 kV and a front duration of 1 nsec is supplied from the generator of nanosecond pulses, an electron beam with a duration of 70 psec and an electron energy of 20 keV can be pulled out through the opening (8 in Fig. 1). The hole diameter in this example according to formula (1) is ≈11 mm.

Рассмотрим другой пример практической реализации предлагаемого устройства. Пусть из источника в положительном направлении оси Z пропускают электронный пучок диаметром 2а 6 мм с кинетической энергией электронов 5•10⁴ эВ внутри соленоида, создающего продольное магнитное поле напряженностью H_z 4•10⁴ А/м. Отклонение пучка осуществляют дефлекторными пластинами c d_н 60 мм, d_к 12 мм, подключенными к генератору наносекундных импульсов с τ=10^-9 сек.. Пользуясь (11), находим l>100 мм. Выбираем, например, l 600 мм, разделяем полную длину пластин на 6 отрезков длиной 100 мм и подключаем каждый из них к генератору наносекундных импульсов, как показано на фиг. 5. Подбираем задержки подачи импульсов на отрезки пластин таким образом, чтобы импульсы напряжения на вход всех отрезков пластин подавались одновременно. Пользуясь формулой (4), находим рабочее значение напряженности магнитного поля Н_рк 8•10³ А/м. Выбирая H_ок 2H_рк, получим, пользуясь формулой (8), t_и 2,5•10^-11 сек. Полагая, что пластины закорочены на конце, пользуясь (10), находим U_o 36 кВ. Таким образом, в рассмотренном примере при подаче от генератора наносекундных импульсов импульса напряжения амплитудой 36 кВ с длительностью фронта 1 нсек на отрезки дефлекторных пластин общей длиной 60 см можно вывести через отверстие (8 на фиг. 1) электронный пучок длительностью 25 псек с энергией электронов 50 кэВ. Диаметр отверстия в данном примере составляет 30 мм.Consider another example of the practical implementation of the proposed device. Let an electron beam with a diameter of 2–6 mm with a kinetic electron energy of 5 • 10 ⁴ eV be transmitted from a source in the positive direction of the Z axis inside the solenoid creating a longitudinal magnetic field of strength H _z 4 • 10 ⁴ A / m. The beam is deflected by deflector plates cd _n 60 mm, d _to 12 mm, connected to a nanosecond pulse generator with τ = 10 ^-9 sec. Using (11), we find l> 100 mm. For example, we select l 600 mm, divide the total length of the plates into 6 segments 100 mm long and connect each of them to a nanosecond pulse generator, as shown in FIG. 5. We select the delay in the supply of pulses to the segments of the plates so that the voltage pulses at the input of all segments of the plates are supplied simultaneously. Using the formula (4), we find the working value of the magnetic field strength N _pk 8 • 10 ³ A / m. Choosing H _ok 2H _rk , we obtain, using the formula (8), t _and 2.5 • 10 ^-11 sec. Assuming that the plates are shorted at the end, using (10), we find U _o 36 kV. Thus, in the considered example, when a voltage pulse with an amplitude of 36 kV and a front duration of 1 nsec is applied from the generator of nanosecond pulses, an electron beam with a duration of 25 psec and an electron energy of 50 can be pulled out through the opening (8 in Fig. 1) keV. The hole diameter in this example is 30 mm.

Предлагаемое устройство обладает существенными преимуществами по сравнению с прототипом. Оно позволяет получить меньшую длительность импульса тока пучка при заданной его интенсивности либо повысить интенсивность пучка при заданной его длительности. Это связано с тем обстоятельством, что в прототипе существенное значение имеют силы поперечного саморасталкивания пучка. Так, в рассмотренном выше примере (ε 50 кэВ, а 0,3 см) пучок с импульсным током 0,1 А под действием сил саморасталкивания увеличивает свой размер в 2 раза на длине 80 см, с током 1 А на длине 26 см. Поэтому с ростом тока пучка в прототипе должны использоваться все более короткие дефлекторные пластины, что приводит к увеличению длительности импульса тока пучка. В предлагаемом устройстве повышение интенсивности пучка не приводит к увеличению длительности импульса тока выводимого через отверстие пучка. Поскольку в этом случае пучок движется в продольном магнитном поле, то силы саморасталкивания не приводят к увеличению поперечного размера пучка, а лишь к азимутальному дрейфу частиц. Следовательно, никаких дополнительных ограничений на длину дефлекторных пластин в предлагаемом устройстве не предъявляется. Поэтому предлагаемое устройство позволяет по сравнению с прототипом увеличить интенсивность пучка при заданной его длительности. По той же причине в прототипе ограничены возможности уменьшения длительности импульса тока пучка при заданной его интенсивности. Из изложенного выше следует, что для сокращения длительности импульса тока пучка необходимо увеличивать длину дефлекторных пластин. Однако при этом увеличивается путь, проходимый пучком между этими пластинами, а следовательно, и увеличивается поперечный размер пучка из-за саморасталкивания его частиц, что препятствует сокращению длительности импульса тока пучка. В предлагаемом устройстве эти ограничения отсутствуют благодаря действию продольного магнитного поля, не позволяющего пучку увеличивать свой диаметр под действием сил саморасталкивания. Поэтому предлагаемое устройство позволяет по сравнению с прототипом уменьшить длительность импульса тока пучка при заданной его интенсивности. The proposed device has significant advantages compared with the prototype. It allows one to obtain a shorter duration of the beam current pulse at a given intensity or to increase the beam intensity at a given duration. This is due to the fact that in the prototype, the forces of the transverse self-repulsion of the beam are essential. So, in the example considered above (ε 50 keV, and 0.3 cm), a beam with a pulsed current of 0.1 A under the influence of self-repulsive forces increases its size by a factor of 2 over a length of 80 cm, with a current of 1 A over a length of 26 cm. Therefore with increasing beam current in the prototype, ever shorter deflector plates should be used, which leads to an increase in the duration of the beam current pulse. In the proposed device, increasing the beam intensity does not increase the duration of the current pulse output through the hole of the beam. Since in this case the beam moves in a longitudinal magnetic field, the self-repulsive forces do not lead to an increase in the transverse size of the beam, but only to the azimuthal particle drift. Therefore, no additional restrictions on the length of the deflector plates in the proposed device is not imposed. Therefore, the proposed device allows in comparison with the prototype to increase the intensity of the beam at a given duration. For the same reason, the prototype limits the possibility of reducing the duration of the beam current pulse at a given intensity. From the above it follows that to reduce the duration of the beam current pulse, it is necessary to increase the length of the deflector plates. However, this increases the path traveled by the beam between these plates, and, consequently, increases the transverse size of the beam due to the self-repulsion of its particles, which prevents a reduction in the duration of the beam current pulse. In the proposed device, these restrictions are absent due to the action of a longitudinal magnetic field that does not allow the beam to increase its diameter under the action of self-repulsive forces. Therefore, the proposed device allows, in comparison with the prototype, to reduce the duration of the beam current pulse at a given intensity.

Claims

1. A device for producing current pulses of an electron beam of picosecond duration, containing deflector plates connected to a pulsed power source, characterized in that, in order to reduce the duration of the beam current pulse at a given intensity and increase the pulsed power of the electron beam, a solenoid and a metal are introduced into it wall with a hole, the solenoid covers the deflector plates and is located along the beam transport channel in the deflector plates, the metal wall with the hole per it is normal to the surface of the plates, oriented along the beam transport channel in the deflector plates, located along the entire length of the plates and shifted from the axis of the solenoid in the direction of the deflection path of the electron beam, a nanosecond pulse generator was used as a pulse power source, deflector plates are shorted at the end opposite to the generator connection , the distance between the plates and their width decrease along the beam transport channel, while the ratio between the plates s to their width remains constant throughout the length of the plates and the condition

where D is the diameter of the hole in the metal wall, m;
a radius of the beam, m;
H _{z the} intensity of the longitudinal magnetic field of the solenoid, A / m;
N _pk the magnetic field generated by the deflector plates at the location of the hole, A / m

2. The device according to claim 1, characterized in that the deflector plates are longitudinally divided into segments whose length is less than the mean free path of the electromagnetic wave along the plates during the pulse front of the nanosecond pulse generator, with each of the segments connected to the nanosecond pulse generator.