SU1102480A1

SU1102480A1 - Microtron

Info

Publication number: SU1102480A1
Application number: SU833559763A
Authority: SU
Inventors: Э.Г. Галь
Priority date: 1983-02-28
Filing date: 1983-02-28
Publication date: 1985-06-30

Abstract

МИКРОТРОН, содержащий поворотный электромагнит, между полюсами которого расположена вакуумна камера с резонатором и системы высоковольтного и высокочастотного питани , отличающийс тем, что, с целью увеличени интенсивности ускоренного тока, вдоль окружности, совпадающей с первой орбитой, установлен пр моуго ьный токопровод щий корпус с входньм и выходным пролетными отверсти ми в торцовых стенках, разделенный внутри по 1Ш1РОКОЙ стороне на две равные части перегородкой, расположенной в медианной плоскости, и в которой по дуге радиусом, равным радиусу окружности, совпадающей с первой . орбитой, и шириной, равной ширине пролетных отверстий, выполнена прорезь , а в центре каждой из частей в корпуса параллельно раздел ющей их перегородке, на рассто нии друг от друга, превышающем вертикальный размер пучка, размещены шины пр моугольноГо сечени , причем один конец каждой шины гальванически соединен с выходной торцовой стенкой корпуса, а другой с положительным полюсом системы высоковольтного питани .A MICROTRON containing a rotary electromagnet, between the poles of which there is a vacuum chamber with a resonator and a high-voltage and high-frequency power supply system, characterized in that, in order to increase the intensity of the accelerated current, a straight current-conducting body with an input orifice is installed along the circumference coinciding with the first orbit and outgoing span holes in the end walls, which is divided inside on the W) side of the side into two equal parts by a partition located in the median plane, and in which along arcs radius equal to the radius of the circle, which coincides with the first. The orbit, and a width equal to the width of the passage holes, is slotted, and in the center of each part of the body parallel to the partition separating them, at a distance from each other exceeding the vertical size of the beam, tires of a rectangular section are placed, with one end of each tire galvanically connected to the output end wall of the housing, and the other to the positive pole of the high-voltage power supply system.

Description

Изобретение относитс к ускорительной технике и может быть исполь зовано при разработках, предназначенных дл работы микротронов в качестве инжектора синхротрона, а также дл микротронов прикладного использовани в геологии, медицине, дефектоскопии. Известен микротрон, содержа)ций поворотный магнит и расположенньй в его медианной плоскости ускор ющи резонатор с входным и выходным пролетными отверсти ми, совмещенный с общей точкой пересечени всех орбит l . Недостатком этого устройства вл етс то, что частицы, вышедшие на первую и последующую орбиты, тер ютс из-за того, что амплитуда их вертикальных колебаний превосходит максимально допустимую. При этом ве тикальные потери имеют дво кий характер . Во-первых, тер ютс все нерезонансные частицы: вследствие рас качки фазовых колебаний они попадают в неблагопри тные фазы СВЧ-пол , дефокусируютс по вертикали и попад ют на стенки резонатора. Во-вторых, если вертикальный размер эмиттера слишком велик, то тер ютс те резонансные электроны, которые вылетают из верхнего и нижнего краев эмиттера , так как амплитуда их колебаний больше вертикальной апертуры. Потери первого рода завис т от размера области захвата..Потери второг рода завис т не только от вертикаль ного размера эмиттера, но и от усло вий движени на первом полуобороте. Кроме того, увеличение тока эмиссии приводит к заметной дефокусировке .при вылете пучка из катодного отверсти , а также дополнительному увеличению вертикального размера пучка на первой орбите за счет деис ВИЯ кулоновских сил пространствен .ного зар да. . Расчеты и практика показывают, что 40% пучка тер етс на первой орбите, а общий коэффициент захвата составл ет 1/15-1/16,. которьш значительно снижаетс при увеличении . тока эмиссии. Таким образом, увеличение тока в известном устройстве достигаетс фиксированием режима . работы катода, чтл) значительно снижает его срок службы, а увеличение его ра.диуса приводит только к умень 02 шению коэффициента захвата и к потере СВЧ-мощности и соответственно уменьшению КПД ускорител . Наиболее, близким техническим решением к изобретению вл етс мик-, ротрон, содержащий поворотный магнит , вакуумную камеру, ускор ющий резонатор с пролетными отверсти ми, расположенный внутри вакуумной камеры между полюсами поворотного магнита, и магнитный диск или катушку и системы высоковольтного и высокочастотного , питани . Резонатор выполнен в виде ци1 линдра, в центрах торцовых стенок которого вьтолнены пролетные отверсти . Резонатор размещен между полюсами поворотного магнита так, что его продольна и поперечна оси лежат в медианной плоскости микротрона. Магнитный диск расположен в плоскости орбит внутри области первой орбиты так, что ось его вращени перпердикул рна медианной плоскости микротрона и пересекает поперечную ось резонатора на рассто нии 0,41 t- ( t- - радиус траектории первой орбиты) от продольной его оси. Вместо магнитного диска может быть установлена катушка, ось которой перпендикул рна медианной плоскости микротрона и котора делитс этой плоскостью на две равные части. Высота катушки и магнитного диска значительно меньше их диаметра. Наличие диска или катушки создает радиальньм градиент пол , привод щий к вертикальным силам, действующим на частицы первой орбиты. Здест потери электронов неско/тько снижены за счет аксиапьной фокусировки, но величина этой фокусировки ограничена, т.е. искажение магнитного пол , вносимого системой, приводит к сужению фазовой устойчивости. Таким образом, снижение вертикальных потерь сопровождаетс потер ми электронов за счет раскачки фазовых колебаний, и достигаемый эффект незначителен. Целью изобретени вл етс увеличение интенсивности ускоренного тока. Поставленна цель достигаетс тем, что в микротроне, содержащем поворотный электромагнит, между полюсами которого расположена вакуумна .камера с резонатором и системы . высоковольтного и высокочастот .ного питани , вдоль окружности, совпадающей с первой орбитой, установлен пр моугольный токопровод щий корпус с входным и выходным про летньми отверсти ми в торцовых стен ках, разделенный внутри по широк-ой стороне на две равные части перегородкой , расположенной в медианной плоскости, и в которой, по дуге радиусом , равным радиусу экружности,. совпадающей с первой орбитой, и шириной, равной ширине пролетных отверстий, вьтолнена прорезь, а в центре каждой из частей корпуса параллельно раздел ющей их перегородк на рассто нии друг от друга, превышающем вертикальный размер пучка, размещены щины пр моугольного сечени , причем один конец каждой шины гальванически соединен с выходной торцовой стенкой корпуса, а другой с положительным полюсоМ системы выс ковольтного питани . На фиг. 1 схематически показано сечение резонатора микротрона и коа сиальной магнитной системы (КМС) в плоскости, перпендикул рной к медиа ной ускорител ; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение резонатора и КМС в медианной плоско ти микротрона.. Устройство содержит ускор ющий резонатор 1 с входным 2 и выходным пролетными отверсти ми, корпус КМС центральные шины 5, сквозную прорез 6в дел щей стенке КМС, входное 7 и выходное 8 пролетные отверсти в КМС. Сплошными круговыми лини ми показаны перва и втора орбиты мик ротрона, координаты X , Y расположены в медианной плоскости микротро Устройство работает следующим.об разом. Электроны первой орбиты, пройд пролетные отверсти 2 и 3, попадают в пролетное отверстие 7 КМС и в сквозную прорезь 6. Одновременно с началом цикла ускорени в КМС подает с импульс тока, плоска часть которого должна совпадать, с моментом прихода электронов в прорезь 6. Токи 5 центральных шинах имеют одно и то же направление и совпадают с вектором скорости электронов орбиты. Магнитные пол , образованные токо- несущими элементами КМС от оси проре зи 6 и до центральных шин линейно увеличиваютс и мен ют знак при пе804 реходе из верхней полуплоскости в нижнюю. В медианной плоскости КМС в прорези 6 рузельтирук цёе поле равно нулю. Таким образом, на электрон, проход щий КМС вне медианной плоскости микротрона, действует сила Лоренца, направленна к этой плоскости . Из пролетного отверсти 8 пучок электронов попадает во входное пролетное отверстие 2 сход щимс и с вертикальным размером, меньшим размера пролетаого отверсти . Угол влета эл1ектронов в пролетное отверстие 2 выбираетс таким, чтобы обеспечить дальнейшее движение по орбитам с максимальными вертикальными колебани ми. Благодар этому электроны, имеющие большие углы вьиета в вертикальной плоскости, из пролетного отверсти 3 не обреза-; ютс пролетным отверстием 2 и влетают в ускор ющий зазор с меньпшми углами. Если они находились в области фазовой устойчивости, то они будут ускор тьс и не потер ютс на последующих орбитах за счет больших вертикальных колебаний. Таким образом, создаютс благопри тные услови дн захвата в режим ускорени тех электронов, которые лежат на границе вертикальной устойчивости (в прототипе они тер лись). Предлагаемое устройство может быть использовано при конструировании мик- ротронов с любым типом инжекции. Пример. Расчет предлагаемого устройства проводилс дл микротрона с внешней инжекцией, имеющего максимальный коэффициент захвата S6%. Этот микротрон выбран за базовьй объект при сравнении техникоэкономических показателей. Расчетна область захвата режима ускорени составл ет 40 . Параметры режима ускорени : ширина ускор ющего згзора 1,815 см, координаты инжекдии (Ч 0,3 см, ,9 см). Внутренний радиус ускор ющего резонатора 4,35 см, Безразмерные величины -т: 1,079, П fjf 1,2, где Е - напр женность пол в ускор ющем зазоре резонатора/ Н - напр женность магнитного пол fyr 2 оворотного магнита, Ц «i ч тпс иклотронное поле (те- - масса зар д электрона; с - скорость вета, Ti - длина во.пны возбуждени еаонатЬра). Угол влета инжектируемых электронов по отношению к продольной оси резонатора ос 20°, кинетическа энерги инжектируемых электронов 140 кзВ, Диаметр и углова расходимость инжектируемого пучка 3 мм и 0,02 рад соответственно . Входное 2 и выходное 3 пролетные отверсти резонатора вьшолн ютс пр моугольной формы и имеют размеры соответственно ЛХ 1,7 см, &2 0,7 см и ЛХ 2 см, А 2-1,2 см.The invention relates to accelerator technology and can be used in developments designed to operate microtrons as an injector of a synchrotron, as well as for microtrons of applied use in geology, medicine, and flaw detection. A microtron is known, containing a rotating magnet and an accelerating resonator located in its median plane with inlet and outlet spans, combined with the common intersection point of all orbits l. The disadvantage of this device is that the particles entering the first and subsequent orbits are lost due to the fact that the amplitude of their vertical oscillations exceeds the maximum permissible. In this case, the vertical losses have a double character. First, all nonresonant particles are lost: due to phase oscillations, they fall into the adverse phases of the microwave field, defocus vertically and fall on the walls of the resonator. Secondly, if the vertical size of the emitter is too large, then those resonant electrons that fly out of the upper and lower edges of the emitter are lost, since the amplitude of their oscillations is greater than the vertical aperture. The losses of the first kind depend on the size of the capture region. The losses of the second kind depend not only on the vertical size of the emitter, but also on the conditions of motion in the first half turn. In addition, an increase in the emission current leads to a noticeable defocusing when the beam is ejected from the cathode aperture, as well as to an additional increase in the vertical size of the beam in the first orbit due to the spatial charge charge. . Calculations and practice show that 40% of the beam is lost in the first orbit, and the overall capture coefficient is 1 / 15-1 / 16 ,. which decreases significantly with magnification. emission current. Thus, an increase in current in the known device is achieved by fixing the mode. operation of the cathode, significantly reduces its service life, and an increase in its radius leads only to a decrease in the capture coefficient and to a loss of microwave power and, accordingly, to a decrease in the efficiency of the accelerator. The closest technical solution to the invention is a micronutron containing a rotary magnet, a vacuum chamber, an accelerating cavity with passage holes, located inside the vacuum chamber between the poles of the rotary magnet, and a magnetic disk or coil and high-voltage and high-frequency power systems. . The resonator is made in the form of a cylinder, in the centers of the end walls of which the passage holes are made. The resonator is placed between the poles of the rotary magnet so that its longitudinal and transverse axes lie in the median plane of the microtron. The magnetic disk is located in the plane of the orbits inside the region of the first orbit so that its axis of rotation is perpendicular to the median plane of the microtron and intersects the transverse axis of the resonator at a distance of 0.41 t- (t- is the radius of the trajectory of the first orbit) from its longitudinal axis. Instead of a magnetic disk, a coil can be installed, the axis of which is perpendicular to the median plane of the microtron and which is divided by this plane into two equal parts. The height of the coil and magnetic disk is significantly less than their diameter. The presence of a disk or coil creates a radial gradient field, resulting in vertical forces acting on the particles of the first orbit. Here, the electron losses are slightly reduced due to axial focusing, but the magnitude of this focusing is limited, i.e. distortion of the magnetic field introduced by the system leads to a narrowing of the phase stability. Thus, the decrease in vertical losses is accompanied by electron losses due to the buildup of phase oscillations, and the effect achieved is insignificant. The aim of the invention is to increase the intensity of the accelerated current. The goal is achieved by the fact that in a microtron containing a rotary electromagnet, between the poles of which there is a vacuum chamber with a resonator and a system. A high-voltage and high-frequency power supply, along a circle that coincides with the first orbit, has a rectangular conductive housing with inlet and outlet spacing holes in the end walls, divided inside on the wide side into two equal parts by a partition located in the median the plane, and in which, in an arc of radius equal to the radius of the circle,. coinciding with the first orbit, and the width equal to the width of the passage openings, are made in the slot, and in the center of each of the parts of the body parallel to the walls separating them are spaced from each other exceeding the vertical size of the beam, rectangular sections are placed The bus is galvanically connected to the output end wall of the casing, and the other to the positive pole of the high-voltage power supply system. FIG. Figure 1 shows schematically the cross section of a microtron cavity and a coaxial magnetic system (CMR) in a plane perpendicular to the media accelerator; in fig. 2 shows section A-A in FIG. one; in fig. 3 - cross section of the resonator and the CMS in the median plane of the microtron. The device contains an accelerating resonator 1 with input 2 and output spans, housing CMS central tires 5, through slot 6 in the CMS dividing wall, entrance 7 and output 8 spans CCM. Solid circular lines show the first and second orbits of the microtron; the coordinates X and Y are located in the median plane of the microtro. The device operates as follows. The electrons of the first orbit, passing the passage holes 2 and 3, fall into the passage hole 7 of the CCM and into the through slot 6. Simultaneously with the beginning of the acceleration cycle, the PMR delivers a current pulse, the flat part of which must coincide, with the moment the electrons enter the slot 6. Currents 5 central tires have the same direction and coincide with the velocity vector of electrons of the orbit. The magnetic fields formed by the current carrying elements of the CCM from the axis of the cut 6 and to the central tires increase linearly and change sign when moving from the upper half-plane to the lower one. In the median plane of the CCM in slot 6, the Ruzeltiruk field is zero. Thus, the electron passing through the CCM outside the median plane of the microtron is affected by the Lorentz force directed to this plane. From the passage opening 8, an electron beam enters the entrance passage opening 2, converging and with a vertical dimension smaller than the size of the passage opening. The angle of entry of electrons into the passageway 2 is chosen so as to ensure further movement in orbits with maximum vertical oscillations. Due to this, electrons with large angles in the vertical plane, from the passage hole 3, are not cut; flying hole 2 and fly into the accelerating gap with smaller angles. If they were in the area of phase stability, they will accelerate and will not be lost in subsequent orbits due to large vertical oscillations. Thus, favorable conditions are created for the capture of those electrons in the acceleration mode that lie on the boundary of vertical stability (they were lost in the prototype). The proposed device can be used in designing microtrons with any type of injection. Example. The calculation of the proposed device was carried out for an external injection microtron having a maximum capture ratio of S6%. This microtron was chosen as the base object when comparing technical and economic indicators. The calculated capture region of the acceleration mode is 40. The parameters of the acceleration mode: accelerating zgzor width 1.815 cm, coordinates of the injector (H 0.3 cm, 9 cm). The inner radius of the accelerating resonator is 4.35 cm, Dimensionless values — t: 1.079, P fjf 1.2, where E is the field strength in the accelerating gap of the resonator / H is the magnetic field strength fyr 2 of the turning magnet, C «h tpsc cyclotron field (those- is the mass of the electron charge; c is the velocity of the veta, Ti is the length of the wave of excitation of the ion exchange). The angle of entry of the injected electrons with respect to the longitudinal axis of the cavity was 20 °, the kinetic energy of the injected electrons is 140 kzV, the diameter and angular divergence of the injected beam is 3 mm and 0.02 rad, respectively. The inlet 2 and outlet 3 of the passage holes of the resonator are rectangular in shape and have dimensions of LH 1.7 cm, & 2 0.7 cm and LH 2 cm, A 2-1,2 cm.

Размеры пролетных отверстий выбирались с учетом фокусирующего действи коаксиальной магнитной системы (КМС). КМС выполнена из меди и имеет длину вдоль осиThe dimensions of the passage holes were chosen taking into account the focusing effect of a coaxial magnetic system (CMS). CCM is made of copper and has a length along the axis

2 см. Ширина прорези 6 в общей стенке КМС выбираетс равной 1,0 см при толщине стенки 0,2 см. Толщина общей стенки определ етс величиной скин-сло Cj и выбираетс равной 2 cm. The width of the slot 6 in the common wall of the CCM is chosen to be 1.0 cm with a wall thickness of 0.2 cm. The thickness of the common wall is determined by the size of the skin layer Cj and is chosen to be

2 (j . Центральна шина сечением (0,3 2,0) см размещаетс в плоскости коаксиапа сечением (1,2 3,0) см . Рассто ние между центральными щинами 1,2 см. КМС запитьгоаетс через коаксиальные токопроводы , причем токи в центральных шинах совпадают с вектором скорости электроиов орбиты. Величина импульсного тока в каддом коаксиале составл ет 500-800 А в зависимости от расходимости и величины тока в пучке электронов. Длительность импульса тока 8 МКС. Положение КМС выбрано н общем диаметре орбит, хот его положение ничем не ограничено. Размер пролетных отверстий КМС 7 и 8 соста . л ат (11,2) см и в общем случае определ етс размерами пучка, в Месте его установки. Расчеты и эксперименты показывают, что коэффициент захвата базового объекта составл ет 6% при диаметре инжектируемого пучка 0,3 см. При этом около 5% резонансных электронов тер етс за счет вертикальных потерь. Установка КМС позвол ет подн ть коэффициент захвата до 10%. В предлагаемом устройств 2 (j. A central bus with a cross section (0.3 2.0) cm is placed in the plane of a coaxial section (1.2 3.0) cm. The distance between the central women is 1.2 cm. The CMS is flush through the coaxial conductors, with currents in The central buses coincide with the velocity vector of the electrons of the orbit. The magnitude of the pulsed current in the co-axial coaxial is 500-800 A, depending on the divergence and the magnitude of the current in the electron beam. The duration of the current pulse is 8 MKS. unlimited. Span hole size The CMR 7 and 8 is compiled at (11.2) cm and is generally determined by the beam size at its installation site. Calculations and experiments show that the capture rate of the base object is 6% with a beam injected diameter of 0.3 see At the same time, about 5% of the resonant electrons are lost due to vertical losses. A CCM setting allows the capture coefficient to be raised to 10%.

диаметр инжектируемого пучка может быть увеличен до 0,6 см, т.е. в 2 раза при сохранении коэффициента 5 захвата. Это позволит увеличить ускоренный ток в 4 раза.the diameter of the injected beam can be increased to 0.6 cm, i.e. 2 times while maintaining the coefficient of 5 capture. This will increase the accelerated current 4 times.

Данное устройство позвол ет увеличить ускоренный ток как за счет уменьшени вертикальных потерь, О так и за счет увеличени вертикального размера эмиттера. При этом значительно повышаетс срок службы катода и надежность резонатора. Так как существует возможность снизить 5 температуру катода и снизить бомбардировку пролетных отверстий электродами , имеющими большую величину вертикальных колебаний. Вертикальные потери можно еще больше снизить,This device allows the accelerated current to be increased both by reducing the vertical losses, O, and by increasing the vertical size of the emitter. This significantly increases the service life of the cathode and the reliability of the resonator. Since it is possible to lower the temperature of the cathode and reduce the bombardment of the passage holes by electrodes having a large amount of vertical oscillations. Vertical losses can be further reduced.

0 если расположить КМС на второй0 if you place the CCM on the second

и третьей орбитах. Следует отметить, что за счет сокращени вертикальных потерь повышаетс КПД ускорител , так как при этом экономитс СВЧ-мощ5 ность, котора может пойти на дальнейшее повьпиение тока ускорител .and the third orbit. It should be noted that due to the reduction of vertical losses, the efficiency of the accelerator is increased, as this saves microwave power, which can lead to further accelerator current flow.

Изобретение особенно эффективно при использований режимов с большим приростом энергии за оборот. Так,The invention is especially effective when using modes with a large increase in energy per revolution. So,

0 во втором режиме ускорени область захвата может достигать до 50°С, а коэффициент захвата всего 5%. Выбира оптимально степень фокусировки пролетными отверсти ми дл 0 in the second acceleration mode, the capture region can reach up to 50 ° С, and the capture coefficient is only 5%. Choosing the optimal degree of focusing by span holes for

5 третьей и последующих орбит, и осуществл фокусировку на первых двух орбитах предлагаемым устройством , можно получить коэффициент захвата 10% и лгчше. При этом уве0 личенный в 2 раза размер катода позволит подн ть ток эмиссии в 4 и более раз. Кроме того, регулиру ток КМС, можно регулировать степень фокусировки с учетом прост5 ранственного зар да пучка.5 of the third and subsequent orbits, and carried out the focusing on the first two orbits by the proposed device, it is possible to obtain a capture coefficient of 10% and more easily. At the same time, the cathode size increased by a factor of 2 will allow the emission current to be raised 4 or more times. In addition, by adjusting the CMR current, it is possible to adjust the degree of focusing taking into account the spatial charge of the beam.

Увеличение тока ускоренных электронов позволит повысить качество научных исследований, а в промьшшенности подн ть качество контрол Increasing the current of accelerated electrons will improve the quality of scientific research and, in industry, will raise the quality of control

0 изделий.0 products.

Claims

A MICROTRON containing a rotary electromagnet, between the poles of which there is a vacuum chamber with a resonator and high-voltage and high-frequency power systems, characterized in that, in order to increase the intensity of the accelerated current, a rectangular conductive housing with input and output is installed along a circle coinciding with the first · orbit span holes in the end walls, divided internally on the wide side into two equal parts by a partition located in the median plane, and in which along the arc of the radius equal to the radius of a circle coinciding with the first sections, with one end of each bus galvanically connected to the output end wall of the housing, and the other * to the positive pole of the high-voltage pi system. tania.

> Su cm D102480

1 1102480 2