Устройство для получения круговой развертки пучка заряженных частиц
1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КРУГОВОЙ РАЗВЕРТКИ .ПУЧКА ЗАРЯЖЕНСиловые линии магнитного поля НЫХ ЧАСТИЦ по авт. св. 471847, отличающееся тем, что, с целью уменьшения мощности, затрачиваемой на развертку пучка, и снижения энергетического разбрЬса частиц в пучке, в него введен источник постоянного аксиально-симметричного, однородного вблизи оси резонатора разверткимагнитного поля, направление .которого выбрано.так, что циклотронное направление вращения частиц пучка совпадает с направлением вращения высокочастотного магнитного поля на оси. резонатора. (Л С 12
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК,(5, H 01 3л4
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н ABTOPCHOlVlY СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Силодые ливии магиианого поля: Я
3Ф»
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (ф1) 471847 . (21.) 3431386/18-21 .(22) 12.03.82 (46) 23.09.83. Вюл. 9 35 (72) О.А. Нежевенко, М.И..Карлинер,.
Е.В. Козырев и A.t0.,Öàêñèìîâ (71) Институт ядерной физики Сибир-" ского отделения -АН -СССР (53 ) 621. 384. 8 (088. 8 ) (56) 1. Авторское свидетельство СССР
В .471847, кл. Н 01 J 3/34, 1975 (прототип ) . (54 ) (57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕ».::.
НИЯ КРУГОВОЙ РАЗВЕРТКИ ПУЧКА ЗАРЯЖЕН„„SU„„1043761 А
НЫХ ЧАСТИЦ по авт. св. Р 471847, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, . с целью уменьшения мощности, затрачиваемой на развертку пучка, и снижения энергетического разброса частиц в пучке, в него введен источник постоянного аксиально-симметричного, однородного вблизи оси резонатора развертки- магнитного поля, направление, которого выбрано.таК„ что циклотронное направление вращения частиц пучка совпадает с направлением вращения высокочастотного магнитно-. го поля на оси. резонатора.. 1043761
В =2
: е где е
m с
Орем
В 2
2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю» щ е е с я тем, что в мего ввден магнитный экран с отверстием для. прохождения пучка, расположенный на расстоянии
Г е2= (м 1 ) яжз
w 2 а напряженность магнитного. поля источника определяется соотношением
Изобретение относится к мощным электровакуумным приборам сверхвысоких частот.
Чо основному авт. св. уу 471847 известно усФройство, прйменяющееся для получения круговой развертки пучка заряженных частиц, выполненное в виде цилиндрического, резона-: .тора, в центре торцевых стенок которого расположены отверстия для входа и выхода пучка. Через направленный ответвитель в резонаторе возбуждаются два колебания типа ТМ 110, сдвинутых в пространстве и во времени друг относительно друга на угол 90 . В результате суперпозиции двух таких колебаний возникают колебания с круговой поляризацией. Высокочастотное магнитное поле, вращающееся с частотой развертки, отклоняет пучок частиц, проходящий через центр резонатора и ориентированный перпендикулярно положению сило, :вых линий высокочастотного магнитного поля Р13.
С целью подавления резонансного высокочастотного разряда центральная часть одной из торцовых стенок резонатора может быть изолирована от остальной части кольцевой симметричной щелью, проходящей по узловой линии радиального электрического тока, и нодключена к источнику постоянного тока.
Мощность от генератора, необходимая для развертки пучка на заданный ,угол при помощи такого устройства, складывается из мощности потерь в стенка:: резонатора и мощности, затрачиваемой на ускорение частиц пучка, поскольку пучок, отклоняясь от оси резонатора, попадает в ускоряющее высокочастотное электрическое поле. При развертке сильноточных пучков эта мощность становится значительной, поскольку ее составляющая, связанная с ускорением пучка пропорциональна его току . Кроме тозаряд электрона; масса электрона; круговая частота развертки; релятивистский фактору отношение скорости частицы к скорости света; скорость света в вакууме;
0,1,2,3, ... у длина резонатора развертки. го, поперечные размеры пучка, существенные особенно при больших токах, приводят к тому, что отдельные чаСтицы пучка движутся в различных yc" ловиях и энергетический разброс, появляющийся при развертке и расту щий пропорционально диаметру пучка, становится значительным, что затрудняет дальнейшее использование пуч10
Целью изобретения является уменьшение мощности, необходимой для обеспечения развертки пучка заряженных частиц, и снижение энергетического разброса частиц пучка, возникающего при развертке.
Указанная цель достигается тем, что в устройство для получения круговой развертки пучка заряженных частиц, содержащее цилиндрический
Я резонатор, снабженный средствами для возбуждения в нем колебаний с круговой поляризацией, причем централь. ная часть одной из торцовых стенок резонатора изолирована от осталь25 ной части кольцевой симметричной щелью, проходящей по узловой .линии радиального электрического тока,и подключена к источнику постоянного . тока,. введен источник постоянного, ЗО аксиально-симметричного, однородного вблизи оси резонатора развертки магнитного поля, направление которого выбрано так, что циклотронное направление вращения частиц пучка совпада35 ет с направлением вращения высоко» частотного магнитного поля на оси резонатора, а его напряженность onpweaaezca соотношением
4Ь е где e - эаряд электрона;
m — масса электрона;. фо — круговая частота разверткуеу. . у - релятивистский фактор.
КроМе того, в устройство введен магнитный экран с отверстием для про1043761 хождения пучка, расположенный на расстоянии
У/ь c () Рреъ
4 < у — l где p — отношение скорости частицы к скорости света; Э ,с - скорость света в вакууме; и — круговая частота развертки; .k — О, 1, 2, 3., Рреэ — длина резонатора развертки. 10
С помощью экранировки магнитного поля возможно провести вывод пучка в область без магнитного поля, в част* ности, применить предлагаемое уст-. ройство развертки в "Гкроконе". . 15
На фиг. 1 изображено описываемое устройство, общий вид; на фиг. 2 проекция траектории частицы пучка, вошедшей в устройство по.оси в определенный момент времени, на плос- р кость перпендикулярную к оси, при ее движении в резонаторе, в пространстве между резонатором и магнитным экраном после резонатора развертки и в свободном пространстве после экрана.
Устройство круговой развертки включает в себя резонатор 1, в центре торцевых. стенок которого расположены отверстие 2 входа и отверстие
3 выхода. Для подачи постоянного напряжения от источника 4 питания ,для.подавления резонансного высоко- . частотного разряда центральная часть одной из торцевых стенок отделена .от остальной части резонатора осесим-З5 метричной щелью 5 и. укреплена на.изоляторе .6. Для уменьшения электро- магнитного излучения в месте входа и выхода пучка установлены запредельные волноводы 7. Для возбуждения ф) колебаний с круговой йоляризацией служит направленный ответвитель 8, через который в .резонатор поступает мощность от высокочастотного генератора 9. Постоянное магнитное поле нужного направления создается катуш-.. ками 10, соосными с резонатором и питающимися постоянным током от источника 11. Для ограничения магнитного поля катушек применены тонкиемагнйтные экраны 12 и 13 с отверстиями 14 и 15, соосными с резонатором.
На фиг. 2 точка О обозначает ось резонатора, кривая 16 показывает поперечное движение частицы, влетевшей по оси в резонатор развертки, кривая
17 показывает движение частицы в пространстве между резонатором развертки и магнитным экраном, прямая 18, — движение в пространстве после экрана. 66
Устройство. работает следующим
:,.образом.
Пучок частиц вводится по оси че, рез отверстие 14 в магнитном экра".: не 12 и движется в постоянном магнит- 5 ном поле, создаваемым катушками 10 с током. При этом равновесный поперечный размер пучка из-за наличия постоянного магнитного поля достаточно мал. Через отверстие 2 пучок
;попадает в резонатор н отклоняется т вращающимся высокочастотным магнит- . ным полем с учетом действия постоянного магнитного поля, величина ко.торого
В = 2 е где е, m — заряд и масса электрона, у — релятивистский фактор выбрана соотвествующей Q=2ut, а направление циклотронного вращения час- тиц в нем совпадает с направлением вращения высокочастотного, магнитного поля. При этом частица, вошедшая по оси, движется в поперечной плоскости по кривой 16 (фиг. 2), и поперечное движение частицы происходит так, что она все время находится в плоскости, где электрическое поле равно нулю и, таким образом, не ускоряется. Поскольку пучок имеет конечный поперечный размер, то существуют частицы, влетевшие не точно по оси резонатора, и их движение происходит не точно в плоскости, где Е равно нулю: поэтому возникает энер гетический разброс, который впрочем весьма мал из-за малости поперечного размера пучка в магнитном поле. На бираемая в процессе развертки попе:речная скорость на выходе из резонатора такова, что при движении в постоянном магнитном поле после резонатора развертки частица, вошедшая па оси, движется по спирали, проходящей через ось; проекция этой спирали есть окружность 17 (фиг. 2). Магнитный экран 13 расположен на расстоянии от отверстия 3 выхода из резонатоРак
Р = 1ц». с (: и +1 ) /ш — Ppe>/ 2, где k — О, 1, 2, 3, ... и т.д.; .с — скорость света в вакууме; (u — круговая частота развертки;
7) — 3,141596;
P
m — .масса покоя частицы.
При этом в месте выхода через отверстие 15 центральная частица пучка пересекает ось и поскольку компонента-магнитного поля, направленная
/ по радиусу, на оси равна нулю, поперечная скорость, приобретенная в процессе развертки, сохраняется, и в пространстве после экрана вышедшая частица движется по прямой 18; проекция :на поперечную плоскость которой изображена на фиг. 2.
1043761
Фиа2,t
Составитель И. Артюх
Редактор Н. Лазаренко Техред С.Мигунова Корректор И. Ватрушкина
Заказ 7349/57 Тираж 703 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.. 4/5
Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4
Для частиц, вошедших по оси в систему развертки в другие моменты времени, траектория движения получается вращением (фиг. 2 ) относительно точки О. Частицы, входящие в систему не.по оси при входе через отверстие 14 в экране 12 и выходе через отверстие 15 в экране 13, приобретают одинаковые, но противоположного знака угловые скорости вращения относительно частицы, входящей и выходящей из системы по.оси, поэтому .угловой разброс при выходе через отверстие 15 не возникает. Постоянное магнитное поле "доворачивает" частицы по направлению к вра- 15 щающейся плоскости нуля электрического высокочастотного роля (Е2), уменьшая таким образом потери на ускорение пучка. Это есть общее свойство движения частиц в суммарном 20 постоянном и высокочастотном электро-, магнитном поле ТМ110.с круговой поляризацией при указанном выборе направления магнитного поля. При величине постоянного магнитного по,ля, В такой, что соответствующая .ему
| циклотронная частота Я в два раза больше частоты развертки ю, частица пучка, влетевшая в резонатор цо оси, отклоняясь от оси, все время движется .в нуле Е2, находясь в синхронизме с,вращением высокочастотного поля.
При этом мощность генератОра,. возбуждающего высокочастотное поле, затрачивается только на компенсацию потерь в стенках резонатора. Энер". . гетический разброс, меньший в предлагаемой системе, чем в известной, является следствием того, что задан" .ному току пучка в постоянном магнитном поле соответствует меньший поперечный размер и .частицы пучка движутся. в более одинаковых условиях, чем в известном устройстве. Кроме того, создание в резонаторе постоянного магнитного поля величины, соответствующей Я=2Щ позволяет организовать выход пучка в пространство, свободное от вводимого поля путем резкого ограничения магнитного поля на таком расстоянии от выхода из резонатора развертки, где центральная частица пучка, движущаяся в постоянном поле после резонатора развертки, пересекает ось резонатора. При этом не происходйт потери поперечной скорости, приобретенной частицами в процессе развертки, и не возникает угловой разброс скоростей частиц пуч- ка при его выходе в свободное пространство. Аналогично, .подобный выход пучка можно организовать и при полях другой величины, но при, 9=2соон наиболее оптимален.
Использование предлагаемого устройства в мощных электровакуумных. приборах и анализаторах пучка позволяет получить развертку пучка при значительно.меньшей мощности возбуждающего .генератора. В частности его применение в мощном релятивистском приборе с несгруппированным пучком
"Гиркон" 1 позволяет увеличить его коэффициент усиления в 10-15 раз, а также несколько увеличить его КПД из-за меньшего энергетического раз-, броса в предлагаемой системе, чем в существующей. Аналитические расчеты и численное моделирование подтверждают перечисленные преимущества..