О возможности увеличения коэффициента захвата частиц в бетатроне при использовании дополнительных фокусирующих СВЧ полей Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА

Том 206

1973

о возможности увеличения коэффициента захвата частиц в бетатроне при использовании дополнительных фокусирующих свч полей

Ю. А. НЕПОКРЫТЫХ, В. И. ЗЕЛЕНЦОВ

(Представлена научным семинаром сектора сверхвысоких частот и теории ускорителей НИИ ЯФЭА)

В связи с использованием бетатронов в различных областях науки и техники уделяется большое внимание улучшению параметров и рентабельности этих ускорителей, в частности, увеличению захваченного заряда. Имеется целый ряд теорий, объясняющих механизм захвата электронов в ускорение [1—6]. Выяснено, что основные потери электронов происходят в момент инжекции и сравнительно небольшой отрезок времени, следующий за ним. Интенсивность можно увеличить за счет:

1) увеличения энергии инжекции;

2) увеличения сечения рабочей части вакуумной камеры;

3) применения бесколебательного механизма захвата электроноз в ускорение.

Наряду с этим опубликован ряд работ по созданию установок с дополнительными фокусирующими полями [7, 8, 9], которые позволяют увеличить объем фазового пространства циркулирующего пучка. ¡По-видимому, это должно приводить к увеличению захваченного заряда. В [10] впервые рассмотрена возможность получения дополнительной фокусировки частиц за счет действия СВЧ полей, возбуждаемых в камере ускорителя, что должно приводить к уменьшению потерь инжектируемых электронов.

Дополнительная фокусировка пучка является сильной при выполнении неравенства к Нг (/), где к — напряженность поля волны;

(/) — напряженность управляющего поля.

В связи с тем, что Н°(() есть функция времени, по мере роста управляющего поля дополнительная фокусировка уменьшается, а фокусировка управляющим полем увеличивается, т. е. СВЧ поля целесообразно использовать, когда мало Иг (/) и происходит интенсивное высыпание частиц в момент инжекции.

В [10] показано, что для выполнения условия устойчивости движения необходимо, чтобы выполнялось неравенство (х£?)2> 1 (пояснения см. ниже).

Авторами [10] было предложено экспериментально изучить влияние СВЧ полей на процесс захвата электронов в бетатроне.

Согласно [5], магнитное поле бетатрона в процессе инжекции меняется незначительно и не влияет на процесс захвата. Исходя из этого, был изготовлен электромагнит из обычной стали Ст-3 (рис. 1), с диаметром полюсов, профилированных аналогично бетатронным, равным

400 мм, с коэффициентом спадания магнитного поля на радиусе равновесной орбиты п — 0,65. Магнитное поле в межполюсном пространстве, где размещена камера, создавалось катушкой, запитанной постоянным током и размещенной на центральном сердечнике. При напряженности 45 эрстед (/К7 « 900 ав) свободная циркуляция пучка электронов с энергией инжекции 35 Кэв обеспечивается на радиусе равновесной орбиты — 11,5 см.

ш

гтттлт^штп нг(г)

г--n

i г 7---;---v\ »

" á ift+i+H

11 li+ r+ +J Г

?2

7?

Рис. 1. Камера

Рис. 2. Эпюры волны

В качестве фокусирующей была выбрана волна типа Нц0 (рис. 2), гак как расчет условий, при которых осуществляется фокусировка, значительно упрощается в связи с тем, что отсутствуют варианты по ф [11]. Кроме этого, поверхностные токи имеют только продольную составляющую, что облегчило конструирование камеры и позволило получить высокую добротность. И, наконец, эта волна легко возбуждается при изгибе волновода в плоскости когда изогнутая ось лежит в одной плоскости с вектором электрического поля Е возбуждающей волны типа Ню [12, 13].

Компоненты поля электромагнитной волны

Е - = j П к-/, sin — г Ф(; (* г) V"** ; а

Hz = D'x2 sin — гФ0 (•/ г) а

НГ = D'y. — eos — zФ;, (хг) V а а

wt

Ez =-- Er - И, = 0; Ф (*г) = /0(хг) + Р'ЛГ0(*г); Р' =

Л (*п,2)

Л'0(хг,,2) лг(*г,,2)

Волна данного типа имеет по одному варианту Я составляющей по осям г и == 0, т. е. магнитные силовые линии представляют

собой кривые, которые замкнуты вокруг равновесной орбиты и плоскости, в которых они лежат, перпендикулярны направлению движения частиц. Такая конфигурация поля наиболее удобна, так как обеспечивает радиальную и вертикальную фокусировку.

Из Е составляющих имеется только продольная, которая не имеет вариантов по <р, т. е. силовые линии представляют замкнутые окружно-

сти. В процессе движения электрон;испытывает влияние т. е. попеременно ускоряется и замедляется/ как бы колеблется относительно равномерно движущейся точки.

Фазовая скорость распространения волны уф=оои поэтому никакого синхронизма в движении частиц и поля не может быть.

Методика расчета камеры, которая является резонатором, подробно изложена в [121. Камера представляет собой прямоугольный равномерно изогнутый волновод, внутри которого возбуждается электромагнитное поле (рис. 1).

Рис. 3. Сборка установки

Дисперсионное уравнение (хг,)^, (хг2) — Г0 (хг2) Л^ (х/^) = 0 преобразуется в 1Х (хга) ЛГ, (хг2) - А (*г2) N. (хгх) = 0 , где 1Х и А^ — функции Бесселя и Неймана первого порядка.

где X — длина волны, на которой возбуждается резонатор, а — высота камеры.

Если х = *г1 и кх — хг9( где /с => —, уравнение принимает вид:

(х) Л^ х^ = Д х| Л^ (х) и решается численно.

Расчет и изготовление были произведены сравнительно легко в связи с изложенным выше и с использованием генератора СВЧ с широким диапазоном плавной перестройки частоты.

В качестве боковых стенок камеры были использованы два коаксиальных медных цилиндра, высотой а — 83 мм и радиусами г] = 80 мму г2= 150 мм. Нижняя крышка была вакуумно припаяна к ним припоем ПСР-45. Сверху камера закрывалась крышкой 20 мм толщины и притягивалась 33 болтами Мб. В качестве уплотнений использовались резиновые кольца, которые располагались в пазах, проточенных на торцах цилиндров.

В наружной боковой стенке прорезано три отверстия (рис. 3): 1) окно для ввода инжектора, представляющего собой обычную бетат-ронную пушку, 2) окно для откачки камеры насосом ЦВЛ-100, 3) резонансная щель для возбуждения камеры и представляющая собой диафрагму с размерами 6,8X1,5 см2. При толщине боковой стенки 0,5 мм и питании камеры через стандартный волновод 44 X 72 мм2 КСВ = 1,6. Измерения распределения поля показали, что существен-

2. Заказ 3321. 17

корень уравнения

а

пых искажений за счет отверстий нет, добротность при резонансе ф = 103 и шунтовое сопротивление 1,3 мом. [15], резонан-

сная частота равнялась 2732 мгц. В дне камеры были пропущены проводники, служащие для индикации пучка. Уплотнения — тефлон и эпоксидная смола.

Для возбуждения поля в камере был изготовлен генератор с плавной перестройкой частоты, работающей в десятисантиметровом диапазоне. Длительность генерируемого импульса 3 мкеек. Высокочастотный гракт вакуумирован и откачка производилась через окно связи и камеру. Он собран из следующих элементов: магнетрона, переходного волновода, ферритового вентиля и соединительного волновода.

Рис. 4. Импульс инжекции

В [14] приведен теоретический расчет фокусирующих полей и изменения числа бетатронных колебаний частиц за оборот при различных амплитудах полей СВЧ для параметров, близких к описанной выше установке. Так, при п — 0,5 и (2 = 3 • 10 3 требуется мощность генератора Р = 105 вт для того, чтобы увеличить число бетатронных колебаний на оборот с V = 0,7, до V = 2. А так как фазовый объект бетатронных колебаний пучка V , ~ V2, он увеличивается в 8 раз. Это должно привести к резкому увеличению захваченного заряда.

Методика проведения эксперимента была аналогична описанной в [16]. Обмотка смещения, представляющая два витка, помещена внутри камеры. По ней пропускается ток 80 а длительностью 2 мкеек. Установка обмотки вне камеры невозможна (стенки камеры экранируют смещающее поле).

В качестве мишени использовалась пластина из меди 40ХЮХ1. вдвинутая на 3 мм ближе к равновесной орбите, чем торец инжектора. Импульс инжекции показан на рис. 4. Рабочей областью является вершина, длительностью порядка 1,5 мкеек и амплитудой 20 ма. При этом в процессе спирализации могло быть захвачено около 10!0 электронов. На следующем рисунке показано высыпание пучка на мишень в процессе свободной циркуляции; пунктиром показана экстраполиро-1«

ванная кривая по максимуму тока, сброшенного на мишень в интервале времени до 15 мксек. На рис. 6 показано высыпание электронов при работе магнетронного генератора в момент инжекции. Пунктиром показана экстраполированная кривая сброшенного тока. Сравнение хода кривых (рис. 5, 6) показано на рис. 7. Таким образом видно, что в период работы магнетронного генератора резко сокращается высыпание частиц, а в момент выключения появляется пик. Это можно объяснить следующим:

1. Дополнительное фокусирующее поле удерживает частицы с большим разбросом параметров, нежели может удержать управляющее поле, и

ПО окончании работы генера- Рис. 5. Циркуляция пучка без ВЧ поля

тора они высыпаются.

2. Так как импульс инжекции несколько длиннее импульса ВЧ, то По окончании последнего циркуляция пучка нарушается электронами.

J

Рис. 6. Циркуляция пучка при воздействии ВЧ поля

инжектируемыми в этот момент. Согласно [1], вдоль равновесной орбиты концентрично образуются орбиты пучков с большими и меньшими энергиями, чем энергия элек-

Ь (мксек) 6 9 12

10

20

1

30

/5

тронов на равновесном радиусе. Эти пучки взаимодействуют между собой таким образом, что на равновесном радиусе и вблизи него создаются благоприятные условия для существования пучка и электроны, поступающие в камеру после окончания фокусировки, нарушают движение.

Результаты эксперимента согласуются и с [5], в которой рассмотрен статистический характер-механизма захвата, где было показано, что в процессе циркуляции пучок охлаждается за счет потери части электронов с большим поперечным импульсом. При действии фокусировки процесс охлаждения должен идти интенсивнее в связи с увели»

Л ц

Рис. 7. Сравнение хода кривых рис. 5, 6

чением плотности пучка, и при окончании ее действия часть пучка также теряется.

В табл. 1 дано сравнение между интенсивностью высыпания частиц при спирализации частиц без действия ВЧ поля и с ним в течение времени до 20 мксек после окончания инжекции. Из сравнения видно, что высыпание в случае бездействия ВЧ поля происходило интенсивнее.

таблица! таблица2

Время мксек Высыпание пучка на мишень Время мксек Сброшенный ток на мишень

без ВЧ- поля кривая 1 с ВЧ-по л ем кривая II без ВЧ-поля с ВЧ-полем

0 22,5 20,0 0 17,5 20,0

1 18,5 14,0 1 18,5 21,0

2 11,5 8,2 2 13,0 21,0

3 7,5 5,0 3 10,0 20,0

4 5,0 3,2 4 6,0 17,0

5 3,8 2,0 5 4,5 13,0

6 3 1,5 6 3,5 10,0

7 2,5 1,3 7 2,5 8,0

8 2 1 8 2,0 6,0

9 1,5 0,9 9 1,25 4,5

10 1,2 0,8 10 1,0 3,5

В табл. 2 приведено сравнение амплитуд сброшенного тока на флажок также в случае действия ВЧ полей и без них. Эксперимент проводился при токах инжекции от 30 до 150 ма и энергиях электронов от 20 до 50 Кэв при изменении подаваемой мощности в широком диапазоне. Полученные закономерности полностью согласуются с данными в [1, 5, 14]. При вакууме выше, чем 2- 10 _6 мм Hg под действием высокого СВЧ поля в камере возникал разряд.

Данные эксперимента подтвердили теоретический расчет [14] о возможности увеличения коэффициента захвата частиц в бетатроне при использовании дополнительных фокусирующих СВЧ полей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Б. Н. Роди мов. Известия ТПИ, 87, 11, 30, 1957. 1 *

2. А. Н. Матвеев. ЖЭТФ, 35, 372. 1958.

3. И. М. Самойлов. ЖЭТФ, 37, 705, 1959.

4. А. П. Комар. ЖЭТФ, XXX, 31, 1960.

5. С е й д л. Чехословацкий физический журнал, В11, 390, 1961.

6. П. А. Черданцев. Электронные ускорители, 58, 1961.

7. Б. Н. Роди мо в. Электронные ускорители, 191, 1964.

8. В. С. 3 а х а р о в, М. С. Рабинович. ЖТФ, XXXIV, 1984, 1964.

9. М. М. X а па ев. ДАН СССР, 163, 343, 1965.

10. А. Н. Диденко, Г. П. Фоменко. ЖТФ, XXXVI, 1590, 1966.

11. JI. Г. С а л и в о н. Технический отчет, Томск, 1967.

12. Д. И. Воскресенский. Вопросы радиотехники СВЧ, 1957.

13. И. В. Лебедев. Теника СВЧ, 1961.

14. Г. П. Фоменко. Диссертация, Томск. 1966.

15. А. Н. Д и д е н к о, В. П. Григорьев. Изв. вузов, Физика, 6, 16, 1964.

16. С. В. Соколов. Электронные ускорители, 5, 1961.