WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 7 10;12 Безнакальная магнетронная пушка как источник электронов для резонансного линейного ускорителя © Г.М. Иванов, Л.А. Махненко, С.А. Черенщиков Национальный научный центр ”Харьковский физико-технический институт”, 310108 Харьков, Украина (Поcтупило в Редакцию 23 февраля 1998 г.) Описываются исследования работы магнетронной пушки с холодным катодом в составе линейного ускорителя на бегущей волне. Наблюдались два режима работы пушки, отличающиеся наличием СВЧ поля предгруппирователя вблизи пушки. В режиме без СВЧ поля получены короткие (около 2 ns) импульсы ускоренных электронов амплитудой до 0.5 A при токе пушки до 20 A. Наличие СВЧ поля вблизи пушки позволяет получать пучок большей длительности (до 1.0 µs), но с токомдо 20 mAна выходе ускорителя и 1 A с пушки. Механизм работы пушки связывается со вторично-электронным нарастанием тока и установлением самоподдерживаемой вторичной эмиссии. Сравнение условий проводки пучка от термоэлектронной пушки с исследуемой при тех же энергиях инжекции указывают на то, что характеристики исследуемой пушки приемлемы для целей инжекции в ускоритель.

Введение Описание экспериментальной установки Развитие ускорительной техники и связанной с ней Для проведения испытаний был использован унитехники мощных источников СВЧ выдвигает новые треверсальный инжекторный комплекс (УИК) ускорителя бования к соответствующим источникам мощных элекЛУЭ-300 [3]. УИК предназначался для расширения тронных пучков. При этом все чаще приходится расвозможностей ЛУЭ-300 в направлении повышения тока сматривать альтернативы традиционным источникам на пучка при малой (наносекунды) длительности в режиме основе термоэмиссионного катода. Одной из таких альзапасенной энергии. УИК состоял из двух ускоряющих тернатив в случаях необходимости достижения одновреи одной инжекторной секции, которые для повышения менно высокой плотности тока и большого срока службы запасенной энергии снабжены системой рекуперации;

может быть магнетронная пушка в режиме вторичной группирующих резонаторов помещенных в фокусируэмиссии [1]. Большой срок службы катода создает ющие соленоиды и универсальной триодной пушки с новые возможности в ускорительной технике, например компрессией пучка на основе металлопористого терпроизводство отпаянных промышленных ускорительных моэлектронного катода. При проведении эксперимента модулей вместо существующих откачных систем. Кроме триодная пушка была демонтирована, а на ее изоляторе того, магнетронная пушка с ненакаливаемым катодом, смонтирована магнетронная пушка.

как будет показано ниже, способна формировать коротСхема эксперимента показана на рис. 1. Магнетронная кие (наносекундные) импульсы тока пучка в ускорителе пушка MG состояла из цилиндрических коаксиальных из сравнительно длительных импульсов напряжения на электродов, помещенных внутри соленоида предгруппушке. Это имеет существенное практическое значение пирователя SG. Катод C представлял из себя тонкий при создании сильноточных короткоимпульсных ускориметаллический стержень диаметром около 3 mm, устателей, так как облегчает формирование необходимых для новленный на высоковольтном изоляторе I в пролетном питания пушки импульсов высокого напряжения. Кроме канале, стенки которого служили анодом A. Столь малый того, предполагается, что магнетронная пушка с ненадиаметр катода был выбран с целью уменьшения влияния каливаемым катодом будет устойчива к бомбардировке магнитного поля на катоде на проводку пучка. Система обратными электронами, отраженными со значительной подачи импульсного напряжения малой длительности на энергией от ускоряющей структуры, которая как показыкатод, служившая для управления временно демонтировает опыт эксплуатации подобных ускорителей [2], мованной пирсовской триодной пушки, была использована жет ограничивать частоту посылок и срок службы катода.

для измерения тока с катода. Она состояла из коаксиМагнетронная пушка имеет ряд особенностей, которые ального кабеля, служившего вторичной обмоткой высомогут повлиять на работу в составе резонансного ЛУЭ.

ковольтного импульсного трансформатора PT. Через Это — прежде всего не экранированный от магнитного этот кабель сигнал тока пушки передавался из высополя катод и трубчатая форма пучка. Предварительная оценка их влияния и особенностей работы такой пушки в ковольтных цепей на измерительный осциллограф IO.

составе резонансного ЛУЭ являлось целью проведенного Более подробно схема стенда УИК изложена в нашей исследования. предыдущей работе [3].

Безнакальная магнетронная пушка как источник электронов... Рис. 1. Схема эксперимента. MG — магнетронная пушка с ненакаливаемым катодом: C — катод, I — высоковольтный изолятор, A — анод (пролетная трубка); PT — импульсный высоковольтный трансформатор: LM — линейный модулятор;

CD — индукционный датчик тока; RG — резонаторы предгруппирователя; SG, SI, SA — соответственно фокусирующие соленоиды предгруппирователя инжекторной и ускоряющей секции; IS — инжекторная секция; AS — ускоряющая секция; CS — ”коллимирующая” секция, ее система питания при проведении этих экспериментов не включалась, эта секция была использована в качестве коллиматора при оценке эмиттанса; L —нагрузки; F — фазовращатели: RFS 1, RFS 2 — источники СВЧ мощности (клистронные усилители); Q — квадрупольные линзы; FC — цилиндр Фарадея; IO — осциллограф.

Испытание работы пушки параметр, зависящий от эмиссионных свойств катода;

U —напряжение на пушке; B — магнитная индукция.

При подаче импульсов высокого напряжения на катод Сравнение показывает увеличение тока в нашем слупри помощи импульсного трансформатора после включае. Это связано, по-видимому, с большей величиной чения тока соленоида SG, создававшего магнитное поле в магнитного поля. Такое отклонение от указанного соотобласти пушки, были получены импульсы тока с катода ношения качественно согласуется с измеренной позже с амплитудой до 20 A. Их длительность в зависимости зависимостью тока от магнитного поля [5], где ток от режима менялась от 20 ns до 0.5 µs. Вольт-амперная уменьшается с ростом магнитного поля слабее, чем характеристика пушки, представленная на рис. 2, близобратно пропорциональная зависимость.

ка к квадратичной. Применение одинакового материала катода с ранее исследованной пушкой [4] позволяет сравнивать их параметры на основе теории подобия Сильноточный режим ускорения согласно соотношению из [1] После подачи высокочастотной мощности в ускоряюUI = C, (1) щие секции и соответствующей настройки системы проDa BDc ln Dc водки пучка на выходе УИК был получен ток ускоренных где I — ток пучка магнетронной пушки; Da, Dc — электронов до 0.5 A при токе пушки около 12 A и напрясоответственно диаметры катода и анода пушки; C — жении на ней около 45 kV. Малый коэффициент захвата 9 Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 132 Г.М. Иванов, Л.А. Махненко, С.А. Черенщиков напряжения на ней и режимом накопленной энергии при питании пушки и ускоряющих секций. Фронт импульса при этом формируется за счет быстрого возбуждения вторичной эмиссии, а длительность будет зависеть от величины накопленной энергии и тока пучка, увеличиваясь с увеличением накопленной энергии и уменьшаясь с увеличением тока.

При проведении испытаний были включены только группирующая и инжекторная ускоряющие секции. Ускоренный пучок проходил ”пустую”, т. е. без подачи СВЧ питания и фокусирующего соленоида, секцию. Кроме того, эта секция отличалась малым последовательным сопротивлением связи [3] и при достигнутом в нашем случае токе влиянием наведенного поля на движение пучка можно пренебречь. Таким образом, секция играла лишь роль коллиматора в форме длинной трубы с известной апертурой. В этом случае по длине L и диаметру d можно оценить эмиттанс пучка [6] сверху Рис. 2. Вольт-амперная характеристика магнетронной пушки как произведение углового разброса d/L на апертуру d, (при магнитном поле 220 mT): a — экспериментальные данные, b — аппроксимация квадратичной параболой. поделенное на, согласно соотношению d.

L Подставляя численные значения апертуры 3.0 cm и длины пролетной трубы 200 cm, получаем оценку 14 cm · m rad.

О возбуждении тока магнетронной пушки с холодным катодом вблизи частоты электронного циклотронного резонанса В процессе испытаний магнетронной пушки с холодным катодом в составе УИК нами было обнаружено влияние подачи высокочастотной мощности в резонатор на возбуждение тока в пушке. Пушка была расположена вблизи резонатора предгруппирователя в магнитном поРис. 3. Зависимость коэффициента захвата от напряжения для ле, как на рис. 1. При этом, СВЧ поле через короткий традиционной пушки с термокатодом.

участок пролетного канала, представлявшего собой запредельный волновод, могло проникать на катод пушки.

Первоначально был обнаружен ток с катода, который не захватывался в режим ускорения. Ток протекал в пучка в режим ускорения, вероятно, был связан с низкой энергией инжекции, соответствующей низкому напряже- течение почти всей длительности импульса напряжения нию на пушке. Из последующих измерений коэффици- на катоде (около 1 µs, 60 kV). Ток с катода достигал 1 A ента захвата с традиционной пирсовской пушкой с тер- и возникал в узком интервале магнитных полей вблизи 136-140 mT. Путем подстройки фазы группирователя мокатодом в зависимости от ускоряющего напряжения, график которой приведен на рис. 3, видно, что коэффици- удалось получить ток ускоренных до энергии свыше енты захвата при соответствующих напряжениях близки. нескольких MeV электронов на выходе УИК величиной Длительность импульса релятивистских электронов на до 20 mA с длительностью импульса, соответствующей выходе ускорителя при этом составляла около 20 ns. длительности импульса напряжения. Примерные осцилДлительность тока пушки и напряжения на ней были лограммы импульсов приведены на рис. 4. Длительность существенно больше и составляли соответственно 50 ns СВЧ импульса превышала длительность импульса напряи 1 µs. Сокращение длительности импульса на выходном жения на пушке (около 2 µs), а система синхронизации цилиндре Фарадея связано главным образом с двумя настраивалась таким образом, чтобы в течение импульса факторами: малым (вплоть до 1 ns) временем возбужде- напряжение СВЧ мощность можно было считать постония вторичной эмиссии в пушке вблизи амплитудного янной. Таким образом, для получения пучка на выходе Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. Безнакальная магнетронная пушка как источник электронов... сгустка и в нашем случае. Еще одним аргументом в пользу гипотезы о малом фазовом размере сгустка может быть относительно малая величина тока пушки в режиме циклотронного резонатора. В связи с переводом УИК на другую программу работ прямого измерения фазовых размеров сгустков не проводилось.

Следует остановиться на некотором несоответствии рабочей частоты колебаний и циклотронной частоты.

Традиционно [8] циклотронный резонанс в магнетронах характеризуется произведением магнитной индукции B на длину волны. Для свободных электронов в отсутствии внешних электрических полей имеет место численное соотношение для резонанса Рис. 4. Осциллограммы импульсов в режиме электронного B = 1.065 T · cm. (2) циклотронного резананса: a —напряжение на пушке, b —ток ускоренных электронов на выходе ускорителя.

Известно также о провале электронного КПД магнетронов и генерации магнетрона с гладким анодом вблизи 1.2 T cm [8]. Увеличение произведения B связано с неоднородностью электрического поля, создаваемого УИК необходима одновременная подача напряжения на тонким катодом. При этом резонансная частота должна пушку и СВЧ мощности при вполне определенной велизависеть, хотя и слабо, от напряжения на магнетронной чине магнитного поля в пушке и соотношении фаз СВЧ пушке. Результатом такой зависимости может быть двув предгруппирователе и в группирующей и ускоряющей горбая форма импульса на выходе ускорителя, показансекциях.

ная на рис. 4, если резонанс имеет место при напряжении С учетом рабочей частоты комплекса, на которую меньше амплитудного. Это же соотношение (2) спранастроен предгруппирователь 2797 MHz, и ее близости ведливо для колебаний электронов между электродами к частоте электронных циклотронных колебаний можно плоского магнетрона при отсутствии пространственного сделать следующие предположения о характере происзаряда. Поскольку в нашем случае отношение диаметров ходящих процессов. Электроны, испущенные с боковой анода и катода велико, то это произведение для цилиндцилиндрической поверхности катода за счет полевой рического магнетрона может быть больше. Без учета автоэлектронной эмиссии при подаче на него импульса влияния пространственного заряда оно поддается точнонапряжения движутся по траекториям, близким к цикму расчету. Пренебречь его влиянием можно, поскольку лоидальным и возвращаются к катоду. Под действием отв начале процесса нарастания вторичной эмиссии проносительно слабого СВЧ поля, период колебаний котоространственный заряд не будет существенно влиять на го совпадает с периодом их движения, часть этих электдвижение электронов. Время пролета электронов для ронов испущенных в соответствующие моменты времени цилиндрического магнетрона от катода и обратно будем получают от СВЧ поля дополнительную энергию и бомопределять в соответствии с формулами, приведенными бардируют катод. Под действием электронной бомбардив Приложении к лекциям[9]. Уравнение движения элекровки катод начинает испускать вторичные электроны, трона в радиальном направлении, начавшего движение с которые за счет совпадения периода их движения с пекатода d риодом поля также получают дополнительную энергию.

r = -, По-видимому, подаваемая в группирователь мощность, а dr она составляла несколько киловатт в импульсе, оказываe r 2 a2 (r) = Cln + r -, (3) лась достаточной для обеспечения коэффициента вторичm a 8 r ной эмиссии больше единицы. Это должно приводить к где r — радиальная координата электрона; e, m — быстрому нарастанию тока вторичной эмиссии с боковой соответственно заряд и масса электрона, поверхности катода вплоть до ее ограничения полем проU странственного заряда. При этом неоднородность поля C =, b вблизи края катода будет приводить к выталкиванию ln a образовавшихся электронных сгустков в сторону группостоянная C характеризует величину электрического пирователя и ускоряющей системы. Ускорение сгустков поля через величину приложенного напряжения U и будет возможно только в случае совпадения ускоряющей радиусы анода b и катода a, =eB/m — циклотронная фазы поля в секции с моментами выталкивания сгустков.

частота.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.