RU2408172C1 - Method and apparatus for guiding electron beam in linear accelerator channel - Google Patents
Method and apparatus for guiding electron beam in linear accelerator channel Download PDFInfo
- Publication number
- RU2408172C1 RU2408172C1 RU2009146329/07A RU2009146329A RU2408172C1 RU 2408172 C1 RU2408172 C1 RU 2408172C1 RU 2009146329/07 A RU2009146329/07 A RU 2009146329/07A RU 2009146329 A RU2009146329 A RU 2009146329A RU 2408172 C1 RU2408172 C1 RU 2408172C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- main
- path
- emitter
- additional
- current
- Prior art date
Links
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 title claims abstract description 55
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 14
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 abstract description 25
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 abstract description 16
- 230000006698 induction Effects 0.000 abstract description 8
- 238000013016 damping Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 abstract description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004321 preservation Methods 0.000 abstract description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005461 Bremsstrahlung Effects 0.000 description 9
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 8
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 6
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 5
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 4
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 4
- 230000004323 axial length Effects 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 3
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000191 radiation effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в линейных индукционных ускорителях сильноточных (более 1 кА) импульсных (менее 1 с) пучков электронов при их ускорении и/или транспортировке в протяженных (более 1 м) вакуумных трактах.The invention relates to accelerator technology and can be used in linear induction accelerators of high-current (more than 1 kA) pulsed (less than 1 s) electron beams during their acceleration and / or transportation in extended (more than 1 m) vacuum paths.
Известно [1], что при проводке (ускорении и/или транспортировке) в тракте линейного ускорителя сильноточного импульсного пучка электронов цилиндрического или трубчатого поперечного сечения развиваются в пучке поперечные высокочастотные неустойчивости из-за взаимодействия собственных электрического и магнитного полей пучка со многими параметрами структуры тракта, например, с периодическими воздействиями электрических и магнитных полей, их ассимметрии относительно продольной оси тракта, взаимной несоосности ускорительных (дрейфовых) трубок и др. Поперечные колебания нарушают динамику распространения пучка, искажают форму импульса тока пучка, приводят к его радиальному расширению с потерей части электронов на стенках тракта.It is known [1] that during wiring (acceleration and / or transportation) in a linear accelerator path of a high-current pulsed electron beam of cylindrical or tubular cross section, transverse high-frequency instabilities develop in the beam due to the interaction of the beam’s own electric and magnetic fields with many parameters of the path structure, for example, with periodic effects of electric and magnetic fields, their asymmetry relative to the longitudinal axis of the path, the mutual misalignment of the accelerator (drift ) tubes, etc. Transverse vibrations disrupt the dynamics of beam propagation, distort the shape of the beam current pulse, and lead to its radial expansion with the loss of some of the electrons on the tract walls.
Известны способ и устройство проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя, изложенные в [2].A known method and device for wiring an electron beam in the path of a linear accelerator, described in [2].
Способ состоит в том, что по длине тракта ускорителя периодически присоединяют радиальные линии, нагруженные на внешнем радиусе на резистивные элементы, в частности, на активные сопротивления стенок из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением. Для этого по известным геометрическим и электрическим параметрам тракта и пучка оценивают основную частоту возбуждаемых высокочастотных радиальных колебаний пучка, и по указанным в [2] расчетным программам и формулам определяют приблизительные значения импеданса и геометрические размеры линий, которые окончательно подбирают экспериментально. Физическая роль этих линий сводится как бы к периодическому последовательному включению резистивных элементов в электрическую цепь обратного токопровода пучка электронов по длине тракта, активное сопротивление которых близко по величине средним значениям импедансов соответствующих радиальных линий. Активные сопротивления резистивных элементов уменьшают добротность распределенных по длине тракта контуров, образуемых эквивалентными погонными емкостью, индуктивностью и активным сопротивлением пучка относительно таких же составляющих элементов тракта, и потому уменьшающих или гасящих амплитуды радиальных высокочастотных колебаний.The method consists in the fact that along the length of the path of the accelerator, radial lines are periodically connected, loaded on the external radius by resistive elements, in particular, by the active resistance of the walls of the material with high electrical resistivity. For this, the fundamental frequency of the excited high-frequency radial oscillations of the beam is estimated from the known geometric and electrical parameters of the path and beam, and approximate impedance values and geometric dimensions of the lines, which are finally selected experimentally, are determined by the calculation programs and formulas specified in [2]. The physical role of these lines is reduced, as it were, to the periodic sequential inclusion of resistive elements in the electric circuit of the reverse current path of the electron beam along the length of the path, the active resistance of which is close in magnitude to the average values of the impedances of the corresponding radial lines. The active resistances of the resistive elements reduce the quality factor of the circuits distributed along the length of the path, formed by the equivalent linear capacitance, inductance and active resistance of the beam relative to the same components of the path, and therefore reduce or suppress the amplitudes of the radial high-frequency oscillations.
Устройство заключается в том, что в тракт ускорителя введен эмиттер электронов, формирующий цилиндрический трубчатый или сплошной цилиндрический пучок электронов, и по длине тракта в него периодически встроены в обратный токопровод радиальные линии.The device consists in the fact that an electron emitter is introduced into the accelerator path, forming a cylindrical tubular or continuous cylindrical electron beam, and radial lines are periodically built into the return conductor along the length of the path into it.
Недостатком данного способа и устройства проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя является увеличение длины и габаритного диаметра тракта.The disadvantage of this method and device for wiring an electron beam in the path of a linear accelerator is an increase in the length and overall diameter of the path.
Наиболее близкими к заявляемому техническому решению являются способ и устройство проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя импульсного пучка электронов, представленные в [3].Closest to the claimed technical solution are the method and device for posting an electron beam in the path of a linear accelerator of a pulsed electron beam, presented in [3].
Способ состоит в том, что в тракте линейного ускорителя формируют два соосных трубчатых импульсных пучка электронов длительностью импульса тока каждого из них по 25 нс - основной (внутренний) и дополнительный (внешний) большего диаметра, разделенных регулируемым от 50 нс до 5 мкс интервалом между ними, причем пучки поочередно проводят по длине тракта ускорителя и генерируют на выходе из мишени два точно синхронизированных по времени импульса тормозного излучения.The method consists in the fact that two coaxial tubular pulsed electron beams are formed in the path of the linear accelerator with a current pulse of each of them 25 ns each - the main (internal) and additional (external) larger diameter, separated by an interval between them adjustable from 50 ns to 5 μs moreover, the beams are alternately carried along the accelerator path and generate two bremsstrahlung pulses precisely synchronized in time at the exit from the target.
Устройство проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя содержит серию индукторов, образующих ускоряющую систему, а также основной эмиттер основного пучка электронов, установленный с одного из торцов в тракте и размещенный соосно основному эмиттеру в тракте дополнительный трубчатый эмиттер, внутренний диаметр которого больше внешнего диаметра основного эмиттера. Сначала срабатывает первая часть индукторов ускоряющей системы и она ускоряет основной, более сильноточный, пучок электронов, который проходит далее без дополнительного ускорения по тракту второй части ускоряющей системы до мишени, а через регулируемый от 50 нс до 5 мкс интервал включается вторая часть индукторов ускоряющей системы, формируя дополнительный трубчатый пучок электронов с меньшей амплитудой тока, чем амплитуда тока основного пучка, и ускоряя его во второй части тракта, проводя тоже до общей мишени обоих пучков.The electron beam wiring device in the path of the linear accelerator contains a series of inductors forming an accelerating system, as well as a main emitter of the main electron beam installed at one of the ends in the path and placed coaxially with the main emitter in the path, an additional tubular emitter whose inner diameter is larger than the outer diameter of the main emitter . First, the first part of the inductors of the accelerating system is activated and it accelerates the main, more high-current, electron beam, which passes further without additional acceleration along the path of the second part of the accelerating system to the target, and through the interval adjustable from 50 ns to 5 μs, the second part of the inductors of the accelerating system is turned on, forming an additional tubular electron beam with a smaller current amplitude than the current amplitude of the main beam, and accelerating it in the second part of the path, also conducting to the common target of both beams.
Тракт такого линейного ускорителя не содержит добавочных радиальных линий и потому имеет меньшие габариты по длине и по диаметру.The path of such a linear accelerator does not contain additional radial lines and therefore has smaller dimensions in length and diameter.
Недостатком способа и устройства проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя по прототипу является развитие высокочастотных радиальных колебаний электронов в основном пучке электронов и потому нарушение стабильности динамики этого пучка в тракте, потери части электронов на элементах тракта и искажение формы импульса тока по длине тракта.The disadvantage of the method and device for wiring an electron beam in the path of a linear accelerator according to the prototype is the development of high-frequency radial oscillations of electrons in the main electron beam and, therefore, the stability of the dynamics of this beam in the path, the loss of some of the electrons on the path elements and the distortion of the shape of the current pulse along the path.
Задачей, решаемой при создании данного изобретения, является уменьшение или гашение амплитуд высокочастотных радиальных колебаний электронов в основном пучке электронов и увеличение тем самым стабильности динамики этого пучка в тракте, снижение потерь электронов на элементах тракта и сохранение формы импульса тока по длине тракта.The problem to be solved when creating this invention is to reduce or quench the amplitudes of high-frequency radial oscillations of electrons in the main electron beam and thereby increase the stability of the dynamics of this beam in the path, reduce electron losses on the path elements and maintain the shape of the current pulse along the length of the path.
Техническим результатом при решении данной задачи является повышение дозы тормозного излучения из мишени за счет уменьшение потерь электронов основного пучка при проводке его по тракту.The technical result in solving this problem is to increase the dose of bremsstrahlung from the target by reducing the loss of electrons of the main beam when it is conducted along the path.
Сущностью заявляемого способа проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя со сформированными в нем основным пучком электронов и соосным ему дополнительным внешним трубчатым пучком электронов является то, что дополнительный пучок формируют одновременно с вхождением в него основного пучка или ранее по достижении в этот момент величины нарастающего тока дополнительного пучка, равной от 0,1 до 0,3 его амплитудного значения Iд, которое выбирают из условия:The essence of the proposed method of conducting an electron beam in the path of a linear accelerator with the main electron beam formed in it and an additional external tubular electron beam coaxial with it is that the additional beam is formed simultaneously with the main beam entering it or earlier, when the current rises a beam equal to from 0.1 to 0.3 of its amplitude value I d , which is selected from the condition:
Iд=(0,1÷0,3)Iо,I d = (0.1 ÷ 0.3) I about
где Iо - амплитуда тока основного пучка.where I about - the amplitude of the current of the main beam.
В основном пучке электронов при проводке его в тракте возбуждаются высокочастотные колебания от взаимодействия с компонентами структуры тракта. С такими колебаниями основной пучок достигает места формирования дополнительного пучка и далее основной пучок движется по тракту синхронно с дополнительным пучком. Однако основной пучок взаимодействует собственными электрическим и магнитным полями с дополнительным пучком как бы с эквивалентным длинным трубчатым внешним резистивным слоем, толщина стенок которого меньше глубины скин-слоя на частоте, соответствующей длительности импульса ускоряющего электрического поля. Активное сопротивление резистивного слоя дополнительного пучка уменьшает добротность распределенных по длине тракта колебательных контуров в системе "основной электронный пучок-структура тракта" и эффективно уменьшает или гасит амплитуды высокочастотных радиальных колебаний основного пучка, повышая тем самым стабильность динамики проводки его по длине тракта, уменьшая радиальное расширение этого пучка, снижая потери части электронов на элементах тракта и уменьшая искажение формы импульса тока. В совокупности это повышает дозу тормозного излучения из мишени за счет уменьшения потерь электронов основного пучка при проводке его по тракту.In the main electron beam, when it is conducted in the path, high-frequency oscillations are excited from interaction with components of the path structure. With such oscillations, the main beam reaches the place of formation of the additional beam and then the main beam moves along the path synchronously with the additional beam. However, the main beam interacts with its own electric and magnetic fields with an additional beam, as it were, with an equivalent long tubular external resistive layer, the wall thickness of which is less than the depth of the skin layer at a frequency corresponding to the pulse duration of the accelerating electric field. Active resistance of the resistive layer of the additional beam reduces the quality factor of the vibrational circuits distributed along the path in the "main electron beam-path structure" system and effectively reduces or damps the amplitudes of high-frequency radial vibrations of the main beam, thereby increasing the stability of the dynamics of its wiring along the path length, reducing radial expansion this beam, reducing the loss of part of the electrons on the path elements and reducing the distortion of the shape of the current pulse. Together, this increases the dose of bremsstrahlung from the target by reducing the loss of electrons of the main beam when it is conducted along the path.
Дополнительный пучок целесообразно формировать во времени одновременно с вхождением в него основного пучка или ранее момента достижения началом фронта тока основного пучка этого места формирования. Необходимость такого формирования заключается в том, что как основной пучок, так и дополнительный не возрастают мгновенно до их амплитудных значений при формировании, а их токи растут с некоторой скоростью до амплитуды в течение длительностей фронтов импульсов. Но наиболее неустойчивой частью основного пучка, более сильноточного, чем ток дополнительного пучка, обычно является именно фронт импульса, увлекающий этими колебаниями вершину и спад импульса тока. И потому дополнительный пучок нужно начинать формировать, как минимум, одновременно во времени с вхождением в него начала фронта тока основного пучка, т.е. чтобы дополнительный пучок сразу представлял для основного пучка резистивный трубчатый слой. Если задержать начало формирования дополнительного пучка, то начальная часть основного пучка уйдет по тракту за пределы места формирования дополнительного пучка без воздействия на эту часть внешнего резистивного слоя, и высокочастотные колебания в ней не будут затухать, а амплитуды колебаний станут возрастать, и потому электроны пучка из этой части начнут теряться на компонентах тракта. Но лучше, если в момент достижения началом фронта основного пучка места формирования дополнительного пучка этот (дополнительный) пучок формировать несколько ранее, чтобы его растущий на фронте ток составлял в момент вхождения в него основного пучка величину, равную от 0,1 до 0,3 его амплитудного значения Iд, которое выбирают из подобранного экспериментально условия Iд=(0,1÷0,3)Iо. Тогда дополнительный пучок сразу представит для основного пучка сформированный резистивный трубчатый слой, и колебания на его фронте будут эффективно уменьшаться. Но, так как ускорение основного и дополнительного пучков производится далее по тракту за местом формирования дополнительного пучка одним и тем же импульсом ускоряющего электрического поля, то при опережающем включении этого поля относительно момента достижения основным пучком места формирования дополнительного пучка (для предварительного роста его тока на фронте) время ускорения основного пучка может сократиться на 1÷3 нc, что не всегда допустимо.It is advisable to form an additional beam in time at the same time as the main beam enters into it or earlier than when the beginning of the current front of the main beam reaches this formation site. The need for such a formation lies in the fact that both the main beam and the additional one do not instantly increase to their amplitude values during formation, and their currents grow at a certain speed to amplitude during the durations of the pulse fronts. But the most unstable part of the main beam, more current than the current of the additional beam, is usually the front of the pulse, which captures the peak and fall of the current pulse with these oscillations. And therefore, an additional beam must begin to form, at least simultaneously in time with the entry of the beginning of the current front of the main beam into it, i.e. so that the additional beam immediately represents a resistive tubular layer for the main beam. If you delay the beginning of the formation of an additional beam, then the initial part of the main beam will go along the path beyond the place of formation of the additional beam without affecting this part of the external resistive layer, and the high-frequency oscillations in it will not decay, and the vibration amplitudes will increase, and therefore the beam’s electrons from this part will begin to get lost on the components of the tract. But it is better if, at the moment the front of the main beam reaches the formation site of the additional beam, this (additional) beam is formed a little earlier, so that its current growing at the front is equal to from 0.1 to 0.3 at the moment the main beam enters it the amplitude value of I d , which is selected from experimentally selected conditions I d = (0.1 ÷ 0.3) I about . Then the additional beam will immediately present the formed resistive tubular layer for the main beam, and the oscillations at its front will be effectively reduced. But, since the acceleration of the main and additional beams is further down the path behind the place of formation of the additional beam by the same pulse of the accelerating electric field, then when this field is turned on ahead of time relative to the moment the main beam reaches the place of formation of the additional beam (for preliminary growth of its current at the front ) the acceleration time of the main beam can be reduced by 1–3 ns, which is not always permissible.
Так как дополнительный пучок электронов проводят в том же тракте, что и основной пучок, то ток Iд дополнительного пучка нагружает ускоряющую систему тракта и снижает напряженность ускоряющего поля в тракте, что уменьшает общую энергию ускорения электронов основного пучка на выходе тракта ускорения. Поэтому максимальное значение тока дополнительного пучка Iд определено как 0,3·Iо, чтобы дополнительный пучок не понижал энергию ускорения электронов основного пучка более чем на 10 %, но эквивалентное удельное сопротивление дополнительного пучка обеспечивало бы глубину скин-слоя на частоте ускоряющего импульса более толщины стенок этого пучка. Кроме того, такая величина Iд в сочетании с уменьшенной плотностью тока по сечению пучка по сравнению с Iо и плотностью тока в основном пучке недостаточны для развития высокочастотных колебаний в самом дополнительном пучке.Since the additional electron beam is conducted in the same path as the main beam, the current I d of the additional beam loads the accelerating system of the tract and reduces the accelerating field strength in the tract, which reduces the total acceleration energy of the electrons of the main beam at the output of the acceleration path. Therefore, the maximum value of the current of the additional beam I d is defined as 0.3 · I o so that the additional beam does not lower the acceleration energy of the electrons of the main beam by more than 10%, but the equivalent resistivity of the additional beam would provide a skin depth at the frequency of the accelerating pulse of more wall thickness of this beam. In addition, such a value of I d in combination with a reduced current density over the beam cross section compared with I about and the current density in the main beam is insufficient for the development of high-frequency oscillations in the additional beam itself.
Минимальное значение тока дополнительного пучка электронов определено как Iд=0,1·Iо, т. е. чтобы ток Iд обеспечивал еще величину резистивного сопротивления, достаточную для уменьшения амплитуд высокочастотных колебаний основного пучка. При Iд<0,1·Iо не происходит затухание амплитуд высокочастотных колебаний в основном пучке, что подтверждено экспериментально.The minimum value of the current of the additional electron beam is defined as I d = 0.1 · I o , that is, the current I d also provides a resistive value sufficient to reduce the amplitudes of high-frequency oscillations of the main beam. When I d <0.1 · I o there is no attenuation of the amplitudes of high-frequency oscillations in the main beam, which is confirmed experimentally.
Амплитуды тока Iо и Iд пучков при их формировании регулируют посредством пропорциональных им амплитуд ускоряющих напряжений на соответствующих эмиттерах и пропорциональных длинах окружностей эмиттирующих электроны их кольцевых кромок.The amplitudes of the current I o and I d of the beams during their formation are regulated by means of accelerating voltage amplitudes proportional to them at the respective emitters and proportional circumference of the circumference of the electron edges emitting electrons.
Контролировать момент формирования дополнительного пучка одновременно с вхождением в него основного пучка или ранее по достижении в этот момент величины тока дополнительного пучка, равной от 0,1 до 0,3 его амплитудного значения Iд, можно посредством индукционных датчиков, установленных по длине тракта, и регистрации сигнала с них посредством, например, осциллографов. По форме сигнала с датчика, расположенного напротив кромки дополнительного эмиттера, судят о моменте достижении основным пучком этого места. Этот же датчик позволяет судить о росте во времени амплитуды тока дополнительного пучка, например, до уровня 0,2·Iд, чтобы отрегулировать моменты создания импульсного ускоряющего поля в части тракта между основным и дополнительным эмиттером и в части тракта за дополнительным эмиттером до мишени.It is possible to control the moment of formation of the additional beam at the same time as the main beam enters into it or earlier, when the current value of the additional beam reaches from 0.1 to 0.3 of its amplitude value I d , by means of induction sensors installed along the path, and registering a signal from them by means of, for example, oscilloscopes. By the shape of the signal from the sensor located opposite the edge of the additional emitter, one judges the moment the main beam reaches this place. The same sensor allows one to judge the increase in time of the amplitude of the current of the additional beam, for example, to the level of 0.2 · I d in order to adjust the moments of the creation of a pulsed accelerating field in the part of the path between the main and additional emitter and in the part of the path behind the additional emitter to the target.
Указанный технический результат в устройстве проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя, содержащем серию индукторов, образующих ускоряющую систему, и установленный с одного из торцов в тракте основной эмиттер основного пучка электронов, а также соосно ему расположенный в тракте дополнительный трубчатый эмиттер, достигается тем, что выполненные диаметры эмиттеров и их длины удовлетворяют одновременно неравенствам:The specified technical result in the device for wiring an electron beam in the path of a linear accelerator, containing a series of inductors forming an accelerating system, and installed from one of the ends in the path of the main emitter of the main electron beam, as well as an additional tubular emitter coaxially located in the path, is achieved by the fact that the completed diameters of the emitters and their lengths simultaneously satisfy the inequalities:
D/d>0,1·Lо/Lд, D/d<0,3·Lо/Lд,D / d> 0.1 · L o / L d , D / d <0.3 · L o / L d ,
где D - внутренний диаметр дополнительного эмиттера,where D is the inner diameter of the additional emitter,
d - внешний диаметр основного эмиттера,d is the outer diameter of the main emitter,
Lо - длина основного эмиттера,L about - the length of the main emitter,
Lд - длина дополнительного эмиттера.L d - the length of the additional emitter.
Чтобы обеспечить в устройстве проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя указанное в формуле изобретения способа условие Iд=(0,1÷0,3)Iо, экспериментально подобраны геометрические размеры входящих в устройство основного и дополнительного эмиттеров так, что удовлетворяются неравенства: D/d>0,1·Lо/Lд, D/d<0,3·Lо/Lд. Эти же неравенства вытекают и из следующего теоретического рассмотрения. Амплитуды токов Iо и Iд определяются общей длиной кромки (длиной окружности) каждого эмиттера и плотностью тока эмиссии электронов с единицы длины эмитирующей кромки. А плотность тока эмиссии пропорционально зависит от величин средних напряженностей ускоряющих электрических полей на кромках эмиттеров соответственно Eо и Eд, которые прямо пропорциональны величинам ускоряющих напряжений Uо и Uд, приложенным к кромкам основного и дополнительного эмиттеров соответственно. В сильноточных системах формируют, как правило, не сплошные, а трубчатые пучки электронов, как наименее подверженные при больших токах воздействию факторов, возбуждающих в них колебания. Поэтому эмиттерами электронов в системах всегда служат тонкостенные (порядка 1 мм) металлические трубки, внешние кромки которых и обеспечивают взрывную эмиссию с их микроострий при создании на кромках электрического ускоряющего поля. Тонкостенными же они берутся потому, что проводка пучков в тракте обычно осуществляется в импульсном (порядка 1 мс) магнитном поле, силовые линии которого параллельны оси тракта, и поле это должно проникать через стенку трубки, т.е. толщина стенки трубки должна быть меньше глубины скин-слоя на частоте (~500 Гц) магнитного поля. Толщина стенки трубки очень слабо влияет на плотность тока эмиссии, приходящуюся на единицу длины окружности внешней кромки, так как взрывная эмиссия создается именно на кромке внешнего диаметра эмиттера, где максимальна средняя напряженность электрического поля. Эмиттеры в тракте суммируют своими длинами Lо и Lд ускоряющее электрическое поле в тракте так, что на эмитирующих кромках основного и дополнительного эмиттеров возникают ускоряющие напряжения Uо и Uд, а также Eо и Eд, которые прямо пропорциональны соответственно длинам Lо и Lд. Поэтому, подставляя в Iд=(0,1÷0,3)Iо значения токов через произведения длин эмитирующих кромок (длин окружностей πd и πD), умноженных на ускоряющие напряжения или пропорциональные им длины Lо и Lд, получим соотношение D/d=(0,1÷0,3)Lо/Lд, из которого и следуют найденные экспериментально неравенства: D/d>0,1·Lо/Lд, D/d<0,3·Lо/Lд. Предельные значения имеют здесь такой же физический смысл, как это объяснено выше касательно условия Lд=(0,1÷0,3)Iо. Т.е., если D/d<0,1·Lо/Lд, то ток Iд будет меньше 0,1·Iо и не будет происходить затухание высокочастотных колебаний в основном пучке; при D/d>0,3·Lо/Lд ток Iд будет больше 0,3·Iо и начнет понижать энергию ускорения электронов основного пучка, а эквивалентное удельное сопротивление пучка сделает глубину скин-слоя на частоте ускоряющего импульса сравнимой или менее толщины стенок этого пучка, что начнет экранировать проникновение ускоряющего поля в полость дополнительного пучка и тоже снижать энергию ускорения электронов основного пучка. Кроме того, такая величина Iд в сочетании с увеличенной плотностью тока по сечению пучка может способствовать развитию высокочастотных колебаний в самом дополнительном пучке.In order to ensure the condition I d = (0.1 ÷ 0.3) I o specified in the claims of the method in the electron beam wiring device in the path of a linear accelerator, the geometric dimensions of the main and additional emitters included in the device are experimentally selected so that the inequalities are satisfied: D / d> 0.1 · L o / L d , D / d <0.3 · L o / L d . The same inequalities also follow from the following theoretical consideration. The amplitudes of the currents I o and I d are determined by the total edge length (circumference) of each emitter and the electron emission current density per unit length of the emitting edge. And the emission current density is proportionally dependent on the values of the average intensities of the accelerating electric fields at the edges of the emitters, respectively, E о and E д , which are directly proportional to the values of the accelerating voltages U о and U д applied to the edges of the main and additional emitters, respectively. In high-current systems, as a rule, they form not continuous, but tubular beams of electrons, as the least susceptible at high currents to factors that excite oscillations in them. Therefore, thin-walled (about 1 mm) metal tubes always serve as electron emitters in systems, the outer edges of which provide explosive emission from their micropoints when an electric accelerating field is created on the edges. Thin-walled, however, they are taken because the beam is routed in the path in a pulsed (about 1 ms) magnetic field, the lines of force of which are parallel to the path axis, and this field must penetrate through the tube wall, i.e. the tube wall thickness should be less than the skin depth at a frequency (~ 500 Hz) of the magnetic field. The tube wall thickness has very little effect on the emission current density per unit circumference of the outer edge, since explosive emission is created precisely on the edge of the outer diameter of the emitter, where the average electric field is at its maximum. The emitters in the path summarize with their lengths L o and L d the accelerating electric field in the path so that accelerating voltages U о and U d , as well as E о and E d , which are directly proportional to the lengths L о, appear on the emitting edges of the main and additional emitters and L d . Therefore, substituting in I d = (0.1 ÷ 0.3) I about the values of the currents through the product of the lengths of the emitting edges (circumferences πd and πD) multiplied by accelerating stresses or proportional lengths L о and L d , we obtain the relation D / d = (0.1 ÷ 0.3) L o / L d , from which the experimentally found inequalities follow: D / d> 0.1 · L o / L d , D / d <0.3 · L o / L d . The limiting values here have the same physical meaning, as explained above with respect to the condition L d = (0.1 ÷ 0.3) I about . That is, if D / d <0.1 · L o / L d , then the current I d will be less than 0.1 · I o and damping of high-frequency oscillations in the main beam will not occur; at D / d> 0.3 · L o / L d, the current I d will be more than 0.3 · I o and will begin to lower the acceleration energy of the electrons of the main beam, and the equivalent resistivity of the beam will make the skin depth at the frequency of the accelerating pulse comparable or less than the wall thickness of this beam, which will begin to shield the penetration of the accelerating field into the cavity of the additional beam and also reduce the acceleration energy of the electrons of the main beam. In addition, such a value of I d in combination with an increased current density over the beam cross section can contribute to the development of high-frequency oscillations in the additional beam itself.
При изложенном техническом решении устройства для проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя повышается доза тормозного излучения из мишени за счет уменьшения потерь электронов основного пучка при проводке его по тракту из-за снижения или гашения амплитуд высокочастотных радиальных колебаний электронов в основном пучке, улучшения стабилизации динамики проводки основного пучка по тракту, уменьшения радиального расширение этого пучка, снижения искажения формы импульса тока.With the technical solution of the device for wiring an electron beam in the path of a linear accelerator, the dose of bremsstrahlung from the target increases due to a decrease in the loss of electrons of the main beam during its passage through the path due to a decrease or damping of the amplitudes of high-frequency radial oscillations of electrons in the main beam, and to improve stabilization of the wiring dynamics the main beam along the path, reducing the radial expansion of this beam, reducing the distortion of the shape of the current pulse.
На чертеже изображено устройство проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя, посредством которого реализуется заявляемый способ.The drawing shows a device for wiring an electron beam in the path of a linear accelerator, through which the inventive method is implemented.
На чертеже обозначены:In the drawing are indicated:
1 - тракт линейного ускорителя;1 - path of a linear accelerator;
2 - составной изолятор;2 - composite insulator;
3 - электроды, введенные в тракт через стенки изолятора 2;3 - electrodes introduced into the tract through the walls of the insulator 2;
4 - индукторы;4 - inductors;
5 - основной эмиттер;5 - main emitter;
6 - дополнительный эмиттер;6 - additional emitter;
7 - траектория проводки основного пучка электронов;7 - trajectory of the main electron beam;
8 - траектория проводки дополнительного пучка электронов;8 - trajectory of the additional electron beam;
9 - мишень;9 - target;
10 - высоковольтный дисковый электрод индуктора;10 - high-voltage disk electrode of the inductor;
11 - изолирующая жидкость;11 - insulating fluid;
12 - разрядник индуктора;12 - inductor arrester;
13 - клемма для подключения внешнего источника напряжения (источник не показан);13 - terminal for connecting an external voltage source (source not shown);
d - внешний диаметр основного эмиттера;d is the outer diameter of the main emitter;
D - внутренний диаметр дополнительного эмиттера;D is the inner diameter of the additional emitter;
Lо - длина основного эмиттера в тракте;L about - the length of the main emitter in the path;
Lд - длина дополнительного эмиттера в тракте.L d - the length of the additional emitter in the path.
Устройство проводки пучка электронов в линейном ускорителе содержит тракт 1, образованный составным изолятором 2, например, из органического стекла. Разрежение в тракте до давления 10-4÷10-6 мм рт. столба создается вакуумными насосами, присоединенными к тракту, в частности, со стороны его торцов, и на чертеже насосы не изображены. В тракт введены электроды 3, имеющие в тракте отверстия (апертуру) диаметром Dт=400 мм. Эти электроды соединены с краевыми (торцовыми) электродами индукторов 4. В тракт введен основной эмиттер 5 основного пучка электронов, имеющий длину в тракте Lо=1800 мм и выполненный в виде трубы с внешним диаметром d=150 мм, например, из нержавеющей стали с толщиной стенки 0,5 мм, и подключенный к правому краевому электроду (по схеме) первого индуктора. Также в тракт встроен дополнительный эмиттер 6 дополнительного пучка электронов, имеющий в тракте длину Lд=300 мм и внутренний диаметр D=200 мм, изготовленный подобно эмиттеру 5 и присоединенный к правому краевому электроду пятого индуктора. При этом выполнено условие Dт>D>d, а все геометрические размеры эмиттеров удовлетворяют неравенствам D/d>0,1·Lо/Lд, D/d<0,3·Lо/Lд, т.е. 200/150=1,33>0,1·1800/300=0,6 и 1,33<1,8. В конце тракта находится дисковая мишень 9, например, из вольфрама, для создания тормозного излучения. Каждый индуктор содержит в герметичном корпусе дисковый электрод 10, образующий относительно краевых электродов индуктора две радиальные электрические линии с распределенными параметрами. С целью упрощения схемы показано внутреннее устройство только одного - правого на схеме - индуктора. Для увеличения электрической емкости радиальных линий и их электрических длин полость индуктора заполнена деионизованной очищенной от механических частиц обезгаженной водой 11, имеющей высокое значение относительной диэлектрической проницаемости (~80). Между электродом 10 и правым на схеме краевым электродом индуктора расположен равномерно по окружности вокруг тракта ряд (например, 8 штук) управляемых с наносекундной точностью включения газонаполненных разрядников 12, образующих кольцевой коммутатор. Электрод 10 имеет клемму 13 для соединения снаружи индуктора с внешним источником импульсного тока для зарядки радиальных линий, например, за 1 мкс до амплитудного значения напряжения 500 кВ. Соленоиды, которые создают в тракте по всей его длине импульсное магнитное поле для сопровождения основного и дополнительного пучков, на чертеже не показаны.An electron beam wiring device in a linear accelerator comprises a path 1 formed by a composite insulator 2, for example, of organic glass. The rarefaction in the tract to a pressure of 10 -4 ÷ 10 -6 mm RT. the column is created by vacuum pumps attached to the tract, in particular, from the side of its ends, and the pumps are not shown in the drawing. Electrodes 3 were introduced into the duct, having holes (aperture) in the duct with a diameter of D t = 400 mm. These electrodes are connected to the edge (end) electrodes of the inductors 4. The main emitter 5 of the main electron beam is introduced into the path, having a path length L о = 1800 mm and made in the form of a pipe with an external diameter d = 150 mm, for example, stainless steel with wall thickness of 0.5 mm, and connected to the right edge electrode (according to the scheme) of the first inductor. An additional emitter 6 of an additional electron beam is also integrated in the path, having a length L d = 300 mm and an inner diameter D = 200 mm in the path, made like emitter 5 and attached to the right edge electrode of the fifth inductor. In this condition D t> D> d, and all the geometric dimensions emitters satisfy the inequality D / d> 0,1 · L a / L d, D / d <0,3 · L a / L d, i.e. 200/150 = 1.33> 0.1 · 1800/300 = 0.6 and 1.33 <1.8. At the end of the tract is a disk target 9, for example, of tungsten, to create bremsstrahlung. Each inductor contains a disk electrode 10 in a sealed enclosure, which forms two radial electric lines with distributed parameters relative to the edge electrodes of the inductor. In order to simplify the circuit, the internal arrangement of only one - the right in the circuit - inductor is shown. To increase the electric capacitance of radial lines and their electric lengths, the inductor cavity is filled with deionized degassed water 11 purified from mechanical particles, which has a high relative permittivity (~ 80). Between the electrode 10 and the edge electrode of the inductor, which is right in the diagram, a row (for example, 8 pieces) of gas-filled arresters 12, forming a ring commutator, controlled with nanosecond accuracy, is arranged uniformly around the path. The electrode 10 has a terminal 13 for connecting the outside of the inductor with an external pulse current source for charging radial lines, for example, 1 μs to an amplitude voltage value of 500 kV. The solenoids that create a pulsed magnetic field in the path along its entire length to accompany the primary and secondary beams are not shown in the drawing.
Способ проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя реализуется следующим образом. Основной пучок электронов с током Iо формируют посредством эмиттера 5 и ускоряющего напряжения на нем, и этот пучок движется в ускоряющем электрическом поле в тракте 1 по траектории 7 и достигает эмитирующей кромки эмиттера 6. В этот момент формируют путем создания ускоряющего напряжения на эмиттере 6 дополнительный пучок с током Iд, движущийся по траектории 8. Если основной пучок имеет достаточную плотность тока для возбуждения в нем высокочастотных колебаний от периодического взаимодействия с компонентами структуры тракта, например, с электродами 3 из-за наличия динамической емкости пучка относительно этих электродов, то в пучке возникнут указанные высокочастотные радиальные колебания. С такими колебаниями основной пучок начинает двигаться в тракте совместно с дополнительным пучком по направлению к мишени 9, взаимодействуя собственными электрическим и магнитным полями с дополнительным пучком как бы с эквивалентным длинным трубчатым внешним резистивным слоем, толщина стенок которого меньше глубины скин-слоя на частоте, соответствующей длительности импульса ускоряющего электрического поля. Активное сопротивление этого резистивного слоя уменьшает добротность распределенных по длине тракта колебательных контуров в системе "основной электронный пучок - структура тракта" и эффективно воздействует на электромагнитные колебания в системе, снижая их развитие, что уменьшает или гасит амплитуды высокочастотных радиальных колебаний основного пучка электронов, повышая тем самым стабильность динамики проводки его по длине тракта, уменьшая радиальное расширение этого пучка, снижая потери части электронов на стенках тракта и уменьшая искажение формы импульса тока. Это увеличивает дозу тормозного излучения из мишени 9.The method of posting an electron beam in the path of a linear accelerator is implemented as follows. The main electron beam with a current I о is formed by means of an emitter 5 and an accelerating voltage thereon, and this beam moves in an accelerating electric field in path 1 along trajectory 7 and reaches the emitting edge of emitter 6. At this moment, an additional voltage is generated by creating an accelerating voltage on emitter 6 a beam with current I d moving along trajectory 8. If the main beam has a sufficient current density to excite high-frequency oscillations in it from periodic interaction with components of the path structure, for example, with electrodes 3 due to the presence of the dynamic capacity of the beam relative to these electrodes, then the specified high-frequency radial vibrations will occur in the beam. With such oscillations, the main beam begins to move in the tract together with the additional beam toward target 9, interacting with its own electric and magnetic fields with the additional beam, as it were, with an equivalent long tubular external resistive layer, the wall thickness of which is less than the depth of the skin layer at a frequency corresponding to pulse duration of an accelerating electric field. The active resistance of this resistive layer reduces the quality factor of the vibrational circuits distributed along the path in the "main electron beam - path structure" system and effectively affects electromagnetic oscillations in the system, reducing their development, which reduces or dampens the amplitudes of high-frequency radial vibrations of the main electron beam, increasing the stability of the dynamics of its wiring along the length of the path, reducing the radial expansion of this beam, reducing the loss of part of the electrons on the walls of the path and decreasing distorting the shape of the current pulse. This increases the dose of bremsstrahlung from target 9.
Дополнительный пучок формируют во времени одновременно с вхождением в него основного пучка или ранее момента достижения началом фронта тока основного пучка этого места формирования, например, чтобы ток дополнительного пучка на фронте его импульса составлял в этот момент 0,2·Iд. Это способствует более быстрому затуханию колебаний основного пучка, так как наиболее неустойчивой частью сильноточного пучка обычно является именно фронт импульса, увлекающий этими колебаниями вершину и спад импульса пучка момент тока. Контролировать форму и амплитуду импульса тока основного пучка можно посредством индукционных датчиков, установленных по длине тракта (датчики не изображены), и регистрации сигнала с них посредством, например, осциллографов. По форме сигнала с датчика, расположенного напротив кромки эмиттера 6, судят о достижении основным пучком места формирования дополнительного пучка. Этот же датчик позволяет судить о росте во времени амплитуды тока дополнительного пучка, например, до уровня 0,2·Iд, чтобы отрегулировать моменты создания ускоряющего поля индукторами 4, расположенными между правым (на чертеже) торцом тракта и эмитирующей кромкой эмиттера 6, так, чтобы именно в этот момент основной пучок достиг этой кромки.An additional beam is formed in time at the same time as the main beam enters into it or earlier than the moment when the front of the current reaches the main beam of this formation site, for example, so that the current of the additional beam at the front of its pulse is 0.2 · I d This contributes to a faster attenuation of the oscillations of the main beam, since the most unstable part of a high-current beam is usually the front of the pulse, which captures the peak and decay of the beam momentum with the current moment. The shape and amplitude of the current pulse of the main beam can be controlled by means of induction sensors installed along the path (the sensors are not shown), and registration of the signal from them by means of, for example, oscilloscopes. By the shape of the signal from the sensor located opposite the edge of the emitter 6, it is judged that the main beam has reached the place of formation of the additional beam. The same sensor allows one to judge the increase in time of the amplitude of the current of the additional beam, for example, to the level of 0.2 · I d in order to adjust the moments of creation of the accelerating field by inductors 4 located between the right (in the drawing) end of the path and the emitting edge of the emitter 6, so so that it is at this moment that the main beam reaches this edge.
Так как дополнительный пучок электронов проводят в том же тракте, что и основной пучок, то ток Iд дополнительного пучка выбирают из условия Iд=(0,1÷0,3)Iо, т.е. чтобы уменьшались или гасились колебания в основном пучке, а дополнительный пучок незначительно нагружал системы ускорения тракта и не снижал энергию ускорения электронов основного пучка. Кроме того, такая величина Iд в сочетании с уменьшенной плотностью тока по сравнению с ней в основном пучке недостаточна для развития высокочастотных колебаний в дополнительном пучке.Since the additional electron beam is carried out in the same path as the main beam, the current I d of the additional beam is selected from the condition I d = (0.1 ÷ 0.3) I o , i.e. so that the vibrations in the main beam are reduced or damped, and the additional beam slightly loads the path acceleration systems and does not reduce the electron acceleration energy of the main beam. In addition, such a value of I d in combination with a reduced current density compared with it in the main beam is insufficient for the development of high-frequency oscillations in the additional beam.
Устройство для проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя работает так (см. чертеж). Создается в тракте 1 разрежение 10-5 мм рт.ст. Затем синхронно заряжаются через клеммы 13 за 1 мкс до амплитудного напряжения Uз=500 кВ радиальные линии 10 всех индукторов 4, причем на электродах 10 создается отрицательная полярность. Подаются на управляющие электроды разрядников 12 импульсы пускового напряжения. При этом подача осуществляется не одновременно на разрядники всех индукторов, а с определенной задержкой по времени на каждый индуктор по направлению их расположения к мишени 9 в соответствии со скоростью движения основного пучка электронов по длине тракта, близкой к скорости света в пустоте. Сначала пуск подается на разрядники первого индуктора (правый на схеме), затем - с задержкой на время пробега электромагнитной волны по осевой протяженности первого индуктора по оси тракта (т.е. по осевой протяженности длины эмиттера 5 против этого индуктора) - на разрядники расположенного слева от первого индуктора смежного второго индуктора и т.д. В тракте посредством электродов 3 создается ускоряющее электрическое поле, которое суммируется длиной Lо эмиттера 5, создавая на его кромке ускоряющее напряжение Uо и соответственно напряженность поля Eо, прямо пропорциональные длине Lо. В частности, при показанной на чертеже длине Lo, равной осевой протяженности трех индукторов 4, на кромке эмиттера 5 ускоряющее напряжение Uо составит 3·Uз=1500 кВ в режиме холостого хода. Поэтому на кромке возникнет взрывная эмиссия и сформируется основной пучок, который начнет двигаться в сторону эмиттера 6. В пучке от взаимодействия со структурой тракта возбудятся высокочастотные колебания, амплитуды которых будут расти по мере прохождения пучка по тракту к эмиттеру 6. Длительность приложения этого напряжения определяется удвоенной электрической длиной радиальной линии в индукторе и составляет обычно 15÷60 нс. Если в момент достижения кромки эмиттера 6 основным пучком создать посредством расположенного слева от этого эмиттера индуктора ускоряющее поле, то на кромке эмиттера возникнет напряжение Uд=0,5·Uз=250 кВ. Это напряжение вызовет взрывную эмиссию с кольцевой кромки эмиттера 6, в результате чего сформируется дополнительный трубчатый пучок электронов, который начнет синхронно перемещаться вместе с основным пучком по направлению к мишени 9. Основной пучок станет взаимодействовать с дополнительным пучком по изложенному выше механизму, который начнет уменьшать или полностью гасить высокочастотные радиальные колебания в основном пучке с описанными выше для него положительными последствиями.A device for posting an electron beam in the path of a linear accelerator works like this (see drawing). A vacuum of 10 -5 mm Hg is created in the tract 1. Then, radially lines 10 of all inductors 4 are synchronously charged through terminals 13 for 1 μs to the amplitude voltage U s = 500 kV, and negative polarity is created on the electrodes 10. Served on the control electrodes of the arresters 12 pulses of the starting voltage. In this case, the supply is not carried out simultaneously to the arresters of all the inductors, but with a certain time delay for each inductor in the direction of their location to the target 9 in accordance with the speed of the main electron beam along the path length close to the speed of light in the void. First, the start-up is applied to the arresters of the first inductor (right in the diagram), then - with a delay for the duration of the electromagnetic wave travel along the axial length of the first inductor along the path axis (i.e., along the axial length of the emitter length 5 against this inductor) - to the arresters located on the left from the first inductor of the adjacent second inductor, etc. An accelerating electric field is created in the path by means of electrodes 3, which is summed by the length L о of the emitter 5, creating an accelerating voltage U о and accordingly the field strength E о , directly proportional to the length L о , on its edge. In particular, when the length L o shown in the drawing is equal to the axial length of the three inductors 4, at the emitter 5 edge, the accelerating voltage U o will be 3 · U s = 1500 kV in idle mode. Therefore, explosive emission will occur at the edge and the main beam will form, which will begin to move towards the emitter 6. High-frequency oscillations will be excited in the beam from the interaction with the path structure, the amplitudes of which will increase as the beam passes through the path to the emitter 6. The duration of this voltage is determined to be doubled the electric length of the radial line in the inductor and is usually 15 ÷ 60 ns. If at the moment of reaching the edge of the emitter 6 the main beam is created by means of an accelerator field located to the left of this emitter, then the voltage U d = 0.5 · U s = 250 kV appears on the edge of the emitter. This voltage will cause explosive emission from the annular edge of the emitter 6, as a result of which an additional tubular electron beam will form, which will begin to move synchronously with the main beam toward the target 9. The main beam will interact with the additional beam according to the above mechanism, which will begin to reduce or completely damp high-frequency radial vibrations in the main beam with the positive consequences described above for it.
Заявляемые способ и устройство проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя, а также достигаемый технический результат, проверены практически и подтверждены в действующем линейном сильноточном индукционном ускорителе электронов ЛИУ-30 (энергия ускорения 40 МэВ, амплитуда тока пучка до 100 кА, длительность импульса тока на полувысоте 25 нс) [4], имеющем апертуру тракта Dт=430 мм, длину ускоряющей системы 25 м и последующий за ней выводной участок пучка еще на 5 м без наличия здесь ускоряющего поля. Первоначально в инжекторе был установлен основной взрывоэмиссионный эмиттер тока в виде трубы длиной Lо=2400 мм и диаметром d=150 мм из стали 10Х18Н9Т с толщиной стенки 0,5 мм, что обеспечило получение амплитуды тока первого пучка электронов из инжектора Iо=100 кА длительностью на полувысоте 25 нс. Размещенные по длине тракта индукционные датчики амплитуды и формы импульса тока ускоряемых и транспортируемых электронов показали, что при прохождении пучком примерно 30 % длины ускоряющего тракта в пучке начинают прогрессивно развиваться высокочастотные радиальные колебания электронов с выбросом части их на стенки ускорительных трубок и с одновременной деформацией формы импульса тока. Выброс электронов на стенки регистрировался по рентгеновскому излучению соответствующими датчиками, расположенными снаружи тракта по его длине. В результате за ускоряющей системой амплитуда тока в тракте уменьшалась на 20÷35 % по сравнению с амплитудой тока в начале ускорения и соответственно снижалась доза тормозного излучения из мишени, а длительность импульса обужалась до 11÷15 нс. При каждом последующем включении ускорителя эти эффекты воспроизводились, но количественные их характеристики были нестабильными, в результате чего форма и амплитуда тока от включения к включению ускорителя изменялись в указанных пределах.The inventive method and device for conducting an electron beam in the path of a linear accelerator, as well as the technical result achieved, have been tested practically and confirmed in the current linear high-current induction electron accelerator LIU-30 (acceleration energy 40 MeV, beam current amplitude up to 100 kA, current pulse duration at half maximum 25 ns) [4], with a path aperture D t = 430 mm, the length of the accelerating system 25 m and the subsequent exit section of the beam for another 5 m without the presence of an accelerating field. Initially, the main explosive emission current emitter was installed in the injector in the form of a pipe with a length of L о = 2400 mm and a diameter of d = 150 mm from 10Kh18N9T steel with a wall thickness of 0.5 mm, which ensured the current amplitude of the first electron beam from the injector I о = 100 kA duration at half maximum 25 ns. The induction sensors of the amplitude and shape of the current pulse of the accelerated and transported electrons located along the length of the path have shown that when the beam passes about 30% of the length of the accelerating path in the beam, high-frequency radial electron oscillations begin to progressively develop with the ejection of part of them onto the walls of the accelerator tubes and with simultaneous deformation of the pulse shape current. The emission of electrons to the walls was recorded by x-ray radiation with the corresponding sensors located outside the path along its length. As a result, behind the accelerating system, the current amplitude in the tract decreased by 20–35% compared with the current amplitude at the beginning of acceleration and, accordingly, the bremsstrahlung dose from the target decreased, and the pulse duration narrowed to 11–15 ns. Each subsequent turn on of the accelerator, these effects were reproduced, but their quantitative characteristics were unstable, as a result of which the shape and amplitude of the current from turning on and turning on the accelerator changed within the indicated limits.
Вакуумный тракт ЛИУ-30 позволяет установить в нем на выбранном расстоянии от основного эмиттера дополнительный трубчатый взрывоэмиссионный эмиттер большего диаметра, закрепляя его в любом месте составного изолятора 2, что не требовало конструктивного усложнения тракта и не увеличивало его длину или диаметр. Поэтому был изготовлен и установлен дополнительный трубчатый эмиттер с изменяемой длиной Lд от 300 до 900 мм и диаметром D=220 мм из листовой стали толщиной 0,5 мм, удовлетворяющий условию Dт>D>d. Изменение длины Lд позволяло регулировать амплитуду импульсного ускоряющего напряжения Uд и соответственно Eд и потому обеспечивало изменение амплитуды тока Iд. Имелась также возможность прикладывать Uд с опережением до 10 нс по отношению к моменту достижения основным пучком эмиссионной кромки этого эмиттера. В проведенных экспериментах испытано последовательное размещение дополнительного эмиттера по длине ускорительной части тракта на разных расстояниях от основного эмиттера. Дополнительный эмиттер позволял формировать дополнительный трубчатый пучок электронов с изменяемой за счет изменения длины Lд амплитудой тока Iд от 10 до 30 кА, т.е. обеспечивал выполнение условия Iд=(0,1÷0,3)Iо. Неравенства D/d>0,1·Lо/Lд и D/d<0,3·Lо/Lд тоже выполнялись, т.е. 220/150=1,47>0,1·1880/300=0,6 и 1,47<1,8.The vacuum path LIU-30 allows you to install in it at a selected distance from the main emitter an additional tubular explosive emission emitter of a larger diameter, fixing it anywhere in the composite insulator 2, which did not require constructive complication of the path and did not increase its length or diameter. Therefore, an additional tubular emitter with a variable length L d from 300 to 900 mm and a diameter D = 220 mm of sheet steel 0.5 mm thick satisfying the condition D t >D> d was manufactured and installed. Changing the length L d allowed to control the amplitude of the pulse accelerating voltage U d and, accordingly, E d and therefore provided a change in the amplitude of the current I d . It was also possible to apply U d ahead of 10 ns with respect to the moment the main beam reaches the emission edge of this emitter. In the experiments conducted, the sequential placement of an additional emitter along the length of the accelerating part of the path at different distances from the main emitter was tested. Additional emitter allowed to form an additional electron beam tube with variable by changing the length L d I d current amplitude of 10 to 30 kA, i.e. ensured the fulfillment of the condition I d = (0.1 ÷ 0.3) I about . Inequalities D / d> 0.1 · L o / L d and D / d <0.3 · L o / L d also hold, i.e. 220/150 = 1.47> 0.1 · 1880/300 = 0.6 and 1.47 <1.8.
При максимальном токе (определенном заявляемым техническим решением) дополнительного пучка 30 кА его электроны ускорялись до 23 МэВ. Отсюда общее эквивалентное активное сопротивление дополнительного пучка составляло около 700 Ом. Из измерений следовало, что стенки дополнительного пучка имеют толщину в среднем 20 мм. Поэтому расчетно находим, что удельное сопротивление среды пучка ρ≈70 Ом·см. Для этих значений ρ глубина скин-слоя δ=50,3·102·ρ0,5·f0,5 на основной частоте f=17,8 МГц, эквивалентной длительности импульса ускорения 28 нс, близка к 12 см, что отвечает обусловленным требованиям к дополнительному пучку.At the maximum current (determined by the claimed technical solution) of an additional beam of 30 kA, its electrons were accelerated to 23 MeV. Hence, the total equivalent active resistance of the additional beam was about 700 ohms. It follows from the measurements that the walls of the additional beam have an average thickness of 20 mm. Therefore, it is calculated that the specific resistance of the beam medium is ρ≈70 Ohm · cm. For these values of ρ, the depth of the skin layer is δ = 50.3 · 10 2 · ρ 0.5 · f 0.5 at the fundamental frequency f = 17.8 MHz, equivalent to an acceleration pulse duration of 28 ns, close to 12 cm, which corresponds to due to additional beam requirements.
В серии из нескольких сотен последовательных включений ЛИУ-30 с интервалами между ними ≥5 минут индукционные датчики показали уменьшение до 50 % амплитуды высокочастотных радиальных колебаний пучка, стабилизацию динамики пучка электронов по длине тракта и сохранение формы импульса тока на выходе тракта от включения к включению ускорителя, что позволило увеличить на 25 % интегральную дозу за импульс тормозного излучения за мишенью из вольфрама при падении на нее ускоренных электронов.In a series of several hundred LIU-30 series switching ons with intervals of ≥5 minutes between them, induction sensors showed a decrease in the amplitude of high-frequency radial beam vibrations by up to 50%, stabilization of the electron beam dynamics along the path and preservation of the shape of the current pulse at the path output from switching on to turning on the accelerator which made it possible to increase the integral dose by 25% per bremsstrahlung pulse behind a tungsten target when accelerated electrons are incident on it.
В связи со значительным увеличением дозы и улучшением воспроизводимости характеристик ускорителя в сериях его последовательных включений такой стабилизированный режим работы ЛИУ-30 официально принят как типовой.Due to a significant increase in the dose and improvement of the reproducibility of the accelerator characteristics in the series of its successive inclusions, such a stabilized mode of operation of LIU-30 is officially accepted as standard.
Таким образом, заявляемые способ и устройство проводки пучка электронов в тракте линейного ускорителя по сравнению прототипом уменьшают потери электронов основного пучка при проводке его по тракту и повышают, как минимум, на 25 % интегральную (за импульс) дозу тормозного излучения из мишени за счет снижения или гашения высокочастотных радиальных колебаний электронов в основном пучке, за счет стабилизации его динамики при проводке по тракту, уменьшения радиального расширение этого пучка, снижения потерь части электронов на стенках тракта и уменьшения искажения формы импульса тока.Thus, the inventive method and device for conducting an electron beam in the path of a linear accelerator compared to the prototype reduces the loss of electrons of the main beam when it is transmitted along the path and increase by at least 25% the integral (per pulse) dose of bremsstrahlung from the target by reducing or damping of high-frequency radial oscillations of electrons in the main beam, due to stabilization of its dynamics during transmission along the path, reduction of the radial expansion of this beam, reduction of losses of part of the electrons on the walls of the path and reducing the distortion of the current pulse shape.
Источники информацииInformation sources
1. Генерация и фокусировка сильноточных релятивистских электронных пучков. Под ред. Л.И.Рудакова. М.: Энергоатомиздат. 1990.1. Generation and focusing of high-current relativistic electron beams. Ed. L.I. Rudakova. M .: Energoatomizdat. 1990.
2. R.B.Miller, B.M.Marder, P.D.Coleman. The Effect of Accelerating Gap Geometry on the Beam Breakup Instability in Linear Induction Accelerators. // J. Appl. Phys. 1988. Vol.63. No.4. P.997-1008.2. R. B. Miller, B. M. Marder, P. D. Coleman. The Effect of Accelerating Gap Geometry on the Beam Breakup Instability in Linear Induction Accelerators. // J. Appl. Phys. 1988. Vol. 63. No.4. P.997-1008.
3. Патент на изобретение RU № 2123244, МПК 6 H05H 9/00, приоритет от 20.06.1996. Линейный индукционный ускоритель / Босамыкин B.C., Герасимов А.И., Гордеев B.C., Грицына В.П., Гришин А.В.. // БИ. 1998. № 34, Ч.2. С.402.3. Patent for the invention RU No. 2123244, IPC 6 H05H 9/00, priority from 06/20/1996. Linear induction accelerator / Bosamykin B.C., Gerasimov A.I., Gordeev B.C., Gritsyna V.P., Grishin A.V .. // BI. 1998. No. 34, Part 2. S.402.
4. Павловский А.И., Босамыкин B.C., Герасимов А.И. и др. Линейный ускоритель пучка электронов на радиальных линиях ЛИУ-30. // ВАНТ. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 1994. Выпуск 3-4. С.3-9.4. Pavlovsky A.I., Bosamykin B.C., Gerasimov A.I. et al. Linear electron beam accelerator on radial lines LIU-30. // VANT. Series: Physics of radiation effects on electronic equipment. 1994. Issue 3-4. C.3-9.
Claims (2)
Iд=(0,1·0,3)Io,
где Io - амплитуда тока основного пучка.1. The method of posting an electron beam in the path of a linear accelerator, including the formation of the main electron beam and coaxial to it an additional tubular electron beam, characterized in that the additional beam is formed at the same time as the main beam enters into it or earlier when the current reaches the additional beam, equal to from 0.1 to 0.3 of its amplitude value I d , which is selected from the condition:
I d = (0.1 · 0.3) I o ,
where I o is the amplitude of the current of the main beam.
D/d>0,1·Lo/Lд,
D/d<0,3·Lo/Lд,
где D - внутренний диаметр дополнительного эмиттера;
d - внешний диаметр основного эмиттера;
Lo - длина основного эмиттера;
Lд - длина дополнительного эмиттера. 2. A device for conducting an electron beam in the path of a linear accelerator, containing a series of inductors forming an accelerating system, a main emitter installed at one of its ends in the path, and an additional tubular emitter coaxially installed in the path, characterized in that the diameters of the emitters and their lengths simultaneously satisfy the inequalities:
D / d> 0.1 · L o / L d ,
D / d <0.3 · L o / L d ,
where D is the inner diameter of the additional emitter;
d is the outer diameter of the main emitter;
L o is the length of the main emitter;
L d - the length of the additional emitter.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009146329/07A RU2408172C1 (en) | 2009-12-14 | 2009-12-14 | Method and apparatus for guiding electron beam in linear accelerator channel |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009146329/07A RU2408172C1 (en) | 2009-12-14 | 2009-12-14 | Method and apparatus for guiding electron beam in linear accelerator channel |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2408172C1 true RU2408172C1 (en) | 2010-12-27 |
Family
ID=44055921
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009146329/07A RU2408172C1 (en) | 2009-12-14 | 2009-12-14 | Method and apparatus for guiding electron beam in linear accelerator channel |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2408172C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2546196C2 (en) * | 2013-09-04 | 2015-04-10 | Мурадин Абубекирович Кумахов | Method of transportation of electron beam for long distance power transmission and device for its implementation |
| CN110361766A (en) * | 2019-02-28 | 2019-10-22 | 深圳铭杰医疗科技有限公司 | A kind of method, apparatus, system and the equipment of medical accelerator dose monitoring |
| RU2820528C1 (en) * | 2023-03-23 | 2024-06-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН) | Method of measuring electron emission of metal thread |
| CN120033854A (en) * | 2025-03-14 | 2025-05-23 | 四川启明星电力装备制造集团有限责任公司 | Lightning suppression system and lightning suppression method based on thundercloud monitoring |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1807833A1 (en) * | 1990-10-24 | 1994-05-30 | Научно-исследовательский институт интроскопии при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова | Multibeam induction electron accelerator |
| SU952087A1 (en) * | 1981-01-26 | 1996-10-20 | В.Ф. Басманов | Inductor of linear induction accelerator |
| JP2002134299A (en) * | 1992-12-04 | 2002-05-10 | Iotron Industries Canada Inc | Device for measuring the current of the electron beam in the accelerator |
| RU2265973C1 (en) * | 2004-04-12 | 2005-12-10 | Государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете министерства образования Российской Федерации" | Linear inductive accelerator |
| WO2007144058A1 (en) * | 2006-06-12 | 2007-12-21 | Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main | Modular linear accelerator |
| CA2689146A1 (en) * | 2007-06-11 | 2008-12-18 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Beam transport system and method for linear accelerators |
-
2009
- 2009-12-14 RU RU2009146329/07A patent/RU2408172C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU952087A1 (en) * | 1981-01-26 | 1996-10-20 | В.Ф. Басманов | Inductor of linear induction accelerator |
| SU1807833A1 (en) * | 1990-10-24 | 1994-05-30 | Научно-исследовательский институт интроскопии при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова | Multibeam induction electron accelerator |
| JP2002134299A (en) * | 1992-12-04 | 2002-05-10 | Iotron Industries Canada Inc | Device for measuring the current of the electron beam in the accelerator |
| RU2265973C1 (en) * | 2004-04-12 | 2005-12-10 | Государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете министерства образования Российской Федерации" | Linear inductive accelerator |
| WO2007144058A1 (en) * | 2006-06-12 | 2007-12-21 | Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main | Modular linear accelerator |
| CA2689146A1 (en) * | 2007-06-11 | 2008-12-18 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Beam transport system and method for linear accelerators |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2546196C2 (en) * | 2013-09-04 | 2015-04-10 | Мурадин Абубекирович Кумахов | Method of transportation of electron beam for long distance power transmission and device for its implementation |
| CN110361766A (en) * | 2019-02-28 | 2019-10-22 | 深圳铭杰医疗科技有限公司 | A kind of method, apparatus, system and the equipment of medical accelerator dose monitoring |
| CN110361766B (en) * | 2019-02-28 | 2021-11-02 | 深圳铭杰医疗科技有限公司 | Method, device, system and equipment for monitoring dosage of medical accelerator |
| RU2820528C1 (en) * | 2023-03-23 | 2024-06-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН) | Method of measuring electron emission of metal thread |
| CN120033854A (en) * | 2025-03-14 | 2025-05-23 | 四川启明星电力装备制造集团有限责任公司 | Lightning suppression system and lightning suppression method based on thundercloud monitoring |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR20150054004A (en) | Electron-coupled transformer | |
| US7994739B2 (en) | Internal injection betatron | |
| US7679025B1 (en) | Dense plasma focus apparatus | |
| RU2408172C1 (en) | Method and apparatus for guiding electron beam in linear accelerator channel | |
| CN103314647B (en) | Method and apparatus for generating pulsed bremsstrahlung with pulses adjustable between two energy levels | |
| Pushkarev et al. | Intense ion beam generation in a diode with explosive emission cathode in self-magnetically insulated mode | |
| KR20160049425A (en) | RF electron gun, linear Accelerator system and method for emitting pulse electron-beam | |
| Humphries Jr et al. | Pulsed plasma guns for intense ion beam injectors | |
| US10192709B2 (en) | Relativistic magnetron using a virtual cathode | |
| CN113099601B (en) | Low-energy heavy ion accelerator and acceleration method | |
| Petrov et al. | Current characteristics of a high-current electron gun with multi-gap initiation of explosive emission by dielectric surface flashover | |
| US8362717B2 (en) | Method of driving an injector in an internal injection betatron | |
| Humphries Jr et al. | Image charge focusing of relativistic electron beams | |
| RU2068596C1 (en) | Virtual reactor using cyclotron resonance | |
| Vintizenko | Linear induction accelerators for high-power microwave devices | |
| Tarasenko et al. | A Nanosecond Electron Accelerator with a Heterogeneous Transmission Line and a Gas-Filled Diode | |
| Kiziridi et al. | Sources of Non-Relativistic, High-Current Electron Beams Based on the Cathodes with Built-in Arc Plasma Sources | |
| Seidl et al. | Multiple beam induction accelerators for heavy ion fusion | |
| RU2827479C1 (en) | Electro-optical system of linear induction accelerator injector | |
| RU2455799C1 (en) | Linear induction accelerator injector | |
| RU184106U1 (en) | PULSE NEUTRON GENERATOR | |
| RU2287916C1 (en) | Ion accelerator with magnetic isolation | |
| Shpak et al. | Experimental study of the space-energetic structure and dynamics of a subnanosecond, dense, subrelativistic electron bunch | |
| RU179236U1 (en) | PULSE NEUTRON GENERATOR | |
| RU2360357C1 (en) | Pulse generator |