Пристрій для отримання пучка поляризованих електронів

УКРАЇНА (19) UA«» 15566 (13) СІ (М)5 Н 05 Н 7/00 ДЕРЖАВНЕ ПАТЕНТНЕ ВІДОМСТВО ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ОТРИМАННЯ ПУЧКА ПОЛЯРИЗОВАНИХ ЕЛЕКТРОНІВ (20)96240271,29.10.93 (21J4934047/SU (22)06.05.91 (24) 30.06.97 (46)30.06.07. Бюл. №3 (56) 1. Авторское свидетельство СССР N* 1564739, кл. Н 05 Н 7/00. 1990. 2. Решение о выдаче авторского свидетельства СССР по заявке N; 4782404/21 от 27.12.90. (72) Єфімоа Володимир Павлович, Закутін Валерій Вікторович, Іллічов Ігор Олександ рович, Ромасько Віктор Павлович, Шенде рович Олександр Маркович (73) Національний науковий центр "Харківський фізико-технічний Інститут" (UA) (57) Устройство для получения пучка поляри зованных электронов, содержащее каналы транспортировки и источники ионизирую щего электронного пучка и атомарного по ляризованного пучка водорода, расположенные на противоположных концах каналов транс портировки, соленоид, охватывающий источник электронного пучка, и каналы транспортировки атомарного и электронного пучков, последовательность соосно расположенных полых цилиндрических электродов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что между источником электронного пучка и началом последовательности соосно расположенных цилиндрических электродов параллельно оси соленоида установлены два параллельных плоских металлических электрода таким образом, что часть каналов транспортировки ионизирующего и поляризованного электронных пучков до начала последовательности цилиндрических электродов расположена между электродами, один из плоских электродов заземлен, а другой подсоединен к источнику постоянного напряжения. Изобретение относится к устройствам для получения поляризованных частиц и может быть использовано при создании источников поляризованных электронов для ускорителей. Известно устройство ДЛИ получения импульсного пучка поляризованных электронов [1], содержащее источник и канал транспортировки поляризованного атомарного пучка водорода, источник и канал транспортировки электронного пучка: СВЧрезонатор, источник ультрафиолетового излучения. В качестве источника поляризованного атомарного пучка водорода использовано устройство типа Штерна Герлаха. Поляризованный атомарный пучок водорода направляют в резонатор на ТЕотгг волне, который возбуждают сильноточным модулированным электронным пучком. Ультрафиолетовое излучение возбуждает атомы водорода, часть которых затем ионизируется сильным высококачественным электрическим полем в резонаторе. Дополнительная ионизация осуществляется за счет ударной ионизации оставшихся атомов электронами. Образовавшиеся при этом поляризованные электроны затем выводятся из резонатора. Наиболее близким решением, принятым в данной заявке за прототип, является с > ел ел О 15566 устройство [2] для получения пучка поляризованных электронов, содержащее каналы транспортировки и источники электронного пучка и атомарного поляризованного пучка водорода, расположенные на противоположных концах каналов транспортировки, соленоид, охватывающий источник электронного пучка и каналы транспортировки атомарного и электронного пучков, последовательность соосно расположенных полых цилиндрических электродов. Каналы транспортировки электронного и атомарного пучков совмещены и расположены вдоль оси соленоида, соленоид подключен к источнику постоянного тока, источник электронного пучка установлен е области торца соленоида, противоположному месту расположения источника атомарного пучка водорода, внутри второго импульсного соленоида, подключенному к источнику импульсного тока, в катоде и аноде источника электронов на оси канала транспортировки выполнены соосные отверстия, соседние отрезки цилиндрических электродов соединены между собой катушками индуктивности, а с землей конденсаторами, образующими искусственную линию с временем задержки, равной требуемой длительности импульса тока пучка поляризованных электронов, которая подключена к источнику напряжения отрицательной полярности. Недостатками прототипа является его сложность и возможность работы только в импульсном режиме. Сложность прототипа обусловлена, во-первых, сложностью конструкции электронной пушки, в аноде и катоде которой должны быть сделаны отверстия для пролета поляризованных электронов. Создание такой электронной пушки встречает серьезные трудности, связанные с нагревом катода такой формы требуемой температуры и проводкой пучка от катода в канал транспортировки. Во-вторых, сложность прототипа обусловлена необходимостью использования дополнительного импульсного соленоида, с соответствующим высоковольтным импульсным источником питания. Использование этого соленоида, а также искусственной линии для вывода поляризованных электронов дает возможность получения только импульсного пучка поляризованных электронов и не позволяет осуществлять работу в непрерывном режиме. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является такое усовершенствование конструкции устройства, которое позволит упростить устройство для получения пучка поляризованных электронов и обеспечить работу устройства как в импульсном, так и непрерывном режиме. Поставленная задача в устройстве для получениг пучка поляризованных электро5 нов, содержащем каналы транспортировки и источники ионизирующего электронного пучка и атомарного поляризованного пучка водорода, расположенные на противоположных концах каналов транспортировки, 10 соленоид, охватывающий источник электронного пучка и каналы транспортировки атомарного и электронного пучков, последовательность соосно расположенных полых цилиндрических электродов решается 15 тем, что между источником электронного пучка и началом последовательности соосно расположенных цилиндрических электродов, параллельно оси соленоида установлены два параллельных плоских ме20 таллических электрода таким образом, чтобы часть каналов транспортировки ионизирующего и поляризованного пучков до начала последовательности цилиндрических электродов была расположена между 25 ними; один из плоских электродов заземлен, а другой подсоединен к источнику постоянного напряжения. Совокупность признаков изобретения обеспечивает достижение технического ре30 эультата, заключающегося в упрощении устройства за счет более простой конструкции электронной пушки и отсутствия потребности в дополнительном импульсном соленоиде для вывода поляризованного пучка. 35 Предлагаемое решение позволяет получить положительный эффект, состоящий в упрощении устройства для получения пучка поляризованных электронов и в обеспечении работы устройства как в импульсном, 40 так и в непрерывном режиме.' Схема предлагаемого устройства приведена на фиг.1. Устройство состоит из источника поляризованного атомарного пучка водорода 1, соленоида 2, подключенного к '" источнику постоянного тока 3, электронной пушки 4, набора последовательно расположенных одинаковых отрезков металлической трубы 5, двух плоских металлических электродов 6, один из которых заземлен, а 50 другой подключен к источнику постоянного напряжения 7. Отрезки металлический трубы 5 расположены внутри соленоида соосно с ним. Электронная пушка 4 расположена внутри соленоида и смещена относительно 55 его оси на величину Хо. Каналы транспортировки пучка электронов В и выводимого поляризованного пучка электронов 9 разделены в пространстве. Плоские электроды 6 установлены таким образом, чтобы часть каналов транспортировки электрон 15566 ного ионизирующего 8 и поляризованого 9 пучка от электронной лушки 4 до первого отрезка 5 трубы была расположена между ними. Длина электродов I выбрана из усло вия (5) этом происходит ударная ионизация атомарного пучка. Образовавшиеся в результате ионизации поляризованные электроны выводятся с помощью выводящих напряжений, приложенных к отрезкам трубы 5. Попадая в про5 межуток между плоскими электродами 6, Работа устройства происходит следующим пучок поляризованных электронов соверобразом. шает дрейф а скрещенных полях с той же В источникеі, состоящем из источника скоростью (3). Благодаря этому на длине молекулярного водорода, диссоциатора и пластин он смещается на расстояние устройства типа ШтернаТерлаха, образует- 10 (3) Хв ся поляризованный по спинам электронов пучок атомарного водорода 9. Этот пучок v n 3 -1 0 направляют вдоль оси соленоида 2 внутри где Vn - скорость поляризованных электроотрезков трубы 5. В соленоиде 2 с помощью нов, м/с. источника тока 3 создают продольное маг- 15 Для того, чтобы пучок поляризованных нитное поле с индукцией В, необходимое электронов не попал на корпус электронной для сохранения поляризации электронов пушки, суммарное смещение ионизируюатомарного пучка. Пучок атомов водорода, щего и поляризованного пучков X + Хо долпройдя через систему цилиндров 5 затем жно быть больше половины суммы откачивается вакуумными насосами в обла- 20 поперечного размера электронной пушки сти плоских электродов 6. Как известно, D/2 и поперечного размера пучка поляризопрактически получена интенсивность потока ванных электронов d/2 поляризованных атомов водорода 10 атомов 3 X + X 0 >^- d-. (4) в секунду. При их скорости 10 м/с это Подставляя сюда (4) и (5) и учитывая, что соответствует плотности п- = 10 ато- 25 мов/см , т.е. давление ~3 10 торр. СлеЄ = U/h, имеем довательно давление остаточного газа в ,8 В h (D 4-d) vo vn камере должно быть выбрано существенно (5) 1,5-10c меньше этой величины, например, ~10" 7 4- Vn торр, что технически легко осуществимо. 30 При выполнении этого условия лучок Эмиттируемый из источника 4 электронный поляризованных электронов пройдет мимо пучок 8 влетает в п промежуток между электронной пушки не задевая ее и затем плоскими электродами 6. Между этими пла- выводится наружу. стинами под действием приложенного от Рассмотрим пример практической реаисточника 7 напряженими возникает попе- 35 лизации предлагаемого устройства. Пусть речное электрическое поле с напряженностью из электронной пушки вылетает пучок элекЕ = U/h. В скрещенных электрическом с тронов с энергией 4 кэВ, импульсным тонапряженностью Е и магнитом с индукцией В ком пучка 2,5 А, длительностью импульса (направленном вдоль оси соленоида) полях 2*10 с. Пролетая в продольном магнитном пучок электронов дрейфует в направ- 40 поле с индукцией 0,5 Тл между плоскими электродами с h = 2,5 см пучок при U = 20 кВ лении X, перпендикулярном векторам Е и на длине I = 0,5 м сместится к оси соленоида на Хо = 2,2 см. 8 рассматриваемом примеВ со скоростью ' ре первый и последний отрезки 5 металли45 ческой трубы заземлены, а ко всем в* О) В остальным приложено постоянное напряз•ю жение 1 кВ. Влетая в эти цилиндры электроны пучка 8 увеличивают свою энергию до 5 Двигаясь с этой скоростью пучок на дликэВ. С друї ой стороны если диаметр цилинне пластин I сместится на расстояние дров выбран равным 35 мм, то ток пучка 2,5 50 А при энергии 5 кэВ близок к критическому. При этом энергия электронов уменьшится 108Vo' (2) до 1,7 кэВ. Расчет показывает, что при такой Если электронная пушка энергии и токе электронного пучка при расположена таким образом, что ось выходящего из нее пучка смещена 55 интенсивности потока атомом водорода 10 ат/с диаметром 1 см на длине 1 метр относительно оси атомарного пучка образуется благодаря ионизации 3 *10 поводорода на расстояние Хо, то после ляризованных электронов. Эти электроны выхода из промежутка между плоскими удерживаются электростатической ловушэлектродами пучок электронов будет двигаться вдоль оси атомарного пучка. При 15566 кой, образованной двумя крайними заземленными цилиндргми 5 и остальными цилиндрами 5, к которым приложено напряжение + 1 кВ. После окончания импульса тока ионизирующего пучка напряже- 5 ниє + 1 кВ выключают, а к последнему цилиндру прикладывают напряжение- 1 кВ, которое равномерно делится между всеми цилиндрами таким образом, чтобы на первом цилиндре было приложено напряже- 10 ниє, например, - 800 В. Тогда под действием этого напряжения поляризованные электроны выводятся влево (на фиг. 1). Если время вывода составляет, например. 10" с, то импульсный ток пучка поляризованных элект- 15 родоа равен 0,5 А, Попадая в промежуток между плоскими электродами пучок поляризованных электронов на их длине 0,5 м отклоняется на X = 6 см. Если поперечный размер электронной пушки составляет, на- 20 пример, 8 см, а размер выводимого поляризованного пучка электронов 1 см, то в данном случае (6) выполняется X + Хо - 6 + 2,2 » 8,2 см > 4 + 1 - 5 см. (6) і Таким образом, в рассмотренном при- 25 мере может быть получен пучок поляризованных электронов с током 0,5 А в импульсе длительностью в 1 мкс. Вывод поляризованных электронов не обязательно должен осущестеляться таким образом, как в 30 описанном примере. Это можно сделать, например, с помощью искусственной линии, запитываемой от источника импульсного напряжения, как в прототипе. В рассмотренных примерах реализации 35 предлагаемого устройства может быть получен только импульсный пучок поляризованных электронов, так как выводящее поляризованные электроны напряжение подают после окончания импульса тока 40 ионизирующего электронного пучка. Однако предлагаемое устройство позволяет получ ать и н е п ре ры вны й п уч ок поляризованных электронов, что иллюстрируется следующим примером его практиче- 45 ской реализации. Схема устройства а данном примере соответствует фиг. 1, В отличие от рассмотренного выше примера к цилиндрическим электродам 5 прикладывают постоянное напряжение отрицательной 50 8 полярности, постепенно уменьшающееся от последнего цилиндра к первому. Это можно, например* сделать с помощью оптического делителя 10 и источника постоянного напряжения 11, как показано на фиг.2. Пусть, например, из электронной пушки А на фиг.1 вылетает непрерывный пучок электронов с энергией 6 кэВ и током пучка 2,5 А. Пролетая в продольном магнитном поле с индукцией 0,5 тесла между плоскими электродами с h& 2,5 см пучок при U~20KB на длине I - 0,5 см сместится к оси соленоида на Хо ~ 1.8 см. Пусть, например, к последнему цилиндрическому электроду 12 приложено постоянное напряжение UB - =1000 В, которое с помощью омического делителя равномерно уменьшается к первому электроду до -900 В. Тогда электронный пучок 8 войдя в систему цилиндров уменьшит свою энергию до « 5 кэВ, а за счет провисания потенциала при диаметре цилиндров 36 мм до 1.7 кэВ. Притакой энергии и потоке поляризованных атомов 10 атомов/с на длине 1 метр каждый электрон с вероятностью 7- 10" ионизирует атом водорода. Поэтому при постоянном токе ионизирующего пучка 2,5 А в рассмотренном примере будет получен непрерывный поток поляризованных электронов с током 1,8 мА. Вывод этого пучка производят таким же образом, как и в рассмотренном выше примере. Предлагаемое устройство обладает существенными преимуществами по сравнению с прототипом. Обеспечивая получение не меньшей, чем в прототипе, интенсвности поляризованного пучка электродов, предлагаемое устройство является существенно более простым. В нем нет необходимости использовать дополнительный импульсный соленоид для вывода поляризованного пучка, значительно упрощается конструкция электронной пушки - нет необходимости использовать ее катод с отверстием. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет получать как импульсный, так и непрерывный пучок поляризованных электронов, что невозможно в прототипе. 15566 0 © О О © Ф и г. I © © © © ФИГ, 2 Упорядник Замовлення 4190 Техред М.Моргентал Коректор М.Керецман Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, Киів-53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.Гагаріна, 101