Пристрій для отримання імпульсів струму пучка електронів пікосекундної тривалості

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для получения импульсов тока электронных пучков пикосекундной длительности. Известно устройство для получения коротких импульсов тока пучка электронов, представляющее собой ускоряющий промежуток, к которому приложен импульс напряжения малой длительности [1]. Однако возможности уменьшения длительности импульса тока пучка в таком устройстве ограничиваются длительностью импульса напряжения на ускоряющем промежутке, которая практически не может быть сделана меньше наносекунды из-за влияния паразитных индуктивностей и емкостей. Меньшая длительность импульса тока пучка может быть получена с помощью принятого в данной заявке за прототип устройства, содержащего расположенные вдоль канала транспортировки пучка дефлекторные пластины, присоединенные к внешнему питающему генератору [2]. Дефлекторные пластины, при подаче на них высокочастотного напряжения от генератора создают электрическое и магнитное поля, которые периодически отклоняют пучок, осуществляя его развертку. На выходе дефлекторных пластин установлен коллиматор, через который пучок проходит в течение малой части периода высокочастотных колебаний. Поэтому при наносекундной длительности периода колебаний может быть получен пучок с длительностью импульса тока в пикосекундном диапазоне. С помощью таких устройств в [2] получен пучок электронов с длительностью импульсов 70 пс и энергией частиц 40 кэВ. Недостатками прототипа являются ограничение возможностей повышения интенсивности пучка и сокращения его длительности. Оба эти ограничения связаны с силами саморасталкивания пучка. При повышении интенсивности пучка на длине траектории частиц вдоль дефлекторных пластин благодаря силам саморасталкивания диаметр пучка увеличивается и через выводное отверстие коллиматора пройдет только часть пучка, так что интенсивность выведенного пучка не увеличится. Если же увеличить диаметр отверстия, то в него будет попадать пучок в течение большего отрезка времени, т.е. длительность импульса тока пучка увеличится. Для уменьшения длительности импульса тока выведенного через отверстие пучка необходимо уменьшать диаметр пучка, так как время сканирования пучка по отверстию зависит от диаметра пучка. При уменьшении же диаметра пучка возрастают силы саморасталкивания, в результате чего на длине траектории частиц вдоль дефлекторных пластин диаметр пучка снова увеличится и достигнуть сокращения длительности импульса тока пучка без уменьшения его интенсивности не удастся. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является такое усовершенствование конструкции устройства, которое позволит при заданной интенсивности пучка уменьшить длительность импульса тока пучка и повысить импульсную мощность электронного пучка. Поставленная задача решается тем, что в устройство для получения импульсов тока пучка электронов пикосекундной длительности, содержащее дефлекторные пластины, подключенные к импульсному источнику питания, введены соленоид и металлическая стенка с отверстием, соленоид охватывает дефлекторные пластины и расположен вдоль канала транспортировки пучка в дефлекторных пластинах, металлическая стенка с отверстием перпендикулярна поверхности пластин, ориентирована вдоль канала транспортировки пучка в дефлекторных пластинах, расположена вдоль всей длины пластин и смещена от оси соленоида в направлении траектории отклонения пучка электронов, в качестве импульсного источника питания использован генератор наносекундных импульсов, дефлекторные пластины закорочены на конце, противоположном месту подключения генератора, расстояние между пластинами и их ширина уменьшаются вдоль канала транспортировки пучка, при этом отношение расстояния между пластинами к их щирине останется по всей длине пластин постоянным и выполнено условие где D - диаметр отверстия в металлической стенке (м); а - радиус пучка, (м); Η - напряженность продольного магнитного поля соленоида, (А/м); НрК - напряженность магнитного поля, создаваемого дефлекторными пластинами в месте расположения отверстия, (А/м). Дефлекторные пластины могут быть разделены в продольном направлении на отрезки, длина которых меньше расстояния пробега электромагнитной волны вдоль пластин за время фронта импульса генератора наносекундных импульсов, при этом каждый из отрезков подключен к генератору наносекундных импульсов. Предлагаемое устройство позволяет получить положительный эффект, заключающийся в уменьшении длительности импульса тока пучка при заданной его интенсивности и повышения импульсной мощности электронного пучка. Схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1. Здесь дефлекторные пластины 1 расположены внутри соленоида 2, установленного вдоль канала транспортировки пучка 3 от его источника 4. Дефлекторные пластины подключены с одной стороны к генератору наносекундных импульсов 5, а с другой стороны -1- к нагрузочному сопротивлению 6. Ширина пластин b и расстояние между ними d уменьшаются вдоль канала транспортировки таким образом, что отношение b/d остается постоянным. При этом волновое сопротивление двухпроводной линии, образованной пластинами, остается постоянным вдоль всей длины пластин. Вдоль всей длины пластин перпендикулярно их поверхностям установлена металлическая стенка 7 с отверстием 8 для вывода пучка пикосекундной длительности. Отверстие расположено на расстоянии от дальнего по ходу канала транспортировки конца пластин 9 на расстоянии g, не меньшем расстояния между пластинами в месте расположения отверстия. Диаметр отверстия 8 равен диаметру пучка 2а, отнесенному к синусу угла се между направлением суммарного магнитного поля соленоида 2 и дефлекторных пластин 1 и металлической стенкой 7 в месте расположения отверстия 8. Соленоид 2 подключен к источнику его питания 10. Работа устройства происходит следующим образом. От источника 10 через соленоид 2 пропускают электрический ток. Этот ток создает внутри соленоида продольное магнитное поле Hz. После этого из источника 4 вдоль канала транспортировки пропускают электронный пучок 3. Продольное магнитное поле удерживает пучок, препятствуя увеличению его диаметра под действием сил поперечного саморасталкивания частиц. Затем от наносекундного импульсного генератора 5 к дефлекторным пластинам 1 прикладывают импульс напряжения. Под действием этого Напряжения в двухпроводной линии, образованной дефлекторными пластинами, распространяется волна напряжения и тока в положительном направлении оси Z. При выбранных размерах пластин, когда отношение ширины пластин к зазору между ними остается постоянным вдоль всей их длины, остается постоянным вдоль всей длины пластин и волновое сопротивление линии. Поэтому волна напряжения и тока в линии распространяется без отражения. В случае, когда нагрузочное сопротивление 6 выбрано равным волновому сопротивлению линии, эта волна поглощается в нагрузочном сопротивлении 6. Но загрузочное сопротивление 6 не обязательно должно быть равно волновому сопротивлению линии, образованной дефлекторными пластинами. Например, в случае, когда нагрузочное сопротивление равно нулю, происходит отражение волны от закороченного конца линии с удвоением амплитуды тока. Если линия согласована со стороны наносекундного генератора 5, то отраженная волна поглощается в генераторе и на этом процесс в линии заканчивается. Ток в линии создает поперечное магнитное поле Η х, которое увеличивается, в положительном направлении ι оси Ζ, поскольку Η х ~ 1/b, а ширина пластин b уменьшается в положительном направлении оси Z. В связи с ростом поля Η x и постоянством Н x направление суммарного магнитного поля постепенно изменяется, как это показано на фиг. 2, где приведены силовые линии магнитного поля в один и тот же момент времени, начинающиеся вблизи оси соленоида. Если выполнено условие адиабатичности, когда длина пластин существенно превышает длину, на которой совершается одно циклотронное колебание пучка в магнитном поле, траектории частиц будут практически совпадать с силовыми линиями магнитного поля. Поэтому частицы, двигаясь в положительном направлении оси Z, будут постепенно смещаться в поперечном направлении (х) и, наконец попадут на стенку (7 на фиг.1). Если ток в пластинах и их размеры выбраны таким образом, что силовые линии суммарного магнитного поля соленоида и пластин проходят от оси соленоида в начале пластин через отверстие (8 на фиг. 1), то по такой же траектории будут двига ться и частицы пучка. При этом пучок выйдет через отверстие, если его диаметр будет равен отношению диаметра пучка 2а к синусу угла «между направлением суммарного магнитного поля соленоида и пластин и металлической стенкой 7, что ясно из простых геометрических соображений (см. фиг. 1). Во время фронта импульса напряжения генератора ток в линии постепенно нарастает, поэтому постепенно нарастает поперечное магнитное поле Н х (фиг. 3). Благодаря этому ход силовых линий суммарного магнитного поля также изменяется со временем, что видно из фиг. 4, где силовая линия 11 соответствует моменту времени t1 на фиг. 3, силовая линия 12 - моменту t2, силовая линия 13 - моменту t3 , силовая линия 14 -моменту t=τ окончания фронта импульса. На фиг. 4 показана металлическая стенка 7 и отверстие 8. На фиг. 4 видно, что в данном случае пучок пройдет через отверстие в течение отрезка времени t = t3 , значительно меньшего длительности фронта импульса напряжения. Поскольку практически τ может быть сделано равным ~ 1 нсек, то длительность импульса выведенного пучка будет иметь величину в пикосекундном диапазоне длительности. Для достижения этой цели длина пластин должна быть выбрана из условия адиабатичности изменения суммарного магнитного поля, создаваемого соленоидом и дефлекторными пластинами. При невыполнении условия адиабатичности траектории частиц не будут совпадать с силовыми линиями магнитного поля, частицы будут двигаться по спирали увеличивающегося радиуса и пучок не будет выходить через отверстие (8 на фиг. 1). Для достижения поставленной цели ширина пластин должна уменьшаться вдоль оси Ζ, так как только в этом случае могут получиться силовые линии магнитного поля, показанные на фиг. 2, 4, обеспечивающие получение соответствующи х траекторий частиц. Отношение ширины пластин к их зазору должно оставаться постоянным вдоль всей длины пластин, т.к. при этом волновое сопротивление линии, образованной пластинами, будет постоянным вдоль всей их длины. При невыполнении этого условия при распространении волны вдоль линии будут возникать отраженные волны, которые исказят распределение магнитного поля вдоль длины линии, а следовательно и ход силовых линий, нарушат условие адиабатичности, в результате чего поставленная цель не будет достигнута. К тому же результату приведет расположение отверстия (8 на фиг. 1) на расстоянии меньшем зазора между пластинами от конца пластин (9 на фиг. 1), так как при этом распределение магнитного поля вблизи отверстия исказится из-за действия краевых полей дефлекторных пластин. Влияние краевых полей будет несущественным, если расстояние от отверстия до конца пластин будет больше зазора между ними в месте расположения отверстий. Произведем расчет предлагаемого устройства. Обозначим максимальное значение Н х в начале пластин (Ζ = 0) и в месте расположения отверстия соответственно через Нон и Нок, "рабочее" значение Ηx, при котором пучок проходит в отверстие в стенке (см. фиг. 3, 4), в те х же точках через Н рн и Нрк , расстояние между пластинами в тех же точках dн и dK . Поскольку (фиг. 1) то диаметр отверстия 8 D, м, равен Уравнение силовой линии магнитного поля имеет как известно вид dx/dz=H x/Hz Интегрируя это уравнение, находим для смещения частицы от ее начального положения в направлении оси х в месте расположения отверстия при рабочем значении магнитного поля Ηχ(z) = Ηρ (z) Например, в случае линейного изменения имеем Выбирая максимально-возможное значение Хк = dΉ, при котором частица в начале пластин находится еще в однородном поле, получим из (3) Найдем теперь, насколько должно измениться магнитное поле Н х относительно его "рабочего" значения Нр, чтобы траектория частицы (или силовая линия магнитного поля) заканчивалась в точке, сдвинутой на величину диаметра отверстия D в направлении оси Ζ. Пользуясь (1) и (4), находим (учитывая, что D