Принцип действия

Линейный резонансный ускоритель с бегущей волной.

Линейный индукционный ускоритель.

Используются в основном для электронов с большой интенсивностью пучка. Работа основана на явлении электромагнитной индукции. Для ускорения используют вихревое электрическое поле, которое образуется при изменении тока в обмотке ферромагнитного кольца-магнитопровода. При этом ускоряющая система состоит из большого числа ячеек (колец), которые называются индукторами. Для того, чтобы пучок электронов на выходе ускорителя был моноэнергетичным, необходимо обеспечить линейное изменение индукции магнитного поля во времени. Для этого питание обмоток электромагнитов осуществляют короткими импульсами напряжения. Длительность импульса обычно 50-500 нс.

Ускоряющая трубка (обычно секционированная) находится внутри сердечников. Однако существуют конструкции и без ускоряющей трубки, в которых ускоряющее пространство образовано плотно прижатыми друг к другу через вакуумные уплотнители индукторами. Рабочий вакуум в таких устройствах составляет около 10^-4 Па.

Импульсный ток в ускорителях этого типа достигает сотен ампер. Для фокусировки таких сильноточных потоков используют магнитные линзы, которые обычно совмещают с индукторами. Энергия частиц в индукционных ускорителях до 30 МэВ.

Данные ускорители получили наибольшее распространение в технологии полупроводников.

Ускоряющей системой таких установок является цилиндрический диафрагмированный волновод, в котором возбуждается бегущая волна с фазовой скоростью v_ф, равной скорости электронов v_e. Электроны ускоряются продольной составляющей электрического поля бегущей волны и приобретают энергию, перемещаясь вместе с волной вдоль оси волновода.

Фазовая скорость электромагнитных колебаний, распространяющихся в гладком волноводе, равна

v_ф =cl_o/l=c/(1-(l/ l_k)²)^1/2,

где l_o, l, l_k –длина волны в открытом пространстве, в волноводе и критическая длина волны в волноводе.

Известно, что в гладком волноводе распространяются колебания, у которых l< l_k, т..е. фазовая скорость должна быть больше скорости света. Следовательно, гладкий волновод не может использоваться для ускорения частиц. Необходимо уменьшить v_ф.

Для этого используют систему круглых проводящих диафрагм, устанавливаемых в цилиндрическом волноводе (диафрагмированный волновод), ячейки которого можно считать совокупностью объемных резонаторов. При этом v_ф зависит от радиуса волновода, радиуса отверстия в диафрагме, толщины диафрагмы и расстояния между ними.

На начальном этапе скорость электронов невелика, затем растет и приближается к скорости света. Таким же образом должна меняться вдоль волновода и фазовая скорость бегущей волны.

Внешний вид линейного ускорителя электронов с бегущей волной приведен на рис.21.

Рис.21

Электроны вводят в диафрагмированный волновод с помощью источника –электронной пушки (инжектора). Режим инжекции - импульсный, энергия 30-100 кэВ.

Двигаясь вдоль волновода, электроны за счет принципа автофазировки группируются в сгустки, непрерывно наращивая энергию. Далее выводятся через выходное окно.

Для питания волновода используются мощные генераторы СВЧ колебаний – импульсные магнетроны или клистроны, работающие в диапазоне длин волн 10-25 см. СВЧ-колебания в диафрагмированный волновод поступают через гладкий питающий волновод. В конце ускорителя неиспользованная мощность отводится в поглощающую нагрузку. Работа всех систем ускорителя происходит в вакууме.

Благодаря принципу автофазировки, частицы группируются в сгустки вокруг резонансной частицы, скорость которой в любой момент времени совпадает с фазовой скоростью ускоряющей волны.

Электроны поступают в волновод из инжектора со скоростью 0,5с. Часть волновода, где происходит группирование электронов и рост их скорости практически до скорости света, называется группирователь (обычно отдельная секция).

Так как из-за затухания амплитуда ускоряющего электрического поля вдоль волновода уменьшается, обычно волновод изготавливают в виде отдельных секций, и к началу каждой секции подключают свой источник СВЧ-колебаний. Число секций достигает от нескольких десятков до нескольких сотен единиц.

Для фокусировки электронного потока используют длинные магнитные линзы. Фокусировка необходима на начальном этапе движения пучка, когда v<с. В дальнейшем радиальной дефокусировки практически не происходит.

Дата добавления: 2014-01-04