CC BY
17
И 3 В Е С Т И я
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНААШП11 ПОЛГГГЕХНИЧЕСКОП
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
1062
Том 122
МИКРОТРОИ на 5 Мэв
Б. 3. КАНТЕР, В. В. ЛЕРМОНТОВ, Д. А. НОСКОВ, Ю. Г. ЮШКОВ
Принцип действия микротрона был предложен в 1944 году советским ученым В. И. Векслером. Микротрон представляет собой циклический резонансный ускоритель с постоянным магнитным управляющим полем и постоянной частотой ускоряющего электрического поля. Электроны, получающие энергию от электрической ноля при прохождении зазора резонатора, свободно движутся в постоянном магнитном поле по круговым орбитам и попадают снова в зазор резонатора. В этом ускорителе возрастание периода обращения электронов с увеличением их энергии равно или кратно периоду ускоряющего высокочастотного электрического поля резонатора.
Устойчивость движения электронов обеспечивается, как и в других резонансных ускорителях, действием принципа автофазировки, В отличие от линейных ускорителей и синхротронов величина фазостабильной области микротрона составляет 20-:-30°.
Микротрон имеет ряд достоинств, выгодно выделяющих его перед другими ускорителями. Это, во-первых, простота конструкции ускорителя и необходимого оборудования, во-вторых, высокая моноэнергетичность спектра ускоренных электронов. Большое расстояние между биортами значительно упрощает задачу вывода электронов из ускорительной камеры микротрона.
Основными узлами микротрона являются: электромагнит со схемой питания, вакуумная камера, резонатор с высокочастотным трактом, генератор сверхвысокой частоты и система управления. Блок-схема микротрона показана на рис. 1. В межполюсном пространстве помещается вакуумная камера (рис. 2), изготовленная из нержавеющей стали. Необходимый для нормального ускорения электронов вакуум создается в камере с помощью форвакуумного насоса РВН-20 и диффузионного насоса Н-о.
т
Си
Ж
)
ФЬ
У
d
м г
Рис. 1. Блок-схема микротрона м. г.—магпетронный генератор, ф. в.—фазовращатель, С. Н.—согласованная нагрузка, в. к. — вакуумиа:-: камера.
у качестве ускоряющего элемента в мпкротроне используется тороидальный резонатор, между полыми конусами которого разминается ускоряющее напряжение.
Для нормальной работы микротрона необходимо в зазоре резонатора получить напряжение около (300 ко.
Резонатор, применяемый в микротроне, изготовлен из латуни ? рис. 2). После серебрения и хромирования он имеет добротность О 2П00, при диаметре отверстия связи 2,2 см. При этом коэффициент отражения по мощности к 19,5 % ^К С В—2,0). Возбуждение резонатора осуществляется через круглое отверстие связи от волн о водного высокочастотного тракта, подключенного к магнетроппому генератору (рис. 1),
Для обеспечения устойчивой работы магнетрона мощность, поступающая от генератора, делится между резонатором п согласован-
Рис. Вакуумная камера мпкротропа со снято!! верхней крышкой и резонатор.-
'нагрузкой (СН). С целью изменения электрической длины участ-у; волновода между тройником и резонатором используется фазовра-;уатель (ФВ).
Перед тройником в высокочастотном тракте также помещен фазо-у;лп.атель, изменяющий электрическую длину участка тройник -маг-чеуроп, что позволяет обеспечить более благоприятный режим работы для магнетрона.
Зазор между полюсами принят 12,5 см с учетом размеров резо-тагора, толшины стенок камеры и зазоров между стенами камеры и пол юсами.
Диаметр полюсов определяется радиусом последней орбиты
17,43_см) с учетом спадания поля па краях полюсов и принят разным о 5 сл.
Сечение магинтопровода микротрона определяется величиной магнитного потока с учетом рассеяния и равно 30X12 см2.
Коэффициент рассеяния и распределение поля в межполюсном "лостранстве проверены на модели электромагнита, выполненного в
масштабе 1: 2,5.
Основные детали микротрона были изготовлены к 195Э году, и еулзу начались работы по наладке отдельных узлов и их испытание.
Измерение параметров резонатора и согласование В. Ч. тракта проводились в непрерывном режиме на малой мощности. После этого тракт испытывался на большой мощности в импульсном режиме.
Параллельно проводились работы по наладке вакуумной системы и устранению течи в вакуумной камере микротрона. Одновременно проводились измерения энергии электронов, ускоренных в зазоре резонатора. Для этого была изготовл ена вспомогательная вакуумная камера и электростатический анализатор скоростей электронов. Измерения показали, что с существующей конструкцией резонатора и В. Ч. системы можно получить напряжение в ускоряющем зазоре 250^-300 кв.
На основании измерений и анализа недостатков конструкции резонатора был разработан и изготовлен новый резонатор, позволяющий получить напряжения до 400 кв.
С этим резонатором микротрон был запущенна энергию 2,5 Мэн. Был зарегистрирован ток на 9 орбитах, и наблюдалось свечение на экране, перемещающемся внутри камеры.
Для исследования возможности увеличения мощности, отдаваемой генератором резонатору, был проведен ряд опытов, одним из которых явилось исследование влияния диаметра отверстия связи резонатора с волноводом на величину высокочастотной мощности, проходящей в резонатор.
Диаметр отверстия связи менялся от 16 до 26 мм через 2 мм и в каждом случае измерялся КСВ около резонатора.
Проведенный опыт позволяет сделать следующие выводы.
1. С увеличением диаметра отверстия связи мощность, поступающая в резонатор, увеличивается.
2. С увеличением диаметра отверстия связи ухудшается добротность связанного резонатора.
3. С увеличением диаметра отверстия связи улучшается согласование резонатора с волноводом, т. е. увеличивается доля мощности, идущая к резонатору.
Суммарное действие этих факторов приводит к тому, что с увеличением диаметра отверстия связи напряжение в резонаторе вначале увеличивается, достигает максимума и затем уменьшается.
После этих опытов диаметр отверстия связи был увеличен до 2,2 см, и напряжение на зазоре резонатора удалось повысить до 650 кв, что позволило запустить микротрон в основном режиме на энергию 5 Мэв. Прибором ЭППВ записан ток на 9 орбитах (рис. 3), орбиты наблюдались и визуально на экране через окно в ускорительной камере.
В основном режиме, как и в „половинном" (2,5 Мэв), наблюдается быстрый спад тока и на 9 орбите ток в импульсе составляет несколько мка.
В процессе запуска на микротроне проводилась работа, направленная на увеличение тока путем применения холодных и накаленных катодов в резонаторе.
В большинстве микротронов ввод электронов в ускорение— инжекция — осуществляется за счет автоэлектронной эмиссии с поверхности электродов ускоряющего резонатора. Расчет показывает, что длительность импульсов тока инжекции составляет око-
i орд
Хл.
Рис. 3. Распределение тока на орбитах микротрона.
ло 1/10 периода высокочастотного напряжения, а по фазе эти импульсы совпадают с высокочастотным напряжением. Описанный метод инжекции обладает существенными недостатками: во-первых, эмиссионные свойства холодной поверхности электродов резонатора почта не поддаются регулировке и сильно изменяются со временем; во-вто-рых, из за большой ширины энергетического спектра лишь относительно небольшая часть электронов входит на вторую и последующие орбиты, т. е. велика бесполезная электронная нагрузка резонатора.
Известно, что путем использования термоавтоэлектронпой эмиссии с накаленного катода можно добиться расширения импульса тока инжекции, что должно привести к сужению энергетического спектра и сдвигу максимума его в сторону больших энергий.
Результаты измерений показывают, что энергетический спектр н случае инжекции с холодного катода отличается тупым максимумом, соответствующим энергии около 70 % от наибольшей, и пологим спадом в сторону верхнего края спектра (рис. 4).
Характерным отличием энергетического спектра уско-ренных электронов при инжекции с накаленного катода является острый максимум вблизи верхней границы спектра. Этот максимум приходится на энергию около 90 % от наибольшей и переходит к резкому спаду
> колл (дел)
¿00 г
--т —
^ __________ ^
0<
и
- ТГ"
I
АХ
'5 . г л . л а0рб'<*> со *э6 зоо кП
1
I - СО/ЬУ/по А14 f 1 / —1- ( и-1
| г> * 1 \
— Оси 6 (<1*2 ем) 1 1 ) / \ \ ■к
гк ; Д
/ / / 1 1 »
м( / / / 1 1
1 1 Г / / / * / г' -
1 Г- - 1 ✓
25 2350
3 2600
2650
3100 т*с*)
Рис. 4. Энергетические спектры электронов: 1-е холодного катода. 2—температура катода 2500 К, 3 —температура катода ЗОООК.
Рис. 5. Изменение тока на орбитах с увеличением температуры катода: 1—ток на шестой орбите, 2—ток па питон орбите.
в сторону верхнего края спектра. Характерная форма его сохраняется в большом диапазоне температур 2500-^3000°К. Сравнение кривых 1 и 2 на рис. 4 показывает, что электронный ток, который может выйти на вторую и последующие орбиты при инжекции с накаленного катода, в несколько раз больше, чем при инжекции с холодного катода при неизменной электронной нагрузке.
Работа накаленного катода была проверена в режиме ускопения до 2,5 Мэв.
Зависимость тока на пятой и шестой орбитах от температуры катода показана на рис. 5. Из графика видно, что применение накаленного катода первой когс" рукции позволило регулировать ток ускоренных электронов в пч ; ких пределах. Даже при несогласованном
резонаторе были получены средние токи на шестой орбите около 2.10~!| а.
Так как мощность, вводимая в резонатор во время эксперимента, была небольшой, то увеличение электронной нагрузки приводило к уменьшению напряжения на резонаторе и нарушению режима ускорения, что видно по максимуму на графиках.
Из камеры данного микротрона предполагается вывести пучок ускоренных электронов. Так как расстояние между двумя соседними электронными орбитами в микротроне составляет около 3 см, то вывод пучка электронов можно осуществить с помощью магнитного шунта.
Для вывода пучка с различных орбит разработано устройство, позволяющее вводить железную трубу, выполняющую роль шунта, в камеру и поворачивать ее по азимуту в необходимых пределах.
В настоящее время проводятся работы по выяснению причин спада тока на орбитах и увеличению тока ускоряемых электронов.
4. И :ж. ТГШ, т. 122.
