CC BY
7
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА
Том 180 1971
ВЫБОР НАПРЯЖЕНИЯ ИНЖЕКЦИИ ДЛЯ МАЛОГАБАРИТНЫХ
БЕТАТРОНОВ
Л. М. АНАНЬЕВ, Ю. Н. БЕЛЬТЯЕВ, В. Л. ЧАХЛОВ
(Представлена научным семинаром кафедры промышленной электроники)
Известным и общепринятым путем повышения захваченного заряда в циклических ускорителях является увеличение напряжения инжек-дии. Рассматривая вопрос о повышении напряжения инжекции переносных малогабаритных бетатронов (ПМБ), необходимо иметь в виду, что на первый план ставится задача улучшения удельных габаритных, весовых и экономических показателей установки в целом.
Некоторые общие вопросы улучшения удельных характеристик ПМБ рассмотрены в [1], а элементов системы инжекции импульсного и накального трансформаторов — во [2].
В данной статье рассмотрено влияние на величину ускоряемого заряда увеличения напряжения инжекции с учетом изменения конструктивных размеров электронной пушки, вызванных изменением напряжения инжекции.
Максимальный заряд, ускоряемый в камере бетатрона, связан с геометрическими размерами установки и напряжением инжекции соотношением [3]
= (1)
где Дг = Я — /?0, # — радиус инжекции, —радиус равновесной орбиты, п — показатель спадания магнитного поля, ¿7—напряжение инжекции.
Соотношение 1 можно записать в виде
= (2)
—-
где 50 = тгАг21/ —---полезная площадь ускорительной камеры,
определяемая пространственным распределением потенциальной функции магнитного поля; А^ = (ОД н- 0,4) - Ю-11 —---коэффициент, не за-
Яо
висящий от напряжения.
В реальном случае радиальный размер полезного сечения ускорительной камеры уменьшается за счет так называемой «промашки» инжектора (рис. 1) до величины 5 ~ (Аг — А). При этом ускоряемый заряд равен
<3 ~ К • 5 • (3)
Относительное снижение предельного заряда, способного ускоряться в камере, или эффективность использования полезного объема камеры равна
«_«_/,(4)
(¿0 5о \ ьг) Из (4) следует, что, если «промашка» имеет один порядок с полушириной ускорительной камеры, эффективность использования полезно-
Рис. 1. Сечение ускорительной камеры
го объема ускорительной камеры существенно зависит от размера промашки Д.
Для инжектора Керста (рис. 1)
(5)
где а — расстояние от фокусирующего электрода до анодной коробочки— связано с напряжением инжекции соотношением (4).
(6)
Здесь а и р — коэффициенты, характеризующие электрическую прочность промежутка й\ — — полуширина фокусирующего электрод.
Если / цт
учесть, что оптимальный первеанс пучка инжектора (5), где / — оптимальный ток инжекции, а ширину фокуси-
(7)
рующего электрода для простоты принять равной ширине катода, то
Ь _ РУ3'2 2 ~ П '
где / — плотность тока эмиссии катода, I — длина катода.
С учетом 5, 6, 7 выражение (3) может быть переписано в виде
I и\~
<2 =кг
Дг
(8)
Л \ Р
Зависимость (8) имеет экстремальный характер, следовательно, имеется оптимальная величина напряжения инжекции, выше которого проектировать инжектор нецелесообразно, так как удельные характеристики будут ухудшаться.
На рис. 2 представлена в относительных единицах зависимость величины захватываемого заряда, подсчитанная по выражению (8), от напряжения инжекции для малогабаритного бетатрона типа ПМБ-6. Кривая
2—1 соответствует плотности тока эмиссии катода / = 5 , кривая
см2
2—2 плотности / = 10 ——. Из рис. 2 следует, что величина оптимального2
го напряжения инжекции для камеры бетатрона ПМБ-6 с инжектором Керста при данных плотностях тока эмиссии катода лежит в пределах 40-4-50 кв. При инжекции с помощью внешнего инжектора с инфлек-тором электродная система пушки удалена из пределов полезного сечения ускорительной камеры, следовательно, если принять, что ширина пучка на выходе из инфлектора равна ширине катода, то соотношение (8) можно переписать в виде
[ £>¿/3/2 \ 2
г-^ ] .и. (9)
7Г
Значения величины интенсивности, рассчитанные по соотношению
а
(9) при плотности / = 5 —, представлены на рис. 2—3. Как видно из
см2
рисунка, при этом оптимальная величина напряжения инжекции составляет примерно 70 кв. Относительная величина захваченного заряда при этом возрастает примерно в два раза по сравнению с инжектором типа Керста, также рассчитанного на оптимальное значение напряжения инжекции.
Таким образом, из сказанного следует, что эффективность использования полезного объема ускорительной камеры бетатрона в сильной мере зависит от конструктивных особенностей инжектора, особенно снижается эффективность использования объема камер в малогабаритных бетатронах.
Действительно, для камеры бетатрона ПМБ-6 с инжектором Керста имеем А— 4 мм, А г —
<3
$О
/.6
/2
Оу8
ОМ
ОотчеЭ 3
/
// '—ч \
// N ч
1
= Я — Я0 = 15 мм,
<2
= 0,54.
о 20 40 60 во с/
Отсюда следует, что наиболее целесообразно в ускорительных камерах малогабаритных бетатронов использовать внешний инжектор с инфлектором, так как такой инжектор позволит не только увеличить оптимальное напряжение инжекции, но и повысить эффективность использования объема ускорительной камеры, что дополнительно улучшит удельные характеристики ПМБ. Кроме того, как видно из рис. 2, повышение плотности тока с катода инжектора 1С
Рис. 2. Зависимость величины захватываемого заряда от напряжения инжекции: 1—при плотности тока эмисси катода 5а/см2, 2 — при плотности тока эмиссии катода 10 а/см2, 3 — для внешнего инжектора с инфлектором при плотности тока эмиссии катода 5а/см2
также улучшает коэффициент использования области существования фокусирующих сил в рабочем зазоре ускорителя и повышает величину захваченного в ускорение заряда.
ЛИТЕРАТУРА
1. В. Л. Ч а х л о в. Диссертация, ТПИ, 1964.
2. Я. С. Пеккер. Диссертация, ТПИ, 1967.
3. Л. М. Ананьев и др. Индукционный ускоритель электронов-бетатрон. Атом-издат, 1961.
4. И. Н. Сливков и др. Электрический пробой и разряд в вакууме. Атомиздат, 1966.
5. П. А. Ч е р д а н ц е в. Электронные ускорители. Тр. III Межвузовской конференции, 1961.
