Принцип действия электронной пушки

Ускоритель Ван де Графа

Исторически первым ускорителем прямого действия является ускоритель Ван-де-Графа (1929г.) В этом ускорителе высокий потенциал, который подается на катод, создается за счет накопления заряда. На базе генераторов Ван-де-Граафа строятся ускорители заряженных частиц (электронов, протонов), которые относятся к ускорителям прямого действия, где частицы или ионы ядер ускоряются непосредственно за счет одно- или двукратного (в тандемах) прохождения огромной постоянной разности потенциалов V, достигающей 20 миллионов вольт. Частица, имеющая заряд Ze, приобретает в таком ускорителе кинетическую энергию T = ZeV. Cущественным преимуществом ускорителей прямого действия является непрерывность, высокая интенсивность и высокая стабильность по энергии ускоренного пучка (0.01%). Ток пучка на ускорителях Ван-де-Граафа может достигать нескольких миллиампер. Однако, в таких ускорителях трудно обеспечить энергию частиц больше 40-50 МэВ для протонов.

Полый металлический шар, называемый кондуктором, устанавливается на изолирующей колонне. Внутрь кондуктора введена бесконечная движущаяся лента из шелка или прорезиненной ткани. У основания колонны вблизи ленты установлена гребенка из остриев, с которых стекает на ленту заряд, возбуждаемый

 

Рисунок 4.1 - ускоритель Ван де Граафа

 

генератором напряжения на несколько десятков киловольт. Внутри кондуктора установлена вторая гребенка, на острие которой переходит заряд с ленты. Эта гребенка соединена с металлическим кондуктором, так что снятый с ленты заряд сразу же переходит на его внешнюю поверхность. По мере накапливания на кондукторе зарядов его потенциал растет, пока утечка заряда не станет равной подводимому заряду. Утечка происходит в основном за счет ионизации газа вблизи поверхности кондуктора.

Ускорение частиц осуществляется в разрядной трубке, к электродам которой прикладывается разность потенциалов, получаемая на генераторе.

Заметим, что лента генератора, кондуктор, разрядная трубка и земля образуют замкнутую цепь постоянного тока. Внутри трубки заряды движутся под действием электростатического поля. Перенос зарядов от земли к кондуктору осуществляется сторонними силами, роль которых выполняют механические силы, приводящие в движение ленту генератора.

Для увеличения энергии применяется тандемный способ ускорения, который больше используется для получения ионных пучков.

Каскадные ускорители

Источник высокого напряжения представляет собой каскадный генератор высокого напряженияю.

 

Принцип действия электронной пушки

Электроны в электронной пушке вылетают из катода и ускоряются электрическим полем (рис. 1). При этом существуют двухэлектродные (диодные) и трехэлектродные (триодные) установки. Третий электрод является управляющим (аналог управляющей сетки в электровакуумной лампе).

1 – термокатод, 2 – катод, 3 – система формирования пучка, 4 - анод.

Рисунок 5.1 – Схема электронной пушки

Формирование заданного распределения электронного пучка на выходе из электронной пушки осуществляется подбором конфигурации и величины электрического и магнитного полей и является предметом электронной оптики.

Термин «электронная пушка» применяют как к устройствам для формирования высокоинтенсивных электронных пучков (сильноточная электронная пушка), так и к более простым совокупностям электродов для получения пучков малой интенсивности; последние часто называются электронными прожекторами. Конструкции и параметры слаботочных электронных пушек весьма разнообразны. Электронные пушки находят широкое применение в технике и научных исследованиях, в частности в телевизионных системах, электронных микроскопах, электроннооптических преобразователях, аппаратах для плавки и сварки металлов, возбуждения газовых лазеров и т. д. Токи электронных пучков в слаботочных электронных пушках могут иметь значения в пределах от десятков мкА до десятков А, а энергии электронов доходить до сотен кэВ.

Конфигурация электродов имеет специальную форму для формирования пучка электронов.

Отличительной особенностью диодной пушки является то, что на форму пучка оказывает влияние собственное магнитное поле электронов. Это собственное поле сжимает поток к центру, за счет этого образуется объемный заряд электронов, который экранирует центральную область катода от анода. Этот эффект подавления электрических токов на периферии магнитным полем называется магнитной изоляцией и это позволяет улучшить электрическую изоляцию между катодом и анодом, то есть приложить более высокое напряжение.

Наибольшее распространение получили так называе­мые пушки Пирса.

Конфигурация элек­тродов подбирается таким образом, что один имеет потенциал катода и по форме совпадает с пулевой эквипотенциалью поля, а дру­гой имеет потенциал анода и совпадает по форме с экви­потенциалью, соответствующей анодному напряжению. Тогда указанная система электродов образует электронный пучок с прямолинейными траекто­риями.

 

Сильноточные ускорители

Для получения релятивистских электронных пучков используются специальные ускорители ‑ сильноточные ускорители, являющимися генераторами мощных импульсных электронных пучков с длительностью порядка 10^-8 с и мощностью от 10⁸ до 10¹³ Вт.Большинство сильноточных ускорителей являются ускорителями прямого действия, в которых частицы получают весь прирост энергии за один проход через ускоряющий промежуток (вакуумный диод), на электроде которого они и образуются. Сильноточный ускоритель содержит источник импульсов высокого напряжения и вакуумный диод, на который это напряжение подаётся и в межэлектродном промежутке которого происходит ускорение (рисунок 6.1).

Сильноточные ускорители формируют пучки с энергией электронов от 500 кэВ до 2 МэВ, с током пучка до 100 кА. В единичных экземплярах реализованы и более мощные ускорители, например ускоритель «Игур» с энергией электронов 7 МэВ и током пучка 100 кА в России и ускоритель «Аврора» c энергией электронов 10 МэВ и током пучка 1 МА в США. Таким образом, мощность пучков достигает 10¹³ Вт.

Ускоритель с мощностью в десятки Гигаватт может работать только в импульсном режиме.

 

Рисунок 6.1 – Блок схема сильноточного ускорителя

 

Для того чтобы получить электроны с энергией 0,5 - 1,5 МэВ, необходимо к диоду приложить импульс напряжения U = 0,5 ‑ 1,5 МВ. Кроме того, ток пучка I составляет несколько килоампер. Это означает, что необходимо создать источник импульсного напряжения с внутренним сопротивлением менее 1 кОм.

Принципиальная схема источника импульсного напряжения (U = 0,5 - 2 МэВ) с малым внутренним сопротивлением приведена на рисунке 6.2.

Рисунок 6.2 – Принципиальная схема источника импульсного напряжения

 

Конденсатор С заряжается длительное время через сопротивление R₁ до напряжения U и затем через разрядник за малое время t ~ RC разряжается на сопротивление диода R (R₁ >> R).

Для реализации этой схемы надо решить 2 проблемы. Первая, создать источник постоянного напряжения 0,5 - 1,5 МВ (он может иметь большое внутреннее сопротивление, т.е. R₁ >> R); и, вторая, создать конденсатор, который выдерживает напряжение 0,5 - 1.5 МВ и имеет малое внутреннее сопротивление.

Для того, чтобы зарядить конденсатор С необходимо создать источник постоянного напряжения. Можно использовать генератор импульсного напряжения с длительностью импульса Dt превышающей длительность зарядки конденсатора С в несколько раз (Dt ³ R C).

Для того чтобы уменьшить внутреннее сопротивление источника, напряжение от ГИНа подаётся на специальный конденсатор, который имеет малое внутреннее сопротивление. Одновременно этот конденсатор позволяет получить прямоугольную форму импульса, поэтому он называется формирующей линией.

Промышленных конденсаторов на напряжение порядка 1 МВ не существует. Как правило, в сильноточных ускорителях используется цилиндрический высоковольтный конденсатор (см. рисунок 6.5). Конденсатор состоит из двух соосных металлических труб с радиусами r₀ и R, между которыми существует разность потенциалов U. Полость между трубами заполнена диэлектриком с постоянной e. Основным элементом генератора является диод, состоящий из катода, изолятора и тонкого анода для выпуска электронов. Высокие плотности токов ускоряемых электронов обеспечиваются специфическими механизмами процессов на катоде сильноточного ускорителя. Катоды выполняются в виде острий с микронными радиусами закруглений. Под действием термоавтоэлектронной эмиссии при подаче напряжения на ускоряющий промежуток происходит взрыв микроострий с образованием локальных плазменных сгустков. Эти плазменные сгустки являются источником электронов, движущихся к аноду (взрывная эмиссия).

 

Рисунок 6.5 – Схема формирующей линии на основе коаксиального конденсатора

На рисунке 6.7 приведена принципиальная схема сильноточного ускорителя.

Принцип действия. На диод подаётся напряжение от генератора мощных высоковольтных импульсов. Источником электронов или отрицательных ионов служит плазма, образующаяся на катоде в результате взрывной электронной эмиссии, когда при достижении напряжённости поля на катоде ~10⁵ В/см происходит тепловой взрыв его микронеоднородностей. В ионных диодах плазма создаётся на аноде и из неё вытягиваются положительные ионы. Для эффективной работы ионного диода сопутствующий электронный ток на анод искусственно подавляют. Ускорение электронов происходит в диоде под действием высокого напряжения до тех пор, пока диодный промежуток (размером от несколких мм до нескольких см) не закоротится распространяющейся с электродов плазмой. Диоды сильноточного ускорителя работают в режиме ограничения тока пространственным зарядом. При относительно небольших напряжениях V в диоде с электродами в виде двух плоских дисков радиуса R, разделённых зазором d (рис. 6.6), течёт равномерно распределённый электронный ток.

Для генерации ионных пучков анод диода делают из диэлектрика соответствующего химического состава. В результате пробоя на поверхности анода образуется плазма, из которой под действием внешнего поля и поля пространственного заряда электронов эмиттируются ионы. Для увеличения энергии в ионном пучке ток электронов, пересекающих диод, должен быть уменьшен, но сохранён большой отрицательный пространственный заряд. Для этого используется либо поперечное магнитное поле, параллельное поверхности катода (т. н. ионные диоды с магнитной изоляцией, рис. 6.8, а), либо полупрозрачные для ускоренных электронов аноды, покрытые диэлектриком (т. н. рефлексные диоды и триоды, рис. 6.8, б). Во втором случае электроны многократно проходят сквозь анод, создавая увеличенный отрицательный пространственный заряд, облегчающий вытягивание ионов из плазмы. При прочих равных условиях значение плотности тока ионов оказывается в раз меньше плотности электронного тока. Эффективность ионных источников достигает 50-60% при импульсном токе ионов I₀ ~ 1 МА и напряжении ~ 1 MB.

1 - высоковольтный выпрямитель; 2 - промежуточный накопительный элемент; 3 - электроды двойной формирующей линии; 4 - трансформирующая линия передачи; Р - разрядники; С - конденсаторы.

Рисунок 6.7 - Схема сильноточного ускорителя

 

Линейные ускорители

 

Линейные ускорители. Так же как и в электростатиче­ском ускорителе, в линейном частица в процессе ускорения движется по прямой, однако в линейном ускорителе частицы много­кратно проходят ускоряющие промежутки, и этим он похож на циклический. К каждому ускоряющему промежутку прикладывает­ся переменное электрическое напряжение. Частота и фаза напря­жения подбираются так, чтобы к моменту подхода частицы к про­межутку напряжение на нем имело нужный знак. Поскольку в.линейном ускорителе ускоряющих промежутков много и они распо­ложены друг за другом, длина всего устройства может быть очень большой, например линейный ускоритель электронов на энергию 22 ГэВ имеет длину больше 3 км.

Хотя принципиально в линейном ускорителе можно ускорять частицы с любым отношением заряда к массе, до сих пор в основ­ном строились электронные линейные ускорители, поскольку тех­нически они наименее сложны, так как скорость электронов на всех стадиях ускорения практически постоянна. В линейных ускорите­лях отсутствуют потери на излучение и нет ограничений для до­стижения энергии в десятки гигаэлектрон-вольт. Максимальную энергию данного ускорителя можно увеличить добавлением при экс­плуатации дополнительных секций. Этим удобным свойством об­ладают только линейные ускорители.

Большое преимущество линейных ускорителей перед цикличе­скими состоит в естественном выходе всего пучка на внешнюю ми­шень.

Линейные ускорители в настоящее время работают в импульс­ном режиме, длительность отдельного импульса очень мала — по­рядка нескольких наносекунд. Средние токи достигают миллиам­пер, а токи в импульсе — нескольких сотен ампер. Особенно ши­роко применяются линейные ускорители на энергию электронов в несколько десятков мегаэлектрон-вольт с мишенью из тяжелого металла как импульсные источники нейтронов для исследований по времени пролета.

Линейный индукционный ускоритель. В этом ускорителе для ускорения используется эдс индукции, возникающая при изменении кольцеобразного магнитного поля. Вдоль оси ускорителя устанавливаются ферромагнитные кольца, охватываемые токовыми обмотками. При резком изменении тока в обмотках происходит быстрое изменение магнитного поля, которое согласно закону электромагнитной индукции создаёт на оси ускорителя электрическое поле Е. Заряженная частица, пролетающая за время существования этого поля вдоль оси, приобретает энергию. Чтобы ускоряющее поле было достаточно велико, нужно быстро изменять магнитное поле, поэтому время существования ускоряющего поля и, следовательно, длительность импульса ускорения невелики (порядка 10^-9-10^-6 с). Преимущества линейных индукционных ускорителей - большие значения тока ускоренных частиц, большая однородность пучка (малый разброс по энергии и малые скорости поперечного движения) и большой кпд, т. е. коэффициент преобразования затрачиваемой в ускоряющей системе энергии в энергию пучка.

Линейные резонансные ускорители -наиболее распространённый тип линейных ускорителей, особенно на большие энергии. Линейные резонансные ускорители электронов дают энергии от десятков Мэв до ~ 20 Гэв, протонов - до 800 Мэв. Существенное различие между протонным и электронным линейными ускорителями обусловлено главным образом тем, что протоны ускоряются до нерелятивистских или слаборелятивистских скоростей, тогда как электроны - до ультрарелятивистских скоростей; протонные ускорители на энергии ~ 600-800 Мэв, при которых релятивистские эффекты становятся заметными, конструктивно сближаются с электронными.

Идея линейного резонансного ускорителя выдвинута в 1924 шведским учёным Г. Изингом и в 1928 реализована на модели Видероэ. Ускоритель (рисунок 7.1 ) представляет собой систему пролётных трубок (полых цилиндров), присоединённых через одну к разным полюсам источника переменного напряжения.

1 — пролётные трубки; 2 — источник переменного напряжения; 3 — область действия электрического поля Е.

Рисунок 7.1 - Схема ускорителя Видероэ с пролётными трубками

 

Электрическое поле не проникает внутрь трубок, а сосредоточено в зазорах между ними. Длина трубок подобрана так, что частицы, попавшие в первый зазор между трубками в момент, когда поле ускоряет частицы, будут и в последующих зазорах попадать в ускоряющую фазу поля (резонанс), т. е. их энергия будет непрерывно повышаться. Ускоритель примерно такого типа был реализован в 1931 Э. О. Лоуренсом и Д. Слоуном (США). Такие ускорители в лучшем случае могут выдавать до 10 МэВ, так как при дальнейшем разгоне скорость приближается к скорости света и частица перестает появляться в резонанс с ускоряющим полем.

Успехи ВЧ радиотехники в 40-е гг. дали дальнейший толчок, развитию протонных линейных резонансных ускорителей. Вместо цепей с сосредоточенными постоянными в современных ускорителях протонов применяется обычно схема, предложенная американским физиком Л. Альваресом, представляющая собой резонатор с дрейфовыми трубками. В объёме резонатора цилиндрической формы создаётся переменное электрическое поле, направленное вдоль оси резонатора. Ускоряемые частицы пролетают систему дрейфовых (пролётных) трубок так, что в ускоряющих зазорах между трубками они оказываются в моменты, когда поле направлено по движению частиц (рисунок 7.2).

Рисунок 7.2 - Схематический разрез резонатора (1) линейного ускорителя с дрейфовыми трубками (2)

Вблизи оси электрическое поле Е сосредоточено лишь в зазорах между трубками

Когда же поле направлено в противоположную сторону, частицы находятся внутри трубок, куда поле не проникает.

Преимущество линейных ускорителей над циклическими - отсутствие громоздкой магнитной системы, простота ввода и вывода частиц, большие плотности тока. Однако сложность и высокая стоимость радиотехнической системы линейных ускорителей и трудности фокусировки ограничивают возможности линейных протонных ускорителей. В основном они пока применяются как инжекторы для кольцевых ускорителей. Энергия инжекторов доходит до 50-100 Мэв и даже до 200 Мэв. Это предел, дальше которого система Альвареса становится нерациональной с радиотехнической точки зрения, т.к. слишком большая энергия затрачивается на создание электрического поля (слишком мало шунтовое сопротивление).

Для ускорения до больших энергий разработаны специальные системы связанных резонаторов и волноводные системы с диафрагмами. Для электронных ускорителей, в которых частицы движутся практически с самого начала со скоростью, близкой к скорости света, наиболее выгодна ускоряющая система в виде диафрагмированного волновода с бегущей волной. В гладком волноводе электромагнитные волны бегут с фазовой скоростью, большей скорости света. Для того чтобы бегущая волна могла ускорять частицы, она должна двигаться с той же скоростью, что и частица, т. е. для ускорения электронов её нужно замедлить до скорости, равной скорости света. Такое замедление достигается, например, введением в волновод диафрагм (Рисунок 7.3).

Рисунок 7.3 - Схематический разрез волновода с диафрагмами (1)

Стрелками показано распределение поля, бегущего вдоль волновода; 2 — ускоряемый сгусток электронов.

Электронные линейные резонансные ускорители обладают ещё одним существенным преимуществом над циклическими - в них электроны почти не излучают вследствие практического постоянства их скорости (как по величине, так и по направлению). Предельная энергия современных линейных электронных ускорителей диктуется только экономическими соображениями и может быть увеличена простым наращиванием длины.

Описанные типы ускорителей заряженных частиц применимы для ускорения не только электронов и протонов, но и других заряженных частиц.

 

Циклические ускорители

Циклотрон

Если изменить траекторию уско­ряемой частицы так, чтобы заставить ее проходить многократно один и тот же ускоряющий промежуток, то можно получить части­цы с энергиями, значительно большими, чем в электростатических ускорителях, при гораздо меньших ускоряющих напряжениях. Од­нако, в этом случае ускоряющее напряжение должно изменяться во времени, чтобы частица при каждом прохождении ускоряющего промежутка попадала в электрическое поле нужного направления. Период обращения частицы Т с зарядом zе в постоянном магнит­ном поле с напряженностью Н зависит только от ее массы М:

Т = 2πМс/(zеH).

 

Эта идея используется в циклических ускорителях, в ко­торых искривление траектории частицы осуществляется магнитным полем. Если магнитное поле постоянно во времени, то траектория ускоряемой частицы представляет собой развернутую спираль. Ускорение частиц в таких машинах происходит за счет высокоча­стотного электрического напряжения (около десятка мегагерц) с амплитудой в десятки и сотни киловольт.

Наиболее старый и отработанный ускоритель этого типа — циклотрон, в котором период изменения ВЧ-напряжения постоянен, а магнитное поле почти однородное по азимуту постоянное во времени. В циклотронах ускоря­ются тяжелые частицы.

Ток ускоренных протонов и дейтронов, которые направляются на мишень, расположенную внутри вакуумной камеры циклотрона достигает единиц миллиампер и ограничивается в основном термо­стойкостью мишени и условиями теплосъема с нее. Ток многоза­рядных ионов меньше и определяется возможностями ионного ис­точника. При выводе пучка из вакуумной камеры циклотрона воз­никают многочисленные технические трудности, и обычно ток вы­веденного пучка составляет 10—20 % внутреннего пучка. В боль­шинстве циклотронов энергия частиц, выведенных из вакуумной камеры, не изменяется.

Энергетический разброс в пучке ускорен­ных частиц около 1—2 %. Важнейший недостаток циклотрона — это существование пре­дельной энергии, обусловленной релятивистским ростом массы частицы при ускорении и, как следствие, увеличением периода ее вращения в магнитном поле, напряженность которого слабо спа­дает с увеличением радиуса. Так как частота ускоряющего напря­жения постоянна, то нарушается синхронизм между частотой вра­щения и частотой поля и ускорение прекращается. В. классических циклотронах, у которых напряженность магнитного поля не меняется по азимуту, предельная энергия для протонов равна 20—25 МэВ, для а - частиц — 40—45 МэВ.

 

Рисунок 8.1 - Схема движения частицы в камере циклотрона

 

Ускоряющая система циклотрона состоит из двух электродов, называемые дуантами, имеющих форму, по­ловин полого плоского цилиндра, разрезанного по оси, Дуанты, раздвинутые так, что между ними образуется ускоряющий зазор, играют ту же роль, что и трубки дрейфа в линейных ускорителях.

Однородное магнитное поле не обеспечивает фокусировки частиц в направлении вдоль поля,

Во-вторых, для фокусировки необходимо некоторое уменьшение В к периферии ускорителя. Обе эти причины приводят к то­му, что при движении от центра к периферии частота обращения частицы несколько уменьшается, в то время как ускоряющая частота неизменна. Различие в часто­тах рано или поздно приводит к смещению по фазе, в результате которого дальнейшее ускорение оказывается невозможным.

До более высоких энергий можно ускорять частицы в фазотронах, т. е. в ускорителях с периодически меня­ющейся частотой ускоряющего поля. Фазотроны уско­ряют частицы сгустками. Частота ускоряющего поля меняется вместе с частотой вращений частиц, умень­шаясь по мере их приближения к периферии ускорительной камеры. После того как ускорение некоторой партии частиц заканчивается, частота электромагнитно­го поля возвращается к начальному значению и начи­нается ускорение следующей партии частиц. Такие, цик­лы ускорения непрерывно следуют друг за другом.

Физического предела, ограничивающего величину энергии, до которой можно разгонять частицы в фазо­тронах, не существует. Однако на пути их использования стоят экономические причины.

действия и способен давать токи порядка 100 ма, максимальная

Для ускорения частиц до предельно больших энер­гий пользуются синхротронами — ускорителями, у ко­торых магнитное поле создается только на узкой коль­цевой дорожке, в пределах которой располагается ва­куумная камера. Магнитное по­ле в синхротронах изменяется циклически. Синхротроны ускоряют частицы цикл за циклом. В каждом цикле ускорения находящиеся в вакуумной камере частицы разгоняются от минимальной энергии (от энергии инжекции) до максимальной. Затем частицы выпускаются (или используются для взаимодействия с внутренними мишенями), магнитное поле вновь снижается для захва­та новой партии частиц и т. д. Синхротроны — это мед­ленные машины. Большие синхротроны делают несколь­ко циклов в минуту, маленькие работают существенно чаще — с частотой до 50 Гц. Из-за того что циклы ускорения так редки, полное число ускоренных частиц существенно уменьшается.

Скорость частиц в синхротронах возрастает сначала быстро, а затем, при приближении к скорости света, — все медленней. При постоянном радиусе траектории это означает, что частота ускоряющего поля должна посте­пенно увеличиваться, стремясь к предельному значению (соответствующему скорости, равной скорости света).

Синхрофазотрон (протонный синхротрон) - циклический резонансный ускоритель протонов с изменяющимся во времени магнитным полем и изменяющейся частотой ускоряющего электрического поля. При этом частота и магнитная индукция меняются в строгом соответствии друг с другом, так чтобы радиус равновесной орбиты оставался постоянным. С ростом магнитного поля частота обращения сначала увеличивается пропорционально полю, а затем меняется всё медленнее, приближаясь к предельному значению, отвечающему движению частицы со скоростью света; соответственно должна изменяться частота ускоряющего поля. Постоянство радиуса равновесной орбиты позволяет сделать магнит синхрофазотрона в виде сравнительно узкого кольца, что сильно удешевляет установку.

. Частицы, движущиеся поперек однородного магнит­ного поля, описывают в нем окружности, радиусы кото­рых определяются их импульсом. Две такие части­цы, вылетевшие из одной и той же точки под некоторым углом друг к другу (рис. 8.2), двигаясь вдоль ок­ружности, никогда не удаляются друг от друга больше, чем на некото­рое расстояние Δ. В те­чение каждого оборота их пути дважды пересе­каются. Иначе