RU2089053C1 - Accelerating tube of electrostatic accelerator - Google Patents

Abstract

FIELD: acceleration engineering. SUBSTANCE: accelerating tube has at least six sections formed by three or more coaxial axisymmetric insulating rings connected through vacuum-tight joint to metal electrodes whose central parts designed for shaping accelerating field are made in the form of planar electrode insert to pass charged particle beam and are relatively parallel so that line perpendicular to insert surface and tube optical axis form angle between 7 and 15 deg. maintained constant within one section. Planar electrode with central hole is installed between sections perpendicular to optical axis; each next section is unidirectionally turned in azimuth about axis through angle of 89 to 91 deg. relative to preceding section. Discharge processes are effectively suppressed in acceleration channel at appreciable (minimum three-fold, as estimated) reduction in maximum energy of secondary particles. EFFECT: improved electric strength of tube and improved operating reliability of accelerator. 3 dwg

Description

Изобретение относится к ускорительной технике, преимущественно к электростатическим ускорителям. The invention relates to accelerator technology, mainly to electrostatic accelerators.

Известны ускоряющие трубки электростатических ускорителей, в которых для подавления разрядных процессов используется электрическое поле, формируемое электродами, наклонными к оптической оси, причем каждый электрод повернут по азимуту на некоторый небольшой, постоянный по отношению к предыдущему электроду, угол [1] Силовые линии поля в таких трубках образуют пространственные спирали. Для удержания ускоряемого пучка вблизи оптической оси направление азимутального поворота электродов по крайней мере один раз изменяется на противоположное. Удаление низкоэнергетичных вторичных частиц (электронов и ионов) из ускорительного канала обеспечивается поперечной составляющей спирального поля. Accelerating tubes of electrostatic accelerators are known, in which an electric field generated by electrodes inclined to the optical axis is used to suppress the discharge processes, each electrode being turned in azimuth by some small angle constant with respect to the previous electrode [1] Field lines in such the tubes form spatial spirals. To keep the accelerated beam near the optical axis, the direction of azimuthal rotation of the electrodes is changed at least once to the opposite. The removal of low-energy secondary particles (electrons and ions) from the accelerating channel is provided by the transverse component of the spiral field.

Однако азимутальная составляющая поля, внося соответствующую компоненту в импульс вторичных частиц, замедляет их уход из ускорительного канала и, следовательно, снижает эффективность подавления разрядных процессов. However, the azimuthal component of the field, introducing the corresponding component into the momentum of the secondary particles, slows their escape from the accelerator channel and, therefore, reduces the efficiency of suppression of discharge processes.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой конструкции является ускоряющая трубка, в которой несколько взаимно параллельных наклонных электродов образуют элемент с постоянным по величине и направлению наклонным электрическим полем [2] Поперечная составляющая наклонного поля эффективно удаляет низкоэнергетичные частицы из канала. Для компенсации поперечного импульса, приобретаемого заряженными частицами ускоряемого пучка, элементы наклонного поля располагаются таким образом, чтобы его составляющая, перпендикулярная оси трубки, при переходе от элемента к элементу изменяла свое направление на противоположное. The closest in technical essence to the claimed design is an accelerating tube in which several mutually parallel inclined electrodes form an element with a constant inclined electric field in magnitude and direction [2] The transverse component of the inclined field effectively removes low-energy particles from the channel. To compensate for the transverse momentum acquired by the charged particles of the accelerated beam, the elements of the inclined field are arranged so that its component, perpendicular to the axis of the tube, changes direction in the opposite direction when passing from element to element.

Однако вторичные частицы, появившиеся вблизи границы между соседними элементами, могут набрать значительную энергию, поскольку поле, изменив свое направление, возвращает их к оптической оси. Присутствие высокоэнергетичной компоненты в спектре вторичных в целом снижает электрическую прочность трубки. However, secondary particles that appear near the boundary between adjacent elements can gain significant energy, since the field, changing its direction, returns them to the optical axis. The presence of high-energy components in the spectrum of the secondary as a whole reduces the electric strength of the tube.

Настоящее изобретение направлено на устранение указанных недостатков, а именно на повышение электрической прочности ускоряющей трубки с наклонными электродами за счет более эффективного удаления вторичных частиц и ограничения их максимальной энергии. The present invention is aimed at eliminating these drawbacks, namely, increasing the electric strength of an accelerating tube with inclined electrodes due to more efficient removal of secondary particles and limiting their maximum energy.

Сущность изобретения заключается в следующем. В ускоряющей трубке, содержащей не менее шести секций, которые образованы тремя или более осесимметричными изолирующими кольцами, вакуумно-плотно соединенными с металлическими электродами, центральные части электродов, предназначенные для формирования ускоряющего поля, выполнены в виде плоской электродной вставки с отверстием для прохождения пучка заряженных частиц. Вставки расположены таким образом, что линия, перпендикулярная их поверхностям и оптическая ось трубки образуют угол в интервале 7 15^o, постоянный в пределах секции. Между секциями перпендикулярно оптической оси установлен плоский электрод с центральным отверстием, а каждая последующая секция повернута в одном и том же направлении по азимуту вокруг оси на угол в пределах 89 91^o относительно предыдущей. Таким образом при переходе от секции к секции обеспечивается поворот на 90^o поперечной составляющей ускоряющего электростатического поля, которое в пределах отдельной секции остается постоянным по величине и направлению.The invention consists in the following. In an accelerating tube containing at least six sections, which are formed by three or more axisymmetric insulating rings vacuum-tightly connected to metal electrodes, the central parts of the electrodes intended to form an accelerating field are made in the form of a flat electrode insert with an opening for the passage of a beam of charged particles . The inserts are arranged so that the line perpendicular to their surfaces and the optical axis of the tube form an angle in the range of 7-15 ^o , constant within the section. A flat electrode with a central hole is installed between the sections perpendicular to the optical axis, and each subsequent section is rotated in the same direction in azimuth around the axis by an angle within 89 91 ^o relative to the previous one. Thus, when passing from section to section, a 90 ^° rotation of the transverse component of the accelerating electrostatic field is ensured, which remains constant in magnitude and direction within a single section.

На фиг. 1 изображены секции ускоряющей трубки (А, Б). (1) изолирующее кольцо; (2) металлический электрод; (3) наклонная электродная вставка; (4) плоский электрод, разделяющий секции; на фиг.2 схема расположения электродов и проекции расчетной траектории осевой частицы пучка на координатной плоскости XOZ и YOZ в заявляемой ускоряющей трубке, вариант конструкции которой разработан для перезарядного ускорителя ЭГП-15; на фиг.3 - эффективность подавления вторичных частиц в заявляемой конструкции. In FIG. 1 shows sections of the accelerating tube (A, B). (1) an insulating ring; (2) a metal electrode; (3) inclined electrode insert; (4) a flat electrode separating the sections; figure 2 arrangement of the electrodes and the projection of the calculated trajectory of the axial particle of the beam on the coordinate plane XOZ and YOZ in the inventive accelerating tube, a design option which is designed for a rechargeable accelerator EGP-15; figure 3 - the effectiveness of the suppression of secondary particles in the claimed design.

Техническим результатом заявляемой ускоряющей трубки по сравнению с трубкой-прототипом является более эффективное подавление разрядных процессов в ускорительном канале при существенном ( по оценкам не менее, чем в 3 раза) снижении максимальной энергии в энергетическом спектре вторичных частиц, что, в свою очередь, повышает электрическую прочность трубки и позволит надежно эксплуатировать ускоритель при более высоком напряжении. The technical result of the claimed accelerating tube in comparison with the prototype tube is a more effective suppression of discharge processes in the accelerating channel with a significant (estimated at least 3 times) reduction of the maximum energy in the energy spectrum of secondary particles, which, in turn, increases the electric the strength of the tube and will allow reliable operation of the accelerator at a higher voltage.

Пример. В качестве примера рассмотрим вариант конструкции ускоряющей трубки, разработанной для перезарядного ускорителя ЭГП-15 (фиг.2). Трубка с изолирующей длиной 4,6 м состоит из 184 изоляторов и 185 электродов, образующих 8 секций с наклонным полем. Угол между плоскостью наклонной электродной вставки и перпендикуляром к оси трубки равен 10^o, диаметр апертуры ускорительного канала 40 мм. Геометрия секций (номера плоских электродов, разделяющих секции, указаны на фиг.2) обеспечивает транспортировку пучка с минимальными потерями и его выход в конце трубки на оптическую ось. На фиг.3а в цилиндрических координатах показана расчетная зависимость отклонения r низкоэнергетичного электрона, появившегося на образующей ускорительного канала заявляемой трубки вблизи границы между секциями, как функция продольной координаты Z. На фиг.3б приведены траектории электронов в трубке-прототипе, у которой поперечный размер апертуры канала также составляет 40 мм, а угол наклона электродов 10^o. Предполагается, что после пересечения образующей канала вторичные частицы, набрав максимальную энергию, задерживаются электродами трубки. Сравнение максимального пробега вторичных электронов, которому пропорциональна набранная ими энергия, указывает на преимущество заявляемой конструкции.Example. As an example, consider a design of an accelerating tube designed for a charge-exchange accelerator EGP-15 (Fig. 2). A tube with an insulating length of 4.6 m consists of 184 insulators and 185 electrodes, forming 8 sections with an inclined field. The angle between the plane of the inclined electrode insert and the perpendicular to the axis of the tube is 10 ^o , the diameter of the aperture of the accelerator channel is 40 mm. The geometry of the sections (the numbers of the flat electrodes separating the sections are indicated in FIG. 2) ensures the transportation of the beam with minimal losses and its exit at the end of the tube to the optical axis. On figa in cylindrical coordinates shows the calculated dependence of the deviation r of the low-energy electron that appeared on the generatrix of the accelerating channel of the inventive tube near the boundary between the sections, as a function of the longitudinal coordinate Z. Figure 3b shows the electron paths in the prototype tube, which has a transverse aperture size the channel is also 40 mm, and the angle of inclination of the electrodes 10 ^o . It is assumed that after crossing the generatrix of the channel, the secondary particles, having gained maximum energy, are delayed by the tube electrodes. Comparison of the maximum path of secondary electrons, which is proportional to the energy accumulated by them, indicates the advantage of the claimed design.

Claims (1)

Ускоряющая трубка электростатического ускорителя, содержащая не менее шести секций, образованных тремя или более соосными осесимметричными изолирующими кольцами, вакуумно-плотно соединенными с металлическими электродами, центральные части которых, предназначенные для формирования ускоряющего поля, выполнены в виде плоской электронной вставки с отверстием для прохождения пучка заряженных частиц и расположены взаимно параллельно так, что линия, перпендикулярная поверхностям вставок, и оптическая ось трубки образуют угол 7 15^o, постоянный в пределах секции, при этом между секциями перпендикулярно оптической оси установлен плоский электрод с центральным отверстием, отличающаяся тем, что каждая последующая секция повернута в одном и том же направлении по азимуту вокруг оси на угол 89 - 91^o относительно предыдущей.An accelerating tube of an electrostatic accelerator containing at least six sections formed by three or more coaxial axisymmetric insulating rings vacuum-tightly connected to metal electrodes, the central parts of which are designed to form an accelerating field, made in the form of a flat electronic insert with an opening for the passage of a charged beam particles and are arranged mutually parallel so that the line perpendicular to the surfaces of the inserts, and the optical axis of the tube form an angle of 7 15 ^o , standing within the section, while between the sections perpendicular to the optical axis there is a flat electrode with a central hole, characterized in that each subsequent section is turned in the same direction in azimuth around the axis by an angle of 89 - 91 ^o relative to the previous one.

Images