Дополнительная фокусировка пучка

Как следует из результатов расчета потери импульсной мощности пучка вдоль ускоряющей структуры невелики, однако, как видно из рис. 5.1.6, пучок имеет гало заполняющее всю апертуру пролетного канала, поэтому при наличии возмущающих факторов, например паразитных магнитных полей, потери пучка могут существенно возрасти. В этой связи был изучен вопрос о возможности дополнительной фокусировки пучка с целью уменьшения его поперечных размеров. Такая фокусировка может быть достигнута с помощью магнитного поля соленоида, помещённого в определённой части структуры. В простейшем случае соленоид можно представить в виде отдельного витка с током, амплитуда магнитного поля которого на оси структуры совпадает с амплитудой поля соленоида. По закону Био-Савара-Ампера-Лапласа нетрудно получить общее выражение для магнитного поля витка с током на оси симметрии:

(5.1.1)

где R - радиус витка (см), z₀ - расстояние от начала координат до центра витка вдоль оси симметрии (см), I_в - ток витка (А), B_z - магнитное поле витка на оси симметрии ( Гс ).

Выберем в качестве примера виток радиуса R= 7,5 см, амплитуда магнитного поля которого равна B_z,max=B_z(z=z₀)= 1 кГс. Ток витка при этом составляет I= 12 кА. На рис.5.1.11 представлены результаты расчёта зависимостей среднеквадратичного радиуса ускоренного пучка электронов < r_final >, от положения витка z₀ относительно начала ускорителя. Поскольку магнитное поле витка с током может распространяться вдоль оси на большое расстояние и влиять на работу электронной пушки, на рис. 5.1.11 показана также величина поля в области анодного отверстия в зависимости от положения витка.

Рис.5.1.11. Зависимость среднеквадратичного радиуса ускоренного пучка электронов и магнитного поля, создаваемого витком в области анодного отверстия пушки, от положения витка относительно начала ускорителя.

Таким образом, при расположении витка радиусом 7,5 см с током 12 кА на расстоянии z₀ = 25 см от входа в ускоряющую структуру ускоренный пучок имеет на выходе минимальный среднеквадратичный радиус < r > ~ 0,5 мм. При этом, величина магнитного поля, созданного витком в области анодного отверстия, составляет около B₀ = 24 Гс.

Рис. 5.1.12. Поведение огибающей при различных положениях витка с током.

Из рис. 5.1.12, где показано изменение огибающей пучка в зависимости от положения витка с током, видно, что при z₀ = 25 см кроссовер пучка приходится на выход ускоряющей структуры.

Рис. 5.1.13. Поведение огибающей пучка при оптимальном положении витка и распределение магнитного поля.

На рис. 5.1.13 показаны огибающие пучка без дополнительной фокусировки и при наличии оптимальной фокусировки (z₀ = 25 см, I_в = 12 кА, r₀ =7,5 см), а также зависимость продольной компоненты магнитного поля витка с током на оси ускорителя от продольной координаты.

Таким образом, использование соленоидального поля с упомянутыми выше характеристиками позволяет уменьшить среднеквадратичный размер ускоренного пучка примерно в 3,5 раза при импульсном значении тока инжекции I₀= 0,8 А. На рис. 5.1.14(а) и (б) сравниваются изображения пучка а выходе ускорителя при выключенной и включенной фокусировке.

(а) (б)

Рис. 5.1.14. Изображение пучка на выходе ускорителя при выключенной (а) и включенной (б) фокусировке.

Возможность регулирования размера пучка за счет изменения тока витка иллюстрирует рис. 5.1.15, где представлены результаты расчёта зависимостей среднеквадратичного радиуса ускоренного пучка электронов < r_final > и магнитного поля, создаваемого витком (r₀= 7,5 см, z₀ = 25 см) в области анодного отверстия, от значения силы тока витка. Огибающая пучка для различных величин силы тока витка показана на рис. 5.1.16.

Рис. 5.1.15. Зависимость среднеквадратичного радиуса ускоренного пучка электронов и магнитного поля, создаваемого витком в области анодного отверстия, от значения силы тока витка.

Рис. 5.1.16. Огибающая пучка при различных значениях силы тока витка.