Ускорительная трубка

Одной из основных частей ускорителей прямого действия является ускорительная трубка.

Как уже говорилось, пространство, в котором происходит ускорение частиц в машинах этого типа, ограничено изоляцион­ными трубками, к концам которых прикладывается полное напря­жение, равное энергии ускоренных частиц. В качестве материала трубок могут быть применены фарфор, стекло и другие подобные материалы. Использовать изолированные трубы, пластмассы, ма­териалы, прессованные на различных смолах, и т. п. нельзя, вследствие того, что из такого рода материалов выделяется много газов. Известны, правда, попытки применить специальные эпоксидные смолы для изготовления трубок. Чаще всего ускорительные трубки изготовляют из фарфора и реже из стекла.

Ускорительную трубку нельзя выполнить в виде простого цилиндра (рис. 17, а), так как в нем невозможно создать равно­мерное распределение потенциала по длине. Заряженные частицы, проходящие внутри трубы и попадающие на ее внутренние стенки, вызывают появление заряда на них, и потенциал каждой точки трубы оказывается неопределенным. В результате этого пучок не сможет пройти вдоль всей трубки, и она окажется как бы заку­поренной для потока частиц. Поэтому необходимо применять спе­циальные устройства, обеспечивающие принудительное и равно­мерное распределение полного напряжения по длине трубки. Такое распределение осуществляется с помощью схемы, пред­ставленной на рис. 17, б.

Рис.17. Схема ускорительной трубки

Трубка выполняется из большого числа фарфоровых колец, между которыми прокладываются метал­лические шайбы (электроды), внутренний диаметр которых меньше, а наружный больше диаметра колец. Трубка собирается чаще всего путем склейки фарфоровых колец и металлических шайб. Между каждой парой шайб снаружи устанавливаются балластные сопротивления, которые гарантируют принудительное распре­деление потенциала подлине трубки, а следовательно, одинаковую величину напряженности поля вдоль оси.

Подсчитаем величину балластного сопротивления. Так, напри­мер, для трубки, работающей при напряжении 5 млн. в, основной рабочий ток пучка порядка 50 мка. Ток балластного сопроти­вления должен быть того же порядка, что и ток пучка, т. е. по­рядка 50…100 мка. При этом величина балластного сопротивления R = U/I_б =5∙10⁶/5∙10^-5 = 10¹¹ Ом.

Между каждой парой соседних электродов параллельно с балла­стными сопротивлениями устанавливаются небольшие шарооб­разные разрядники, как схема­тически показано на рис. 17. При пробое трубки вдоль ее оси по наружной поверхности, нахо­дящейся в сжатом газе, прежде всего, будут пробиты промежутки между шарами разрядников и по­верхность фарфора не повредится.

Два варианта фарфорового кольца показаны на рис. 18.

Рис. 18. Изоляционное кольцо ускорительной трубки

Малая толщина кольца (порядка 25 мм) обеспечивает не только нужный шаг металлических шайб-электродов, но и удобна с точки зрения технологии изготовления колец. Нижние и верхние пло­скости кольца шлифуются с достаточным жестким допуском по размеру. Размеры по диаметру имеют более свободный допуск и поэтому цилиндрические поверхности не требуют механической обработки. Внизу показан вариант кольца, у которого длина на­ружной цилиндрической поверхности искусственно увеличена. Однако, как показали исследования, этого можно не делать, так как электрическая прочность трубки обычно определяется ее прочностью внутри вакуумного объема.

Некоторые зарубежные фирмы изготавливают кольца из стекла. Это, бесспорно, целесообразно в том случае, когда элементы трубки не склеивают, а сваривают. При такой технологии трубка полу­чается более прочной и вакуумно-плотной. Однако большинство фирм выполняют трубки в виде клееных фарфоровых или стеклян­ных систем.

На рис. 19 показаны участки трубок двух конструкций, состоящие из трех фарфоровых колец и трех электродов. В первых конструкциях электроды выполнялись из алюминия и имели чаще всего форму, изображенную на рис. 19, а. В последние годы многие фирмы перешли на нержавеющую сталь, и применяют более простую конструкцию электродов, показанную на рис. 19, б.

Рис. 19. Варианты конструкции электродов ускорительной трубки

Алюминий обладает двумя существенными недостатками: он дает большую вторичную эмиссию электронов, способствует про­бою трубки по внутренней ее поверхности и очень чувствителен к разрядам и пробоям, после которых на его полированной по­верхности остаются следы и наплывы металла. Нержавеющая сталь в этом смысле предпочтительнее, хотя изготовление электро­дов из стали сложнее и они дороже. В течение ряда лет все фирмы выпускали трубки с большим внутренним диаметром — порядка 100…200 мм. Этот размер определялся условиями обеспечения откачки газа, натекающего из источника.

В генераторах источник всегда установлен на конце трубки, находя­щейся под высоким напряжением, а насос — на ее противополож­ном заземленном конце. Поэтому весь газ, попадающий из разряд­ной камеры источника в трубку, должен пройти через всю трубку. Расчеты показывают, что для этого необходимо иметь отверстие с диаметром порядка указанной выше величины. С другой стороны, электрод должен защитить пучок от электрических полей зарядов, неизбежно появляющихся на внутренней поверхности фарфора. При большом диаметре эта защита осуществлялась с помощью электродов сложной конической формы. Практика показала, что трубки указанного диаметра имеют сравнительно небольшую электрическую прочность — примерно 1 млн. в/м длины, т. е. 10 кв/см. Известно, что фарфор обладает значительно большей поверхностной электрической прочностью в вакууме. Поэтому пробой трубки при повышении электрического напряжения выше номинального происходит внутри нее, в вакуумном объеме вдоль электродов.

Было показано, что при уменьшении диаметра внутреннего отверстия с 100…200 до 25…50 мм удается резко повысить электри­ческую прочность трубки, доведя ее до 2 млн. в/м, т.е. получить напряженность поля до 20 кв/см. При таких малых отверстиях уже нет необходимости применять конические электроды, так как здесь пучок хорошо экранирован от электрических полей зарядов, появляющихся на внутренней поверхности фарфора. Форма элек­трода становится простой и технологичной. Откачка такой трубки осуществляется главным образом через вспомогательные отверстия в электродах (см. рис. 19, б). При сборке трубки электроды поворачиваются относительно друг друга на некоторый угол, что предупреждает появление длинных сквозных отверстий вдоль всей трубки. Такие лабиринты не намного уменьшают скорость откачки системы, но полностью предотвращают возможность пря­мого ускорения электронов в сквозных отверстиях большой длины.

Уменьшение диаметра отверстия ускорительной трубки при­водит, по-видимому, к ухудшению условий ускорения вторичных частиц и последующего развития пробоя. Повышению прочности трубки с рабочим отверстием малого диаметра, возможно, способст­вует и то, что электроны не могут ускоряться вдоль значительной длины трубки так же хорошо, как это происходит в трубках боль­шого диаметра.

В слабом магнитном поле протоны практически не отклоняются от своей прямолинейной траектории, в то время как электроны существенно отклоняются. При диаметре отверстия трубки 100…200 мм радиальное отклонение на 40 мм не мешает электрону пройти даже всю длину трубки и получить полную энергию, соответствующую напряжению ускорителя. При диаметре трубки, принятом в последних конструкциях, — 15…20 мм — электроны могут пройти сравнительно небольшой путь.

На рис. 20 схематически показаны траектории электрона и протона в указанных выше условиях.

Рис. 20. Траектории протона и электрона внутри трубки при слабом по­перечном магнитном поле

Это предположение не подтверждено опытом. Наоборот, наблюдалось, что при довольно сильно намагниченных электродах прочность трубки не увеличи­валась. Однако высказанные выше соображения о различном поведении протонов и электронов в слабых магнитных полях внутри трубки должны учитываться при попытках изучить механизм пробоя трубок.

Уменьшение центрального отверстия ускорительной трубки целесообразно и по другим соображениям. Электрическое поле вблизи электродов искажено. Это искажение связано с тем, что толщина электродов сравнима с их шагом по длине трубки; оно отсутствовало бы при бесконечно тонких электродах. Искажение электрического поля заметно на расстоянии до нескольких миллиметров от краев элек­тродов. При большом диаметре отверстия, принятом в старых конструкциях, основная часть рабочего пространства имеет рав­номерное электрическое поле. Пучок частиц, диаметр сечения кото­рого составляет несколько миллиметров, проходит вдали от краев электродов и ускоряется практически равномерным полем. При уменьшении отверстия до 15…50 мм искажение электрического поля охватывает рабочую область трубки и значительная часть пучка, особенно его периферические частицы, движется в электри­ческом поле, в котором существенной частью является переменная радиальная составляющая. Следует полагать, что это обстоятельство положительно сказывается как на прочности трубки, так и на формировании пучка.

Искажение электрического поля вблизи кромки электродов оказывает фокусирующее действие на частицы, проходящие вблизи электродов. Дело в том, что радиальная составляющая электрического поля резко возрастает по мере удаления частицы от оси трубки и приближения ее к электродам. Получив значительную составляю­щую скорости, частица попадает в очень сильное фоку­сирующее поле, которое замедляет радиальную ско­рость частицы и дает ей фокусирующую составляющую скорости. Этот принцип фокусировки характерен тем, что дефокусирующая сила направляет частицу в зону очень большой фоку­сирующей силы, а фокусирующая сила в свою очередь направляет частицу в зону слабой дефокусирующей силы. В результате такой комбинации суммарный эффект получается фокусирующим и пу­чок частиц сжимается к оси трубки, приобретая нужные размеры сечения. Естественно, что для такого эффекта необходимы соот­ветствующие соотношения параметров, вполне определенная «жест­кость системы», т. е. обеспечение закона сильного возрастания фокусирующей и дефокусирующей сил с увеличением радиуса, и другие условия. Здесь высказаны лишь некоторые сообра­жения, связанные с эффектом увеличения прочности трубки при уменьшении рабочего отверстия. Они носят качественный ха­рактер и не претендуют на точность и строгость.

Вакуумная область ускорителей трубок является самым электрически непрочным элементом уско­рителя. Электрическая прочность УТ сильно зависит от обратного тока электронов, которые выбиваются ускоренными заряженными частицами из электродов трубки. В свою очередь обратный ток электронов зависит от:

• степени фокусировки ионного пучка,

• выхода фотоэлектронов из материала ускоряющих электродов.

Увеличение электрической прочности (ЭП) достигается предварительной обработкой благородными газами: гелием, аргоном, неоном, криптоном (рис.21).

Рис. 21. Зависимость электрической прочности УТ от вида газа

ЭП УТ также зависит от степени обработки ускоряющих электродов. Кроме того, склейка фарфоровых изоляторов с ускоряющими электродами уменьшает ЭП УТ. Для увеличения ЭП УТ применяют снятие фасок на фарфоровых изоляторах.

Следует также отметить, что электрическая прочность трубок и других деталей ускорителей, находящихся под высоким напряже­нием, не сразу после включения машины достигает номинального значения. Работе при полной энергии предшествует период трени­ровки машины, продолжающейся 8…12 часов. Во время тренировки напряжение медленно поднимается по мере того, как внутри ма­шины прекращаются пробои газовых и вакуумных промежутков.