Моделирование процесса захвата электронов в ускорение в

УДК 621.382.6(06) Физика пучков и ускорительная техника
Т.С. ИВАНИЛОВА, В.В. КАШКОВСКИЙ
Томский политехнический университет, Россия
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАХВАТА ЭЛЕКТРОНОВ
В УСКОРЕНИЕ В БЕТАТРОНЕ
С РАДИАЛЬНО-ГРЕБНЕВЫМИ ПОЛЮСАМИ
В работе рассмотрен процесс захвата электронов в ускорение в поле бетатрона с радиально-гребневыми полюсами.
В основу механизма захвата частиц в ускорение было положен эффект взаимодействия инжектируемых электронов с
электростатическим полем электронов, выбывших из ускорения и осевших на внутренней стенке ускорительной камеры. Получена зависимость величины захваченного заряда от тока инжектированных электронов.
Электронный пучок, выведенный из бетатронов с радиально-гребневыми полюсами, успешно применяется в технике и медицине. Несмотря на большой срок использования бетатрона в практических целях, процесс захвата электронов в ускорение до сих пор является слабо изученным.
В теоретическом плане механизм захвата электронов в ускорение объяснялся кулоновским взаимодействием инжектируемых электронов с электрическим
полем заряда уже циркулирующего на орбите [1-3]. При этом для описания динамики электронного пучка в момент захвата использовали линеаризованные
уравнения движения частиц в электромагнитном поле ускорителя, справедливые только для небольших отклонений электронов от равновесной орбиты.
Кроме того, в этих работах отсутствуют количественные соотношения между
инжектированными и захваченными в ускорение зарядами, удовлетворяющие
практическим результатам.
В данной работе приведены результаты численного моделирования процесРис. 1. Оседание электронов
са
захвата
электронов в ускорение в бетатроне с азимутальной вариацией поля,
на стенке камеры
создаваемой радиально-гребневыми полюсами. Захват электронов в ускорение
и обход инжектора обусловлен изменением начальных параметров траекторий инжектируемых электронов
в результате взаимодействия инжектированных частиц с электрическим полем, созданным электронами,
выпавшими на стенки ускорительной камеры [4]. Наблюдаемый на практике ток с проводящего слоя камеры
не исчезает мгновенно и имеет импульсный характер, по длительности сравнимый с длительностью высоковольтного импульса, подаваемого на инжектор. Следовательно, во время импульса инжекции на стенке камеры некоторое время существует заряд электронов, который своим полем влияет на движение вновь инжектированных электронов.
На рис. 1 показано, что электроны, не захваченные в ускорение, оседают на внутренней поверхности
ускорительной камеры, причём большая часть этих электронов выпадает на внутреннюю стенку, примыкающую к центральному вкладышу полюсов. В результате возникает неоднородное по азимуту электрическое
поле, которое изменяет параметры траекторий электронов.
При расчётах распределение магнитного поля ускорителя с азимутальной вариацией описывали согласно
теоретической модели, описанной в работе [4], причем, вместо азимутально-симметричной части распределения магнитной индукции по радиусу использовали экспериментальное распределение поля, усреднённое
по азимуту. Расчеты проведены для малогабаритного бетатрона МИБ - 6, с полюсами 6-гребневой конструкции, радиусом равновесной орбиты r0 = 6 см и показателем спадания поля n0 = 0,69. Инжектор располагали в
области гребня полюса (азимут φ = 00) на радиусе 7,8 см. Расчёты проводили с учетом реальной длительности импульса тока в обмотках электромагнита и длительности импульса инжекции. Длительность импульса
тока в обмотках электромагнита составила величину порядка 2,5 мс, длительность импульса инжекции –
5 мкс. Значение энергии инжектированных электронов находилось в пределах от 0 до 30 кэВ. В результате
проведенных расчетов получили кривую зависимости величины захваченного заряда от величины инжектированного заряда в абсолютных единицах. Анализ полученных результатов показал, что для увеличения
эффективности захвата электронов в ускорение требуется использовать специальную систему витков с током – контрактор.
Список литературы
1 . B a r d e n S . E . A Note Resonance on Damping at Injection in Betatrons and Synchrotrons. // Proc Phys. Soc. – 1951.–V. 64 B. –
P. 579-590.
2. Черданцев П.А. Теория захвата электронов в ускорение в бетатроне // Изв. вузов. Физика. 1959. № 6. С. 177 – 178.
3. Соколов О.В. Захват электронов в ускорение в бетатроне на 15 МэВ при работе двух инжекторов // Труды 3 межв. конф. «Электронные ускорители». - Томск, 1961. С. 69 – 74.
4. Кашковский В.В. Динамика и параметры электронных пучков бетатронов. – Томск: Изд-во НТЛ, 2006. 196 с.
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 5
1