Для вирішення названої проблеми габаритної оптимізації конструкції було запропоновано серію конструкцій ондуляторних БІП [2,3,8,10-13] (див. класифікацію на рис. 1).

Тому далі зосередимося на обговоренні лише деяких особливостей конструктивних схем з внутрішньою багатоканальністю.

Як відомо, для класичних традиційних прискорювачів типу ЛІП [1,14,15] характерним є наявність лише одного прискорювального каналу у кожному прискорювальному блоці. Слід, однак, зауважити, що зародження ідеї внутрішньої багатоканальності тут все ж таки були сформовані [18]. Причому, якщо у [18] було сформовано ідею формування пучків, що складаються із багатьох парціальних паралельних пучків, то в роботі [19] запропоновано конструкцію багатопучкового прискорювального каналу.

Поставлення самої проблеми внутрішньої багатоканальності було стимульовано намаганнями вирішити відому проблему збільшення сумарного критичного струму пучка, що прискорюється в каналі [20,21]. Суть проблеми полягає у такому. Як відомо, через специфічний характер механізму електростатичної взаємодії пучка із провідниковими стінками каналу з'являються жорсткі обмеження на величину його струму [20,21]. Відповідно було запропоновано ряд шляхів підвищення величини критичного струму на серію [18-21]. Один з них полягає у застосуванні ідеї розбиття одного надкритичного пучка на серію паралельних докритичних парціальних пучків [18,19]. Далі ці пучки пропонувалося прискорювати паралельно у одному широкому прискорювальному каналі із спільним фокусуючим магнітним полем. Для коригування процесу транспортування парціальних пучків у цей канал пропонувалося введення парціальних соленоїдів для кожного окремого парціального пучка [19].

Головними недоліками вищеописаного варіанта формування системи багатьох парціальних пучків [18] було таке. Перш за все тут, як і раніше [14,15], використовувався однокатодний сильнострумовий інжектор, що формував один "великий" пучок, що потім розбивали на серію менших (парціальних). Як наслідок, дослідники отримували усі проблеми, характерні для надпотужних інжекторів з підвищеною силою струму пучка (необхідність використання надвисоких напруг (одиниці мегавольт), схильність інжектованого пучка до розвитку нестійкостей і т.д.). Все це суттєво обмежувало максимальну величину струму пучка на виході системи. Крім того, сам процес розбиття пучка на серію парціальних здійснювався за допомогою спеціальних сіток, які розміщувались на виході із інжектора [18]. Це призводило до того, що тут, по-перше, сітки сильно нагрівалися, що також суттєво обмежувало максимальну силу сумарного пучка. По-друге, порушувалася оптимальна структура самих парціальних пучків, що було вельми небажаним з огляду на непрості технологічні завдання, які далі доводилося вирішувати при тривалому транспортуванні прискорюваного пучка у довгому каналі.

У зв'язку з вищесказаним авторами було проведено роботу з розроблення інших, більш досконалих конструктивних підходів до практичного використання ідеї багатоканальності. Усі вони базуються на конструктивному комбінуванні таких технологічних прийомів:

формуванні для кожного парціального пучка окремого самостійного (ізольованого) прискорювального каналу [10];

комбінуванні конструкцій із внутрішньою та зовнішньою багатоканальністю з ідеями ондуляторності [10];

переході до конструкцій спеціальних багатокатодних інжекторів [10];

створенні зовнішньої багатоканальності за рахунок використання кількох паралельних одноканальних прискорювальних блоків [4,5,9] (про що вже йшлося вище);

використанні у одному і тому самому багатопучковому каналі як парціальних пучків, які сформовано одним і тим самим багатопучковим інжектором, так і пучків, які вже пройшли процес прискорення в інших [10] прискорювальних блоках.

Приклади типових конструкцій БІП, побудованих на базі вищеописаних технологічних прийомів, будуть предметом обговорення у наступних частинах даної роботи. Далі у даній частині обмежимося коротким описом деяких часткових технічних вирішень, що ілюструють напрямки конструкторської думки щодо можливих варіантів використання концепцій внутрішньої багатоканальності на практиці.

Почнемо з обговорення першого із вищевказаних технологічних прийомів, запропонованих авторами у області внутрішньої багатоканальності - ідеї формування окремого ізольованого самостійного прискорювального каналу для кожного парціального пучка. Це, перш за все, означає, що кожна прискорювальна секція тепер замість одного прискорювального проміжку (як в одноканальних системах) тепер повинна мати одночасно кілька прискорювальних проміжків 2 (див. рис. 11), розміщених в одній і тій самій площині [10]. Прискорювані парціальні пучки 1 при цьому рухаються у своїх "персональних" прискорювальних каналах, що включають в себе, у тому числі, окремі прискорювальні проміжки 2 та канали транспортування 3 (див. там само). Специфікою багатоканальних схем даного типу є те, що, як вже відзначалося, парціальні пучки 1 можуть мати як одну і ту саму енергію, так відрізнятися за енергіями. Це може бути один і той самий пучок , що перебуває на різних стадіях прискорення [10]. Рис. 12 ілюструє ідею варіанта комбінування концепцій внутрішньої і зовнішньої багатоканальності з ідеями ондуляторності [10]. Як легко побачити, використання конструктивних схем даного типу відкриває цікаву можливість формування пучків заряджених частинок із заданим енергетичним спектром парціальних пучків. Наприклад, це можуть бути двошвидкісні електронні пучки для двопотокових супергетеродинних лазерів на вільних електронах (ДЛВЕ) [2]. Як відомо, енергетичний зсув (розлад) за енергіями компонент такого пучка може характеризуватися величинами ~10% і менше [2]. В той самий час базовий робочий механізм ДЛВЕ виявляється надзвичайно чутливим щодо змін у часі цього розладу. У випадку, коли для формування кожного з парціальних пучків використовують окрему прискорювальну систему, особливої гостроти набуває проблема взаємної стабілізації названого розладу, оскільки характерна взаємна нестабільність у часі енергії обох пучків може мати такий самий (чи більший)порядок.

Рисунок 11 - Конструктивна схема прискорювальної секції з одночасно кількома окремими внутрішніми прискорювальними каналами [10]. Тут: 1 - парціальні пучки заряджених частинок; 2 - прискорювальні проміжки для парціальних пучків 1; 3 - канали транспортування парціальних пучків

Для вирішення даної проблеми і було запропоновано використання для прискорення одночасно обох пучків у різних каналах одного і того самого БІП. У такому випадку всі можливі динамічні нестабільності реалізуються для обох пучків синхронно, тобто заданий на початку взаємний розлад енергій при цьому практично не змінюється в процесі прискорення. БІП такого типу пропонується будувати, у тому числі, на базі технічних прийомів, проілюстрованих на рис. 11 та 12 відповідно. У світлі вищевикладеного у даній роботі (див., наприклад, рис. 8,9 та відповідні коментарі) принцип дії схеми, поданій на рис. 12, можна вважати самоочевидним.

Рисунок 12 - Приклад комбінування внутрішньої і зовнішньої багатоканальності з ідеєю ондуляторності [10]. Тут: 1, 2 - парціальні пучки заряджених частинок; 3 - внутрішні прискорювальні проміжки; 4 - зовнішні прискорювальні проміжки; 5 - магнітні індуктори

У технологічному плані для практичної реалізації ідеї багатоканальності необхідно попередньо вирішити проблеми конструювання спеціальних багатокатодних інжекторів. Приклади таких інжекторів проілюстровано на рис. 13-15. На рис. 13 наведено конструктивну схему дво- чи чотири-катодного інжектора для БЛІП з внутрішньою багатоканальністю [10].

Інжектор, наведений на рис. 13, працює так. Магнітні індуктори 4 генерують всередині екрана 3 вихрове електричне поле. Частина силових ліній цього поля замикається на шляху через внутрішню поверхню екрана 3, зовнішню поверхню штанги 1 та через прискорювальні проміжки між катодами 2 та анодами 5.

Рисунок 13 - Конструктивна схема багатокатодного інжектора з внутрішнім розміщенням катодів [10]. Тут: 1 - центральна штанга; 2 - катоди; 3 - електричний екран; 4 - магнітні індуктори; 5 - анодні сітки (або фольги); 6 - вхідні частини прискорювальних каналів; 7 - інжектовані парціальні електронні пучки

Під дією електричного поля у цих проміжках електрони, емітовані катодами 2, прискорюються, утворюючи парціальні електронні пучки 7, які далі транспортують у прискорювальних каналах 6. Інжектори даного типу призначені в основному для використання в прискорювальних блоках БІП з внутрішньою багатоканальністю.

На відміну від схеми на рис. 13 інжектори, конструктивні схеми яких наведено на рис. 14 та рис. 15, призначені переважно для застосування в БІП із зовнішніми каналами. Принципи дії їх в основному є подібними до того, що описано вище. Але є і деякі специфічні відмінності. Основна з них є спільною для обох конструкцій, що подано на рис. 14 та 15. Вона полягає у тому, що тут використовують зовнішні частини електричного поля, що генерується внутрішніми інжекторами 1 (див. рис. 14 та 15 відповідно). Завдяки цьому, по-перше, ми, власне, і отримуємо вищезгадану можливість формування парціальних пучків на входах зовнішніх каналів багатоканальних прискорювальних блоків (див., наприклад, пучки 7 на проілюстровані вище конструкції, що подана на рис. 6). По-друге, число парціальних пучків у такому випадку виявляється набагато більшим за число пучків, які можуть генерувати системи з внутрішніми катодами (за типом тих, що наведено на рис. 13). Останнє дає гарні перспективи для самостійного застосування таких інжекторних систем на практиці. У тому числі, наприклад, для систем очистки промислових димів, систем електронної накачки ексимерних лазерів, систем для стимулювання хімічних реакцій під дією електронних пучків і т.д.

Рисунок 14 Конструктивна схема багатокатодного інжектора із зовнішнім розміщенням катодів [10].Тут: 1 - внутрішні інжектори; 2 - ізолятор; 3 - силові лінії в центральній частині індуктора; 4 - прискорювальні проміжки; 5 - частини парціальних прискорювальних каналів; 6 - інжектовані парціальні електронні пучки

Ключовою відмінністю конструкцій, проілюстрованих на рис. 14,15 енергія парціальних пучків. У тому числі інжектори першого типу (див. рис. 14) призначені для застосування в ситуаціях, коли є одночасна вимога великої сумарної сили струму (наприклад, одиниці кілоампер), з одного боку, і низьких рівнів енергії пучків (сотні кіловольт). Очевидно, що через добре відомі у фізиці процеси електронних інжекторів (гармат) такі пучки не можуть бути сформовані шляхом використання стандартних методів. У даному випадку проблема надвисокого первеанса вирішується шляхом одночасного парціального генерування багатьох пучків із їх подальшим підсумовуванням за відомими схемами.

Багатокатодні інжектори другого типу (див. рис. 15) призначені для дещо інших випадків використання. А саме, для застосувань, коли ставиться завдання формування надкритичних (сотні кілоампер) і, одночасно, відносно енергетичних (сотні мегаелектронвольт) електронних пучків. Проблему пропонується вирішувати на шляху генерування одночасно багатьох (наприклад, 12) докритичних пучків (на рівні ~ 10 кА [15]) з подальшим їх прискоренням в БІП (наприклад, до енергії ~ 50 МеВ [15]) і зведенням в один вихідний сильнострумовий (~120 кА) вихідний пучок. Тут може бути корисною також і та обставина, що, як відомо, величина критичного струму є тим більшою, чим більшою є енергія пучка [20,21]. Відповідно кілоамперний пучок, який є надкритичним на вході, може стати вже докритичним на виході.

Рисунок 15 - Конструктивна схема багатокатодного коаксіального інжектора із комбінованим зовнішньо-внутрішнім розміщенням катодів [10]. Тут: 1 - внутрішні коаксіальні індуктори; 2 - зовнішні коаксіальні індуктори; 3 - силові лінії зовнішнього електричного поля внутрішнього коаксіального індуктора 1; 4 - силові лінії внутрішнього електричного поля зовнішнього коаксіального індуктора 5

Далі звернемо увагу на специфічне коаксіальне компонування системи, що проілюстрована у вигляді конструктивної схеми на рис. 15. Тут пари "катод-анод" розміщено в коловій "щілині" між зовнішніми 5 та внутрішніми 1 магнітними індукторами. При цьому обидва типи індукторів характеризуються протилежними напрямками циркулювання магнітних потоків в їх осердях. Відповідно напрямки силових ліній електричних полів, які вони генерують, виявляються також протилежними. Як наслідок, як внутрішня компонента електричного поля зовнішніх індукторів 5, так і зовнішня компонента внутрішніх індукторів 1 створюють прискорююче поле у проміжках "катод-анод". Тобто прискорююча дія їх на електрони у проміжках підсумовується. За рахунок цього, головним чином, і досягається вище згадана можливість одночасного генерування багатьох і відносно сильнострумових високоенергетичних електронних пучків.

SUMMARY

A general classification of the Multi-channel Induction Accelerators (MINACs) is proposed. It is shown that the MIACs, as a class of acceleration systems, is characterized by extraordinary ramification of the variant system and diversity of design solutions. It is clarified that total number of the latter could be estimated today as hundreds and we have all reasons to expect for continuation of the process of appearance of new designs. The analysis accomplished allows to separate a number of characteristic technological methods. Combining these methods gives a possibility to form that or other MINAC design versions. A description of such methods is given, too. Beside that, these methods are illustrated by examples of schemes of their design realizations.

Список літератури

багатоканальний прискорювач індукційний