Динамика электронного пучка формируемого магнетронной пушкой с вторично-эмиссионным катодом, в спадающем магнитном поле соленоида: эксперимент и моделирование

Abstract

В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований и расчетов по формированию радиального электронного пучка магнетронной пушкой с вторично-эмиссионным катодом в диапазоне энергий электронов 35…65 кэВ и измерению его параметров при транспортировке в суммарном спадающем магнитном поле соленоида и поля рассеяния постоянных магнитов. Транспортировка пучка осуществлялась в системе, состоящей из медных колец с внутренним диаметром 66 мм, находящейся на расстоянии 85 мм от среза магнетронной пушки. Изучена зависимость тока пучка от амплитуды и градиента спада поля. Проведенные исследования показали возможность формирования радиального электронного пучка с энергией в десятки килоэлектронвольт в спадающем магнитном поле соленоида. Оптимизацией распределения магнитного поля (создаваемого соленоидом и кольцевыми магнитами) и его градиента спада можно добиться увеличения попадания электронов на одно кольцо (до ~72 % тока пучка). На основе математической модели движения электронного потока синтезировано программное средство, позволяющее получать и интерпретировать характеристики результирующих потоков. Полученные численные зависимости удовлетворительно согласуются с экспериментальными результатами для магнитного поля с большим градиентом спада. Рассмотрены различные конфигурации магнитного поля. Получены решения прямой задачи моделирования траекторий электронов для заданных начальных условий и параметров. Рассмотрены различные конфигурации магнитного поля. Показано, что для выбранных начальных условий для пучка электронов и распределений продольного магнитного поля вдоль оси пушки и канала транспортировки поток электронов попадает на вертикальный участок, длина которого порядка миллиметра. Таким образом, изменяя амплитуду и распределение магнитного поля, можно регулировать ток в радиальном направлении вдоль длины трубы, и, следовательно, место электронного облучения.The article presents the results of research and calculations on the formation of a radial electron beam by a magnetron gun with a secondary emission cathode in the electron energy range 35...65 keV and measuring its parameters during transportation in the total decreasing magnetic field of the solenoid and the stray field of permanent magnets. The beam was transported in a system consisting of copper rings with an inner diameter of 66 mm, located at a distance of 85 mm from the exit of the magnetron gun. The dependence of the beam current on the amplitude and gradient of the field decay has been studied. The studies carried out have shown the possibility of stable formation of a radial electron beam with an energy of tens of keV in the decreasing magnetic field of the solenoid. By optimizing the distribution of the magnetic field (created by the solenoid and ring magnets) and its decay gradient, it is possible to achieve an increase in the incident of electrons on one ring (up to ~72% of the beam current). On the basis of the mathematical model of the movement of the electron flow, a software tool has been synthesized that makes it possible to obtain and interpret the characteristics of the resulting flows. The obtained numerical dependences are in satisfactory agreement with the experimental results for a magnetic field with a large decay gradient. Various configurations of the magnetic field are considered. Solutions to the direct problem of modeling electron trajectories for given initial conditions and parameters are obtained. Various configurations of the magnetic field are considered. It is shown that for the selected initial conditions for the electron beam and the distributions of the longitudinal magnetic field along the axis of the gun and the transport channel, the electron flux falls on a vertical section, the length of which is on the order of a millimeter. Thus, by changing the amplitude and distribution of the magnetic field, it is possible to control the current in the radial direction along the length of the pipe, and, therefore, the place of the electron irradiation.У даній роботі представлені результати експериментальних досліджень та розрахунків за динамікою пучка електронів у магнетронній гарматі зі вторинноемісійним катодом. При енергії електронів 35…65 кеВ виміряні параметри пучка. Рух частинок здійснювався у спадаючому магнітному соленоїдальному полі. Ділянка руху складалася з 14 кілець діаметром 66 мм, розташованих на відстані 85 мм від анода гармати. Вивчено залежність струму пучка від амплітуди та градієнта спаду поля. Експериментально показана можливість концентрації пучка електронів з енергією в десятки кеВ у спадаючому магнітному полі соленоїда. Оптимізацією розподілу магнітного поля, що створене соленоїдом та кільцевими магнітами) та його градієнта спаду можна домогтися збільшення попадання електронів на одне кільце (до ~72 % струму пучка). На основі математичної моделі руху електронного потоку синтезовано програмний засіб, що дозволяє отримувати та інтерпретувати характеристики результуючих потоків. Чисельно проведено моделювання динаміки руху сукупності електронів (кількість частинок 1000) у магнітному полі соленоїда. Отримані чисельні залежності задовільно узгоджуються з експериментальними результатами для магнітного поля з великим градієнтом спаду. Для цих умов проведено пряме моделювання руху електронів. Розглянуто різні зміни магнітного поля. Показано, що для обраних початкових умов пучка електронів і розподілу магнітного поля в системі електронний згусток виявляється на вертикальній ділянці міліметрового розміру. Таким чином, змінюючи амплітуду та розподіл магнітного поля, можна регулювати струм у радіальному напрямку вздовж довжини труби, і, отже, місце електронного опромінення.