MODELING OF OSCILLATORY AND RETURN TRAJECTORIES OF ELECTRONS IN A GRADIENT MAGNETIC FIELD MAGNETRON GUN
DOI:
https://doi.org/10.32782/KNTU2618-0340/2021.4.1.14Abstract
The motion of electrons in a cylindrical magnetic field with variable strength along the field axis is considered. Mathematical and numerical models of transformation of experimental data by analytical functions are used. In order to obtain precision characteristics, we studied the formation of a 55 keV beam in the longitudinal and radial directions during its transportation in the magnetic field of a solenoid. It is shown that the motion of electrons can be compared with an optical model of the transmission of light rays in a medium with a gradient coefficient depending on the radius. A software tool was developed, the use of which made it possible to simulate the main dependences of the motion of an electron beam in a given solenoidal magnetic field. The results of numerical simulation of electron trajectories in a gradient magnetic field of a magnetron gun with a secondary emission cathode are presented. The formation of a beam with energy of 55 keV in the radial and longitudinal directions during its transportation in a solenoidal magnetic field with a large gradient is considered. The operating modes of the gun are obtained in which the particle experiences the "bottleneck" effect and completes its movement by returning to the cathode region.. The influence of the initial conditions during emission on the occurrence of the return effect has been studied. It is shown that for a given electron energy and a fixed magnetic field, the parameter determining the particle reflection is the polar angle of entry relative to the axis of the cylindrical magnetic field. The dependence of the formation of the final distribution of particles on the amplitude and gradient of the magnetic field along the axis of the system is investigated. The results of numerical simulation on the motion of a tubular electron flow are presented. The possibility of controlling the longitudinal coordinate of the electron return point has been studied. The characteristics of the resulting electron beam are considered on the basis of a model of electron flow motion.
Розглянуто рух електронів в циліндричному магнітному полі зі змінною напруженістю вздовж осі поля. Використано математичні та чисельні моделі перетворення експеримегтальних даних аналітичними функціями. З метою отримання прецизійних характеристик вивчено формування пучка з енергією 55 кеВ в повздовжньому і радіальному напрямках при його транспортуванні в магнітному полі соленоїда. Показано, що руху електронів можна зіставити оптичну модель проходження світлових променів в середовищі з градієнтним коефіцієнтом, що залежить від радіуса. Побудовано програмний засіб, використання якого дало можливість промоделювати основні залежності руху електронного пучка в заданому соленоїдальному магнітному полі. Представлено результати чисельного моделювання траєкторій електронів в градієнтному магнітному полі магнетронній гармати з вторінноемісійним катодом. Розглянуто формування пучка з енергією 55 кеВ в радіальному і поздовжньому напрямках при його транспортуванні в соленоїдальному магнітному полі з великим градієнтом. Отримано режими роботи гармати, при яких частка відчуває ефект "пляшкового горлечка" і завершує свій рух поверненням в прикатодну область. Таким чином, отримані біфуркаційні режими динаміки часток при їх русі вздовж осі транспортування як вперед на мішень, так і назад в прикатодну область. Вивчено вплив початкових умов при емісії на виникнення зворотного ефекту. Показано, що при заданій енергії електрона і фіксованому магнітному полі параметром, що визначає відображення частки, є полярний кут вльоту щодо осі циліндричного магнітного поля. Досліджено залежність формування підсумкового розподілу від амплітуди і градієнта магнітного поля вздовж осі системи. Наводяться результати чисельного моделювання по руху трубчастого електронного потоку. Вивчено можливість управління поздовжньої координати точки повернення електрона. На основі моделі руху електронного потоку розглянуті характеристики результуючого електронного пучка.
References
Dovbnya, A.N., Lavrinenko, S.D. & Zakutin, V.V. (2011). Surface modification of zirconium and Zr1%Nb alloy by the electron beam of the magnetron gun-based accelerator. Problems of Atomic Science and Technology. Series “Physics of Radiation Effects and Radiation Materials Science”. 2, 39-45.
Ayzatsky, M.I., Dovbnya, A.N., Mazmanishvili, A.S., Reshetnyak, N.G., Romas’ko, V.P. & Chertishchev I.A. (2016). Studies on formation of the radially-directed electron beam generated by the magnetron gun with a secondary emission cathode. Problems of Atomic Science and Technology. Series “Nuclear Physics Investigations. 66, 3(103), 11-16.
Dovbnya, A.N., Dovbnya, N.A., Mazmanishvili, A.S., Reshetnyak, N.G. & Chertishchev, I.A. (2015). Transport simulation of a high-current electron beam formed by the magnetron gun with a secondary-emission cathode in a decreasing solenoid field. Problems of Atomic Science and Technology. Series “Nuclear Physics Investigations. 6, 77-82.
Ayzatskiy, N.I., Dovbnya, A.N, Mazmanishvili, A.S., Reshetnyak, N.G., Romasko, V.P. & Chertischev, I.A. (2016). Issledovanie formirovaniya elektronnogo puchka v radialnom napravlenii, generiruemogo magnetronnoy pushkoy s vtorichno-emissionnyim katodom. Voprosyi Atomnoy Nauki i Tehniki, Seriya “Yaderno-Fizicheskie Issledovaniya”. 3(1-3), 11-16.
Mazmanishvili, A.S. & Reshetnyak, N.G. (2019). Dinamika elektronnogo puchka na vyihode magnetronnoy pushki v gradientnom magnitnom pole. Voprosyi Atomnoy Nauki i Tehniki, Seriya “Yaderno-fizicheskie issledovaniya”. 72, 6(124), 106-113.
Mazmanishvili, A.S., Reshetnyak, N.G. & Shovkoplyas, O.A. (2020). Puchkovyiy i sektornyiy rezhimyi elektronnyih potokov v tsilindricheskoy magnitnom pole magnetronnoy pushki. Zhurnal Nano- i Elektronnoy Fiziki. 12, 3, 03001(5pp).
Dovbnya, A.N., Dovbnya, N.A., Mazmanishvili, A.S. & Reshetnyak, N.G. (2017). Longitudinal-radial motion of an electron beam in the solenoidal field of the secundary-emission magnetron gun. Problems of Atomic Science and Technology, series “Nuclear Physics Investigations”. 69, 6(112), 96-100.
Mazmanishvili, A.S. & Reshetnyak N.G. (2020). Preobrazovanie massiva dannyih tsilindricheskogo magnitnogo polya magnetronnoy pushki i zadacha radialnogo dvizheniya elektronov. PrikladnI pitannya matematichnogo modelyuvannya. 3, 1, 108-116.
