способ ускорения электронов в цилиндрическом бетатроне и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ ускорения электронов в цилиндрическом бататроне, включающий инжецию электронов в область с растущим во времени азимутально-симметричным управляющим магнитным полем, ограниченную в аксиальном направлении участками магнитных пробок, отличающийся тем, что в области между магнитными пробками возбуждают дополнительное спадающее во времени азимутально-симметричное магнитное поле, направленное встречно управляющему магнитному полю и соосное с ним.

2. Устройство для ускорения электронов в цилиндрическом бетатроне, содержащее центральные вкладыши, полюсные наконечники и намагничивающую обмотку, выполненную в виде последовательно соединенных периферийных и центральных секций, отличающееся тем, что параллельно центральным секциям обмотки подключены элементы, обладающие активным сопротивлением.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке и усовершенствовании индукционных ускорителей и накопительных установок с внешней инжекцией ускоряемых частиц.

Известен способ ускорения электронов в цилиндрическом бетатроне, включающий инжекцию электронов в область с азимутально-симметричным магнитным полем, показатель спада которого n=0, ограниченную в аксиальном направлении участками магнитных пробок, а в области магнитных пробок формируется дополнительное импульсное азимутально-симметричное магнитное поле, соосное основному и уменьшающее пробочное отношение результирующего магнитного поля, причем в процессе инжекции дополнительное импульсное магнитное поле уменьшают до нуля со скоростью, обеспечивающей удержание инжектируемого заряда в области между пробками.

Известно устройство, реализующее предлагаемый способ и содержащие центральные вкладыши, полюсные наконечники, обратный магнитопровод и намагничивающие обмотки, на полюсных наконечниках размещены концентрично к равновесной орбите витки, включенные между собой согласно последовательно, и подключенные к генератору импульсного тока.

Этот способ улучшает условия захвата электронов в ускорение, но при этом происходит ослабление фокусирующих сил магнитного поля в аксиальном направлении во время инжекции в связи с уменьшением пробочного отношения, что снижает эффективность известного способа ускорения. Кроме того, для выполнения условия удержания инжектируемого заряда в области между пробками каждый раз при изменеии режима работы ускорителя необходимо экспериментально подбирать скорость уменьшения дополнительного импульсного магнитного поля.

К недостаткам устройства относится относительно сложная система возбуждения дополнительного поля, включающая витки на полюсных наконечниках, размещенные концентрично к равновесной орбите и включенные согласно-последовательно, а также наличие автономного генератора импульсного тока. Для исключения искажений магнитного поля витки должны быть размещены на полюсных наконечниках с очень высокой точностью.

Наиболее близким техническим решением является способ ускорения электронов в цилиндрическом бетатроне, включающий инжекцию электронов в область с азимутально-симметричным магнитным полем, показатель спада которого n=0, ограниченную в аксиальном направлении участками магнитных пробок, в области магнитных пробок во время захвата электронов в ускорение осуществляется увеличение потенциальных барьеров в аксиальном направлении вследствие потери части инжектируемых электронов на проводящих пластинах, установленных в районе магнитных пробок.

Известно также устройства, реализующее этот способ ускорения и содержащее обратный магнитопровод, полюсные наконечники, центральные вкладыши и секционированную намагничивающую обмотку, внутри ускорительной камеры на границах области устойчивого движения электронов установлены пластины из проводящего материала, которые соединены с проводящим покрытием камеры через коммутирующие устройства.

Данный способ ускорения позволяет увеличить фокусирующие силы в аксиальном направлении.

Недостатком этого способа и устройства является потеря большей части инжектируемых электронов на проводящих пластинах, так как чем больше потери электронов на пластинах, тем больше силы, сжимающие электроны в аксиальном направлении.

Цель изобретения состоит в увеличении количества электронов, ускоряемых в одном цикле, и повышение КПД ускорителя. Для достижения этой цели в способе ускорения электронов в цилиндрическом бетатроне, включающем инжекцию электронов в область с азимутально-симметричным магнитным полем, показатель спада которого n= 0, ограниченную в аксиальном направлении участками магнитных пробок, в области между магнитными пробками возбуждают азимутально-симметричное магнитное поле, опережающее на 90^о основное поле и соосное ему.

Реализовать предлагаемый способ ускорения можно с помощью устройства, содержащего центральные вкладыши, полюсные наконечники и секционированную намагничивающую обмотку, в котором параллельно секциям намагничивающей обмотки, расположенным в области между магнитными пробками, подключены активные сопротивления.

Предлагаемое техническое решение содержит новую совокупность существенных признаков, следовательно оно соответствует критерию "Новизна".

Проведенный анализ на соответствие критерию "Изобретательский уровень" показал, что заявляемый способ ускорения обладает существенными отличиями, заключающимися в том, что возбуждаемое в области между пробками магнитное поле направлено не на изменение пробочного отношения или увеличение потенциальных барьеров, а осуществляет компенсацию изменений показателя спада магнитного поля n в этой области, вызванных воздействием собственного электромагнитного поля инжектируемого пучка. Возбуждаемое магнитное поле опережает на 90^о основное поле, поэтому его влияние будет максимально в момент инжекции и на начальной стадии цикла ускорения. Воздействие собственного поля пучка также максимально на начальной стадии цикла ускорения, так как по мере увеличения энергии частиц влияние пространственного заряда уменьшается, т.е. рассматриваемые процессы происходят практически синхронно. Таким образом, предлагаемый способ ускорения не допускает перехода n в область отрицательных значений и способствует стабилизации захватываемого в ускорение заряда, что приводит к увеличению доводимого до конца цикла ускорения заряда, и, следовательно, к повышению КПД ускорителя что, соответствует критерию "Изобретательский уровень".

Проведенный анализ на соответствие критерию "Изобретательский уровень" показал, что заявляемое устройство отличается предельной простотой, не требует внешних источников питания и других вспомогательных устройств. Подключение активных сопротивлений к намагничивающей обмотке ускорителя с целью возбуждения дополнительного магнитного поля авторам неизвестно. Следовательно, предлагаемое устройство обладает существенным отличием и соответствует критерию "Изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлено сечение 1/2 электромагнита цилиндрического бетатрона; на фиг.2 распределение магнитного поля в рабочем зазоре ускорителя; на фиг.3 временные диаграммы.

В циклических ускорителях с мягкой фокусировкой, в том числе и в цилиндрическом бетатроне, при инжекции интенсивных пучков заряженных частиц под действием пространственного заряда этого пучка происходит сдвиг рабочей точки ускорителя, характеризующийся изменением эффективного значения показателя спада магнитного поля n. Пучок кругового сечения радиусом a и энергией Е, циркулирующий на радиусе R, уменьшает показатель спада магнитного поля n на величину dn (Д.Ливингуд. Принципы работы циклических ускорителей. М. И.Л. 1963).

d_n= где N число частиц в пучке;

e заряд частицы;

_o магнитная проницаемость пространства;

c скорость света;

скорость частицы в единицах скорости света.

В цилиндрическом бетатроне в области между пробками n=0 и даже незначительное уменьшение показателя спада магнитного поля приводит к тому, что n переходит в область отрицательных значений, характеризующуюся дефокусировкой пучка в аксиальном направлении. В процессе ускорения по мере увеличения энергии частиц влияние пространственного заряда уменьшается, и рабочая точка возвращается к исходному значению.

Для того, чтобы исключить потери частиц в цилиндрическом бетатроне, необходимо скомпенсировать изменение показателя спада магнитного поля из-за пространственного заряда пучка в медианной плоскости бетатрона во время инжекции и на начальной стадии цикла ускорения, что достигается возбуждением в области между пробками дополнительного азимутально-симметричного магнитного поля, опережающего на 90^о основное поле и соосного ему.

Устройство, реализующее предлагаемый способ ускорения, состоит (фиг.1), например, из полюсных наконечников 1 и 2, блока центральных вкладышей 3, намагничивающих обмоток 4 6 и активных сопротивлений 7. Кривая 8 (фиг.2) соответствует теоретической кривой распределения магнитного поля B f(z). Индукция магнитного поля B_z в межполюсном пространстве должна быть постоянной B_zo const и возрастать в прилегающих к полюсным наконечникам 1,2 областях до значения B_zg, необходимого для обеспечения аксиальной фокусировки частиц.

Устройство работает следующим образом.

Электромагнитное поле бетатрона возбуждается напряжением косинусоидальной формы (кривая 9, фиг.3). Так как нагрузка носит индуктивный характер, намагничивающий ток (кривая 10) в обмотках 4 6 изменяется по синусоидальному закону.

Наводимые в обмотках 5 ЭДС вызывают протекание по цепи обмотка 5 сопротивления 7 замкнутого тока, по форме повторяющего форму ЭДС, т.е. косинусоиду, а по направлению совпадающему с направлением намагничивающего тока в сопротивлениях 7 и направленного встречно намагничивающему току (опережающему на 90^о) в обмотках 5 (кривая 11).

Управляющее магнитное поле 8 возбуждается током (кривая 10). Под действие пространственного заряда инжектируемого интенсивного электронного пучка кривая распределения магнитного поля 8 в рабочем зазоре ускорителя искажается и принимает форму 12 (фиг.2). Такая форма кривой распределения соответствует отрицательным значениям n и означает аксиальную дефокусировку циркулирующих в бетатроне частиц. Током (кривая 11) в области между пробками возбуждается магнитный поток, направленный встречно управляющему магнитному потоку, в итоге чего кривая распределения результирующего магнитного поля в отсутствии пучка принимает вид 13 (фиг.2), т.е. n становится равным n>0. Выбором соответствующих значений сопротивлений 7 добиваются, чтобы характер изменений кривых распределения магнитного поля под действием заряда пучка 12 и под влиянием возбуждаемого магнитного поля 13 компенсировал друг друга, а результирующее магнитное поле приближалось к кривой 8. Критерием полной компенсации искажений характера распределения магнитного поля является максимум интенсивности излучения ускорителя.

Влияние пространственного заряда, как следует из приведенного выражения, максимально в момент инжекции и уменьшается в процессе ускорения по мере увеличения энергии частиц. Но так как ток (кривая 11) опережает ток (кривая 10) на 90^о, возбуждаемое им магнитное поле также максимально во время инжекции, и уменьшается с ростом тока (кривая 10), пропорционального энергии частиц. Таким образом, компенсация показателя спада магнитного поля осуществляется в момент инжекции и на начальном этапе цикла ускорения.

Предлагаемые способ и устройство были испытаны на действующем цилиндрическом бетатроне на 15 МэВ. При этом соотношения между текущим значением энергии ускоряемых частиц T_уск., напряжением 9 на электромагните (U_к), намагничивающим током (кривая 10) (I₁₀), током (кривая 11) (I₁₁) и отношением I₁₁/I₁₀ имеют значения, представленные в таблице.

Испытание показало, что применение заявляемого способа ускорения позволило в три раза увеличить электронный заряд, доводимый до конца цикла ускорения.