электромагнит для управления пучком (варианты) и способ управления пучком с его использованием

Формула изобретения

1. Электромагнит с перегородкой для отклонения и разделения пучка, содержащий проводник перегородки, разделяющий указанный электромагнит с перегородкой на первое пространство отклоняющего пучок магнитного полюса и второе пространство отклоняющего пучок магнитного полюса, причем электромагнит выполнен с возможностью генерирования первого магнитного поля и второго магнитного поля соответственно в первом пространстве отклоняющего пучок магнитного полюса и втором пространстве отклоняющего пучок магнитного полюса, при пропускании электрических токов по катушкам, включающим проводник перегородки, причем направление первого магнитного поля противоположно направлению второго магнитного поля, причем пучок, проходящий через первое пространство отклоняющего пучок магнитного полюса, отклоняется на заданный угол в направлении, противоположном направлению отклонения пучка, проходящего через второе пространство отклоняющего пучок магнитного полюса.

2. Электромагнит с перегородкой по п.1, отличающийся тем, что напряженность первого магнитного поля установлена равной напряженности второго магнитного поля.

3. Электромагнит с перегородкой по п.1, отличающийся тем, что первое пространство отклоняющего пучок магнитного полюса выполнено с возможностью использования для вывода пучка.

4. Электромагнит с перегородкой по п.1, отличающийся тем, что первое пространство отклоняющего пучок магнитного полюса выполнено с возможностью использования для ввода пучка.

5. Электромагнит, предназначенный для отклонения и разделения пучка, содержащий электромагнит с перегородкой, разделенный на первое пространство отклоняющего пучок магнитного полюса и второе пространство отклоняющего пучок магнитного полюса, и вспомогательный электромагнит, при этом электромагнит выполнен с возможностью генерирования соответственно первого магнитного поля и второго магнитного поля в первом пространстве отклоняющего пучок магнитного полюса и втором пространстве отклоняющего пучок магнитного полюса при пропускании электрических токов по катушкам, включающим проводник перегородки, причем направление первого магнитного поля противоположно направлению второго магнитного поля, и первый пучок, проходящий через первое пространство отклоняющего пучок магнитного полюса, отклоняется на заданный угол в направлении, противоположном отклонению второго пучка, проходящего через второе пространство отклоняющего пучок магнитного полюса, и отклонение указанного второго пучка во втором пространстве отклоняющего пучок магнитного полюса взаимно компенсируется отклонением, вызываемым вспомогательным электромагнитом.

6. Электромагнит по п.5, отличающийся тем, что напряженность первого магнитного поля выбрана равной напряженности второго магнитного поля.

7. Электромагнит по п.6, отличающийся тем, что в направлении по ходу пучка длина электромагнита с перегородкой равна длине вспомогательного электромагнита, причем величины напряженности первого магнитного поля, второго магнитного поля и магнитного поля, создаваемого вспомогательным электромагнитом, выбраны равными друг другу.

8. Электромагнит по п.5, отличающийся тем, что вспомогательный электромагнит состоит из первого вспомогательного электромагнита и второго вспомогательного электромагнита, где первый вспомогательный электромагнит расположен перед указанным электромагнитом с перегородкой, в направлении по ходу пучка, а второй вспомогательный электромагнит расположен позади электромагнита с перегородкой в направлении по ходу пучка.

9. Электромагнит по п.8, отличающийся тем, что напряженность первого магнитного поля установлена равной напряженности второго магнитного поля.

10. Электромагнит по п.9, отличающийся тем, что в направлении по ходу пучка длина электромагнита с перегородкой равна суммарной длине первого вспомогательного электромагнита и второго вспомогательного электромагнита, и величины напряженности первого магнитного поля, второго магнитного поля и магнитных полей, образуемых первым и вторым вспомогательными электромагнитами, установлены равными друг другу.

11. Электромагнит по п.10, отличающийся тем, что в направлении по ходу пучка длина первого вспомогательного электромагнита равна длине второго вспомогательного электромагнита и равна половине длины электромагнита с перегородкой.

12. Электромагнит по п.5, отличающийся тем, что первое пространство отклоняющего пучок магнитного полюса выполнено с возможностью использования для вывода пучка.

13. Электромагнит по п.5, отличающийся тем, что первое пространство отклоняющего пучок магнитного полюса выполнено с возможностью использования для ввода пучка.

14. Способ отклонения пучка, содержащий следующие этапы: изготовления электромагнита с перегородкой, разделенного на первое пространство отклоняющего пучок магнитного полюса и второе пространство отклоняющего пучок магнитного полюса, пропускания электрических токов по катушкам, включающим указанный электромагнит с перегородкой, и генерирования первого магнитного поля и второго магнитного поля соответственно в первом пространстве отклоняющего пучок магнитного полюса и втором пространстве отклоняющего пучок магнитного полюса, причем направление первого магнитного поля обеспечивают противоположным направлению второго магнитного поля, и отклонение пучка, проходящего через первое пространство отклоняющего пучок магнитного полюса на заданный угол в направлении, противоположном по отношению к отклонению пучка, проходящего через второе пространство отклоняющего пучок магнитного полюса.

15. Способ отклонения по п.14, отличающийся тем, что дополнительно содержит этап изготовления вспомогательного электромагнита, с помощью которого в дополнение к электромагниту с перегородкой, обеспечивающему отклонение пучка, проходящего через второе пространство отклоняющего пучок магнитного полюса, компенсируют это отклонение.

16. Способ отклонения по п.14, отличающийся тем, что первое пространство отклоняющего пучок магнитного полюса используют для вывода пучка.

17. Способ отклонения по п.14, отличающийся тем, что первое пространство отклоняющего пучок магнитного полюса используют для ввода пучка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электромагниту для управления пучком, а именно для отклонения и разделения пучка, и к способу управления пучком, который, в частности, используют при вводе/выводе в ускоритель заряженных частиц.

При вводе/выводе в ускоритель заряженных частиц обычно используют электромагниты с перегородкой. На фиг.1 изображен в поперечном сечении известный из уровня техники обычный электромагнит с перегородкой, а на фиг.2 изображен магнит по фиг.1 в продольном сечении.

Как показано на фиг.1 и 2, при пропускании электрического тока заданной силы через плоскую катушку, которая включает внутренний проводник 1 и проводник 3 перегородки, в ярме 5 генерируется магнитное поле В, направленное перпендикулярно плоскости чертежа. Поскольку магнитное поле В экранировано проводником 3 перегородки, оно не может выходить за пределы ярма 5.

Когда такой электромагнит с перегородкой установлен на заданной орбите (орбите вывода) в ускорителе заряженных частиц, выходящий пучок отклоняется магнитным полем В на заданный угол при проходе через ускоритель. Таким образом изменяют орбиту пучка. С другой стороны, поскольку магнитное поле В экранировано проводником 3 перегородки, пучки, которые проходят по орбитам, расположенным ниже электромагнита с перегородкой, не могут отклоняться магнитным полем В. Поэтому заданный пучок может быть выведен из ускорителя заряженных частиц за счет прохода через электромагнит с перегородкой.

Однако в электромагните с перегородкой, представленном на фиг.1 и 2, проводник перегородки должен быть жестко закреплен, поскольку на проводник 3 перегородки воздействует значительная электромагнитная сила, создаваемая магнитным полем В. С другой стороны, поскольку внутри электромагнита с перегородкой мало места, внутри него трудно установить держатель для проводника перегородки.

При повышении напряженности магнитного поля В в ярме 5 может быть достигнута точка насыщения магнитной проницаемости. При этом магнитное поле В может частично рассеиваться за пределы ярма 5 и поэтому влиять на движение пучков на орбитах вокруг ярма 5. Для уменьшения утечек магнитного поля вблизи проводника 3 перегородки может быть установлена пластина, экранирующая магнитное поле, но при этом эффективность электромагнита с перегородкой может ухудшиться, поскольку таким образом будет существенно увеличена толщина проводника 3 перегородки.

В основу настоящего изобретения положена задача разработать новый электромагнит с перегородкой, предназначенный для отклонения и разделения пучка, новый электромагнит для отклонения и разделения пучка, и способ отклонения пучка с использованием электромагнита с перегородкой или электромагнита, которые бы обеспечивали эффективное управление пучками в ускорителях заряженных частиц и были свободны от указанных недостатков.

Задача решается за счет того, что в соответствии с настоящим изобретением предложен электромагнит с перегородкой, предназначенный для отклонения и разделения пучка, который содержит проводник перегородки, предназначенный для разделения указанного электромагнита с перегородкой и, таким образом, для определения первого пространства отклоняющего пучок магнитного полюса и второго пространства отклоняющего пучок магнитного полюса, в котором первое магнитное поле и второе магнитное поле генерируют в указанном первом пространстве отклоняющего пучок магнитного полюса и указанном втором пространстве отклоняющего пучок магнитного полюса, соответственно, при пропускании электрического тока через катушки, включая указанный проводник перегородки, причем направление указанного первого магнитного поля противоположно направлению указанного второго магнитного поля, и пучок, проходящий через указанное первое пространство отклоняющего пучок магнитного полюса, отклоняется на заданный угол в противоположном направлении по отношению к пучку, проходящему через указанное второе пространство отклоняющего пучок магнитного полюса.

Электромагнит с перегородкой, в соответствии с настоящим изобретением, может быть установлен на орбите пучка ускорителя заряженных частиц. При этом пучок на орбите вывода в ускорителе пропускают через первое пространство отклоняющего пучок магнитного полюса электромагнита с перегородкой. Кроме того, пучок на круговой орбите в ускорителе пропускают через второе пространство отклоняющего пучок магнитного полюса электромагнита с перегородкой.

Одно магнитное поле (первое магнитное поле) генерируют в первом пространстве отклоняющего пучок магнитного полюса, и другое магнитное поле (второе магнитное поле) генерируют во втором пространстве отклоняющего пучок магнитного полюса. Поскольку направление первого магнитного поля противоположно направлению второго магнитного поля, электромагнитные силы с различными направлениями действия воздействуют на пучки на орбите вывода и круговой орбите, соответственно, и, таким образом, пучки отклоняют на заданный угол в противоположных направлениях. Поэтому орбиту вывода пучка и круговую орбиту пучка изменяют, и, таким образом, пучки могут быть разделены. В результате, заданный пучок, ускоренный ускорителем заряженных частиц, может быть легко выведен из ускорителя.

Если направления магнитного поля первого пространства отклоняющего пучок магнитного полюса и второго пространства отклоняющего пучок магнитного полюса будут противоположны, по сравнению с вышеприведенным случаем вывода пучка, заданный пучок может быть введен в ускоритель заряженных частиц.

Магнит с перегородкой в соответствии с настоящим изобретением разделен проводником перегородки так, что сформировано первое пространство отклоняющего пучок магнитного полюса и второе пространство отклоняющего пучок магнитного полюса, и, таким образом, первое магнитное поле и второе магнитное поле воздействуют на проводник перегородки. Поскольку направления первого магнитного поля и второго магнитного поля противоположны, электромагнитные силы, возникающие при действии этих магнитных полей, могут быть взаимно скомпенсированы на проводнике перегородки. Поэтому установка проводника перегородки внутри электромагнита с перегородкой может быть выполнена в упрощенном виде.

Например, даже если первое магнитное поле будет выходить за пределы первого пространства отклоняющего магнитного полюса электромагнита с перегородкой, компонент утечки первого магнитного поля будет скомпенсирован компонентом утечки второго магнитного поля, выходящего за пределы второго пространства отклоняющего магнитного полюса электромагнита с перегородкой. Поэтому, поскольку общая утечка магнитного поля за пределами электромагнита с перегородкой может быть таким образом подавлена, отпадает потребность в установке пластины, экранирующей магнитное поле.

Настоящее изобретение также относится к электромагниту, который предназначен для отклонения и разделения пучка, который содержит электромагнит с перегородкой, и разделен на первое пространство отклоняющего пучок магнитного полюса и второе пространство отклоняющего пучок магнитного полюса с помощью электромагнита с перегородкой, а также вспомогательный электромагнит, в котором первое магнитное поле и второе магнитное поле генерируют в указанном первом пространстве отклоняющего пучок магнитного полюса и в указанном втором пространстве отклоняющего пучок магнитного полюса, соответственно, за счет пропускания электрического тока в катушках, включая указанный проводник перегородки, причем направление указанного первого магнитного поля противоположно направлению указанного второго магнитного поля, и первый пучок, проходящий через указанное первое пространство отклоняющего пучок магнитного полюса, отклоняют на заданный угол в направлении, противоположном направлению отклонения второго пучка, проходящего через указанное второе пространство отклоняющего пучок магнитного полюса, и отклонение указанного второго пучка, выходящего из указанного второго пространства отклоняющего пучок магнитного полюса взаимно компенсируют отклонением, вызываемым указанным вспомогательным электромагнитом.

В электромагните, который предназначен для отклонения и разделения пучка, в соответствии с настоящим изобретением, в дополнение к указанному выше электромагниту с перегородкой установлен вспомогательный электрод. При этом отклонение пучка, проходящего через второе пространство отклоняющего магнитного полюса электромагнита с перегородкой, взаимно компенсируют при прохождении через вспомогательный электрод. Поэтому пучок на круговой орбите в результате не отклоняется и, таким образом, непрерывно перемещается по той же круговой орбите.

С помощью электромагнита, в соответствии с настоящим изобретением, может быть отклонен и отделен только пучок на орбите вывода и, таким образом, он может быть выведен из ускорителя заряженных частиц без воздействия на ускорение пучка на круговой орбите.

Способ отклонения пучка и другие аспекты настоящего изобретения будут описаны ниже со ссылками на чертежи, на которых:

фиг. 1 изображает в поперечном сечении электромагнит с перегородкой, известный из уровня техники;

фиг.2 - в продольном сечении электромагнит по фиг.1;

фиг.3 - в поперечном сечении электромагнит по предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.4 - вид электромагнита по фиг.3 в продольном сечении по линии I-I;

фиг.5 - вид электромагнита по фиг.3 в продольном сечении по линии II-II;

фиг. 6 - вид электромагнита по фиг.3 в продольном сечении по линии III-III;

фиг. 7 - схематически направление электрического тока через электромагнит, и

фиг. 8 - схематически направление другого электрического тока через электромагнит.

Настоящее изобретение будет подробно описано со ссылкой на прилагаемые фигуры чертежей. На фиг.3 изображен в поперечном сечении предпочтительный вариант осуществления электромагнита в соответствии с настоящим изобретением, и на фиг.4 изображен вид электромагнита по фиг.3 в продольном сечении по линии I-I. Фиг. 5 изображает вид электромагнита по фиг.3 в продольном сечении по линии II-II, а на фиг.6 - вид электромагнита по фиг.3 в продольном сечении по линии III-III.

Электромагнит 10, предназначенный для отклонения и разделения пучка, изображенный на фиг.3-6, включает электромагнит 20 с перегородкой, предназначенный для отклонения и разделения пучка, который, в соответствии с настоящим изобретением, установлен в центре, первый вспомогательный электромагнит 30 установлен перед электромагнитом 20 с перегородкой в направлении пучка, и второй вспомогательный электромагнит 40 установлен позади электромагнита 20 с перегородкой в направлении пучка.

Электромагнит 20 с перегородкой включает внутренние проводники 11 и 12, установленные внутри ярма 15, и проводник 13 перегородки с двойной структурой установлен в центре. Первый вспомогательный электромагнит включает внутренние проводники 21 и 22, установленные внутри ярма 25, и второй вспомогательный электромагнит включает внутренние проводники 31 и 32, установленные внутри ярма 35.

Заданной величины электрический ток пропускают через плоскую катушку (не показана), которая установлена рядом с ярмом 15 электромагнита 20 с перегородкой, и через катушку, состоящую из внутреннего проводника 11 и проводника 13 перегородки и определенную областью Р, в показанном на фиг.7 направлении. В этом случае первое магнитное поле В1 вырабатывается в пространстве 17, определенном внутренним проводником 11 и проводником 13 перегородки, то есть, в первом пространстве 17 отклоняющего пучок магнитного полюса, в направлении вверх, перпендикулярном плоскости чертежа.

Заданной величины электрический ток пропускают через плоскую катушку (не показана), которая установлена рядом с ярмом 15 электромагнита 20 с перегородкой, и катушку, состоящую из внутреннего проводника 12 и проводника 13 перегородки и определенной областью Q, в представленном на фиг.8 направлении. В этом случае второе магнитное поле В2 генерируется в пространстве 19, определяемом внутренним проводником 12 и проводником 13 перегородки, то есть, во втором пространстве 19 отклоняющего пучок магнитного полюса в направлении вниз, перпендикулярном плоскости чертежа.

Электрические токи пропускают также через плоские катушки (не показаны), которые установлены рядом с ярмом 25 и ярмом 35 первого и второго вспомогательного электромагнита 30 и 40, соответственно, и через внутренние проводники 21 и 22, а также через внутренние проводники 31 и 32, соответственно, в направлении, изображенном на фиг.7. В данном случае третье магнитное поле В3 и четвертое магнитное поле В4 генерируется в пространствах первого и второго вспомогательных электромагнитов 30 и 40, соответственно, в направлении вверх, перпендикулярном плоскости чертежа.

Абсолютные значения напряженности магнитных полей В1 - В4 устанавливают одинаковыми. Длина L1 первого вспомогательного электромагнита 30 установлена равной длине L2 второго вспомогательного электромагнита 40. Кроме того, длины L1 и L2, по существу, установлены равными половине длины L электромагнита 20 с перегородкой.

Электромагнит 20, изображенный на фиг.3-6, установлен в ускорителе заряженных частиц, например, так, что пучок орбиты вывода входит с верхней стороны электромагнита 20. В этом случае пучок отклоняется по направлению вверх на угол /4 под воздействием магнитного поля В3 в первом вспомогательном электромагните 30. Затем пучок входит в первое пространство 17 отклоняющего пучок магнитного полюса, определяемое внутренним проводником 11 и проводником 13 перегородки электромагнита 20 с перегородкой.

Поскольку длина L электромагнита 20 с перегородкой установлена в два раза большей, чем длина L1 первого вспомогательного электромагнита 30, электромагнитная сила вдвое большая по величине по сравнению с первым вспомогательным электромагнитом 30 действует на пучок, который должен быть отклонен вверх на угол /2 в первом магнитном поле В1 по существу одинаковом по величине напряженности с третьим магнитным полем ВЗ. Затем пучок вводят во второй вспомогательный электромагнит 40, имеющий длину, равную первому вспомогательному электромагниту 30, и, таким образом, его отклоняют вверх на угол /4, как в первом вспомогательном электромагните 30. В результате пучок на орбите вывода оказывается отклонен вверх в целом на угол .

С другой стороны пучок на круговой орбите вводят в нижнюю часть электромагнита 10. Далее пучок отклоняют вверх на угол /4 в первом вспомогательном электромагните 30 и вводят во второе пространство 19 отклоняющего пучок магнитного поля, определяемого внутренним проводником 12 и проводником 13 перегородки электромагнита 20. Поскольку во втором пространстве 19 отклоняющего пучок магнитного поля создают магнитное поле В2, которое равно по величине напряженности и противоположно по направлению магнитному полю В1, пучок отклоняют вниз на угол /2. После этого пучок вводят во второй вспомогательный электромагнит 40, и, таким образом, отклоняют вверх на угол /4.

В результате пучок на круговой орбите оказывается отклоненным на угол /42 = /2 первым и вторым вспомогательным электромагнитами 30 и 40 и отклоняется вниз на угол /2 электромагнитом 20 с перегородкой и, таким образом, не отклоняется вообще и проходит через электромагнит 10 без отклонения.

Аналогично пучок на орбите вывода отклоняется вверх на угол при проходе через электромагнит 10 и пучок на круговой орбите не отклоняется и проходит через электромагнит 10 так, что пучок на орбите вывода может быть легко разделен и выведен из ускорителя заряженных частиц, а пучок на круговой орбите может стабильно проходить без отклонения.

На проводник 13 перегородки воздействуют электромагнитные силы, создаваемые магнитными полями В1 и В3 соответственно в первом и втором пространствах 17 и 19 отклоняющих пучок магнитных полюсов. Однако поскольку напряженность первого магнитного поля В1 установлена равной напряженности второго магнитного поля В2, электромагнитные силы взаимно компенсируются. В результате электромагнитная сила почти не воздействует на проводник 13 перегородки, и, таким образом, структура элемента держателя для проводника 13 перегородки может быть упрощена.

Кроме того, поскольку электромагнитные силы, воздействующие на проводник 13 перегородки, взаимно компенсируются, вместо использования постоянного тока можно использовать способ возбуждения пульсирующим током. В результате генерирование тепла на проводнике 13 перегородки может быть уменьшено, и, таким образом, проводник 13 перегородки может быть выполнен более тонким.

Кроме того, даже если первое и второе магнитные поля В1 и В2 будут выходить за пределы электромагнита 20 с перегородкой, компоненты утечки будут взаимно компенсироваться, и, таким образом, утечка магнитного поля за пределы электромагнита 20 с перегородкой может быть существенно уменьшена. В результате, для снижения утечки магнитного поля не требуется устанавливать пластину, экранирующую электромагнитное поле, и, таким образом, эффективность электромагнита 20 с перегородкой может быть существенно повышена.

Хотя в вышеописанном варианте осуществления изобретения представлен электромагнит 10, предназначенный для отклонения и разделения пучка для вывода, он определенно может использоваться для ввода пучка. В этом случае орбиту вывода изменяют на орбиту снижения. Затем пучки орбиты снижения и круговой орбиты вводят в электромагнит 10 с правой стороны и выводят с левой стороны. В результате пучок проходит через электромагнит 10 в противоположном направлении и, таким образом, вводится в ускоритель заряженных частиц.

Хотя настоящее изобретение было подробно описано со ссылкой на конкретные примеры осуществления, настоящее изобретение не ограничивается вышеприведенным описанием, и различные изменения и модификации могут быть сделаны без отхода от объема и сущности настоящего изобретения.

В вышеприведенном варианте осуществления, например, установлены первый вспомогательный электромагнит 30 и второй вспомогательный электромагнит 40, которые расположены перед и позади электромагнита 20 с перегородкой, но может использоваться только один вспомогательный электромагнит, который установлен перед или позади электромагнита 20 с перегородкой.

Кроме того, в вышеприведенном варианте осуществления изобретения напряженность первого магнитного поля В1 установлена равной напряженности второго магнитного поля В2, но в другом варианте осуществления изобретения они могут быть различны. При установке напряженности первого магнитного поля В1, равной напряженности второго магнитного поля В2, однако, угол отклонения пучка, проходящего через первое пространство 17 отклоняющего пучок магнитного полюса, устанавливается равным углу отклонения пучка, проходящего через второе пространство 19 отклоняющего пучок магнитного полюса, и, таким образом, упрощается управление процессом прохождения пучка.

Кроме того, в описанном варианте длина L электромагнита 20 с перегородкой была выбрана равной сумме длины L1 первого вспомогательного электромагнита 30 и длины L2 второго вспомогательного электромагнита 40, но в другом варианте осуществления они могут быть различными. Однако при установке длины L, равной сумме длин L1 и L2, и установке величины напряженности магнитных полей В1-В4, равных друг другу, как указано выше, пучок на круговой орбите не отклоняется, а отклоняется только пучок на орбите вывода.

Как пояснялось выше, в соответствии с настоящим изобретением могут быть созданы электромагнит с перегородкой, предназначенный для отклонения и разделения пучков, электромагнит для отклонения и разделения пучков, а также способ отклонения пучка, которые позволяют легко выводить пучок из ускорителя заряженных частиц или подобного устройства за счет соответствующего отклонения без необходимости использования сложной структуры держателя для электромагнита с перегородкой и пластины, экранирующей магнитное поле.