безжелезный синхротрон

Формула изобретения

Безжелезный синхротрон, содержащий намагничивающую обмотку, ускорительную камеру, инжектор, ускоряющий резонатор, отличающийся тем, что одновитковая намагничивающая обмотка составлена из четырех аналогичных секций, расположенных на круговых секторных участках траектории ускоряемых частиц, каждая из которых выполнена в виде двух концентрически расположенных участков колец, изготовленных из проводящих, например медных, полос, соединенных с одного конца электрически, а с другого подсоединенных к разноименным полюсам импульсного или переменного источника питания, причем полосы выгнуты по ширине так, что выпуклость обращена наружу от оси колец, по краям полосы соединены между собой диэлектрическими вакуумными уплотнителями, криволинейные секции обмотки соединены между собой прямолинейными вакуумными электроно- или ионопроводами для создания замкнутой ускорительной камеры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для получения пучков заряженных частиц или тормозного излучения с энергией от нескольких сотен МэВ и выше.

Известны ускорители заряженных частиц, электронные синхротроны [1], содержащие электромагнит, ускорительную камеру, инжектор, ускоряющий резонатор и соответствующие системы электропитания. Синхротроны позволяют ускорять заряженные частицы до весьма высоких энергий, достигающих нескольких тысяч МэВ. Однако эти ускорители обладают очень большой массой, характеризуются сложной и дорогостоящей технологией изготовления электромагнита, ускорительной камеры и имеют трудоемкую технологию монтажа всей установки.

Известен также индукционный ускоритель заряженных частиц (см. патент RU 2193829), содержащий намагничивающую обмотку, ускорительную камеру с инжектором, импульсные источники питания, в котором для создания управляющего магнитного поля использована одновитковая намагничивающая обмотка, выполненная в виде двух концентрически расположенных проводящих колец, имеющих радиальный разрез, по одну сторону которого полосы соединены электрически, а по другую сторону разреза подсоединены к разноименным полюсам источника питания, причем полосы по ширине выгнуты так, что выпуклость обращена наружу от оси колец, а по краям полосы соединены между собой кольцевыми диэлектрическими вакуумными уплотнителями, формируя ускорительную камеру. Такой ускоритель, обладая хорошими массогабаритными параметрами, не позволяет, однако, в силу индукционного принципа ускорения, получать высокие значения энергии ускоряемых заряженных частиц. Предельное значение энергии ускоренных индукционным методом электронов, по ряду физико-технических и экономических причин, не превышает нескольких сотен МэВ.

Наиболее близким техническим решением является электронный синхротрон на 1,5 ГэВ со слабой фокусировкой, содержащий электромагнит со стальным магнитопроводом, фарфоровую, склеенную из секторов ускорительную камеру, инжектор, ускоряющие резонаторы, а также импульсные и высокочастотные электрические схемы для питания соответствующих узлов ускорителя. Магнитное поле, необходимое для обеспечения движения ускоряемых электронов по неизменной орбите, создается с помощью электромагнита, составленного из четырех секторов, каждый из которых имеет азимутальную протяженность в одну четверть окружности. Магнитопроводы секторов изготовлены из листовой трансформаторной стали, имеют воздушный зазор для размещения ускорительной камеры и разделены между собой прямолинейными участками, свободными от магнитного поля и используемыми для размещения на этих участках инжекторного устройства, ускоряющего резонатора, вакуумных насосов и пр., подсоединяемых к ускорительной камере. Сектора электромагнита питаются импульсным током. Как видно, магнитная система синхротрона представляет собой громоздкую конструкцию. Например, в упомянутом синхротроне масса трансформаторной стали, из которой изготовлены сектора магнитопровода ускорителя, составляет 120 тонн. При этом электромагнит синхротрона является самой сложной и самой трудоемкой в изготовлении и монтаже частью установки (см. Воробьев А.А. и др. Синхротрон ТПИ на 1,5 ГэВ, М.: Атомиздат, 1986).

Задачей изобретения является упрощение конструкции, технологии изготовления и монтажа, уменьшение массы и габаритных размеров ускорителя.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом безжелезном синхротроне, содержащем намагничивающую обмотку, ускорительную камеру, инжектор, ускоряющий резонатор, одновитковая намагничивающая обмотка для создания управляющего магнитного поля составлена из четырех аналогичных секций, расположенных на круговых секторных участках траектории ускоряемых частиц, каждая из которых выполнена в виде двух концентрически расположенных участков колец, изготовленных из проводящих, например, медных полос, соединенных с одного конца электрически, а с другого подсоединенных к разноименным полюсам импульсного или переменного источника питания, причем полосы выгнуты по ширине так, что выпуклость обращена наружу от оси колец, по краям полосы соединены между собой прямолинейными вакуумными электроно- или ионопроводами для создания замкнутой ускорительной камеры.

Использование для создания управляющего магнитного поля одновитковой обмотки, составленной из четырех аналогичных секций, располагаемых на круговых секторных участках траектории ускоряемых частиц, позволяющих полностью отказаться от применения стального магнитопровода, упрощает конструкцию синхротрона, технологию его изготовления, уменьшает массу и габаритные размеры установки в целом. Кроме того, соединение краев обмотки с помощью диэлектрических вакуумных уплотнителей позволяет одновременно использовать обмотку в качестве четырех криволинейных секторов ускорительной камеры, которые после соединения друг с другом с помощью прямолинейных электроно- или ионопроводов, образуют замкнутую ускорительную камеру типа "рейстрек". Ускорительная камера в любом действующем синхротроне является самостоятельным, сложным и трудоемким в изготовлении и монтаже узлом.

На чертеже представлена схема предлагаемого безжелезного синхротрона и разрез синхротрона (а).

Безжелезный синхротрон содержит одновитковую намагничивающую обмотку для создания управляющего магнитного поля, состоящую из четырех аналогичных секций 1, расположенных на круговых секторных участках траектории ускоряемых частиц, каждая из которых выполнена в виде концентрически расположенных участков колец, изготовленных из проводящих, например, медных полос 2, 3, соединенных с одного конца электрически, а с другого подсоединенных к разноименным полюсам импульсного или переменного источника питания 4, по краям полосы 2, 3 соединены между собой диэлектрическими вакуумными уплотнителями 5 и образуют четыре секторных участка ускорительной камеры. Секторные участки камеры соединены между собой с помощью прямолинейных вакуумных электроно- или ионороводов 6, и образуют замкнутую ускорительную камеру типа "рейстрек". Для обеспечения фокусирующих свойств управляющего магнитного поля ("бочкообразная" форма силовых линий поля), проводящие полосы 2, 3 выгнуты по ширине выпуклостью наружу от центра ускорителя, чертеж а. Синхротрон содержит также инжектор 7, ускоряющий резонатор или резонаторы 8, вакуумные насосы 9, размещаемые в зоне прямолинейных участков траектории ускоряемых частиц.

Использование одновитковой обмотки для получения управляющего магнитного поля и одновременно для формирования ускорительной камеры позволяет полностью отказаться от стального магнитопровода, многократно облегчает ускоритель и упрощает его конструкцию, обеспечивает свободный доступ к ускорительной камере на всем ее протяжении, упрощает технологию изготовления и монтажа ускорителя и повышает удобства эксплуатации синхротрона.

Безжелезный синхротрон (чертеж) работает следующим образом. Управляющее магнитное поле возбуждается одновитковой обмоткой, состоящей из четырех аналогичных секций 1, расположенных на криволинейных участках траектории ускоряемых частиц, каждая из которых выполнена в виде двух концентрически расположенных участков колец, изготовленных из проводящих, например медных, полос 2, 3, которые с одного конца соединены электрически, а с другого подсоединены к разноименным полюсам импульсного или переменного источника питания 4. При таком соединении ток в обеих полосах протекает в противоположных направлениях. В результате в пространстве между полосами создается переменное, спадающее по радиусу магнитное поле. Для обеспечения фокусирующих свойств управляющего магнитного поля медные полосы 2, 3 по ширине выгнуты выпуклостью наружу от центра ускорителя (чертеж а). Это придает силовым линиям поля "бочкообразную" форму, характерную для фокусирующего ("бетатронного") поля. Все четыре секции одновитковой обмотки образуют единую магнитную систему синхротрона. По краям проводящие полосы 2, 3, образующие каждую секцию одновитковой обмотки, соединяются между собой диэлектрическими вакуумными уплотнителями 5. В результате формируются четыре криволинейных сектора ускорительной камеры, совмещенных с намагничивающей одновитковой обмоткой. Эти криволинейные сектора соединяются между собой при помощи прямолинейных вакуумных электроно- или ионопроводов 6, свободных от магнитного поля и образуют замкнутую ускорительную камеру, аналогично тому, как это делается в известных синхротронах типа "рейстрек". Прямолинейные участки ускорительной камеры, свободные от магнитного поля, используются для монтажа сопутствующего оборудования - резонаторов, вакуумных насосов и т.п.

Управляющее магнитное поле, созданное одновитковой обмоткой изменяется во времени в соответствии с ростом энергии ускоряемых заряженных частиц и этим обеспечивается удержание частиц на орбите постоянного радиуса в пределах действия данной секции обмотки. На участках ускорительной камеры, соединяющих между собой секции обмотки, магнитное поле отсутствует и ускоряемые частицы движутся прямолинейно. Таким образом, замкнутая орбита и, соответственно, ускорительная камера состоят из четырех криволинейных и четырех прямолинейных участков. Синхротрон с такой формой орбиты получил название ускорителя типа "рейстрек".

Значение напряженности управляющего магнитного поля на орбите ускорителя зависит от энергии ускоряемых частиц и максимум напряженности поля определяется заданным значением энергии частиц, которую желают получить от ускорителя. Ввод заряженных частиц в ускорительную камеру осуществляется с помощью инжектора 7, ускорение частиц - с помощью резонатора или резонаторов 8, вакуум в ускорительной камере обеспечивается насосами 9.

Таким образом, применение в синхротроне идеи одновитковой намагничивающей обмотки для создания управляющего магнитного поля (по аналогии с кольцевой одновитковой обмоткой, используемой в миниатюрных индукционных циклических ускорителях) в виде четырех аналогичных секций, располагаемых на круговых секторных участках траектории ускоряемых частиц, при одновременном выполнении этой обмоткой функций ускорительной камеры приводит к созданию нового типа ускорителя заряженных частиц - безжелезного синхротрона, обладающего рядом новых технических и инженерно-экономических параметров, таких как малая масса ускорителя, совмещение функций намагничивающей обмотки и ускорительной камеры в единой системе, упрощенная технология изготовления и монтажа ускорителя и пр., выгодно отличающих предложенный безжелезный синхротрон от известных ускорителей такого типа.

Источники информации

1. А.А.Воробьев, И.П.Чучалин, А.Г.Власов и др. Синхротрон ТПИ на 1,5 ГэВ. М.: Атомиздат, 1968 г.

2. В.А.Москалев. Патент на изобретение №2193829, "Индукционный ускоритель заряженных частиц", Бюллетень изобретений, №33, 2002 г.