безжелезный бетатрон

Формула изобретения

Безжелезный бетатрон, содержащий электромагнит, источник питания, инжектор, ускорительную камеру, отличающийся тем, что снаружи на аксиальных границах ускорительной камеры с обеих сторон на радиусе равновесной орбиты размещено по одной катушке с запиткой от дополнительного источника питания, формирующего в каждой из них во время цикла ускорения постоянный (квазипостоянный) ток с амплитудой, равной или большей половине амплитуды ускоряемого электронного тока, и направленный встречно его движению.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке и усовершенствовании индукционных циклических ускорителей.

Известен бетатрон, содержащий источник питания, инжектор, электромагнит, выполненный в виде двух плоских спиралей, соединенных центральным соленоидом с зазором в центральной части, размещенных на каркасе. В полости, образованной плоскими спиралями симметрично медианной плоскости, расположена ускорительная камера /А.И.Павловский, Г.Д.Кулешов, Г.В.Склизков, Ю.А.Зысин, А.И.Герасимов, ДАН СССР, 1965 г., т.160, №1, с.68-70/.

Недостатком данного устройства являются большие потери электронов в процессе ускорения, обусловленные поперечной неустойчивостью.

Технический результат изобретения - сохранение аксиального размера области устойчивости и сокращение потерь электронов в процессе ускорения.

Данный технический результат достигается тем, что в бетатроне, содержащем электромагнит, инжектор, ускорительную камеру снаружи на аксиальных границах ускорительной камеры с обеих сторон на радиусе равновесной орбиты размещено по одной катушке с запиткой от дополнительного источника питания, формирующего в каждой из них во время цикла ускорения постоянный (квазипостоянный) ток с амплитудой, равной или большей половине амплитуды ускоряемого электронного тока, и направленный встречно его движения.

Как известно, классические бетатронные условия устойчивого движения электронов в осесимметричном переменном магнитном поле были получены в одночастичном приближении. При низковольтной инжекции влияние собственного внешнего магнитного поля слаботочного пучка на бетатронное поле и связанное с этим изменение условий устойчивости движения электронов не существенно. Однако с повышением напряжения инжекции и, соответственно, роста числа ускоряемых электронов статистические характеристики пучка: собственное магнитное поле, его индуктивность и магнитный поток, оказывают существенное влияние на величину предельного тока инжекции и последующее его ускорение.

Качественную картину изменения топографии бетатронного поля в области устойчивости и как следствие ограничение предельного тока инжекции легко получить, полагая, что пучок прямолинейный и его сечение имеет форму круга радиуса R_n и что плотность частиц постоянна как по сечению, так и по длине. В этом случае внешнее магнитное поле прямолинейного тока I на радиусе r _n описывается формулой

где H_п - эрст, I - А, r_n - см.

С другой стороны из формулы для показателя спада бетатронного поля n в области равновесной орбиты, где 0<n<1, следует

где H_z - перепад магнитного поля при приращении r на R в эрст; H_zR0 - амплитуда магнитного поля на R₀ в эрст; R₀ - радиус равновесной орбиты в см.

Суперпозиция бетатронного поля H_z и - z-товая компонента магнитного поля пучка Н_nz, т.е. H_z =H_z+H_n определяют топографию области устойчивости, при этом всегда на внутреннем радиусе пучка эти поля разного знака, а на внешнем - одного. Вследствие этого с повышением тока инжекции происходит уменьшение H_z и при достаточно больших токах H_z меняет знак, при этом происходит нарушение вертикальной фокусировки. Необходимо отметить, что радиальная фокусировка электронного пучка усиливается.

Как физический объект электронный пучок характеризуется током I, индуктивностью L и связанным с ними магнитным потоком Ф=LI, на который распространяется действие закона сохранения магнитного потока. В процессе ускорения при постоянной частоте бетатронных колебаний поперечные размеры ускоряемого пучка уменьшаются с возрастанием управляющего поля ˜(H_z)^-1/2 (А.А.Коломенский, А.Н.Лебедев. Теория циклических ускорителей. Гос.Изд.Физ.Мат.Лит. Москва, 1962 г.), при этом сохраняется изначальное соотношение между величиной собственного поля пучка и перепадом управляющего магнитного поля, т.е. трансформации формы сечения пучка не происходит, и потери электронов отсутствуют, а это противоречит закону сохранения магнитного потока, так как при подобном уменьшении сечения пучка индуктивность его возрастает. Следовательно, вследствие закона сохранения магнитного потока в процессе ускорения пучка должна происходить трансформация формы его сечения, направленная в сторону сохранения начальной индуктивности.

Для более полной ясности дальнейшего изложения необходимо несколько расширить понятие равновесной орбиты. По определению равновесная орбита - кривая, лежащая в медианной плоскости бетатрона, на которой выполняется отношение 2:1, т.е. напряженность магнитного поля в бетатроне в точках орбиты постоянного радиуса во всякий момент времени должна быть вдвое меньше средней напряженности магнитного поля внутри этой орбиты. На самом деле, если мы все пространство между электромагнитами и область устойчивости как часть его разделим плоскостями, параллельными медианной, то в каждой из этих плоскостей мы будем иметь кривую, на которой выполняется отношение 2:1, т.е. в действительности мы имеем не равновесную орбиту, а по крайней мере в пределах камеры ускорения (области устойчивости) некую равновесную цилиндрическую поверхность. Наличие этой равновесной цилиндрической поверхности определяет приоритетное распределение электронов в аксиальном направлении при фокусировке в процессе ускорения и объясняет, почему в конце цикла ускорения пучок всегда вытянут в аксиальном направлении. Этому также способствует и особенность области устойчивости бетатрона, заключающаяся в том, что величина показателя спада магнитного поля на цилиндрической поверхности максимальна в медианной плоскости и стремится к нулю по мере удаления от нее в аксиальном направлении.

В процессе ускорения под воздействием фокусирующей силы ˜(Н_z )^-1/2 пучок начинает сжиматься в радиальном направлении, при этом происходит перераспределение электронов на равновесной цилиндрической поверхности, обусловленное законом сохранения магнитного потока. Вследствие этого перераспределения аксиальные размеры пучка увеличиваются, и электроны попадают в область с меньшим показателем спада магнитного поля, при этом нарушается равновесие между собственным магнитным полем пучка и перепадом управляющего магнитного поля, и происходит увеличение амплитуды аксиальных бетатронных колебаний. На определенном этапе ускорения, в зависимости от величины ускоряемого тока, аксиальные размеры пучка увеличиваются настолько, что происходит нарушение условий устойчивости движения электронов и «лишние» электроны сбрасываются.

Таким образом, в процессе ускорения влияние внешнего собственного магнитного поля пучка на исходное бетатронное поле приводит к уменьшению аксиальных размеров области устойчивости, и для ее сохранения необходимо это поле устранить.

На чертеже схематично изображен безжелезный бетатрон.

Бетатрон состоит из электромагнита 1, ускорительной камеры 2 и из двух катушек 3 и 3', размещенных снаружи ускорительной камеры на аксиальных ее границах на радиусе равновесной орбиты R₀.

Безжелезный бетатрон работает следующим образом.

Срабатывание источника питания приводит к возникновению тока в электромагните, который формирует в области устойчивости бетатронное магнитное поле. По достижении магнитным полем определенной величины срабатывает инжектор и затем дополнительный источник питания, формирующий в катушках 3 и 3' в процессе цикла ускорения возникновение постоянного (квазипостоянного) тока амплитудой, равной или большей половине амплитуды ускоряемого тока и направленного встречно его движению. Вследствие суперпозиции магнитные поля пучка и токов в катушках компенсируют в какой-то мере друг друга, характеристики области устойчивости и ее аксиальные размеры сохраняются, потери частиц в процессе ускорения уменьшаются, и, соответственно, число ускоренных электронов увеличивается.

Согласно литературным данным /Р.А.Воробьев, В.А.Москалев. Сильноточный бетатрон и стереобетатрон. Атомиздат. М. 1969/ за весь цикл ускорения вследствие поперечной неустойчивости может быть потеряно 60-90% от захваченного в ускорении числа электронов. Следовательно, сохранение аксиального размера области устойчивости в процессе ускорения позволит повысить ток пучка примерно в 2,5-8 раз и, соответственно, увеличить дозу тормозного излучения.