бетатрон с простым возбуждением

Формула изобретения

1. Магнит бетатрона, содержащий:

первый направляющий магнит, имеющий первый полюсный наконечник, и второй направляющий магнит, имеющий второй полюсный наконечник, причем как упомянутый первый направляющий магнит, так и упомянутый второй направляющий магнит имеют центрально расположенную апертуру, причем упомянутый первый полюсный наконечник отделен от упомянутого второго полюсного наконечника зазором направляющего магнита;

сердечник, расположенный в пределах упомянутых центрально расположенных апертур, примыкая и к упомянутому первому направляющему магниту, и к упомянутому второму направляющему магниту, причем упомянутый сердечник имеет, по меньшей мере, один зазор сердечника;

возбуждающую катушку, намотанную вокруг упомянутого первого полюсного наконечника и упомянутого второго полюсного наконечника;

катушку орбитального управления, имеющую участок сжимающей катушки, намотанной вокруг упомянутого, по меньшей мере, одного зазора сердечника, и участок катушки смещения, намотанной как вокруг упомянутого первого полюсного наконечника, так и вокруг упомянутого второго полюсного наконечника, причем упомянутый участок сжимающей катушки и упомянутый участок катушки смещения соединены последовательно в противоположной полярности;

площадь, заключенная в пределах упомянутой возбуждающей катушки 14 и упомянутого участка катушки смещения 40, разделена на секцию сердечника 12а и секцию 16а направляющего магнита с упомянутым участком 38 сжимающей катушки, расположенным ориентировочно на границе, по существу, между упомянутой секцией сердечника и упомянутой секцией направляющего магнита;

причем магнитные потоки в упомянутом сердечнике и упомянутых первом и упомянутом втором направляющих магнитах возвращаются через один или несколько периферических участков магнита бетатрона;

схему, выполненную с возможностью выдачи импульсов напряжения на упомянутую возбуждающую катушку и на упомянутую катушку орбитального управления; и

электронный ускорительный канал, расположенный в пределах упомянутого зазора направляющего магнита.

2. Бетатрон по п.1, причем упомянутый сердечник является гибридным, имеющим центральный участок с высокой плотностью потока насыщения и периметр, сформированный из магнитного материала высокой проницаемости с быстрым откликом.

3. Бетатрон по п.2, причем упомянутый центральный участок является аморфным металлом, и упомянутый периметр является ферритом с магнитной проницаемостью более 100.

4. Бетатрон по п.2, причем совокупная ширина упомянутого, по меньшей мере, одного зазора сердечника эффективна для удовлетворения бетатронного условия.

5. Бетатрон по п.4, причем упомянутая совокупная ширина упомянутого, по меньшей мере, одного зазора сердечника составляет от 2 мм до 2,5 мм.

6. Бетатрон по п.4, причем упомянутый, по меньшей мере, один зазор сердечника сформирован из множества зазоров.

7. Бетатрон по п.4, причем диаметры и упомянутого первого полюсного наконечника, и упомянутого второго полюсного наконечника составляют от 2,75 дюймов до 3,75 дюймов.

8. Бетатрон по п.4, причем отношение количества витков упомянутого участка сжимающей катушки к количеству витков упомянутого участка управления смещением составляет 2:1.

9. Бетатрон по п.8, причем отношение количества витков упомянутой возбуждающей катушки к количеству витков упомянутой катушки смещения составляет, по меньшей мере, 10:1, и количество витков возбуждающей катушки составляет, по меньшей мере, 10.

10. Бетатрон по п.9, причем упомянутая схема обеспечивает номинальный пиковый ток 170 А и номинальное пиковое напряжение 900 В.

11. Бетатрон по п.10, прикрепленный к зонду, выполненному с возможностью его введения в нефтяную буровую скважину.

12. Способ для генерации рентгеновских лучей, содержащий этапы:

предоставления магнита бетатрона, который включает в себя направляющий магнит с первым направляющим магнитом, имеющим первый полюсный наконечник, и вторым направляющим магнитом, имеющим второй полюсный наконечник, причем как упомянутый первый направляющий магнит, так и упомянутый второй направляющий магнит имеют центрально расположенную апертуру, причем упомянутый первый полюсный наконечник отделен от упомянутого второго полюсного наконечника зазором направляющего магнита, а также включает в себя сердечник, расположенный в пределах упомянутых центрально расположенных апертур, примыкая как к упомянутому первому направляющему магниту, так и к упомянутому второму направляющему магниту, причем упомянутый сердечник имеет, по меньшей мере, один зазор сердечника;

создания потока посредством катушки смещения, намотанной как вокруг упомянутого первого полюсного наконечника, так и вокруг упомянутого второго полюсного наконечника;

окружения упомянутого зазора направляющего магнита электронным каналом;

формирования первого магнитного потока первой полярности, которой соответствует противоположная вторая полярность, который проходит через центральные участки упомянутого магнита бетатрона и упомянутого сердечника, а также через упомянутый электронный канал и затем возвращается через периферические участки упомянутого магнита бетатрона;

возбуждения сжимающей катушки, намотанной вокруг упомянутого, по меньшей мере, одного зазора сердечника для формирования второго магнитного потока;

возбуждения возбуждающей катушки, намотанной как вокруг упомянутого первого полюсного наконечника, так и вокруг упомянутого второго полюсного наконечника для формирования указанного первого магнитного потока, при этом площадь, заключенная в пределах упомянутой возбуждающей катушки и упомянутой катушки смещения, разделена на сердечник и упомянутый направляющий магнит с упомянутой сжимающей катушкой, расположенной точно на границе между упомянутым сердечником и упомянутым направляющим магнитом;

инжекции электронов в электронную орбиту в пределах упомянутого электронного канала, когда упомянутый первый магнитный поток имеет приблизительно минимальную напряженность при упомянутой первой полярности;

формирования упомянутого второго магнитного потока при упомянутой противоположной второй полярности, который проходит через периметр упомянутого сердечника и возвращается через упомянутый электронный канал при первой полярности в первый период, эффективный для сжатия упомянутых орбит инжектированных электронов до оптимальной орбиты бетатрона, причем после упомянутого первого периода упомянутый периметр упомянутого сердечника магнитно насыщается, и упомянутый второй магнитный поток проходит через внутренний участок упомянутого сердечника и в комбинации с упомянутым первым магнитным потоком ускоряет упомянутые электроны, посредством чего осуществляет условие форсинга потока; и

обращения полярности упомянутого второго магнитного потока, когда упомянутый первый магнитный поток приближается к максимальной напряженности, тем самым, расширяя упомянутую электронную орбиту, приводя упомянутые электроны к столкновению с мишенью, вызывающему эмиссию рентгеновских лучей.

13. Способ по п.12, причем обратный участок упомянутого второго магнитного потока в упомянутых периферических участках упомянутого магнита бетатрона подавляется посредством потока, создаваемого посредством упомянутой катушки смещения, намотанной как вокруг упомянутого первого полюсного наконечника, так и вокруг упомянутого второго полюсного наконечника.

14. Способ по п.13, причем упомянутая катушка смещения электрически соединена последовательно, но при противоположной полярности с упомянутой катушкой ограничения.

15. Способ по п.14, причем отношение потока катушки смещения ко второму потоку таково, что приводит к возвращению упомянутого второго потока через упомянутый электронный канал.

16. Способ по п.15, включающий в себя формирование упомянутого сердечника как гибридного, имеющего внутреннюю часть с высокой плотностью потока насыщения и проницаемый периметр с быстрым откликом.

Описание изобретения к патенту

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Эта патентная заявка связана с находящейся в общей собственности патентной заявкой, № в реестре поверенных США 49.0348 US NP, озаглавленной "Двунаправленный диспенсерный катод"; Luke T. Perkins, поданной 14 декабря 2007.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

1. Область техники

Изобретение в целом относится к компактному бетатронному электронному ускорителю. Более конкретно, единственная катушка возбуждает и участок сердечника, и направляющее поле, избавляя от необходимости в отдельных возбуждающих катушках, разделенных воздушным зазором, и не требуя соответствующего места для них.

2. Уровень техники

Каротаж буровой нефтяной скважины представляет собой процесс, посредством которого измеряются свойства пластов земли в зависимости от глубины в буровой скважине. Геолог, анализирующий каротажные данные, может определить глубины, на которых наиболее вероятно располагаются нефтеносные формации. Одна из важных частей каротажных данных - плотность формации. Большинство современных каротажных исследований основано на регистрации гамма-лучей от химических радиационных источников, с помощью которых определяется объемная плотность окружающей буровую скважину формации. Эти источники представляют собой радиационную опасность и требуют строгого контроля для избежания нежелательного случайного облучения или некорректного использования. Кроме того, большинство источников имеет длительный период полураспада, и возможность их утилизации представляет собой существенную проблему. Для некоторых каротажных применений при конкретном определении плотности формации для ее облучения используется источник Cs¹³⁷ или Co ⁶⁰. Интенсивность и проникающая способность радиации позволяют быстрое и точное измерение плотности формации. В связи с проблемами с химическими радиационными источниками важно, чтобы химические радиационные источники были бы заменены электронными радиационными источниками. Главное преимущество последних заключается в том, что они могут быть выключены, когда измерение не выполняется, и то, что с ними имеется минимальная возможность некорректного использования.

Одна из предлагаемых замен химических источников гамма-лучей - это бетатронный ускоритель. В этом устройстве электроны ускоряются по циркулярной траектории переменным магнитным полем и затем направляются на мишень. Взаимодействие электронов с мишенью приводит к генерации тормозного излучения и характеристического рентгеновского излучения материала мишени. Прежде чем электроны ускоряются, они инжектируются в магнитное поле между двумя круглыми полюсными наконечниками в определенный момент времени, с определенной энергией и под определенным углом. Правильный выбор времени, энергии и угла инжекции позволяет максимизировать число электронов, захватываемых на главную электронную орбиту и затем ускоряемых.

Типичный бетатрон, как раскрыто в Патенте США 5122662, авт. Chen и др., имеет диаметр полюсного наконечника приблизительно 4,5 дюймов. Магнит состоит из двух разделенных магнитно-изолированных частей: сердечник с магнитной цепью, которая представляет собой почти замкнутый контур и магнит направляющего поля, который включает в себя два противостоящих полюсных наконечника, разделенных зазором приблизительно в 1 сантиметр. Полюсные наконечники, которые охватывают сердечник, имеют тороидальную форму. Зазор приблизительно 0,5 см отделяет сердечник от внутренних оправ полюсных наконечников. Эти две части возбуждаются посредством двух раздельных наборов катушек, соединенных параллельно: полевая катушка наматывается вокруг внешних оправ полюсных наконечников, и катушка сердечника наматывается на центральную секцию сердечника. Полевой магнит и сердечник магнитно развязаны с катушкой обратного поля, намотанной поверх катушки сердечника. И катушка сердечника, и катушка обратного поля располагаются в зазоре 0,5 см. Патент США № 5122662 полностью включен в настоящее описание посредством ссылки.

Типичный работающий бетатрон удовлетворяет бетатронному условию и ускоряет электроны до релятивистской скорости. Бетатронное условие удовлетворяется, когда:

(1)

где:

r0 - радиус бетатронной орбиты, расположенной приблизительно в центре полюсных наконечников;

0 - изменение потока, заключенного в пределах r0; и

By0 - изменение направляющего поля в r0.

Бетатронное условие может быть соблюдено посредством регулировки отношения витков катушки сердечника и катушки направляющего поля, как раскрыто в Патенте США № 5122662. Удовлетворение бетатронного условия не гарантирует, что машина будет работать. Зарядовый захват, инжекция электронов на бетатронную орбиту в оптимальный момент времени, является другой важной операцией. В 4.5-дюймовом бетатроне это достигается поддержанием постоянного потока в сердечнике при увеличении направляющего поля. Это оказывается возможным потому, что сердечник и направляющее поле возбуждаются независимо.

Большие бетатроны подходят для тех применений, где не критичны ограничения размеров, например при генерации рентгеновских лучей для медицинских целей. Однако в таких применениях, как буровые нефтяные скважины, где имеются серьезные ограничения размеров, желательно использовать меньшие бетатроны, обычно с диаметром магнитного поля в три дюйма или менее. Обычная конструкция для больших бетатронов трудно применима для меньших бетатронов по ряду причин.

(1) Если инжектор электронов расположен в зазоре между полюсными наконечниками, то высота зазора должна быть больше размера инжектора перпендикулярно к полюсным наконечникам. При этом для поддержания разумной апертуры пучка ширина полюсных наконечников не может быть сделана слишком малой. Таким образом, главную роль в ограничении размера играет сердечник, что приводит к значительно более низкой энергии пучка.

(2) Если инжектор электронов расположен в зазоре между полюсными наконечниками, необходимо в пределах периода времени, сопоставимого с орбитальным периодом электронов, изменить траектории инжектированных электронов таким образом, чтобы они не соударялись с инжектором. Те электроны, траектории которых не пересекаются ни со структурой инжектора, ни со стенками вакуумной камеры, считаются захваченными. Только захваченные электроны могут быть ускорены до полной энергии и приведены в столкновение с мишенью, чтобы создать радиацию. Механизм захвата заряда таков, что вероятность захвата любого заряда в 3-дюймовой машине почти нулевая, если частоту модуляции главного возбудителя не увеличить приблизительно до 24 кГц (утроенной относительно частоты, используемой в 4,5-дюймовой машине) и энергию инжекции уменьшить приблизительно до 2,5 кэВ (1/2 относительно энергии, используемой в 4,5-дюймовой машине). Даже в этом случае возможность захвата заряда, сопоставимого с захватом в 4,5-дюймовой машине, неудовлетворительна.

(3) Более высокая плотность потока требуется для удержания электронов той же самой энергии на меньшем радиусе. Более высокие плотность потока и частота модуляции приводят к большим потерям мощности в трехдюймовом бетатроне, даже при том, что он имеет меньший объем, чем 4,5-дюймовый бетатрон.

С учетом (1)-(3) установлено, что полезное радиационное излучение на выходе трехдюймового бетатрона обычной конструкции должно быть на три порядка ниже, чем для 4,5-дюймового бетатрона. Таким образом, имеется потребность в бетатроне малого диаметра, имеющем выходную радиацию, сопоставимую с таковой для 4,5-дюймового бетатрона.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с вариантом реализации изобретения изобретение включает в себя магнит бетатрона, имеющий кольцевой, тороидальный направляющий магнит, и сердечник, расположенный в центре и примыкающий к направляющему магниту и к одному или нескольким периферическим ярмам. Зазор направляющего магнита разделяет направляющий манит на верхний участок и нижний участок с противостоящими полюсными наконечниками. Возбуждающая катушка намотана вокруг полюсных наконечников направляющего магнита. Катушка орбитального управления имеет участок сжимающей катушки, намотанный вокруг сердечника, и участок управления смещением, намотанный вокруг полюсных наконечников направляющего магнита.

Участок сжимающей катушки и участок управления смещением могут быть соединены последовательно, но с противоположными полярностями. Однако следует отметить, что участок сжимающей катушки и участок управления смещением могут возбуждаться независимо. Кроме того, схема обеспечивает импульсы напряжения на возбуждающую катушку и катушку орбитального управления. Магнитные потоки в сердечнике и в направляющем магните возвращаются через два периферических участка, или ярма, магнита бетатрона. Вакуумированный электронный ускорительный канал, расположенный в зазоре направляющего магнита, содержит электроны, которые ускоряются до релятивистской скорости и затем приводятся в столкновение с мишенью, тем самым создавая рентгеновское излучение.

Работа этого бетатрона включает в себя формирование первого магнитного потока первой полярности, который проходит через направляющий магнит, электронный ускорительный канал и сердечник и затем возвращается через ярма, и второго магнитного потока, имеющего либо первую полярность, либо противоположную вторую полярность, который проходит через сердечник и возвращается через зазор отклоняющего магнита и электронный ускорительный канал. В начале каждого цикла импульс высокого напряжения (обычно несколько кВ) подается на инжектор и приводит к инжектированию электронов в электронный ускорительный канал. Чтобы достигнуть быстрого ограничения, не снижая максимальной энергии, сердечник является гибридным сердечником, имеющим расположенный по периметру участок, выполненный из быстрого феррита, окружающего более медленный материал, но с более высокой плотностью потока насыщения. Во время первого периода времени большая часть потока, требуемого для уменьшения радиуса электронных орбит, проходит через быстрый феррит. После этого первого периода времени периметр сердечника с быстрым ферритом магнитно насыщается, и второй магнитный поток проходит затем через внутренний участок сердечника и в комбинации с первым магнитным потоком ускоряет электроны. Полярность второго магнитного потока обращается, когда скорость электронов приближается к максимальной, тем самым расширяя электронную орбиту и приводя электроны в столкновение с мишенью, создавая рентгеновское излучение.

В соответствии с одним из аспектов изобретения изобретение может включать в себя гибридный сердечник, имеющий центральный участок с высокой плотностью потока насыщения, и периметр, сформированный из магнитного материала высокой проницаемости с быстрым откликом. Кроме того, центральный участок может быть аморфным металлом, и периметр может быть ферритом с магнитной проницаемостью выше 100. Кроме того, согласно изобретению совокупная ширина, по меньшей мере, одного зазора сердечника может быть выполнена такой, что это позволяет удовлетворить бетатронное условие. Согласно изобретению совокупная ширина упомянутого по меньшей мере одного зазора сердечника может составлять приблизительно от 2 миллиметров до 2,5 миллиметров. Кроме того, согласно изобретению упомянутый по меньшей мере один зазор сердечника может быть сформирован из множественных зазоров. Кроме того, согласно изобретению диаметры и первого полюсного наконечника, и второго полюсного наконечника могут составлять приблизительно от 2,75 дюймов и 3,75 дюймов. Также согласно изобретению отношение количества витков участка сжимающей катушки к количеству витков участка управления смещением может составлять 2:1. Кроме того, согласно изобретению отношение количества витков возбуждающей катушки к количеству витков катушки смещения может составлять, по меньшей мере, 10:1, и число витков возбуждающей катушки может составлять, по меньшей мере, 10. Кроме того, изобретение может включать в себя схему, обеспечивающую номинальный пиковый ток 170 А и номинальное пиковое напряжение 900 В. Также возможно, что изобретение может включать в себя прикрепление на зонд, эффективный при вставке в буровую нефтяную скважину.

В соответствии с вариантом реализации изобретения изобретение может включать в себя способ, создающий рентгеновское излучение. Способ может включать в себя этапы предоставления магнита бетатрона, который включает в себя первый направляющий магнит, имеющий первый полюсный наконечник, и второй направляющий магнит, имеющий второй полюсный наконечник. Кроме того, и первый направляющий магнит, и второй направляющий магнит могут иметь центрально расположенную апертуру, причем первый полюсный наконечник отделен от второго полюсного наконечника зазором направляющего магнита. Кроме того, способ может включать в себя этапы расположения сердечника в пределах центрально расположенных апертур, примыкающего и к первому направляющему магниту, и ко второму направляющему магниту. Кроме того, сердечник может иметь, по меньшей мере, один зазор сердечника, который окружен зазором направляющего магнита с электронным каналом. Кроме того, способ включает в себя этапы формирования первого магнитного потока первой полярности, которой соответствует противоположная вторая полярность, который проходит через центральные участки магнита бетатрона и сердечник, а также через электронный канал и затем возвращается через периферические участки магнита бетатрона. Способ дополнительно включает в себя этапы инжекции электронов на электронную орбиту в пределах электронного канала, когда первый магнитный поток имеет приблизительно минимальную напряженность при первой полярности. Кроме того, способ включает в себя этапы формирования второго магнитного потока с противоположной второй полярностью, который проходит через периметр сердечника и возвращается через электронный канал при первой полярности, в первый период, чтобы эффективно сжать орбиты инжектированных электронов до оптимальной бетатронной орбиты. Способ также включает в себя этапы, на которых после первого периода периметр сердечника магнитно насыщается, и второй магнитный поток проходит через внутренний участок сердечника и в комбинации с первым магнитным потоком ускоряет электроны, посредством чего осуществляет условие форсинга потока. Способ дополнительно включает в себя этапы обращения полярности второго магнитного потока, когда первый магнитный поток приближается к максимальной напряженности, тем самым расширяя электронную орбиту, приводящую электроны в столкновение с мишенью, вызывая эмиссию рентгеновских лучей.

Раскрытый бетатрон компактен и подходит для закрепления на зонде для погружения в буровую нефтяную скважину. Результаты взаимодействия произведенных рентгеновских лучей с грунтовыми формациями полезны для геологов при определении особенностей земных формаций, таких как плотность, а также вероятных местоположений подземных нефтяных залежей.

Дополнительные признаки и достоинства изобретения станут более очевидными из следующего подробного описания при его рассмотрении с сопровождающими чертежами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение подробно описано ниже со ссылками на чертежи посредством неограничивающих примерных вариантов реализации настоящего изобретения, причем подобные цифровые обозначения отображают подобные же части на различных видах, причем:

Фиг.1 изображает поперечное сечение конфигурации магнита и возбуждающей катушки конструкции бетатрона малого диаметра в соответствии с вариантом реализации изобретения;

Фиг.2 - конфигурация линий магнитного потока, созданных возбуждающей катушкой в соответствии с одним из аспектов изобретения, для магнита, показанного на Фиг.1;

Фиг.3 - траектория электронов, инжектированных в бетатрон на Фиг.1 в соответствии с одним из аспектов изобретения;

Фиг.4 - сечение конфигурации катушки отбора и катушки смещения бетатрона на Фиг.1 в соответствии с одним из аспектов изобретения;

Фиг.5 - устройство форсинга потока, где катушка отбора и катушка смещения соединены последовательно с противоположными полярностями в соответствии с вариантом реализации изобретения;

Фиг.6 - магнитный поток, связанный с бетатроном на Фиг.1 в соответствии с одним из аспектов изобретения;

Фиг.7 - вид сверху альтернативного магнитного сердечника в соответствии с вариантом реализации изобретения;

Фиг.8 - магнитный поток в магнитном сердечнике на Фиг.7 до насыщения компоненты сердечника в соответствии с одним из аспектов изобретения;

Фиг.9 - магнитный поток в магнитном сердечнике на Фиг.7 после насыщения компоненты сердечника в соответствии с одним из аспектов изобретения;

Фиг.10 - схема возбуждения малого бетатрона в соответствии с вариантом реализации изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ

Рассмотренные ниже варианты представляют собой примеры, приведенные только с целью иллюстрации вариантов реализации настоящего изобретения, для облегчения понимания описания принципов и концептуальных аспектов настоящего изобретения. При этом конструктивные детали настоящего изобретения не показываются подробнее, чем это необходимо для ясного понимания настоящего изобретения, при этом описание в сочетании с чертежами делает очевидным для специалистов в данной области техники то, как несколько форм настоящего изобретения могут быть воплощены практически. Кроме того, цифровые обозначения на различных чертежах указывают на подобные элементы.

В соответствии с вариантом реализации изобретения изобретение включает в себя магнит бетатрона, который включает в себя кольцевой, тороидальной формы, направляющий магнит и сердечник, расположенный в центре и примыкающий к направляющему магниту, и один или несколько периферических ярм. Зазор направляющего магнита разделяет направляющий магнит на верхние и нижние участки с противостоящими полюсными наконечниками. Возбуждающая катушка намотана вокруг полюсных наконечников направляющего магнита. Катушка орбитального управления имеет участок сжимающей катушки, намотанный вокруг сердечника, и участок управления смещением, намотанный вокруг полюсных наконечников направляющего магнита. Участок сжимающей катушки и участок управления смещением могут быть соединены последовательно, но при противоположных полярностях. Однако следует отметить что участок сжимающей катушки и участок управления смещением могут возбуждаться независимо. Кроме того, схема обеспечивает импульс напряжения на возбуждающую катушку и катушку орбитального управления. Магнитные потоки в сердечнике и направляющих магнитах возвращаются через периферические участки магнита бетатрона, которые называются ярмами. Вакуумированная трубка охватывает электронный ускорительный канал и расположена в пространстве между полюсными наконечниками направляющих магнитов. Электроны ускоряются до релятивистской скорости в этом канале и затем приводятся в столкновение с мишенью. Когда электроны быстро тормозятся при столкновении и ионизированные атомы мишени восстанавливаются и возвращаются к более низкому энергетическому состоянию, то испускаются рентгеновские лучи.

Работа бетатрона включает в себя формирование первого магнитного потока первой полярности, который проходит через полюсные наконечники направляющего магнита, электронный ускорительный канал и сердечник и затем возвращается через ярма, и формирование второго магнитного потока, имеющего либо первую полярность, либо противоположную вторую полярность, который проходит через сердечник и возвращается через полюсные наконечники направляющего магнита и электронный ускорительный канал.

В начале каждого цикла импульс высокого напряжения (обычно несколько кВ), подается на инжектор и заставляет электроны инжектироваться в электронный ускорительный канал. Предпочтительно, но не необходимо, создать такую форму импульса напряжения инжектора, чтобы энергия инжектированных электронов увеличивалась по соответствующему соотношению с возрастанием направляющего магнитного поля в ускорительном канале в течение 100 наносекунд или более. Период, в течение которого существует условие согласования между импульсом напряжения инжектора и первым магнитным потоком в канале, обозначается как диапазон инжекции. Электроны, инжектированные в пределах диапазона инжекции, имеют наибольшую вероятность того, чтобы быть захваченными. Условие согласования лучше всего описывается представлением о мгновенной равновесной орбите радиуса ri. При мгновенной равновесной орбите закручивающая магнитная сила равна центробежной силе. При r>ri закручивающая магнитная сила больше, тогда как для r<ri справедливо противоположное. Таким образом, электроны, связанные с данным ri, связаны с этим ri подобно шарику, закрепленному пружинкой в точке. Диапазон инжекции - это период времени, в течение которого ri располагается внутри канала. В отличие от r0, который определяется конструкцией магнита и определяет то, как главный возбуждающий поток (первый магнитный поток) разделяется между различными частями магнита, ri является функцией энергии электронов и значения магнитного поля в ri.

Если электрон инжектируется при r=ri по касательной к окружности, его траектория будет следовать по окружности и пересекать инжектор в его первом обороте. Поэтому предпочтительно инжектировать электроны так, чтобы ri было всегда меньше (если инжектор расположен вблизи внешнего края канала) или больше (если инжектор расположен вблизи внутреннего края канала) радиуса инжекции. Траектории электронов, инжектированных при r ri и/или под углом к касательной к окружности инжекции, r будет осциллировать относительно ri (бетатронная осцилляция). Когда первый магнитный поток увеличивается, амплитуда осцилляций уменьшается и ri приближается к r0 (демпфирование бетатрона). Осцилляционные траектории могут заставить электроны пропускать инжектор при первых нескольких оборотах, но электроны в конечном счете попадут в инжектор, если демпфирование бетатрона не будет достаточно быстрым или не будет введен второй магнитный поток, чтобы изменить ri так, чтобы определенные электронные траектории не пересекали бы инжектор.

Для иллюстрации последовательности операций рассмотрим пример, в котором инжекция имеет место вблизи внешнего края канала и ri находится только в структуре инжектора. В начале диапазона инжекции в течение первого периода формируется второй магнитный поток, который проходит главным образом через периметр сердечника при противоположной второй полярности и возвращается через электронный канал при первой полярности. Уменьшающийся поток в пределах сердечника индуцирует электрическое поле замедления в канале, и в то же самое время возвращающийся второй магнитный поток через канал вызывает увеличение магнитного поля вблизи электронных траекторий.

Объединенный эффект приводит к быстрому ограничению ri и электронные траектории отодвигаются от инжектора. Для эффективного ограничения в течение этого первого периода (то есть ограничения ri примерно до 2 мм за оборот) второй магнитный поток в сердечнике должен возрастать очень быстро. Обычно магнитный материал с быстрым откликом имеет низкую плотность потока насыщения, недостаточную, чтобы поддержать поток, необходимый для ускорения электронов до требуемой энергии. Для достижения быстрого ограничения, без снижения максимальной энергии, сердечник представляет собой гибридную конструкцию с быстрым ферритовым периметром, окружающим более медленную, но с более высокой плотностью потока насыщения, внутреннюю часть. Во время первого периода времени большая часть потока, требуемая для уменьшения ri, проходит через быстрый ферритовый периметр. По истечении этого первого периода периметр магнитно насыщается и второй магнитный поток течет затем через внутреннюю часть сердечника и, объединяясь с первым магнитным потоком, ускоряет электроны. Полярность второго магнитного потока обращается, когда скорость электронов приближается к максимальной, тем самым расширяя электронную орбиту и заставляя электроны сталкиваться с мишенью, производящей рентгеновские лучи.

Описываемый здесь бетатрон малого диаметра характеризуется, помимо прочих, следующими признаками:

(i) магнит состоит из единственной детали, а не двух раздельных деталей, и зазор 0,5 см между деталями магнита устраняется; (ii) единственная возбуждающая катушка возбуждает и секцию сердечника, и направляющий магнит. Бетатронное условие соблюдается посредством включения малого зазора в пределах центрального сердечника, и (iii) катушка орбитального управления, состоящая из немногих, например двух витков, намотанная вокруг сердечника, обеспечивает поток для ограничения орбиты. Другая катушка с одним витком вокруг полюсных наконечников может быть соединена последовательно, но при противоположной полярности, с обмоткой сердечника, и развязывает главную возбуждающую катушку и катушку орбитального управления, и наоборот. Однако следует отметить, что участок сжимающей катушки и участок управления смещением могут возбуждаться независимо.

Эти признаки приводят к нескольким преимуществам по сравнению с конструкцией с двумя деталями, особенно для малых 3-дюймовых бетатронов: (i) из-за большей площади сердечника, энергия значительно выше; (ii) зазор в сердечнике значительно уменьшает нелинейность замкнутого сердечника и должен поэтому иметь пониженную чувствительность к температуре. При работе в действующей нефтяной буровой скважине магнит бетатрона подвержен рабочим температурам до 200°C в центре и 150°C в окружении, так что магнит и сердечник изготовлены из материалов, имеющих температуры Кюри выше этих ожидаемых максимумов; и (iii) захват заряда достигается при механизме, который не зависит от быстрого повышения направляющего поля, чтобы отдалить электроны от инжектора, главная возбуждающая катушка может иметь высокую индуктивность. Это позволяет использовать низкие возбуждающий ток и частоту модуляции, приводя к более низкому расходу энергии и лучшему согласованию с формой импульса напряжения инжектора.

На Фиг.1 показан вид сечения магнита бетатрона, который включает в себя ярма 10, первый направляющий магнит 16 и второй направляющий магнит 17, окружающие магнитный сердечник 12. И направляющие магниты 16, 17, и сердечник 12 имеют по существу радиальную симметрию вокруг продольной оси 13 и зеркальную симметрию вокруг серединной плоскости 15. Направляющие магниты 16, 17 сформированы из мягкого магнитного материала, такого как феррит MND5700, изготовленного Ceramic Magnetics, Inc. из Фэрфилда, Нью-Джерси, имеющего высокую проницаемость, например приблизительно 2000, чтобы легко провести магнитный поток. Из-за одного или нескольких зазоров 26 в магнитном сердечнике 12 магнитная проницаемость магнита бетатрона мало влияет на магнитные свойства, которые отвечают за ускорение и направление электронов, пока проницаемость достаточно высока, например приблизительно 2000. Зазоры 26 могут быть воздушными зазорами или разделителями, выполненными из немагнитного и непроводящего материала. Ярма 10 могут быть сформированы из магнитного материала, такого как феррит, или из материала, подобного материалу сердечника, описанного ниже как гибридный, имеющий и аморфный металл, и ферритовую компоненту.

Снова обращаясь к Фиг.1, магнитный сердечник 12 описан ниже и может быть композитным, имеющим внутреннюю часть с высокой плотностью потока насыщения и быструю периферию, но с более низкой плотностью потока насыщения, или наоборот. Главная возбуждающая катушка 14 намотана вокруг обоих направляющих магнитов 16, 17 во внутреннем участке магнита бетатрона. Как правило, но не обязательно, главная возбуждающая катушка 14 имеет десять или больше витков, чтобы уменьшить расход энергии и иметь подходящее время первого нарастания магнитного потока относительно времени нарастания импульса инжектора. Активация главной возбуждающей катушки 14 создает магнитный поток, который ограничивает и ускоряет электроны, содержащиеся в пределах канала 20. Канал 20 является областью в пространстве между полюсными наконечниками 21, 23 направляющих магнитов. Устойчивые мгновенные равновесные орбиты электронов и условия фокусировки электронов существуют в пределах границ канала 20.

На Фиг.1 показана содержащаяся в пределах канала 20 тороидальная трубка 22, выполненная из стекла или керамики с низким коэффициентом теплового расширения, внутренние поверхности которой покрыты подходящим резистивным покрытием, например 100-1000 островков на квадратные сантиметры. При заземлении покрытие предотвращает чрезмерное накопление поверхностного заряда, который оказывает нежелательное влияние на циркулирующий электронный пучок. Во время работы бетатрона внутренний объем трубки 22 находится под вакуумом приблизительно от 1x10^-8Торр и приблизительно до 1x10^-9Торр, чтобы минимизировать электронные потери от столкновений с остаточными газовыми молекулами. Внутренний объем трубки 22 перекрывает канал 20 таким образом, что устойчивые мгновенные орбиты не пересекают стенку трубки.

Для удовлетворения бетатронного условия и ускорения электронов до релятивистской скорости следующее условие должно быть удовлетворено.

(1)

где:

r0 - радиус оптимальной бетатронной орбиты, расположенной приблизительно в центре полюсных наконечников направляющего магнита;

0 - изменение потока, заключенного в пределах r0; и

By0 - изменение в направляющего поля в r0.

Бетатронное условие для 0 и By0 удовлетворяется соответствующим выбором совокупной ширины одного или нескольких зазоров 26 сердечника. Зазоры 26 сердечника могут быть воздушными зазорами или заполненными неметаллическим, немагнитным материалом, имеющим температуру плавления выше рабочей температуры, которая для работы буровой скважины составляет приблизительно 150°C. Подходящими материалами для зазора являются политетрафторэтилен и подобные полимеры. Совокупная ширина одного или нескольких зазоров устанавливает магнитное сопротивление для сердечника 12 и определяет относительную величину потока, который проходит через сердечник 12 и канал 20. Чем больше совокупная ширина зазора, тем больший поток проходит через канал. Для трехдюймового диаметра полюсного наконечника и средней высоты зазора магнита приблизительно 1 см в канале зазор 26 сердечника имеет совокупную ширину приблизительно 2,5 мм.

На Фиг.2 показан магнит бетатрона с линиями 18 потока, показывающими магнитное поле, созданное возбуждением главной возбуждающей катушки 14.

На Фиг.3 показан внутренний объем трубки 22 в сечении по ширине. Электроны 28 инжектируются в объем из электронного эмиттера 30, такого как термоэмиссионный диспенсерный катод. Для электронов 28, инжектированных при определенной энергии, имеется соответствующая орбита при мгновенном равновесном радиусе ri 32, так чтобы магнитная закручивающая сила была равна и противоположно направлена центробежной силе. Электроны, инжектированные в магнит бетатрона в местоположении, или внутри, или вне ri 32, имеют осциллирующую траекторию вблизи ri, и эта осцилляция обозначается как осцилляция бетатрона. Частота осцилляции бетатрона ниже орбитальной частоты так, чтобы электрон завершил один или несколько оборотов вокруг объема за время осцилляции бетатрона. Когда магнитное поле возрастает, амплитуда осцилляций бетатрона уменьшается и ri 32 сдвигается ближе к орбите 36 бетатрона r0 (демпфирование бетатрона) конец радиуса (22 на Фиг.1). Для избежания столкновения с инжектором 30 в малом бетатроне необходимо изменять ri с большей скоростью, чем характерная скорость демпфирования бетатрона.

Что касается Фиг.4, в отличие от 4,5-дюймового бетатрона предшествующего уровня техники, где захват заряда осуществляется посредством возбуждения поля сердечника и направляющего поля независимо, для захвата инжектированных электронов в малом бетатроне и заполнения доступного объема в трубке 22, определяющей канал 20, ri управляется или его быстрым ограничением (для инжекции вблизи внешнего края), или его быстрым увеличением (для инжекции вблизи внутреннего края). Ограничение орбиты достигается или снижением потока в сердечнике 12 (замедление электронов), или увеличением направляющего поля в области орбиты (увеличение закручивающей силы), или и то, и другое. На Фиг.4 показан способ, который включает в себя ограничивающую катушку 38, которая намотана вокруг зазора 26 сердечника и может быть соединена последовательно, но в противоположной полярности, с катушкой 40 смещения. Однако следует отметить, что участок сжимающей катушки и участок управления смещением могут возбуждаться независимо. Кроме того, комбинация сжимающей катушки 38 и катушки 40 смещения (вместе обозначаемые как катушка орбитального управления) используется для изменения и 0 и By0 в желаемых направлениях.

На Фиг.5 показана общая картина связи между катушкой 38, 40 орбитального управления и главной возбуждающей катушкой 14. Площадь, заключенная в пределах главной возбуждающей катушки и катушки смещения, разделена на основную секцию 12a и секцию 16a направляющего магнита, с сжимающей катушкой, расположенной точно на границе между этими двумя секциями. Поток _с,c=aN_ci_c из-за тока i _c, текущего через ограничивающую катушку, должен пройти через секцию 12a сердечника, где N_c - число витков сжимающей катушки и a - конструктивный параметр, который зависит только от геометрии. Этот поток обычно возвращается через два ярма, поскольку эти пути имеют самое низкое магнитное сопротивление и связывают главную возбуждающую катушку.

Снова обращаясь к Фиг.5, следует отметить, что нежелательно иметь ограничивающую катушку и главную возбуждающую катушку связанными между собой из-за индуцируемых напряжений от одной к другой. Для реализации низкого расхода энергии главная возбуждающая катушка 14 имеет много витков, обычно десять или более. Следовательно, маленький импульс напряжения на сжимающей катушке приведет к высокому индуцированному напряжению на главной возбуждающей катушке 14, что не только приводит к усложнению конструкции возбудителя катушки, но также препятствует и ограничению потока.

Также обращаясь к Фиг.5, катушка 40 смещения, намотанная вокруг полюсных наконечников направляющего магнита 16a, развязывает ограничивающую катушку от главной возбуждающей катушки 14 посредством подавления второго магнитного потока в ярмах. Поскольку катушка 40 смещения заключает и основную секцию 12a, и секцию 16a направляющего магнита, ее поток _b может быть выражен как сумма потоков в этих двух секциях:

b= b,С + b,g =aNbib +bNbib=-aNb ic-bNbic

(2)

где N_b является числом витков катушки смещения, b является конструктивным параметром, который зависит только от геометрии, и i_b=-i_c - ток, текущий через катушку смещения, который тот же самый, что и ток сжимающей катушки (они могут быть соединены последовательно или возбуждаться раздельно), но при противоположной полярности. Условие смещения (хорошее подавление потока в ярмах) выполняется, когда

b + c,c=a(NC-N b)ic-bNbi c=0

(3)

или

a(NC -Nb)=bNb

(4)

Поскольку правая сторона должна быть положительной, из этого следует, что N_c>N_b.

Из-за ограниченного доступного пространства вокруг сердечника желательно иметь N _c как можно меньшим. Малое число N_c также приводит к низкой индуктивности, что является существенным для достижения быстрого ограничения. Поскольку N_b должно быть, по меньшей мере, одним витком, минимальное число витков N_c равно 2. Это случается, если магнит сконструирован так, что выполняется a=b. Это условие упоминалось как равное разделение потока, поскольку поток из-за катушки смещения одинаково разделяется между секцией 12a сердечника и секцией 16a направляющего магнита. То же самое выполняется для потока от главной возбуждающей катушки. Магнит сконструирован так, чтобы равное разделение потока было совместимо с бетатронным условием.

Снова обращаясь к Фиг.5, второй магнитный поток через секцию 12a сердечника из-за объединенной сжимающей катушки и катушки смещения (вместе обозначаемые как катушка орбитального управления) есть 1/2 _c,c и возвращается через секцию направляющего магнита 16a. Поскольку второй магнитный поток есть только половина _c,c, то проявляющаяся индуктивность катушки орбитального управления есть 1/2 индуктивности сжимающей катушки. Низкая индуктивность принципиально важна для достижения высокой скорости ограничения орбиты.

Также в связи с Фиг.5: поскольку ограничивающая катушка и катушка смещения соединены в противоположных полярностях, один из двух витков сжимающей катушки можно рассмотреть как обратную обмотку катушки смещения, и вместе они связывают только секцию 16a направляющего магнита первой полярности, тогда как другой остающийся виток сжимающей катушки связывает только секцию 12a сердечника во второй полярности. Вместе ограничивающая катушка и катушка смещения образуют фигуру в виде числа 8, как показано на Фиг.5. Потоки в секции 12a сердечника и секции 16a направляющего магнита имеют ту же самую величину, но при противоположных полярностях, и изменение потока может быть выражено как:

12a=- 16a

(5)

и

12a+ 16a=0

(6)

Поскольку главная возбуждающая катушка 14 заключает обе области, результирующее потокосцепление между главной возбуждающей катушкой и катушкой орбитального управления - нулевое, и нет интерференции от одной катушки к другой.

Что касается Фиг.6, ограничение потока 47 вызывает быстрое замедление электрического поля вокруг орбитальной области и увеличение направляющего магнитного поля на вершине медленно возрастающего направляющего магнитного поля из-за потока 18 главной возбуждающей катушки. Когда электрон замедляется в связи с направляющим полем, его мгновенная равновесная орбита ограничивается и электрон отходит от инжектора, расположенного вблизи внешнего края полюсных наконечников. Для трехдюймового бетатрона с энергией инжекции 5 кВ электроны замедляются со скоростью приблизительно 250 В за оборот, чтобы управлять ими относительно инжектора. Катушка орбитального управления активирована только в течение коротких периодов времени, во время инжекции и отбора электронов. Между инжекцией и отбором электронов катушка орбитального управления закорачивается, что обозначается как состояние форсинга потока. В состоянии форсинга потока катушка орбитального управления усиливает режим равного разделения потока главной возбуждающей катушки, вследствие чего условие осуществления форсинга потока является также бетатронным условием. Например, если участок сердечника насыщается во время ускорения, функция переноса этого участка потока смещается к остающемуся сердечнику из-за индуцированного тока в катушке орбитального управления.

Что касается Фиг.6, при сокращении размера бетатрона магнитный сердечник 12 имеет уменьшенный диаметр. Если сердечник выполнен из феррита, как это было с сердечником для бетатронов предшествующего уровня техники, то могла быть потеря энергии конечной точки из-за меньшего изменения потока. Эта энергия может быть восстановлена посредством использования материала, который имеет более высокий поток насыщения, чем для феррита. Однако имеется два принципиально различных временных масштаба, задействованных в работе бетатрона малого диаметра. Один соответствует ускорению электронов до их энергии конечной точки после того, как они были захвачены в устойчивых орбитах. Ускорение до полной энергии обычно происходит приблизительно за 30 мкс. Другой, более короткий временной масштаб, соответствует захвату электронов после того, как они оставляют инжектор, и прежде, чем они будут потеряны. Интервал, в течение которого осуществляется успешный захват, обычно составляет менее 100 нс. Подходящие материалы с высокой плотностью потока значительно медленнее феррита. Хотя они достаточны для ускорения, они являются слишком медленными для процесса захвата.

Гибридный сердечник 12', как показано на плоском виде сверху на Фиг.7, имеет центральный участок 54, выполненный из аморфного металла, например метгласса (изготовленного Hitachi Metal of Convey, Южная Каролина), окруженный дугообразными деталями 56 из феррита высокой скорости. Блок метгласса имеет высокую плотность потока насыщения и несет большую часть ускоряющегося потока, в то время как ферритовые детали высокой скорости обеспечивают быструю скорость переключения, необходимую во время инжекции электронов. Относительно Фиг.8, ферритовые детали 56 обеспечивают размах 50 потока, используемый для быстрого ограничения электронных орбит, тогда как более медленный аморфный металл центрального участка 54 обеспечивает поток 24, необходимый для ускорения электронов до полной энергии. Поскольку полный размах потока во время захвата электронов весьма мал, то требуется только небольшое количество феррита. Что касается Фиг.9, после успешного захвата ферритовые детали 56 насыщаются без нежелательного эффекта, и аморфный металлический центральный участок 54 вступает в действие и продолжает ускорять электроны до желаемой энергии. Обычно насыщение участка сердечника вызывает перераспределение потока главной возбуждающей катушки между 12a и 16a и срыв бетатронного условия. Однако с катушкой орбитального управления в состоянии форсинга потока отклонение от равного разделения потока невозможно и потеря пучка избегается. Как только электроны достигают желаемой энергии, выброс тока в надлежащем направлении через ограничивающую катушку и катушку смещения заставляет электронный пучок ускоряться быстрее в соответствии с магнитным полем, таким образом сдвигая траекторию пучка к мишени.

Снова обращаясь к Фиг.9, подобно материалам с наиболее высокой плотностью потока, центральный участок из аморфного металла представляет собой слоистый сердечник. Слоистость привносит нежелательную анизотропию в геометрии сердечника. Ферритовые детали 56 вокруг сердечника 54 защищают орбитальную область от анизотропии во время критической начальной фазы ускорения. Как только электроны приобретают достаточную энергию, они намного менее восприимчивы к возмущениям в магнитном поле.

На Фиг.10 показана схема модулятора для возбуждения малого бетатрона. В случае использования при каротаже скважины доступное питание 60 обычно поступает из каротажной станции в виде низкого постоянного напряжения с током менее 1 А. Малый бетатрон требует импульсного источника с номинальным пиковым током 170 A и номинальным пиковым напряжением 900 В. Схема модулятора приспособлена для эффективного преобразования низкого напряжения, низкого постоянного тока в высокое напряжение, больший ток, импульсную мощность. Принцип возбуждения главной катушки 14 (L2 на Фиг.10) был раскрыт в Патенте США № 5077530, авт. Chen и др. Патент США № 5077530 полностью включен здесь посредством ссылки. Схема на Фиг.10 расширяет принципы Патента США № 5077530 и иллюстрирует осуществление орбитального управления, раскрытого в настоящем изобретении.

Снова обращаясь к Фиг.10, главная возбуждающая катушка L2 соединена последовательно с конденсаторами C1 и C2, причем емкость C1 намного больше (порядка 100 раз или еще более) емкости C2, формируя модифицированную разрядную LC-цепь. Когда переключатель S1 первоначально замыкается, низкое постоянное напряжение источника питания 60 заряжает конденсатор С1 через зарядный дроссель L1. Высоковольтный конденсатор C2 первоначально заряжается до этого же напряжения. Энергия на С1 затем передается на C2 в последующих импульсах. Передача энергии происходит на двух стадиях. На первой стадии переключатели S2 и S3 замкнуты и энергия перетекает из обоих конденсаторов С1, C2 в возбуждающую катушку L2 бетатрона. Как только энергия в магните бетатрона достигает своего максимума, переключатели S2 и S3 размыкаются одновременно и энергия перетекает на высоковольтный конденсатор C2 через диоды D2, D3. Таким образом, бетатрон функционирует как автотрансформатор с обратным ходом.

После каждого цикла разряд-восстановление энергия в низковольтном конденсаторе С1 пополняется через зарядный дроссель L1 посредством замыкания переключателя S1. Поскольку напряжение на C2 растет, энергия, высвобождаемая при каждом импульсе, увеличивается, и так учитывается полная потеря в цепи. После нескольких импульсов энергия, высвобождаемая от C1, становится равной общей потере в цепи, и энергия более не передается. Впоследствии напряжение на C2 остается неизменным до и после каждого цикла разряд-восстановление и модулятор достигает своего нормального рабочего состояния.

Также обращаясь к Фиг.10, С1 и C2 соединены последовательно с С1, имеющим намного большую емкость, чем C2. Эффективная емкость LC-цепи составляет величину С, которая приблизительно равна C2. Если индуктивность L2 номинально составляет 134 мкГн, то энергия возбуждения - (L2)(I2)², что приблизительно равно (C2)(V2)², или приблизительно 1,9 джоуля, когда I2 составляет приблизительно 170 A. Снижение C2 приводит к более короткому периоду разряда и восстановления и сниженным потерям, но требует более высокого напряжения. Максимальное напряжение ограничивается напряжениями пробоя твердотельных переключателей и диодов. Кроме того, емкость С1 должна быть достаточно большой для достаточного выигрыша по напряжению. Эффективные значения для C1 и C2 номинально составляют 600 мкФ и 5 мкФ соответственно.

Для пучка 1,5 МэВ эффективность схемы модулятора составляет 90% и средняя мощность 400 Вт, высвобождаемая энергия на импульс составляет приблизительно 2 джоуля, V1 составляет приблизительно 40 В, V2 составляет приблизительно 900 В, и частота следования импульсов составляет приблизительно 2 кГц.

Что касается Фиг.10, катушка L3 орбитального управления включает в себя катушку 38 отбора и катушку 40 смещения. Катушка орбитального управления выполняет три функции - ограничение орбиты во время инжекции электронов, форсинг потока во время ускорения и расширение орбиты во время отбора пучка. Импульс напряжения ограничения требует быстрой отсечки, но не большого количества энергии, так что конденсатор C4 может быть малой емкости, номинально 0,015 мкФ с сохраняемым напряжением между 200 В и 300 В. Конденсатор C3 имеет большую емкость, порядка 5 мкФ, чтобы сохранить энергию, требуемую для расширения орбиты пучка 1,5 МэВ. Напряжение C3 составляет приблизительно между 120 В и 150 В. Возбудитель для катушки L3 орбитального управления отбирает ее энергию из того же самого зарядного дросселя L1 как из главной возбуждающей цепи. Однако ее входной импеданс намного выше, так что, когда S1 замкнут, большая часть энергии переходит на С1, а не на C3. Чтобы направить поток энергии на C3, S1 размыкается. Выбор времени для S1 вместе с уровнем напряжения зарядки дает контроль напряжений и на С1, и на C3. Часть энергии на C3 передается на C4 посредством включения S4 в соответствующий момент времени, почти так же, как энергия передается от C1 на C2.

Кроме того, из Фиг.10 видно, что временная последовательность орбитального управления начинается переключением S6 в проводящее состояние. Когда энергия инжекции соответствует локальному магнитному полю, S7 замыкается и напряжение на C4 прикладывается к катушке L3 управления. Это инициирует процесс ограничения орбиты. После короткой задержки, номинально менее чем 1 мкс, S7 размыкается и ток в L3 продолжает течь через S6 и балластный диод 62 при S5. В этот момент S5 включается и, поскольку S5 и S6 оба проводят, катушка L3 управления по существу закорачивается в обоих направлениях. Напряжение на L3 спадает приблизительно до 1 В из-за предшествующих падений напряжения на диоде и из-за других омических падений. Поскольку катушка L3 управления закорочена, изменение потока сердечника всегда должно быть равно изменению потока направляющего магнита, даже если участки сердечника и полюсных наконечников насыщаются. Это обозначается как ситуация, когда катушка управления находится в состоянии форсинга потока. По существу, закороченная катушка управления способствует равному разделению потока между основной секцией 12a и секцией 16a направляющего магнита. Если по какой-нибудь причине (например, частичное насыщение участка магнита) потоки в секции 16a направляющего магнита и основной секции 12a отклоняются от режима равного разделения, в катушке орбитального управления индуцируется ток для восстановления режима. Поскольку условие равного разделения потока совпадает с бетатронным условием, то его осуществление гарантирует также то, что бетатронное условие удовлетворяется все время.

Что касается Фиг.10, состояние форсинга потока почти не имеет последствий, если плотность потока низка. Однако, когда плотность потока увеличивается, ферритовые детали в сердечнике и на бровках внешней оправы полюсных наконечников насыщаются. Без катушки L3 управления, чтобы осуществить надлежащее условие разделения потока, бетатронное условие быстро нарушается, и пучок теряется прежде, чем достигнуть энергии 1,5 МэВ. Когда катушка L3 управления находится в состоянии форсинга потока, ток в L3 падает медленно и в конечном счете он изменяет направление. В этот момент S6 может быть выключен без какого-либо нежелательного эффекта, поскольку ток течет через балластный диод 64. На пике тока главной возбуждающей катушки L2, когда пучок имеет энергию приблизительно 1,5 МэВ, S4 замыкается и S5 размыкается. Это изменяет полярность тока, текущего через L3, и электронные орбиты начинают расширяться. Минимальное количество требуемой энергии таково, что все электроны выносятся к мишени на пике тока катушки L3 управления, в то время как напряжение на C3 равно нулю. После пика ток падает, и напряжение на C3 растет с обратной полярностью. В надлежащее время, в то время как ток управления имеет еще то же самое направление, S4 размыкается и остающаяся энергия в L3 передается на C4 через балластный диод 66 при S7. Поскольку емкость С4 намного меньше, чем емкость C3, ток падает быстро и в конечном счете изменяет свою полярность, и в этот момент зарядка C4 прекращается. Ток теперь течет назад на C3 через балластный диод 68 при S4, и напряжение на C3 восстанавливается при соответствующей полярности. После того как вся энергия возвращается на конденсатор C3, он перезаряжается через дроссель L1 и готов к следующему импульсу.

Были описаны один или несколько вариантов реализации настоящего изобретения. Однако следует понимать, что могут быть выполнены различные модификации без отступления от существа и объема притязаний изобретения. Например, помещение инжектора во внутреннюю часть канала. Следует отметить, что приведенные примеры даются исключительно с целью пояснения и никоим образом не должны быть рассмотрены как ограничение настоящего изобретения. Хотя настоящее изобретение было описано в связи с примерным вариантом реализации, ясно, что слова, которые использовались здесь, являются словами описания и иллюстрации, а не словами ограничения. Изменения могут быть произведены в пределах объема притязаний приложенных формул, как они заявлены вместе с поправками, без отступления от объема притязаний и существа изобретения в его объектах. Хотя настоящее изобретение было описано здесь в связи с конкретным средством, материалами и вариантами реализации, настоящее изобретение не предполагается ограничивать раскрытыми здесь подробностями; скорее настоящее изобретение простирается на все функционально эквивалентные конструкции, способы и применения, те, которые находятся в рамках объема притязаний приложенных формул.