Устройство развертки электронного пучка

 

Использование: в электрофизике, в установках радиационной обработки изделий и материалов с помощью ускоренных электронных пучков. Сущность изобретения: устройство развертки электронного пучка содержит вакуумированный раструб с выходным окном из фольги, отклоняющий магнит с генератором развертки и корректирующий магнит, который выполнен в виде двух блоков, расположенных у широкого конца раструба с двух сторон от него. Каждый блок содержит два постоянных магнита, выполненных в виде брусков переменного сечения, расширяющихся от середины к концу блока, и магнитопровод, имеющий форму бруска. Постоянные магниты имеют направления намагничивания, перпендикулярные широкой стороне раструба, причем магниты одного блока имеют противоположные направления намагничивания, а магниты, расположенные в разных блоках друг против друга, имеют одинаковые направления намагничивания. Применение устройства дает экономию электроэнергии, повышение надежности и стабильности работы устройства развертки. 3 ил.

Изобретение относится к электрофизике, конкретно к области ускорения, транспортировки и преобразования пучков заряженных частиц. Оно может быть использовано в установках радиационной обработки изделий и материалов с помощью ускоренных электронных пучков, в частности, в установках радиационной стерилизации медицинских изделий.

В существующих установках радиационной стерилизации пучок ускоренных электронов, выходящих из электростатического или высокочастотного ускорителя, развертывается в плоскости с помощью устройства развертки пучка. Облучаемые объекты движутся на транспортере в направлении, перпендикулярном плоскости развертки пучка. Пучок пронизывает облучаемый объект и создает во всем его объеме радиационную дозу, достаточную для стерилизации изделий при выбранной скорости транспортера (см. Свиньин М.П. Расчет и проектирование высоковольтных ускорителей электронов для радиационной технологии. М. Энергоатомиздат, 1989).

Устройство развертки в таких установках содержит вакуумированный раструб, расширяющийся в плоскости развертки пучка. Узким концом раструб присоединен к ускорителю. На широком конце раструба расположено выходное окно, выполненное из тонкой металлической фольги, через которую пучок электронов выходит из вакуума в атмосферу. На узком конце раструба установлен электромагнит, запитываемый от генератора развертки. Электромагнит создает в полости раструба переменное во времени магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости развертки пучка. Электроны, проходя через магнитное поле, отклоняются им на угол, который зависит от времени, и, таким образом, пучок веерообразно развертывается в плоскости.

В ряде случаев требуется получить хорошую равномерность облучения объекта. В частности, при стерилизации медицинских изделий неравномерность облучения не должна превышать 20% Для получения хорошей равномерности по глубине коробки со стерилизуемыми изделиями необходимо иметь параллельный пучок электронов. С целью преобразования веерообразного пучка в параллельный используются корректирующие магниты. Наиболее близкий аналог предлагаемого устройства содержит корректирующий магнит в виде О-образного электромагнита, в котором высота полюсов и воздушный зазор равны соответствующим величинам в электромагните развертки. Обмотки обоих электромагнитов содержат одинаковое число витков и подключены последовательно к генератору развертки. Вследствие равенства токов питания и размеров электроны отклоняются в корректирующем магните на такой же угол, как и в магните развертки, и их траектории становятся параллельными оси ускорителя (см. Титов В.А. и др. Выходное устройство ускорителя электронов. Авт. свид. N 708944, Б.И. 1980, N 39, с. 324).

При решении проблемы получения равномерного облучения объекта важными задачами являются надежность и стабильность устройства развертки, а также экономия электроэнергии.

Указанные задачи могут быть решены с помощью использования постоянных магнитов. Корректирующий магнит может быть выполнен таким образом, что его магнитное поле, в отличие от указанного прототипа, является постоянным во времени, но изменяется в пространстве. С этой целью корректирующий магнит выполняется в виде двух блоков, расположенных на широком конце раструба с обеих сторон от него. Каждый из блоков содержит два одинаковых бруска из магнитно-твердого материала и один брусок из магнитно-мягкого материала, выполняющий функцию магнитопровода. Бруски из магнитно-твердого материала намагничены перпендикулярно широкой стороне раструба, причем направления намагничивания двух брусков одного блока противоположны, а направления намагничивания смежных брусков в разных блоках совпадают. Бруски имеют переменное сечение малое в середине и увеличивающееся к концам блока. Поэтому индукция магнитного поля между брусками максимальна на концах и равна нулю в середине. При пролете электронов через такое поле траектории их изменяются: чем дальше электрон находится от оси ускорителя, тем на больший угол поворачивается его траектория. После пролета корректирующего магнита расходящиеся траектории пучка электронов становятся параллельными.

Предлагаемый корректирующий магнит дает экономию электроэнергии, поскольку постоянные магниты не требуют питания. Вследствие отсутствия электронных блоков питания и обмоток повышается надежность работы устройства развертки пучка. Магнитное поле постоянных магнитов более стабильно во времени и по отношению к внешним воздействиям (температура и др.), чем параметры электронных блоков питания.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, вид спереди; на фиг. 2 то же, вид сбоку; на фиг. 3 то же, вид сверху.

Устройство содержит раструб 1, выходное окно 2, отклоняющий электромагнит 3, генератор развертки 4, блоки корректирующего магнита 5, каждый из которых содержит два постоянных магнита 6 и магнитопровод 7.

Раструб 1 имеет форму, расширяющуюся в плоскости развертки пучка и неизменную в перпендикулярной плоскости. Раструб узким концом прикреплен к ускорителю электронов 8 и образует с ним единый вакуумный объем. На широком конце раструба установлено герметизирующее выходное окно 2, выполненное из тонкой фольги. Раструб выполнен из немагнитного материала, например нержавеющей стали. На узком конце раструба установлен отклоняющий электромагнит 3 таким образом, что его полюса находятся с разных сторон от раструба. У широкого конца раструба установлено два блока корректирующего магнита 5. Каждый блок содержит два постоянных магнита 6, выполненных в виде продолговатых брусков переменного сечения, и магнитопровод 7, выполненный в виде продолговатого бруска из магнитно-мягкого материала (например, железо Армко). Бруски постоянных магнитов прилегают к магнитопроводу без воздушных зазоров. Высота брусков (вдоль центральной линии ускорителя и раструба) не изменяется, а толщина каждого постоянного магнита минимальна в середине блока и увеличивается к концу. Постоянные магниты выполнены из намагниченного магнитно-твердого материала, например Ba-феррита. Направление намагничивания перпендикулярно широкой стороне раструба. Два постоянных магнита одного блока имеют противоположные направления намагничивания, а постоянные магниты разных блоков, расположенные друг против друга, имеют одинаковые направления намагничивания. Направления намагничивания постоянных магнитов условно показаны на фиг. 3 стрелками. Корректирующий магнит может быть установлен таким образом, что магнитное поле, создаваемое между его блоками, находится либо в вакуумированной полости раструба, либо в воздухе после выходного окна 2.

Устройство работает следующим образом.

Отклоняющий электромагнит, запитываемый от генератора развертки, создает во входной области раструба магнитное поле, перпендикулярное плоскости развертки пучка и изменяющееся во времени по пилообразному закону. Электронный пучок, выходящий из ускорителя 8, проходит через магнитное поле отклоняющего электромагнита и отклоняется им в плоскости развертки пучка, причем угол отклонения пропорционален величине магнитного поля в момент прохождения пучка. В результате за период изменения магнитного поля на выходе раструба получается пучок электронов, развернутый веером. Траектории некоторых электронов показаны на фиг. 1 штрих-пунктирными линиями. Корректирующий магнит создает в выходной области раструба либо после него магнитное поле, которое направлено перпендикулярно направлению движения электронов. Магнитная индукция этого поля равна нулю в середине и нарастает к концам магнита, причем направления поля на концах корректирующего магнита противоположны. Это поле изменяет траектории электронов таким образом, что они становятся параллельными центральной линии раструба. В результате весь объем облучаемого объекта 9, движущегося на транспортере перпендикулярно плоскости развертки пучка, облучается равномерно.

Изменение сечения брусков может быть плавным, в этом случае они представляют собой клинья, как показано на фиг. 3. При этом образующая клина (линия раздела между постоянным магнитом и магнитопроводом) может быть не прямой она подбирается из условия получения требуемого распределения магнитного поля. Изменения сечения брусков может быть также ступенчатым. В этом случае каждый брусок может быть выполнен в виде набора пластинок, прилегающих одна к другой. Конструкция брусков определяется в каждом конкретном случае соображениями технологичности и стоимости изготовления.

Примером реализации может служить устройство развертки пучка электронов с энергией 5 МэВ. Угол развертки составляет 65^o, размеры облучаемого объекта 600х400х300 мм. Корректирующий магнит имеет длину 450 мм и высоту 60 мм. Каждый постоянный магнит выполнен из феррита 2,8БА1 в виде бруска со ступенчатым увеличением толщины, он состоит из 8 пластинок с толщинами 1,8 - 12 мм. Согласно расчетам, выполненным с помощью трехмерной вычислительной программы, магнитная индукция на концах корректирующего магнита составляет 1500 Гс, а нелинейность распределения индукции вдоль длины корректирующего магнита не превышает 5% Расчетная неравномерность облучения объекта не превышает 10%

Формула изобретения

Устройство развертки электронного пучка, содержащее вакуумированный раструб с выходным окном, отклоняющий магнит, генератор развертки и корректирующий магнит, отличающееся тем, что корректирующий магнит выполнен в виде двух блоков, каждый из которых содержит брусок из магнитно-мягкого материала и два бруска из магнитно-твердого материала переменного сечения, малого в середине блока и увеличивающегося к его концам, намагниченных перпендикулярно широкой стенке раструба, причем направление намагничивания двух брусков одного блока противоположны, а направление намагничивания брусков, расположенных в разных блоках друг против друга, одинаковы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3