Индукционный ускоритель заряженных частиц

 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для получения пучков заряженных частиц или тормозного излучения с энергией от нескольких сотен КэВ до 10 МэВ и выше. Технический результат - упрощение конструкции ускорителя и технологии его изготовления, уменьшение веса, габаритов и повышение кпд. Ускоритель содержит намагничивающие обмотки, ускорительную камеру с инжектором и импульсные источники питания. Одновитковая намагничивающая обмотка для создания управляющего магнитного поля выполнена в виде двух концентрически расположенных цилиндрообразных колец, выполненных из проводящих, например медных, полос, имеющих радиальный разрез, по одну сторону которого полосы соединены между собой электрически, а по другую сторону разреза подсоединены к разноименным полюсам импульсного источника питания, причем полосы выгнуты так, что выпуклость направлена наружу от оси колец. По краям полосы соединены кольцевыми диэлектрическими уплотнителями, а обмотка для создания ускоряющего электромагнитного поля установлена концентрически внутри кольца, образованного одновитковой намагничивающей обмоткой, и подсоединена к отдельному источнику импульсного напряжения. Инжектор может быть установлен в любом месте диэлектрического кольца. 1 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для получения пучков заряженных частиц или тормозного излучения с энергией от нескольких сотен КэВ до 10 МэВ и выше.

Известен индукционный ускоритель электронов - бетатрон [1], содержащий магнитопровод, состоящий из пары профилированных полюсов, объединенных с помощью ферромагнитных ярем, обмотки намагничивания, питаемые от источника переменного напряжения, и ускорительную камеру с инжектором, размещаемую в межполюсном зазоре. Такой ускоритель имеет большой вес и габариты, сложную технологию изготовления и монтажа, в основном, за счет веса и габаритов магнитопровода и сложности изготовления полюсов и ускорительной вакуумной камеры.

Наиболее близким техническим решением является бетатрон с разделенными магнитными потоками [2], содержащий магнитопровод, намагничивающие обмотки, ускорительную камеру с инжектором и источники импульсного напряжения, в котором магнитное поле на орбите ускоряемых электронов - управляющее магнитное поле - создается специальными электромагнитами, устанавливаемыми на криволинейных участках траектории и питаемыми от отдельного источника напряжения. Магнитное поле в круге орбиты электронов, отвечающее за создание на орбите напряженности вихревого электрического - ускоряющее магнитное поле - создается с помощью индукторов - ускорительных модулей индукционного типа, питаемых электроэнергией от самостоятельного источника импульсного напряжения. Вся система электромагнитов и индукторов смонтирована вдоль траектории ускоряемых частиц и охватывает вакуумную ускорительную камеру с установленным в ней инжектором и подсоединенную к вакуумному насосу. Такой ускоритель также громоздок и сложен в изготовлении.

Целью изобретения является упрощение конструкции ускорителя и технологии его изготовления, уменьшение веса, габаритов и повышение кпд.

Эта цель достигается тем, что в индукционном ускорителе заряженных частиц, содержащем намагничивающие обмотки, ускорительную камеру с инжектором и импульсные источники питания, одновитковая намагничивающая обмотка для создания управляющего магнитного поля выполнена в виде двух концентрически расположенных цилиндрообразных колец, выполненных из проводящих, например, медных полос, имеющих радиальный разрез, по одну сторону которого полосы соединены между собой электрически, а по другую сторону разреза подсоединены к разноименным полюсам импульсного или переменного источника питания, причем полосы выгнуты так, что выпуклость обращена наружу от оси колец, а по краям полосы соединены между собой кольцевыми диэлектрическими вакуумными уплотнителями, а обмотка для создания ускоряющего электромагнитного поля установлена концентрически внутри кольца, образованного одновитковой намагничивающей обмоткой, и подсоединена к отдельному источнику импульсного или переменного напряжения. Использование для создания управляющего поля ускорителя одновитковой обмотки предлагаемого типа позволяет значительно упростить конструкцию ускорителя, технологию его изготовления, уменьшить вес и габариты, а за счет снижения полей рассеяния повысить кпд ускорителя. Соединение краев обмотки с помощью кольцевых диэлектрических вакуумных уплотнителей позволяет использовать ее одновременно и в качестве ускорительной камеры, которая в любом действующем ускорителе является самостоятельным сложным и трудоемким в изготовлении узлом.

На чертеже представлена схема индукционного ускорителя заряженных частиц.

Индукционный ускоритель заряженных частиц (см. чертеж) содержит одновитковую обмотку для создания управляющего магнитного поля, выполненную в виде двух концентрически расположенных цилиндрообразных полос 1 и 2 из проводящего материала, например меди, имеющих радиальный разрез, по одну сторону которого полосы соединены между собой электрически, а по другую сторону разреза подсоединены к разноименным полюсам 6 импульсного или переменного источника питания и, будучи соединенными по краям кольцевыми диэлектрическими вакуумными уплотнителями 3, образуют ускорительную камеру.

Для обеспечения фокусирующих свойств управляющего магнитного поля ("бочкообразная" форма силовых линий) поверхность медных полос выгнута выпуклостью наружу от оси колец. Ускоритель содержит также обмотку 4 для создания ускоряющего электромагнитного поля, выполненную в виде катушки, расположенной концентрически внутри кольца, образованного одновитковой обмоткой, и питаемую от отдельного источника 5 импульсного или переменного напряжения. Инжектор 7 электронов может быть расположен в любом удобном месте вдоль поверхности диэлектрического кольца-уплотнителя 3.

Использование одновитковой обмотки для получения управляющего магнитного поля и одновременно для формирования ускорительной камеры существенно облегчает ускоритель и упрощает его конструкцию, обеспечивает свободный доступ к камере, упрощает монтаж инжектора и патрубка вакуумного насоса, отпадает надобность в полюсах, что значительно сокращает вес ускорителя, повышается удобство эксплуатации бетатронов, так как исчезает необходимость трудоемких разборок и демонтажа магнитопровода во время ремонтных и регламентных работ. Увеличение радиуса равновесной орбиты в этом ускорителе не приводит к возрастанию веса электромагнита в кубической зависимости, как это имеет место в известных ускорителях. Разделение магнитных потоков в индукционном ускорителе позволяет получать высокие энергии ускоренных электронов, так как дает возможность в значительной степени скомпенсировать потери энергии электронов на синхротронное излучение. Возможно также использование сверхпроводящих материалов для повышения эффективности работы ускорителя.

Индукционный ускоритель заряженных частиц (см. чертеж) работает следующим образом. Управляющее переменное магнитное поле возбуждается одновитковой обмоткой, выполненной в виде двух концентрически расположенных цилиндрообразных колец-полос 1 и 2 из проводящего материала, например, меди, имеющих радиальный разрез, по одну сторону которого полосы соединены между собой электрически, а по другую сторону разреза подсоединены к разноименным полюсам 6 импульсного или переменного источника питания. Полосы по краям соединены между собой кольцевыми вакуумными уплотнителями 3 и образуют ускорительную камеру.

Электрический ток протекает по полосе 1, например в одном направлении, а по полосе 2 - в обратном. В пространстве между полосами возникает переменное бетатронное спадающее по радиусу магнитное поле, обладающее фокусирующими свойствами благодаря "выпуклости" медных полос 1 и 2. С помощью этого переменного поля ускоряемые электроны удерживаются в камере на орбите постоянного радиуса. Обмотка 4, выполненная в виде цилиндрической катушки, например, медного провода, расположена концентрически внутри кольца, образованного одновитковой обмоткой и подключена к отдельному источнику 5 импульсного или переменного напряжения. В пространстве, охватываемом катушкой, создается переменное магнитное поле, которое индуктирует вихревое электрическое поле в объеме ускорительной камеры. Вектор напряженности вихревого электрического поля пропорционален скорости изменения магнитного потока, охватываемого катушкой 4, а его направление перпендикулярно к радиальному сечению ускорительной камеры в любой точке. Соответствующая синхронизация магнитных полей, создаваемых одновитковой обмоткой (полосы 1 и 2) и обмоткой 4, обеспечивает индукционное ускорение электронов до заданной энергии. Ускоряемые электроны вводятся в ускорительную камеру с помощью инжектора 7, а после ускорения выводятся за пределы камеры одним из известных способов или сбрасываются на мишень для получения пучка тормозного излучения. Обмотка 4 для усиления охватываемого ею магнитного потока может быть снабжена замкнутым или незамкнутым ферромагнитным сердечником, набранным, например, из листов трансформаторной стали. Это приведет, с одной стороны, к уменьшению тока в обмотке, т. е. снижению потребляемой энергии, но с другой стороны - повлечет за собой увеличение веса ускорителя.

Источники информации 1. Ананьев Л. М., Воробьев А.А., Горбунов В.И. Индукционный ускоритель электронов - бетатрон. Москва, Энергоиздат, 1961.

2. Хвастунов М.С. "Циклический индукционный ускоритель электронов", ПТЭ, 1981, 3, с. 20-23.

Формула изобретения

Индукционный ускоритель заряженных частиц, содержащий намагничивающие обмотки, ускорительную камеру с инжектором и импульсные источники питания, отличающийся тем, что одновитковая намагничивающая обмотка для создания управляющего магнитного поля выполнена в виде двух концентрически расположенных цилиндрообразных колец, выполненных из проводящих, например медных, полос и имеющих радиальный разрез, по одну сторону которого полосы соединены между собой электрически, а по другую сторону разреза подсоединены к разноименным полюсам импульсного или переменного источника питания, причем полосы выгнуты так, что выпуклость обращена наружу от оси колец, по краям полосы соединены между собой кольцевыми диэлектрическими вакуумными уплотнителями, а обмотка для создания ускоряющего электромагнитного поля установлена концентрически внутри кольца, образованного одновитковой намагничивающей обмоткой, и подсоединена к отдельному источнику импульсного или переменного напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1