Способ сохранения числа электронов в процессе ускорения в бетатроне

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке и усовершенствовании индукционных циклических ускорителей. Техническим результатом предлагаемого изобретения является устранение поперечной неустойчивости электронного пучка и сохранение числа захваченных в ускорение электронов в процессе цикла ускорения. Электронный пучок в область устойчивости инжектируют с поперечным сечением в виде вытянутого эллипса, большая ось которого расположена в медианной плоскости бетатрона.

 

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

Известно устройство для ввода заряженных частиц в циклический индукционный ускоритель с каналом транспортировки, сечение конечной части которого выполнено в виде эллипса с большей осью, направленной в аксиальном направлении, и формирующее в процессе инжекции электронный пучок аналогичного сечения (А.И.Павловский, Г.Д.Кулешов, А.Д.Тарасов и В.О.Кузнецов. Авторское свидетельство СССР №357892, кл. Н 05 H 7/08, Бюллетень №9 (1973 г.).

Недостатком электронных пучков, формируемых данным устройством, является быстрое развитие поперечной неустойчивости и соответственно большие потери электронов в процессе ускорения.

Технический результат изобретения - устранение поперечной неустойчивости электронного пучка и сохранение числа захваченных в ускорение электронов в процессе ускорения.

Данный технический результат достигается тем, что в процессе инжекции электронный пучок имеет вытянутую эллипсную форму сечения (плоскую), причем большая ось пучка лежит в медианной плоскости.

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 внешнее магнитное поле, его индуктивность и магнитный поток оказывают существенное влияние на величину предельного тока инжекции и последующее его ускорение.

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 ˜(Н_z)^-1/2 (А.А.Коломенский, А.Н.Лебедев. Теория циклических ускорителей. Гос. Изд. Физ. Мат. лит. Москва, 1962), при этом 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 (плоскости симметрии) 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 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.

Начальная форма сечения пучка задается инжекторным устройством, амплитудой инжектируемого тока и величиной показателя спада магнитного поля в области устойчивости и в общем виде будет иметь форму эллипса, а индуктивность кругового кольца радиуса R₀ с эллипсной формой сечения дается выражением (П.Л.Калантаров, П.П.Цейтлин. Расчет индуктивностей. - Л.: Энергоиздат, 1986 г.)

,

где а и b - большая и меньшая полуоси эллипса соответственно и μ₀ - магнитная постоянная. Из этого выражения следует, что трансформация формы сечения пучка при ускорении должна происходить в сторону увеличения эллипсности сечения, т.е. аксиальная ось будет увеличиваться, а радиальная ось - уменьшаться, при этом полусумма их должна оставаться постоянной.

В процессе ускорения под воздействием фокусирующей силы ˜(H_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 происходит увеличение амплитуды аксиальных бетатронных колебаний. На определенном этапе ускорения, в зависимости от величины ускоряемого тока, аксиальные размеры пучка увеличиваются настолько, что пучок начинает «царапать» стенки камеры, теряя на ней часть электронов, либо происходит нарушение условий устойчивости движения электронов, и «лишние» электроны сбрасываются. После завершения нестационарного процесса условия устойчивости восстанавливаются, пучок приобретает новые характеристики I₁<I, L₁≥L, Ф₁<Ф, и процесс ускорения продолжается до следующего «срыва» при условии достаточности величины тока I₁ либо окончания цикла ускорения. Таким образом, для сохранения числа частиц в процессе ускорения необходимо уменьшить аксиальные размеры пучка в конце цикла ускорения до аналогичных размеров области устойчивости с учетом собственного внешнего магнитного поля пучка. Этого можно достигнуть, инжектируя в ускорительную камеру сформированный в инжекторе либо в устройстве для ввода электронный пучок с максимально плоской формой сечения в виде эллипса, большая ось которого расположена в медианной плоскости бетатрона.

Согласно литературным данным (А.А.Воробьев, В.А.Москалев. Сильноточный бетатрон и стереобетатрон. М.: Атомиздат, 1969 г.) за весь цикл ускорения, вследствие поперечной неустойчивости пучка, может быть потеряно 60-90% от захваченного в ускорение числа электронов, при этом увеличение количества захваченных в ускорение электронов не приводит к увеличению числа электронов, доводимых до конца цикла ускорения. Следовательно, устранение причин поперечной неустойчивости электронного пучка в процессе ускорения позволит повысить ток пучка в 2,5-8 раз и, соответственно, увеличить дозу тормозного излучения.

Способ сохранения числа электронов в процессе ускорения в бетатроне, включающий инжекцию электронов и цикл ускорения, отличающийся тем, что в область устойчивости электронный пучок инжектируют с поперечным сечением в виде эллипса, большая ось которого расположена в медианной плоскости бетатрона.