Способ ускорения электронов в бетатроне

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке и усовершенствовании бетатронов и адгезаторов. Способ ускорения электронов в бетатроне включает инжекцию электронов и цикл ускорения. В процессе цикла ускорения электронного пучка радиус равновесной орбиты в пределах области устойчивости уменьшают по закону где R0 - радиус равновесной орбиты и а и b - большая и меньшая полуоси эллипсоидального сечения электронного пучка после инжекции, a R01(t) - радиус равновесной орбиты и a1(t) и b1(t) - большая и меньшая полуоси эллипсоидального сечения электронного пучка в процессе цикла ускорения. Техническим результатом является устранение поперечной неустойчивости электронного пучка в процессе ускорения и увеличение числа ускоренных электронов.

 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке и усовершенствовании бетатронов и адгезаторов.

Известен способ ускорения электронов в бетатроне, включающий инжекцию электронов с последующим их ускорением в области с азимутально-симметричным магнитным полем, которое в цилиндрической системе координат удовлетворяет условиям

где n - показатель спада магнитного поля, Hz - компонента напряженности магнитного поля, - средняя напряженность магнитного поля в области, ограниченной равновесной орбитой, - напряженность магнитного поля на равновесной орбите радиуса R0 /Л.Н.Ананьев, А.А.Воробьев и В.И.Горбунов. "Индукционный ускоритель электронов - бетатрон". "ГИЛ в области атомной науки и техники". М., 1961 г./.

Недостатком данного способа является малая величина ускоренного электронного тока вследствие потерь из-за поперечной неустойчивости пучка.

Технический результат изобретения - устранение поперечной неустойчивости электронного пучка в процессе ускорения и увеличение числа ускоренных электронов.

Данный результат достигается тем, что в способе ускорения электронов в бетатроне, включающем инжекцию электронов и цикл ускорения, в процессе ускорения электронного пучка радиус равновесной орбиты в пределах области устойчивости уменьшают по закону где R0 - радиус равновесной орбиты и а и b - большая и меньшая полуоси эллипсоидального сечения электронного пучка после инжекции, a R01(t) - радиус равновесной орбиты и a1(t) и b1(t) - большая и меньшая полуоси эллипсоидального сечения электронного пучка в процессе цикла ускорения.

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, а именно собственное внешнее 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 Rn и что плотность частиц постоянна как по сечению, так и по длине. В этом случае внешнее магнитное поле прямолинейного тока I на радиусе rn описывается формулой

где Нп - Э, I - А, rn - см.

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

где ΔHz - перепад напряженности магнитного поля при приращении r на ΔR в Э.

Суперпозиция бетатронного поля Hz и магнитного поля пучка Hnz, т.е. HZ∑=Hz+Hnz, 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 ΔHz и при достаточно больших токах ΔHz меняет знак, при этом происходит нарушение вертикальной фокусировки. Необходимо отметить, что радиальная фокусировка электронного пучка усиливается.

Таким образом, существует взаимно однозначное соответствие между предельной величиной инжектированного тока и перепадом магнитного поля для каждого момента времени инжекции, т.е. предельный ток определяется временной зависимостью ΔHz(t), которая совпадает с зависимостью бетатронного поля Hz(t) от времени, обусловленной электротехническими параметрами источника питания и обмотки.

В соответствии с изложенным для предельного тока инжекции с учетом удвоения Нп и, полагая получим:

Очевидно, что это выражение выполняется для любого момента времени ускорения, но не описывает временную зависимость тока ускорения из-за наличия известных нестационарных процессов, например, поперечной неустойчивости пучка, возникающих в течение цикла ускорения.

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 /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 (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 инжекции и последующей 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 с эллипсной формой сечения дается выражением /П.Л.Калантаров, П.П.Цейтлин. Расчет индуктивностей. - Ленинград, Энергоиздат, 1986 г./

где а и b - большая и меньшая полуоси соответственно.

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 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 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.

Из формулы для индуктивности кольца с эллипсной (круглой) формой сечения следует, что для поддержания индуктивности электронного пучка в процессе ускорения неизменной необходимо создать условия, при реализации которых равновесная орбита с момента инжекции в процессе ускорения начинает плавно, до определенного радиуса, сжиматься. Условия соответствия между параметрами сечения пучка и равновесной орбитой в процессе ускорения с учетом возрастания циркулирующего тока обратно пропорционально сжатию орбиты легко получить из закона сохранения магнитного потока, согласно которому

где R0, а и b - радиус равновесной орбиты и характеристики сечения пучка при (после) инжекции, a R01, a1 и b1 - радиус равновесной орбиты и характеристики сечения пучка в конце цикла ускорения. Зная исходные параметры пучка с учетом его радиального сжатия и ограничения в аксиальном направлении областью устойчивости либо аксиальным размером камеры ускорения, для R01 существует единственное решение в каждом конкретном случае.

Реализация предлагаемого способа осуществляется следующим образом. Например, в электромагните безжелезного бетатрона внутри и соосно катушке (катушкам), формирующей ускоряющий магнитный поток с целью его опережающего соответствующего роста, размещают соленоид (соленоиды), подключаемый(е) в момент инжекции к дополнительному источнику питания.

Согласно литературным данным /А.А.Воробьев, В.А.Москалев. Сильноточный бетатрон и стереобетатрон. М., Атомиздат, 1969 г./ за весь цикл ускорения, вследствие поперечной неустойчивости, 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 ускорения электронов в бетатроне, включающий инжекцию электронов и цикл ускорения, отличающийся тем, что в процессе цикла ускорения электронного пучка радиус равновесной орбиты в пределах области устойчивости уменьшают по закону

где r0 - радиус равновесной орбиты и а и b - большая и меньшая полуоси эллипсоидального сечения электронного пучка после инжекции, a R01(t) - радиус равновесной орбиты и a1(t) и b1(t) - большая и меньшая полуоси эллипсоидального сечения электронного пучка в процессе цикла ускорения.



 

Похожие патенты:

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

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

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для генерации ионных пучков наносекундной длительности с высокой частотой следования импульсов.

Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для генерации электронных пучков с большой энергией. .

Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для генерации электронных пучков с большой энергией. .

Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для генерации электронных пучков с большой энергией. .

Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для генерации электронных пучков с большой энергией. .

Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для генерации электронных пучков с большой энергией. .

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для генерации электронных пучков с большой энергией для последующего использования энергии ускоренных электронов для целей интраоперационной лучевой терапии, промышленной дефектоскопии, радиационных испытаний стойкости материалов и т.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано как компактный ускоритель заряженных частиц коммерческого типа для формирования одиночных и многих, в том числе параллельных релятивистских пучков, включая такие, которые имеют разные энергии и состоят из зарядов разных знаков.

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для использования при разработке и усовершенствовании индукционных циклических ускорителей и накопительных установок

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке индукционных ускорителей электронов - бетатронов

Изобретение относится к ускорительной технике и сильноточной электронике

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании индукционных циклических ускорителей промышленного назначения

Изобретение относится к электротехнике, а именно к технологии изготовления клееных конструкций, и может быть использовано при изготовлении электромагнитов бетатронов

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к безжелезным электромагнитам ускорителей с аксиальной симметрией магнитного поля, и может быть использовано в дефектоскопических, медицинских и других бетатронных установках

Изобретение относится к ускорительной технике и используется для сброса пучка заряженных частиц на мишень

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании индукционных циклических ускорителей ионов с регулируемой кинетической энергией в медицине и научных исследованиях

Изобретение относится к проблеме управляемого термоядерного синтеза и может найти применение в качестве сильноточного индукционного ускорителя предпочтительно положительно заряженных частиц и ионов, а также для создания пучка нейтронов

Изобретение относится к ускорительной технике

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке и усовершенствовании бетатронов и адгезаторов

Наверх