Способ индукционного ускорения заряженных частиц

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании индукционных циклических ускорителей промышленного назначения. Способ индукционного ускорения заряженных частиц заключается в формировании нарастающего во времени магнитного поля, инжекции в него заряженных частиц, ускорении частиц индукционным электрическим полем и выведении ускоренных частиц. Магнитное поле формируют со средней величиной магнитной индукции, много меньшей величины индукции на орбите. На орбите формируют знакопеременный градиент магнитного поля с показателем поля, много большим единицы (сильная фокусировка). Заряженные частицы ускоряют импульсами индукционного электрического поля с длительностью импульсов, много меньшей времени нарастания поля на орбите и равной половине периода обращения частиц с частотой повторения импульсов, равной частоте обращения частиц, и амплитудой ΔU=ΔBvR₀, где ΔВ - прирост индукции за время одного оборота, R₀ - радиус орбиты, v - скорость частиц. Изобретение позволяет увеличить среднюю мощность пучка ускоренных заряженных частиц. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании индукционных циклических ускорителей промышленного назначения, например, для очистки дымовых газов промышленных предприятий от вредных SO_x и NO_x окислов, модификации и производства новых материалов, стерилизации медицинских инструментов и пищевых продуктов, дезинфекции медицинских и др. отходов.

Все известные индукционные циклические ускорители, бетатроны, с постоянным радиусом орбиты ускоряемых электронов используют классический способ ускорения, включающий инжекцию частиц в нарастающее магнитное поле, в котором средняя величина индукции нарастающего магнитного поля в два раза превышает магнитную индукцию на равновесной орбите и ускорение их индукционным электрическим полем. Таким образом обязательным является выполнение бетатронного условия "2:1", например, Дж.Ливингуд. «Принципы работы классических ускорителей». Издательство иностранной литературы, Москва 1963, с.238-244.

Недостатком электронных пучков, ускоряемых в таких ускорителях, является их низкая средняя мощность.

В циклических ускорителях число частиц, ускоряемых в одном цикле, ограничено устойчивостью пучка заряженных частиц. Средняя интенсивность ускоренных пучков зависит от числа ускоряющих циклов в секунду.

В классических бетатронах на формирование потока магнитной индукции внутри равновесной орбиты Ф=πR₀ ²В_ср (R₀ - радиус равновесной орбиты) расходуется основная доля (часть) магнитной энергии бетатрона. Частота циклов ускорения определяет среднюю мощность источников питания бетатрона.

Для увеличения числа частиц, ускоряемых в одном цикле, используют известные способы. Например, для устранения поперечной неустойчивости электронного пучка и сохранения числа захваченных частиц в процессе ускорения электронный пучок инжектируют с поперечным сечением в виде вытянутого эллипса (RU 2281622 С1); производят предварительную низковольтную инжекцию электронного пучка для ионизации остаточного газа в вакуумной камере и создают плазму, в которую затем производят высоковольтную инжекцию и обеспечивают повышенную плотность захватываемого в ускорение заряда путем частичной нейтрализации заряда ускоряемого пучка (RU 2002114384 А); формируют азимутально-периодическое магнитное поле на орбите для увеличения фокусирующих электронный пучок сил (SU 1459606 A1, SU 1360566 A1, SU 1395124 A1).

Для повышения цикличности бетатронов повышают магнитную проводимость электромагнита в его центральной части за счет переменного по радиусу полюса коэффициента заполнения полюса ферромагнитным материалом, уменьшают массу ферромагнитного материала и улучшают охлаждение магнитопровода бетатрона (SU 1316545 А1, SU 1459606 A1, SU 1263190).

В качестве прототипа выбираем способ, описанный в монографии Дж.Ливингуда «Принципы работы классических ускорителей». Издательство иностранной литературы, Москва 1963, с.238-244. Этот способ заключается в том, что формируют нарастающее во времени магнитное поле, инжектируют в него заряженные частицы, ускоряют частицы индукционным электрическим полем и выводят ускоренные частицы.

Технический результат предлагаемого изобретения - увеличение средней мощности ускоренных пучков заряженных частиц.

Способ заключается в том, что формируют нарастающее во времени магнитное поле; инжектируют в него заряженные частицы; ускоряют частицы индукционным электрическим полем и выводят ускоренные частицы; магнитное поле формируют со средней величиной магнитной индукции, много меньшей величины индукции на орбите; формируют знакопеременный градиент магнитного поля на орбите с показателем поля, много большим единицы (сильная фокусировка), а заряженные частицы ускоряют импульсами индукционного электрического поля с длительностью импульсов, много меньшей времени нарастания поля на орбите и равной половине периода обращения частиц, с частотой повторения импульсов, равной частоте обращения частиц, и амплитудой ΔU=ΔBvR₀, где ΔВ - прирост индукции за время одного оборота, R₀ - радиус орбиты, v - скорость частиц; ускорение, инжекцию и вывод частиц ведут на прямолинейных участках траектории частиц.

Отличительными признаками заявленного способа является следующие.

Формируют магнитное поле со средней величиной магнитной индукции внутри равновесной орбиты, много меньшей величины индукции на орбите. Это позволяет существенно уменьшить суммарную магнитную энергию и увеличить частоту циклов ускорения и среднюю мощность ускоренного пучка, которая прямо пропорциональна частоте циклов.

Формируют знакопеременный градиент магнитного поля на орбите с показателем поля, много большим единицы (n>100, сильная фокусировка), что позволяет существенно увеличить число ускоряемых частиц в одном цикле ускорения и дополнительно увеличить среднюю мощность ускоренного пучка. Кроме того, увеличение жесткости фокусировки позволяет уменьшить апертуру вакуумной камеры и дополнительно уменьшить величину магнитной энергии ускорителя.

Ускоряют заряженные частицы импульсами индукционного электрического поля с длительностью, много меньшей времени нарастания поля на орбите и равной половине периода обращения частиц, частотой повторения импульсов, равной частоте обращения частиц, и амплитудой ΔU=ΔBvR₀, где ΔВ - прирост индукции за время одного оборота, R₀ - радиус орбиты, v - скорость частиц, что позволяет в процессе ускорения сохранить радиус равновесной орбиты электронов постоянным.

Для улучшения эффективности инжекции и вывода заряженных частиц инжекцию и вывод частиц ведут на прямолинейных участках траектории.

Технический результат, а именно увеличение средней мощности пучка ускоренных заряженных частиц, достигается тем, что совокупность всех существенных признаков формулы позволяет сохранить радиус равновесной орбиты постоянным в процессе ускорения частиц даже при отсутствии центрального потока магнитной индукции, если выполняются специальные соотношения между амплитудно-временными характеристиками магнитной индукции на равновесной орбите и индуцированным ускоряющим напряжением. При этом средняя индукция магнитного поля внутри орбиты, В_ср, много меньше магнитной индукции на орбите, В₀,

В_ср:В₀<<1,

поскольку центральный магнитный поток отсутствует.

Формирование жесткофокусирующего магнитного поля на орбите позволяет уменьшить поперечные размеры пучка, что позволяет уменьшить апертуру ускорителя и габариты магнитных сердечников. В этом случае объем, занятый магнитным полем, а следовательно, и магнитная энергия бетатрона могут быть многократно уменьшены и при заданной мощности источников питания частота повторения циклов ускорения может быть также многократно повышена (с нескольких сот герц до нескольких сот килогерц). Это позволяет при заданном числе частиц в одном цикле ускорения существенно увеличить среднюю мощность ускоренного пучка.

На фиг.1 приведена схема устройства, где 1 - С-образные электромагниты, 2 - О-образные сердечники индукционной ускоряющей системы, 3 - инфлектор системы инжекции, 4 - инжектор, 5 - дефлектор системы вывода пучка, 6 - отклоняющий магнит.

Способ работает следующим образом. Пучок заряженных частиц (электронов) формируют в инжекторе 4, выводят на равновесную орбиту отклоняя его в инфлекторе 3, частицы пучка удерживают на равновесной орбите магнитным полем С-образных электромагнитов 1, ускоряют электрическим полем, индуцированным О-образными ферромагнитными сердечниками (индукторами) 2, и выводят отклоняя частицы дефлектором 5 и магнитом 6.

Для реализации предлагаемого способа ускорения нарастающее во времени магнитное поле на орбите формируют С-образными электромагнитами (предпочтительно с замкнутой части ярма (сердечника), расположенной снаружи орбиты). На фиг.2 представлена схема С-образных сердечников электромагнитов со знакопеременным градиентом.

Форма волны магнитной индукции на орбите и напряжения источника питания изображены на фиг.4.

Частицы, движущиеся по равновесной орбите, ускоряются электрическим полем, индуцированным O-образными ферромагнитными сердечниками (индукторами), которые либо охватывают С-образные электромагниты на одном или нескольких азимутах, либо располагаются на прямолинейных участках ускорителя. На фиг.3 приведена схема O-образных сердечников индукционной ускоряющей системы.

На фиг.5 показаны амплитудно-временные характеристики магнитной индукции на орбите и ускоряющего напряжения на витках О-образных сердечников (индукторов).

Для сохранения орбиты постоянным прирост энергии частиц за один оборот делают равным

еΔU=eΔB_СvR₀,

где ΔВ_С - прирост магнитной индукции в O-образных электромагнитах (индукции на равновесной орбите), v - скорость частиц.

С целью уменьшения суммарного сечения O-образных электромагнитов и уменьшения магнитной энергии бетатрона частоту повторения импульсов ускоряющего напряжения делают равной циклотронной частоте ускоряемых частиц. Например, когда магнитную индукцию делают линейно нарастающей во времени

B_C(t)=B_Cmax(t/T),

где Т - длительность цикла нарастания индукции,

амплитуда индуцированных импульсов ускоряющего напряжения должна быть постоянной и равной

ΔU=2πR₀ ²(B_Cmax/T).

Частоту повторения ускоряющих импульсов делают равной F=2πR₀/v, а длительность импульса τ=0,5/F.

В предлагаемом способе ускорения магнитный поток внутри равновесной орбиты и магнитная энергия бетатрона многократно уменьшены по сравнению с классическими бетатронами.

Магнитный поток в классическом бетатроне - Ф=πR₀ ²B_ср=2πR₀ ²B₀.

Суммарный магнитный поток в О-образных электромагнитах - Ф_С=τΔU=2πR₀ ²B_C(t/Т).

Коэффициент уменьшения магнитного потока

К_Ф=Ф/Ф_С=(В₀/В_С)(Т/τ)≃Т/τ>>1.

Коэффициент уменьшения магнитной энергии К_м>К_Ф, т.к. суммарный объем С-образных электромагнитов ускорителя существенно меньше объема ферромагнитного сердечника классического бетатрона.

При заданной мощности источников питания ускорителя частота циклов ускорения и средняя мощность пучка заряженных частиц может быть увеличена в К_м раз.

С целью увеличения числа частиц, ускоряемых в одном цикле ускорения, магнитное поле в зазорах С-образных электромагнитов формируют с большим радиальным градиентом и фокусировку частиц осуществляют знакопеременным градиента поля (сильная фокусировка). Большой показатель магнитного поля уменьшает амплитуду бетатронных колебаний и позволяет уменьшить размеры вакуумной камеры, уменьшить размеры и суммарный магнитный поток С-образных магнитов.

Таким образом, в предлагаемом способе ускорения увеличение средней мощности ускоренного пучка заряженных частиц достигается путем одновременного увеличения как числа частиц в одном цикле ускорения, так и числа ускоряющих циклов в единицу времени.

Для примера рассмотрим основные параметры ускорителя электронов на энергию 10 МэВ радиусом равновесной орбиты 0,5 м. Отсутствие магнитного поля в центральной области ускорителя и малая апертура ускорительной камеры позволяют уменьшить магнитную энергию в ускорителе и увеличить частоту циклов ускорения на несколько порядков. При частоте циклов 100 кГц (время линейного нарастания магнитной индукции 5 мкс) и числе частиц, ускоряемых в одном цикле ускорения, средний ток пучка электронов составит 8 мА, а средняя мощность ускоренного пучка - 80 кВт (при энергии 10 МэВ).

Максимальная величина магнитной индукции равна 0,067 Тл, что существенно меньше индукции насыщения основных марок ферритов. Поэтому потери энергии при перемагничивании ферритовых О-образных сердечников будут малы.

Радиус равновесной орбиты будет постоянным в процессе ускорения, если суммарное ускоряющее напряжение, индуцированное О-образными сердечниками индукторов, будет равно 42 кВ. Если величина индукции в сердечниках не превышает 0,1 Тл, потери энергии на перемагничивание сердечников будут малы. Для этого суммарное сечение сердечников должно быть более 20 см².

Из всех вариантов систем питания С- и О-образных сердечников транзисторный вариант является наиболее предпочтительным. Он наиболее прост, надежен, дешев и обладает высоким КПД (порядка 1) (см. Н.Matthes, R.Jurgens "1.6 MW 150 kHz Series Resonant Circuit Converter incorporating IGBT Devices for welding applications". International Induction Heating Seminar, Padova, pp 25-31).

1. Способ индукционного ускорения заряженных частиц, заключающийся в том, что формируют нарастающее во времени магнитное поле, инжектируют в него заряженные частицы, ускоряют частицы индукционным электрическим полем и выводят ускоренные частицы, отличающийся тем, что магнитное поле формируют со средней величиной магнитной индукции, много меньшей величины индукции на орбите; формируют знакопеременный градиент магнитного поля на орбите с показателем поля, много большим единицы (сильная фокусировка); ускоряют заряженные частицы импульсами индукционного электрического поля с длительностью импульсов, много меньшей времени нарастания поля на орбите и равной половине периода обращения частиц с частотой повторения импульсов, равной частоте обращения частиц и амплитудой ΔU=ΔBvR₀, где ΔВ - прирост индукции за время одного оборота, R₀ - радиус орбиты, v - скорость частиц.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ускорение частиц ведут на прямолинейных участках траектории пучка заряженных частиц.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что заряженные частицы инжектируют и выводят на прямолинейных участках траектории частиц.