Источник тормозного излучения

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в средствах неразрушающего контроля материалов и изделий. Устройство содержит магнитопровод, полюсы, обмотки возбуждения, центральные вкладыши, ускорительную камеру, мишень, три системы обмоток смещения. Обмотки смещения первой и второй систем расположены между ускорительной камерой и магнитопроводом, в обмотках первой системы, образуемой ближними к полюсам обмотками, направление импульсных токов совпадает с направлением токов в обмотках возбуждения, а обмотки второй системы расположены между обмотками первой системы с зазорами относительно обмоток первой системы и между собой. Направления импульсных ампер-витков обмоток первой и второй систем противоположные. Первая система обмоток выполнена с импульсными ампер-витками в конце цикла ускорения, меньшими импульсных ампер-витков второй системы обмоток. Обмотки смещения третьей системы выполнены с радиальным размером, меньшим радиуса равновесной орбиты, и направлением импульсных ампер-витков, одинаковым с направлением импульсных ампер-витков первой системы обмоток смещения. Техническим результатом является уменьшение размера фокусного пятна тормозного излучения в аксиальном направлении с возможностью регулирования соотношения размеров фокусного пятна в аксиальном и радиальном направлениях. 5 ил.

 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в средствах неразрушающего контроля материалов и изделий.

Известен источник тормозного излучения (Л.М Ананьев., А.А.Воробьев, В.И.Горбунов. Индукционный ускоритель электронов - бетатрон. - М.: Госатомиздат, 1961, с.228-231), содержащий магнитопровод, полюсы, обмотки возбуждения на полюсах, центральные вкладыши, ускорительную камеру между полюсами, мишень, расположенную в ускорительной камере, обмотки смещения ускоренных электронов на мишень с импульсными ампер-витками в конце цикла ускорения, расположенные на центральных вкладышах или на полюсах.

В этом источнике смещение электронов с равновесной орбиты на мишень реализуется за счет их доускорения импульсным магнитным полем обмоток смещения.

Известен источник тормозного излучения (Москалев В.А. Бетатроны. - М.: Энергоиздат, 1981, с.38), выбранный в качестве прототипа, содержащий магнитопровод, полюсы, обмотки возбуждения на полюсах, центральные вкладыши, ускорительную камеру между полюсами, мишень, расположенную в ускорительной камере на радиусе, большем радиуса равновесной орбиты, две системы расположенных на полюсах обмоток смещения с одинаковыми по величине и противоположно направленными импульсными ампер-витками в конце цикла ускорения и радиальными размерами, меньшими радиуса равновесной орбиты ускоряемых электронов у обмоток смещения первой системы, и радиальными размерами, большими радиуса равновесной орбиты ускоряемых электронов у обмоток смещения второй системы.

В этом источнике смещение электронов с равновесной орбиты на мишень реализуется за счет уменьшения индукции в области равновесной орбиты импульсным магнитным полем обмоток смещения.

Известные источники тормозного излучения имеют достаточно малые размеры (до 0,2 мм) фокусного пятна только в радиальном направлении, но при гораздо больших размерах, превышающих 2 мм, в направлении, перпендикулярном плоскости ускорения - в аксиальном направлении. Такое соотношение ограничивает, например, функциональные параметры промышленных томографов на основе этих источников.

Большие размеры фокусного пятна в аксиальном направлении являются следствием больших амплитуд колебаний электронов в этом направлении в процессе смещения электронов с равновесной орбиты на мишень из-за малых сил, действующих на отклоняющиеся от плоскости ускорения электроны, величины которых определяются малыми величинами радиальной составляющей индукции между ускорительными полюсами вблизи плоскости ускорения в процессе смещения.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение размера фокусного пятна тормозного излучения в аксиальном направлении с возможностью регулирования соотношения размеров фокусного пятна в аксиальном и радиальном направлениях.

Поставленная задача достигается тем, что в источнике тормозного излучения, который содержит магнитопровод, полюсы, обмотки возбуждения на полюсах, центральные вкладыши, ускорительную камеру между полюсами, мишень, расположенную в ускорительной камере на радиусе, большем радиуса равновесной орбиты, две системы обмоток смещения с противоположно направленными импульсными ампер-витками в конце цикла ускорения, обмотки смещения расположены между ускорительной камерой и магнитопроводом, в обмотках смещения первой системы, образуемой ближними к полюсам обмотками смещения, направление импульсных ампер-витков совпадает с направлением токов в обмотках возбуждения на полюсах, а обмотки смещения второй системы расположены между обмотками смещения первой системы с зазорами относительно обмоток смещения первой системы и между собой, причем первая система обмоток выполнена с импульсными ампер-витками в конце цикла ускорения, меньшими импульсных ампер-витков второй системы обмоток, и введена третья система обмоток с направлением импульсных ампер-витков, одинаковым с направлением импульсных ампер-витков в обмотках смещения первой системы, и радиальным размером, меньшим радиуса равновесной орбиты.

Отличительными от прототипа признаками являются расположение обмоток смещения между ускорительной камерой и магнитопроводом, совпадение направлений импульсных ампер-витков в обмотках смещения первой системы ближних к полюсам обмоток смещения с направлением токов в обмотках возбуждения на полюсах, расположение обмоток смещения второй системы с зазором относительно обмоток смещения первой системы ближних к полюсам обмоток смещения и между собой, выполнение первой системы обмоток смещения с импульсными ампер-витками в конце цикла ускорения, меньшими импульсных ампер-витков второй системы обмоток смещения, и введение третьей системы обмоток смещения с направлением импульсных ампер-витков, одинаковым с направлением импульсных ампер-витков в обмотках смещения первой системы, и радиальным размером, меньшим радиуса равновесной орбиты.

Размеры фокусного пятна тормозного излучения задаются размерами области мишени, которая облучается электронами, ускоренными на равновесной орбите, относительно которой они совершали бетатронные колебания, смещенными с равновесной орбиты и переместившимися в пространстве между равновесной орбитой и мишенью по спиральной траектории.

Размер облучаемой области мишени в аксиальном направлении определяется амплитудами колебаний электронов в аксиальном направлении в процессе смещения, величины которых обратно пропорциональны величине аксиального градиента радиальной составляющей индукции.

При этом радиальный размер облучаемой области мишени определяется шагом спиральной траектории, величина которого задается распределением индукции в процессе смещения.

В процессе смещения импульсное магнитное поле, формируемое первой и второй системами обмоток, увеличивает в зависимости от величины импульсных ампер-витков степень спадания магнитного поля в области между равновесной орбитой и радиальным положением мишени в гораздо большей степени, чем при реализации процесса смещения в известных устройствах. Радиальная составляющая индукции во всех точках этой области вблизи плоскости ускорения увеличивается, причем степень увеличения является возрастающей функцией радиального отличия от положения равновесной орбиты. В результате в процессе смещения амплитуда аксиальных колебаний электронов уменьшается, электроны падают на мишень с уменьшенной амплитудой аксиальных колебаний, облучают область поверхности малого аксиального размера, что обеспечивает малый аксиальный размер фокусного пятна тормозного излучения.

Выполнение первой системы обмоток смещения с импульсными ампер-витками в конце цикла ускорения, меньшими импульсных ампер-витков второй системы обмоток смещения, и введение третьей системы обмоток смещения с направлением импульсных ампер-витков, одинаковым с направлением импульсных ампер-витков в обмотках смещения первой системы, и радиальным размером, меньшим радиуса равновесной орбиты, позволяет смещать электроны при заданном, в зависимости от соотношения и величины импульсных ампер-витков первой, второй и третьей систем обмоток смещения, спадании индукции магнитного поля в области между равновесной орбитой и радиальным положением мишени без изменения энергии электронов. Это обеспечивает регулирование соотношения амплитуды аксиальных колебаний и шага спиральной траектории в процессе перемещения электронов от равновесной орбиты к радиальному положению мишени и, значит, соотношения между аксиальным и радиальным размерами фокусного пятна.

На фиг.1 показана схема предлагаемого устройства в двух проекциях.

На фиг.2 - радиальные распределения индукции В в плоскости ускорения.

Зависимость 1 - перед началом процесса смещения электронов с равновесной орбиты.

Зависимость 2 - при достижении порогового значения индукции на радиусе равновесной орбиты при реализации устройства-прототипа.

Зависимости 3, 4, 5 - при достижении порогового значения индукции на радиусе равновесной орбиты при реализации предлагаемого устройства при различных ампер-витках систем обмоток смещения и их соотношениях.

На фиг.3 - зависимости магнитного потока F от радиуса R.

Зависимость 1 - перед началом процесса смещения электронов с равновесной орбиты.

Зависимость 2 - при достижении порогового значения индукции на радиусе равновесной орбиты при реализации устройства-прототипа.

Зависимости 3, 4, 5 - при достижении порогового значения индукции на радиусе равновесной орбиты при реализации предлагаемого устройства при различных ампер-витках систем обмоток смещения и их соотношениях.

На фиг.4 - аксиальные распределения радиальной составляющей индукции B_R на равновесной орбите.

Зависимость 1 - перед началом процесса смещения электронов с равновесной орбиты.

Зависимость 2 - при достижении порогового значения индукции на радиусе равновесной орбиты при реализации устройства-прототипа.

Зависимости 3, 4, 5 - при достижении порогового значения индукции на радиусе равновесной орбиты при реализации предлагаемого устройства при различных ампер-витках систем обмоток смещения и их соотношениях.

На фиг.5 - аксиальные распределения радиальной составляющей индукции B_R на радиусе положения мишени R_M.

Зависимость 1 - перед началом процесса смещения электронов с равновесной орбиты.

Зависимость 2 - при достижении порогового значения индукции на радиусе равновесной орбиты при реализации устройства-прототипа.

Зависимости 3, 4, 5 - при достижении порогового значения индукции на радиусе равновесной орбиты при реализации предлагаемого устройства при различных ампер-витках систем обмоток смещения и их соотношениях.

Источник тормозного излучения содержит магнитопровод 1, полюсы 2, обмотки возбуждения 3 на полюсах 2, центральные вкладыши 4, ускорительную камеру 5 с внешним радиусом R_K между полюсами 2, мишень 6, расположенную на инжекторе 7 в ускорительной камере 5 на радиусе R_M, большем радиуса равновесной орбиты R₀, две системы обмоток смещения с противоположно направленными импульсными ампер-витками в конце цикла ускорения. Первая система содержит обмотки смещения 8 и 9, вторая система содержит обмотки смещения 10 и 11. Обмотки смещения 8, 9, 10, 11 расположены между ускорительной камерой 5 и магнитопроводом 1. В обмотках смещения первой системы ближних к полюсам обмоток смещения 8, 9 направление импульсных ампер-витков совпадает с направлением токов в обмотках возбуждения 3 на полюсах 2. Обмотки смещения 10 и 11 второй системы расположены с зазором Н относительно обмоток смещения 8, 9 первой системы ближних к полюсам обмоток смещения. Направление импульсных ампер-витков в обмотках смещения 10 и 11 противоположно направлению токов в обмотках возбуждения 3 и, соответственно, импульсных ампер-витков в обмотках смещения 8 и 9.

Обмотки смещения 10 и 11 расположены с зазором L между ними, меньшим, например, размера h ускорительной камеры 5 в аксиальном направлении.

Часть зазора, например, за пределами радиуса R_Fe между обмотками смещения 8 и 10, а также между обмотками смещения 9 и 11 заполнена магнитным материалом 12.

В пространстве между полюсами, ограниченном радиусом R₃, меньшим радиуса равновесной орбиты R₀, установлена третья система обмоток, содержащая, например, обмотки 14 и 15 на полюсах 2 с направлением импульсных ампер-витков в конце цикла ускорения, одинаковым с направлением токов в обмотках возбуждения 3.

Системы обмоток выполнены с возможностью изменения амплитуд импульсных ампер-витков.

В цикле работы устройства нарастающий ток в обмотках возбуждения 3 создает нарастающий магнитный поток в магнитопроводе 1, центральных вкладышах 4, полюсах 2, межполюсном пространстве и, при наличии, в магнитном материале в зазорах Н между обмотками смещения 8 и 10, 9 и 11. В момент оптимального соответствия между напряжением инжекции инжектора 7 и индукцией магнитного поля в пространстве между полюсами 2 часть электронов из инжектора 7 в ускорительной камере 5 захватывается в ускорение на равновесной орбите, радиус которой R₀ задается параметрами центральных вкладышей 4 и распределением магнитной индукции в пространстве между полюсами 2, задаваемым профилем полюсов 2 и при наличии магнитным материалом 12 в зазорах Н между обмотками смещения 8 и 10, 9 и 11.

Под действием электрического поля, индуцированного нарастающим магнитным потоком, электроны ускоряются на равновесной орбите, совершая относительно нее бетатронные колебания, амплитуда которых в радиальном и аксиальном направлениях определяется степенью спадания магнитной индукции в пространстве между полюсами.

В конце цикла ускорения перед началом процесса смещения магнитное поле, созданное токами обмоток возбуждения 3 в пространстве между полюсами 2, достигает величины индукции на равновесной орбите В₀, с распределением индукции В (фиг.2, зависимость 1) в области между равновесной орбитой с радиусом, например, R₀=50 мм, и мишенью на радиусе R_M=70 мм в плоскости ускорения при потоке в пределах равновесной орбиты, равном Fo (фиг.3, зависимость 1, R=50 mm).

Действием импульсных магнитных полей первой, второй и третьей систем обмоток смещения запускается процесс смещения ускоренных электронов на мишень.

При этом импульсным магнитным полем обмоток смещения индукция в области равновесной орбиты уменьшается до порогового значения смещения, например, на 20%, при котором магнитное поле не может удерживать электроны на равновесной орбите. Причем в процессе достижения порогового значения магнитный поток в пределах равновесной орбиты дополнительно за счет действия обмоток смещения не изменяется (фиг.3, зависимость 4, R=50 mm) и не происходит соответствующее дополнительное изменение энергии электронов.

Достижение порогового значения смещения сопровождается изменением распределения магнитной индукции в пространстве между равновесной орбитой и радиальным положением мишени с увеличением его спада.

Пороговому значению смещения соответствует распределение магнитной индукции в пространстве между равновесной орбитой и радиальным положением мишени (фиг.2, зависимость 4) с гораздо большим спадом, чем до запуска процесса смещения (фиг.2, зависимость 1) и при реализации смещения в известном устройстве-прототипе (фиг.2, зависимость 2).

Подбором величин ампер-витков первой, второй и третьей систем обмоток смещения одному и тому же пороговому значению индукции на радиусе равновесной орбиты ставятся в соответствие различные радиальные спады индукции (фиг.2, например, зависимости 4 и 5).

Соотношение ампер-витков, соответствующих, например, зависимостям 5 и 4 (фиг.2, 3, 4, 5): для первой системы обмоток смещения - 2, для второй системы обмоток смещения - 1.8, для третьей системы - 0.9.

Подбором величин ампер-витков первой, второй и третьей систем обмоток смещения обеспечивается, например, множество радиальных распределений индукции В между зависимостями 4 и 5 с соответствующими спадами, которым соответствует отсутствие дополнительного изменения энергии электронов.

Отклонения от такого подбора вызывают дополнительные изменения энергии электронов. Зависимость 3 (фиг.2), в качестве примера, показывает распределение индукции при соотношениях ампер-витков систем обмоток смещения по отношению к таковым, соответствующим зависимости 4: для первой системы обмоток смещения - 1, для второй системы обмоток смещения - 1, для третьей системы - 0.5, при которых происходит дополнительное изменение магнитного потока в пределах равновесной орбиты в процессе смещения (фиг.3, зависимость 3, R=50 mm) и соответствующее дополнительное изменение энергии электронов действием обмоток смещения.

Увеличенным спадам соответствуют увеличенные аксиальные градиенты (фиг.4, 5). Возрастающие от положения равновесной орбиты (фиг.4) к радиальному положению мишени (фиг.5), регулируемые изменением ампер-витков систем обмоток смещения аксиальные градиенты радиальных составляющих индукции B_R (зависимости 4, 5), превышают аксиальные градиенты при реализации устройства-прототипа (зависимости 2).

Увеличенным и регулируемым аксиальным градиентам соответствуют увеличенные и регулируемые аксиальные силы, действующие на электроны при их отклонении от плоскости смещения (ускорения), что приводит к регулируемому уменьшению амплитуды аксиальных колебаний электронов в процессе смещения и, значит, к регулируемому уменьшению аксиального размера облучаемой области поверхности мишени и, соответственно, к регулируемому уменьшению аксиального размера фокусного пятна тормозного излучения.

В то же время регулируемому увеличенному спаду индукции соответствует регулируемый увеличенный шаг спиральных траекторий перемещения электронов с равновесной орбиты на мишень, что приводит к одновременному регулируемому возрастанию радиального размера облучаемой области поверхности мишени и соответственно к регулируемому увеличению размера фокусного пятна тормозного излучения в радиальном направлении.

Тормозное излучение из мишени 6 с уменьшенным аксиальным размером фокусного пятна и возможностью регулирования его соотношения с радиальным размером выходит через стенку ускорительной камеры 5 и зазор между обмотками 10, 11 второй системы на облучаемый объект.

Коммутацией импульсных ампер-витков систем обмоток смещения от цикла ускорения к циклу устройство обеспечивает коммутацию соотношения размеров фокусного пятна от цикла ускорения к циклу в заданном диапазоне, от минимального размера в радиальном направлении при большом размере в аксиальном направлении до минимального размера в аксиальном направлении при большом размере в радиальном направлении.

Источник тормозного излучения, содержащий магнитопровод, полюсы, обмотки возбуждения на полюсах, центральные вкладыши, ускорительную камеру между полюсами, мишень, расположенную в ускорительной камере на радиусе, большем радиуса равновесной орбиты, две системы обмоток смещения с противоположными направлениями импульсных ампер-витков в конце цикла ускорения, отличающийся тем, что обмотки смещения расположены между ускорительной камерой и магнитопроводом, в обмотках смещения первой системы, образуемой ближними к полюсам обмотками смещения, направление импульсных ампер-витков совпадает с направлением токов в обмотках возбуждения на полюсах, а обмотки смещения второй системы расположены между обмотками смещения первой системы с зазорами относительно обмоток смещения первой системы и между собой, причем первая система обмоток выполнена с импульсными ампер-витками в конце цикла ускорения, меньшими импульсных ампер-витков второй системы обмоток, и введена третья система обмоток с направлением импульсных ампер-витков, одинаковым с направлением импульсных ампер-витков в обмотках смещения первой системы, и радиальным размером, меньшим радиуса равновесной орбиты.