Линейный индукционный ускоритель

 

ОП С ИЕ

И ЗОБРЕТЕ Н ИЯ

324722

Союз Советск»в

Социалистически»

Респубди»

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Зависимое от авт. свидетельства ¹â€”

М. Кл. Н 05h 11/00

Н 05h 7/04

Заявлено 21.VI I.1969 (№ 1350605/26-25) комитет по делам изобретений и открытий ори Совете Министров

СССР

Приоритет—

Опубликовано 23.Х11.1971. Бюллетень ¹ 2 за 1972

Дата опубликования описания 28.III.1972

УДК 621.384.66 (088.8) литеры изобретен! II

В. С. Босамыкин и А. И. Павловский

Заявитель

ЛИНЕЙНЪ1Й ИНДУКЦИОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ с присоединением заявки ¹â€”

Изобретение относится к области ускорительной техники.

Известны линейные индукционные ускорители с ускоряющей системой, содержащей серию последовательно соединенных трансфор- 5 маторов (индукторов) с коэффициентом трансформации, равным единице. Индукторы в таких ускорителях выполнены либо в виде витка, охватывающего тороидальный ферромагнитный сердечник, соединенного с располо- 10 ленными вне ускорителя накопителями энергии и коммутирующим устройством, либо в виде без>келезного тороидального колебательного контура, образованного емкостными накопителями энергии (конденсаторы или линии 15 с распределенными параметрами) II коммутирующимии у" ройствами.

В извс.-.!;Ib!x ускоргителях необходимо обеспечить одновременное срабатывание коммутирующих устройств всех индукторов, число ко- 20 торых определяется вкладом каждого трансформатора в полное ускоряющее напряжение (обычно несколько, десятков киловольт) .

Уменьшение числа коммутирующих элементов встречает .значительные трудности вследствие 25 малой индуктпвности индукторов.

В безжелезных линейных индукционных ускорителях емкостные н акопители энергии и коммутирующее устройство с системой запуска являются составными частями тороидаль- 30 ного индуктора. Поэтому увеличение накопленной в ускорителе энергии приводит к увеличению габаритов,,веса установки и ограничению напряженности ускоряющего электрического поля. Кроме того, минимальная высота индуктора а следовательно, и напряженность электрического поля ограничивается также конструктивным оформлением высоког вольтных коммутаторов. в качестве KQTopbIx обычно используются многоканальные искровые разрядники кольцевой геометрии, работающие в сжатом газе.

Особенностью предлагаемого ускорителя является выполнение каждого индуктора в виде короткозамкнутого соленоида меньшего поперечного сечения или в виде короткозамкнутой торопдальной катушки, пронизываемых изменяющимися магнитными потоками.

Такое выполнение ускорителя, по сравнению с известными, существенно упрощает схему коммутации и конструкцию ускорителя; увеличивает энергию, запасенную в ускоряющей системе, и следовательно, энергосодержание пу ка заряженных частиц; увеличивает напряженность ускоряющего электрического поля; уменьшает габариты и вес ускорителя.

На фиг. 1 изображен один из возможных вар.!k!íòîâ предлагаемого линейного индукционного ускорителя; на фиг. 2 — конструктивно более простая схема линейного индукцион324722 (б) 10

15

:;0

К вЂ”.—.—.. Л, с1Ф

Ж ного ускорителя; на фиг. 3,показана одна из возможных схем ускоряющей системы, пронизываемой несколькими аксиальными потокам t1.

Короткозамкнутый соленоид 1, намотанный из .соленоида прямоугольного сечения 2, образует индуктор ускорителя, помещенный в проводящую трубу 3 с разрезом 4 по образующей для подсоединения внешних источников питания. В о1писываемой схеме груба одновременно служит соединением концов соленоида (индуктивность соединения должна быть малой по сравнению с индуктивностью ипдуктора) .

Изменяющийся аксиалыный магнитный посв

> ток Фа=,1 В, d S, возникающий в трубе 8 при обтекании ее током II от,внешнего источника, пронизывает индуктор, возбуждая в нем ток 1г. Суммарный магнитный поток, создаваемый индуктором,:состоит из продольного потока, 3<огорый создается соленоидом 1, ослабляющего охватываемый индуктором внешний магнитный поток Ф(Фа и азиму> тального потока Зр= . В, d S, проходящего внутри соленоида 2. Соответственно этому индуктивность иидуктора Lu можно представить в виде суммы двух индуктивностей — индуктивности LI соленоида 1, имеющего V витков, намотанного из провода с прямоугольным сечением, равным сечению соленоида 2, и индуктивности Ег соленоида 2, имеющего nV витков, где и — число витков соленоида 2 на одном витке соленоида 1 Ln=LI+L .

Бели Lã )) LI, (а) внешний аксиальный поток, охватываемый индуктором, ослабляется незначительно. Соленоид 1 охватывает внешний поток N раз, пээтому полная э. д. с., действующая по контуру проводника, из которого нямотан и>ндуктор, равна а скорость изменения потока ф определяющая величину напряжения на одном витке соленоида 2 . (И

Й : dt 1 а Ф Ч вЂ”вЂ”

dt пЛ z. dt

Таким образом э.;I. с. индукции по одновитковому контуру, .проходящему через область ускорения (приосевое пространство индуктора) и охватывающему Л потоков ф (например, АБВГА) определяется выражением

-» - УиФ

Е=Ф Еа = п <Й

Вихревое электрическое пол» может быть сконцентрировано в ускоряющем зазоре AI c помощью металлического одновиткового вторичного контура АБВГ (в данной схсмс частью вторичного контура служит труба 8)

При этом заряженная частица, пройдя путь L

Ч5

:;0 )»

65 вдоль оси ускорителя (L — длина области ускорения АГ), приобретает энергию, соответствующую э. д.,с. индукции Е еЛ d<13

W=e E

n Ck

Ускоряющая система состоит из одного или Hecl

По другому варианту выполнения схема ускорителя (см. фиг. 2) электрическое поле возбугкдается иа оси системы, составленной из тороидальных короткозамкнутых многовитковых катушек — иидукторов, пронизываемых яксияльиым магнитным потоком, создаваемым в проводящей трубе 8 с разрезом 4 по образующей (соленоид 1 предыдущей схемы разбит на У отдельных витков) . Магнитное поле, создаваемое током, индуцированным в ипдукторах, также является суперпозицией продольного поля. направленного против внешнего магнитного поля, и азимутальиого, силовые линии которого замыкаются внутри тороидас3ьиых катушек. Так как индуктивность соленоида пропорциональна квадрату числа

I3IlTI

L l 1-2 где 1., — индуктивность одной тороидальпой катушки, L „— индуктивность трубы, обтекаемой по всему сечению азимутальным током с внутренним и внешним диаметрами, равными соответствующим диаметрам индукторов, и длиной, равной длине ускорителя.

Так как индуктивность трубы падает с увеличением ее длины, условию (в) можно удовлетворить в достаточно длинной ускоряющей системе при любом количестве витков тороидальной катушки. Это обстоятельство позволяет, кроме того, не нарушая условия (в), 3Hdчительно уменьшить аксиальный размер индуктора. что приводит к увеличению напряже IHocTH электрического поля.

Энергия частиц, соответствующая полному ускоряющему напряжению, в этом случае также определяется выражением (в).

Аксиальный магнитный поток, пронизь333ающий индуктор, может создаваться различны4III способами, в частности, трубу д можно имитировят3 отдельными индуктивно связанпымц витками, расположенными внутри тороидальной катушки или во внутреннем отверстии индукторов.

Внутри тороидальной катушки (соленоида) в плоскости, перпендикулярной оси, размещены параллельно или независимо запитываемые первичные витки 5. Если обеспечена хорошая связь между соответствующими первичными витками соседних индукторов (расстояние между индукторами много меньше поперечного размера витков), ускоряющая сисге324722

F) ома пронизывается несколькими аксиальными потоками, Эти потоки независимы, если.длина ускорителя велика по сравнению с расстоянием между ними и их поперечными размерами.

В этой схеме напряженность ускоряющего электрического поля максимальна и определяется скоростью изменения суммарного магнитного потока.

ЛЮ

Е= — U, и L где М вЂ” число охватываемых индуктором потоков, U, — напряжение на каждом первичном витке, L — длина ускорителя.

Коэффициент транформации каждого инМ дуктора в такой с еме, равный, может и иметь величину больше единицы.

В каждом пндукторе для улучшения связи н уменьшения мощности питания могут быть размещены ферромагнитные сердечники, охватываемые первичными витками. В ускоряющей системе они образуют секционированные (необходима изоляция как между индукторами, так и по азимуту) магнитопроводы, в коTopbIx конценгрируется аксиальный и азимутальный магнитные потоки.

Ток нагрузкп, протекающий по оси ускор.sтеля, создает азимутальное магнитное поле, ослабляющее азимутальное поле внутри индукторов. Распределение и величина поля внутри тороидальной многовитковой катушки прямоугольного сечения определяется значением полного аксиального тока, текущего по внутреннему цилиндру катушки

МоРд

2-,. г

Поэтому без значительного уменьшения амплитуды ус <оряющего электрического поля можно нагружать ускоритель током.

Схема предлагаемого ускорителя позволяет использовать различные источники питания: конденсаторные батареи, кабельные и полосковые линии, генераторы Аркадьева — Маркса, индуктивные накопители и т. д. Энергия запасается в индуктивности первичного контура, 5 создающего один или несколько аксиальных магнитных потоков. Небольшое количество элементов, к которым необходимо подводить ток от внешн гх источников, дает возможность существенно упростить схемы коммутации ус10 корителя. а накопление энергии в магнитном поле, обладающем большей энергоемкостью, чем электрическое поле в существующих диэлектриках — увеличить энергосодержание потоков ускоренных частиц, а также умень15 шить габариты ускорителя.

Для получения отдельных импульсов тока ускоренных частиц длительностью 108 — 10 се целесообразно использовать в качестве внешних накопителей энергии полосковые линии с

20 распределенными параметрами, разряжающиеся на индуктивную нагрузку первичного кочтура ускорителя.

Подобные безжелезные ускорители особен25 но выгодно использовать для получения пучков релятивистских электронов с током в импульсе .-= 105а при энергии в десятки мегаэлектроновольт (энергия в пучке = 1 л гдж) в режиме одиночных импульсов с очень ма30 лой частотой повторения.

Ускорители с упрощенной схемой коммутации, имеющие ферромагнитные сердечники, целесообразно использовать при рабоге с большой (= 10 ги) частотой повторения.

Предмет изобретения

Линейный индукционный ускоритель, содержащий ускорптельный тракт, пндукторы и 10 источник питания, от,гичающийся тем, что, с целью уменьшения габаритов ускорителя и повышения напряженности ускоряющего поля, каждый из пндукторов выполнен в виде короткозамкнутого соленоида, намотанного нз .!5 соленоида с меньшим поперечным сечением.

324722

Составитель Л. Требушинина

Редактор Л. Герасимова

Техред Е, Борисова Корректор Л; Царькова

Областная типография Костромского управления по печати

Заказ 341 Изд. № 1842 Тираж 448 Поди и си о с

11НИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, )К-35, Раушская наб., д. 4/5