УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫВОДА ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ДЛЯ БЕТАТРОНОВ С ИМПУЛЬСНЫМ ПИТАНИЕМ Российский патент 1996 года по МПК H05H11/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и используется для вывода пучка заряженных частиц на мишень или за пределы ускорительной камеры.

Известны устройства для вывода пучка заряженных частиц для бетатронов [1 и 2]
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для бетатрона [2] Устройство [2] представляет собой устройство для вывода пучка ускоренных электронов для бетатрона с непрерывным питанием. Устройство содержит намагничивающую обмотку и накопительный конденсатор, соединенные параллельно; обмотку смещения, подключенную через управляемый вентиль параллельно намагничивающей обмотке.

Недостатком бетатрона по прототипу [2] является невозможность его использования для бетатронов со многими равновесными орбитами, например в цилиндрическом бетатроне. В бетатроне этого типа перед выводом необходимо произвести сжатие ускоренных частиц в пучок.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей устройства [2] путем обеспечения изменения во времени топографии магнитного поля и импульсного режима работы.

Цель достигается тем, что в устройство для вывода пучка заряженных частиц для бетатронов с импульсным питанием, содержащее обмотку смещения, которая последовательно соединена с управляемым вентилем, и намагничивающую обмотку, которые параллельно подключены к накопительному конденсатору дополнительно введены обмотка, которая последовательно соединена с управляемым вентилем, и четырехвентильный управляемый инвертор, причем анод управляемого вентиля обмотки смещения подключен к точке соединения катодов первой пары управляемых вентилей инвертора и первого вывода намагничивающей обмотки, а катод подключен к одному из выводов обмотки смещения, второй вывод которой подключен к точке соединения анодов второй пары управляемых вентилей инвертора и второго вывода намагничивающей обмотки, первый вывод дополнительной обмотки соединен с анодами управляемых вентилей инвертора, а второй вывод присоединен к катоду дополнительного управляемого вентиля, анод которого соединен с катодами управляемых вентилей инвертора.

Предлагаемое изобретение рассмотрим на примере его использования в цилиндрическом бетатроне. Известно устройство цилиндрического бетатрона [2] содержащее намагничивающую обмотку, выполненную в виде соленоида, питаемого от импульсного генератора тока. Для вывода пучка из цилиндрического бетатрона ускоренные частицы необходимо сжать в аксиальном направлении. Для сжатия ускоренных частиц в цилиндрическом бетатроне необходимо использовать устройство компрессии, представляющее из себя дополнительную обмотку, намотанную в электромагните с неравномерной плотностью, и подключенную к дополнительному генератору импульсного тока.

Недостатком такого построения системы сжатия ускоренных частиц является то, что требуется дополнительная схема с большой реактивной энергией, сравнимой с энергией основного (ускоряющего) магнитного поля. Если же для сжатия ускоряемых частиц использовать основное (ускоряющее) магнитное поле цилиндрического бетатрона путем изменения во времени топографии магнитного поля за счет схемного решения, то дополнительная схема компрессии не потребуется.

Расширение функциональных возможностей устройства [2] достигается путем изменения во времени топографии магнитного поля и обеспечения импульсного режима работы.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема устройства для вывода пучка заряженных частиц для бетатронов с импульсным питанием; на фиг. 2 эпюры токов в обмотках устройства; на фиг. 3 электромагнит цилиндрического бетатрона с расположением в нем обмоток; на фиг. 4 эпюры аксиальной составляющей магнитного поля цилиндрического бетатрона в разные моменты времени.

Устройство содержит накопительный конденсатор 1, обмотку с равномерной плотностью намотки 2, мостовой инвертор на управляемых вентилях 3 6, обмотку смещения 7, включенную последовательно с управляемым вентилем 8, обмотку с неравномерной плотностью намотки 9, включенную последовательно с управляемым вентилем 10.

Накопительный конденсатор 1 включен в цепь переменного тока мостового инвертора на управляемых вентилях 3 6. Обмотка с равномерной плотностью намотки 2 включена в цепь постоянного по направлению тока мостового инвертора на управляемых вентилях 3 6. Цепь из обмотки смещения 7 и включенного последовательно с ней управляемого вентиля 8, присоединена параллельно обмотке 2, при этом анод управляемого вентиля соединен с катодами управляемых вентилей 3 и 4 инвертора. Дополнительная обмотка 9 с неравномерной плотностью намотки первым своим выводом соединена с анодами управляемых вентилей 5 и 6 инвертора, а вторым выводом присоединена к катоду дополнительного управляемого вентиля 10, анод которого соединен с катодами управляемых вентилей 3 и 4 инвертора.

На фиг. 2 представлены следующие эпюры: 11 ток в обмотке 2 с равномерной плотностью намотки; 12 ток в обмотке 9 с неравномерной плотностью намотки; 13 ток в обмотке смещения 7.

На фиг. 3 представлено расположение обмоток в электромагните цилиндрического бетатрона: 14 магнитопровод; 2 обмотка с равномерной плотностью намотки; 9 обмотка с неравномерной плотностью намотки; 7 - обмотка смещения; 15 ускорительная камера.

На фиг. 4 представлены эпюры изменения топографии аксиальной В_Z составляющей магнитного поля по высоте ускорительной камеры: 16 B_Z - составляющую магнитного поля в ускорительной камере при работе обмотки с равномерной плотностью намотки; 17 В_Z составляющая магнитного поля в ускорительной камере при одновременной работе двух обмоток с равномерной и неравномерной плотностью намотки; 18 В_Z составляющая магнитного поля при включении обмотки смещения, т. е. при одновременной работе всех трех обмоток.

Устройство работает следующим образом.

В момент времени t₁ (фиг. 2) приходят управляющие импульсы на вентили 3 6, включается пара вентилей 6, 3 или 4, 5, что определяется полярностью заряда накопительного конденсатора 1. С момента времени t₁ (фиг. 2) в обмотке 2 формируется импульс тока 11 (фиг. 2), так как обмотка 2 выполнена с равномерной плотностью намотки, поэтому при инжекции захват частиц в ускорение происходит во всем объеме ускорительной камеры. Эпюра В_Z - составляющей магнитного поля в рабочем объеме ускорительной камеры с момента времени t₁ (фиг. 2) до момента t₂ (фиг. 2) приведена на фиг. 4 (16).

В момент времени t₂ (фиг. 2), после захвата заряженных частиц и их начального ускорения, приходит управляющий импульс на вентиль 10. При этом с момента t₂ формируется импульс тока в обмотке 9, намотанной с неравномерной плотностью. Эпюра тока 12 в обмотке 9 показана на фиг. 2. При одновременной работе двух обмоток 2 и 9 (фиг. 1) с момента времени t₂, начинает изменяться топография магнитного поля в объеме ускорительной камеры 15 (фиг. 3). Заряженные частицы продолжают ускоряться и одновременно происходит их сжатие в аксиальном направлении, так как изменяющееся в аксиальном направлении магнитное поле вызывает силы сжимающие заряженные частицы в пучок. Заряженные частицы сжимаются в направлении спада магнитного поля (фиг. 4) и пучок формируется в месте расположения обмотки 7 смещения (фиг. 3). Эпюра топографии В_Z составляющей магнитного поля к моменту времени t₃ (фиг. 2) представлена на фиг. 4 (17). В момент времени t₃ (фиг. 2), когда напряжение на обмотках 2 и 9 еще не изменило знак, приходит управляющий импульс на вентиль 8. С момента времени t₃ (фиг. 2) в обмотке смещения 7 формируется импульс тока 13 (фиг. 2). При работе обмотки смещения изменяется топография магнитного поля [фиг. 4 (18)] что позволяет произвести вывод пучка заряженных частиц на мишень или за пределы ускорительной камеры. Так как величина индуктивности обмотки смещения 7 много меньше индуктивностей обмоток 2 и 9, то накопительный конденсатор 1 через обмотку смещения 7 перезаряжается к моменту времени t₄ (фиг. 2) до напряжения обратной полярности, по величине примерно равного напряжению на конденсаторе 1 к моменту t₃ (фиг. 2). Ток в обмотке 2 и 9 в промежутке времени t₃ t₄ остается примерно постоянным. Управляемый вентиль 8, обесточившись в момент t₄ (фиг. 2), под действием обратного напряжения выключается. В дальнейшем происходит формирование спадающей части импульса токов в обмотках 2 и 9. Выключение управляемых вентилей 3, 6 или 4, 5 происходит в момент t₅ (фиг. 2) при спадании тока в них до нуля под действием обратного напряжения накопительного конденсатора.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществить предварительное сжатие пучка ускоренных частиц и обеспечить их вывод для бетатронов с импульсным питанием, например в цилиндрическом бетатроне.

Использование: в ускорительной технике, в частности в цилиндрических бетатронах. Сущность изобретения: устройство вывода пучка позволяет расширить функциональные возможности путем изменения во времени топографии магнитного поля. Для этого в устройство дополнительно введены управляемый вентиль 10 и обмотка 9, первый вывод которой соединен с анодами управляемых вентилей 6 и 5 инвертора, а второй вывод присоединен к катоду дополнительного управляемого вентиля 10, анод которого соединен с катодами управляемых вентилей 3 и 4 инвертора. Обмотка 7 смещения с управляемым вентилем 8 и намагничивающая обмотка 2 параллельно подключены к накопительному конденсатору 1. При одновременной работе двух обмоток 2 и 9 заряженные частицы продолжают ускоряться и происходит их сжатие в аксиальном направлении. Пучок формируется в месте расположения обмотки смещения 7. 4 ил.

Устройство для вывода пучка заряженных частиц для бетатронов с импульсным питанием, содержащее обмотку смещения, которая последовательно соединена с управляемым вентилем, и намагничивающую обмотку, которые параллельно подключены к накопительному конденсатору, отличающееся тем, что дополнительно введены обмотка, которая последовательно соединена с управляемым вентилем, и четырехвентильный управляемый инвертор, причем анод управляемого вентиля обмотки смещения подключен к точке соединения катодов первой пары управляемых вентилей инвертора и первого вывода намагничивающей обмотки, а катод подключен к одному из выводов обмотки смещения, второй выход которой подключен к точке соединения анодов второй пары управляемых вентилей инвертора и второго вывода намагничивающей обмотки, первый вывод дополнительной обмотки соединен с анодом управляемых вентилей инвертора, а второй вывод присоединен к катоду дополнительного управляемого вентиля, анод которого соединен с катодами управляемых вентилей инвертора.