УСТРОЙСТВО ВЫПУСКА ПУЧКА ЭЛЕКТРОНОВ В АТМОСФЕРУ Российский патент 1998 года по МПК H05H5/02 

Предлагаемая конструкция выступа предназначена для применения в ускорителях электронов, используемых для облучения газообразных и жидких сред.

Известно выпускное устройство с кольцевым выпускным окном [1].

Недостатками системы выпуска такого типа являются:
след луча электронов на фольге выпускного окна вращается по окружности, поэтому через каждый оборот электронный луч повторно нагревает одни и те же места фольги окна. В результате неравномерно нагревается рабочая поверхность выпускного окна и, следовательно, не реализуется в полной мере возможности выпускного окна, сокращается срок его службы;
ребра (перемычки), воспринимающие атмосферное давление, действующее на центральную часть выпускного устройства, установлены за фольгой выпускного окна. Из-за этого фольга не имеет дополнительной опоры в местах установки ребер (перемычек). Кроме этого, существующий сортамент на фольгу накладывает ограничение на максимально возможный диаметр выпускного окна. Предельная ширина фольги требуемой толщины выпускаемой промышленностью не превышает 200 мм. Ребра (перемычки), установленные не в вакуумной полости, а за фольгой, невозможно прикрыть защитными экранами, поскольку все электроны равномерно рассеиваются на среднеквадратичный угол на фольге выпускного окна.

Предложенное устройство лишено указанных недостатков и отличается тем, что след электронного луча на фольге перемещается по спирали, равномерно облучая всю площадь выпускного окна. Выходной торец корпуса разделен перемычками, делящими рабочую площадь выпускного окна на автономно уплотняемые части. Через два уплотнителя к торцу корпуса прикреплено кольцевое выпускное окно, на котором выфрезеровано восемь окон, каждое из которых герметично и автономно закрыто фольгой.

Перед перемычками (ребрами) в вакуумной полости установлены защитные экраны, уменьшающие количество электронов, бомбардирующих и греющих эти перемычки.

На фиг. 1 - фиг. 5 изображено устройство выпуска пучка электронов в атмосферу:
на фиг. 1 показан главный разрез устройства;
на фиг. 2 - вид снизу на выпускное окно;
на фиг. 3 - поперечный разрез разворачивающего электронный пучок электромагнита;
на фиг. 4 - конструкция выпускного окна;
на фиг. 5 - выносной элемент с защитными экранами;
на фиг. 6 - диаграмма изменения амплитуды тока в катушках электромагнита.

Предложенная система выпуска пучка в атмосферу изготовлена и готовится к испытаниям в институте вместе с ускорителем электронов.

Устройство выпуска пучка электронов в атмосферу состоит из электромагнита 1, корпуса 2 с плоским выходным торцом. Центральная часть выходного торца удалена, и на это место введен внутренний конус, на оси которого установлен цилиндр Фарадея 3. На выходном торце корпуса сделано восемь окон, через которые проходит пучок электронов. На пути пучка электронов оставлено только восемь охлаждаемых водой перемычек, занимающих примерно 3% площади, облучаемой пучком. Над перемычками на ножках установлены защитные экраны 4, представляющие собой полоски фольги из тугоплавкого материала толщиной 20-30 мм. К выходному торцу корпуса через два уплотнителя прикреплено кольцевое выпускное окно 5 (см. фиг. 4) на котором, как и на выходном торце, имеются восемь окон. Все окна закрыты титановыми фольгами 6 толщиной 50 мкм, герметично прикрепленными к выпускному окну с помощью рамок 7 и винтов 8. К наружному конусу корпуса прикреплен вакуумный насос 9; внутри внутреннего конуса корпуса смонтирован вентилятор 10. Наверху корпус заканчивается площадкой, к которой приварен тонкостенный конус из нержавеющей стали. Конус сварен с трубкой, в которую влетают ускоренные электроны. На площадке вокруг конуса (см. фиг. 3) установлен электромагнит.

Ускоренный в ускорителе пучок электронов попадает во вращающееся с угловой скоростью ω радиан/с магнитное поле, созданное токами i_x, i_y в катушках электромагнита, и отклоняется на угол ϕ . При этом вращающееся магнитное поле перемещается след электронного пучка по выпускному окну по окружности радиуса r с равномерной скоростью, равной ω •r. Для того чтобы получить такую кольцевую развертку, по катушкам, соединенным попарно, пропускаются синусоидальные токи i_x и i_y, сдвинутые по фазе на 1/4 периода. При этом при равенстве амплитуд этих токов кольцевая развертка имеет форму точной окружности.

В предложенном выпуске амплитуды токов в катушках электромагнита медленно изменяются во времени, обеспечивая изменение амплитуды индукции вращающегося поля B, что предопределяет тем самым движение следа электронного луча на фольге окна по спиральной траектории. Скорость изменения амплитуд токов катушек задает скорость перемещения следа луча по ширине окна b. В свою очередь из условия минимального перегрева фольги окна шаг спирали должен быть примерно равен диаметру пучка на фольге. Следовательно, за один оборот луч перемещается на диаметр пучка d_n. При этом локальный нагрев фольги обратно пропорционален диаметру пучка и скорости движения следа луча по фольге, равной ω •r. Закономерность изменения амплитуды тока в катушках электромагнита имеет пилообразный характер и видна на графике, показанном на фиг. 6.

В предложенном устройстве ширина окна b примерно равна десяти диаметрам пучка d_n, следовательно, . Точное значение периода T_ϕ назначается из условия, чтобы отношение периода T_ϕ к периоду обращения луча по окну было равно нецелому числу. Выполнение этого условия задает плавное скольжение спиральных траекторий луча по фольге и, следовательно, равномерный прогрев всей поверхности выпускного окна.

В случае, когда диаметр пучка много меньше шага спирали, период T_ϕ следует выбирать из условия

где
n - целое число много больше единицы.

При соблюдении этого условия обеспечивается сдвиг на поллага спиральных траекторий, отделенных друг от друга по времени периодом T_ϕ , и, следовательно, минимальный локальный перегрев фольги.

Диапазон изменения амплитуды магнитного поля ΔB и, следовательно, амплитуд токов в катушках электромагнита ΔI_m определяется из принятых геометрических размеров устройства (см. чертеж)

Эффективность выпускного устройства зависит от толщины и материала фольги, прозрачности выпускного окна. В предложенном выпуске с титановой фольгой толщиной 50 мкм потери энергии электроном составляют примерно 35 кэВ, что составляет при энергии электронов 1-2 МэВ 2-3% мощности пучка. Необходимый тепловой режим фольге задается осевым вентилятором, которым обеспечивается воздушное охлаждение фольги окна.

Тепловые потери на перемычках выпускного окна, занимающих примерно 3% полезной площади, в предложенном устройстве, значительно уменьшены за счет установки защитных экранов 4 (см. фиг. 5).

Электроны, пролетая сквозь экраны, рассеиваются на среднеквадратичный угол θ . При выполнении условия доля электронов, бомбардирующих перемычки, заметно уменьшается. Δ - толщина перемычек, h - расстояние от экрана до перемычки, θ - угол рассеяния электронов.

Устройство для выпуска пучка электронов в атмосферу содержит корпус 2, отклоняющий электромагнит 1, вентилятор 10, кольцевое выпускное окно. Выпускное окно делится перемычками на автономно уплотняемые части. Перед каждой перемычкой в корпусе установлен экран 4 из фольги. Электромагнит создает вращающееся магнитное поле с изменяющейся амплитудой. 1 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для выпуска пучка электронов в атмосферу, содержащее герметичный корпус с вентилятором, при этом снаружи корпуса в области его присоединения к ускорителю электронов установлен отклоняющий электромагнит, а к выходному торцу корпуса герметично прикреплено кольцевое выпускное окно, отличающееся тем, что выпускное окно выполнено с перемычками, делящими рабочую площадь выпускного окна на автономно уплотняемые части, причем электромагнит выполнен с возможностью создания вращающегося магнитного поля с изменяющейся амплитудой. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри корпуса перед каждой перемычкой установлен экран из фольги.