ИНДУКЦИОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2000 года по МПК H05H11/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для получения пучков заряженных частиц или тормозного излучения с энергией от нескольких сотен КэВ до десятков МэВ и выше.

Известен линейный индукционный ускоритель [1], содержащий несколько ускорительных модулей (УМ), расположенных вдоль прямолинейной траектории ускоряемых электронов и состоящих из кольцевых ферромагнитных электромагнитов-индукторов, подключенных к источнику питания, вакуумную камеру с инжектором и выводным окном. Такой ускоритель имеет большой вес и габариты, сложную технологию изготовления и монтажа в основном за счет веса, габаритов, сложности в изготовлении УМ ускорителя.

Известен циклический индукционный ускоритель [2], содержащий индукционные ускорительные модули, выполненные в виде ряда кольцевых ферромагнитных сердечников с обмотками-индукторов, подключенных к импульсным источникам тока, расположенные по замкнутой плоской кривой между криволинейными электромагнитами, а также ускорительную камеру, вводное и выводное устройства.

Такой ускоритель также имеет большой вес, габариты и сложную технологию изготовления и монтажа его частей за счет веса, габаритов и сложной технологии изготовления и монтажа ускорительных модулей ускорителя.

Наиболее близким техническим решением является линейный индукционный ускоритель [3], содержащий индукционный ускорительный модуль, выполненный из нескольких последовательно установленных по прямой кольцевых ферромагнитных сердечников с обмотками- индукторами, подключенных к импульсному источнику питания, ускорительную камеру с инжектором и выводным устройством.

Такой ускоритель имеет большие радиальные размеры, вес, сложную технологию как изготовления электромагнитов, так и вакуумно-плотной сборки деталей ускорителя, индукторы имеют относительно большие поля рассеяния, что ведет к увеличению потребляемой энергии. Конструкция индукторов и их обмоток, т. е. конструкция ускорительного модуля такова, то при необходимости осуществления сверхпроводящей системы питания УМ возникают большие технологические трудности.

Для ускорения электронов используется малая часть длины силовой линии электрического поля, создаваемого индуктором - менее 25% общей длины этой линии.

Целью изобретения является упрощение конструкции ускорителя и технологии его изготовления, уменьшение габаритов, веса и повышения КПД.

Эта цель достигается тем, что в индукционном ускорителе заряженных частиц, содержащем индукционный ускорительный модуль, вакуумную ускорительную камеру с инжектором и выводным окном и импульсный источник питания, индукционный ускорительный модуль выполнен в виде двух коаксиально расположенных труб из проводящего материала, например меди, подсоединенных с одного конца к разноименным полюсам импульсного источника питания и электрически соединенных между собой с противоположного конца, а инжектор и выводное окно выполнены с противоположных концов вакуумной полости внутренней трубы.

Эта цель достигается тем, что в индукционный ускоритель заряженных частиц, содержащий индукционный ускорительный модуль, вакуумную ускорительную камеру с инжектором и выводным окном и импульсный источник питания, дополнительно введен один или более индукционных модулей, выполненных в виде двух коаксиально расположенных труб из проводящего материала, например меди, подсоединенных с одного конца к разноименным полюсам импульсного источника питания и электрически соединенных между собой с противоположного конца, и расположенных последовательно по прямой, а инжектор и выводное окно выполнены с противоположных концов внутреннего вакуумного пространства устройства.

Эта цель достигается тем, что в индукционный ускоритель заряженных частиц, содержащий индукционный ускорительный модуль, вакуумную ускорительную камеру с инжектором и выводным окном и импульсный источник питания, дополнительно введен один или более индукционных модулей, выполненных в виде двух коаксиально расположенных труб из проводящего материала, например меди, подсоединенных с одного конца к разноименным полюсам импульсного источника питания и электрически соединенных между собой с противоположного конца, и расположенных равномерно по замкнутой плоской кривой между криволинейными электромагнитами переменного тока.

Такая форма выполнения индукционного ускорительного модуля позволяет значительно упростить конструкцию как линейных ускорителей заряженных частиц (вариант 1, вариант 2), так и циклических ускорителей (вариант 3), упростить технологию их изготовления, уменьшить их вес и габариты, повысить КПД за счет снижения потребляемой энергии импульсного УМ. Она позволяет также увеличить ту часть длины силовой линии вихревого электрического поля, которая проходит внутри УМ и непосредственно используется для ускорения заряженных частиц и, следовательно, повысить энергию частиц, приобретаемую ими при прохождении ускорительного модуля.

В случае циклического индукционного ускорителя (вариант 3) становится необязательным требование предельного сокращения длительности импульса тока, питающего УМ, т.к. частицы в таком ускорителе набирают конечную энергию за счет многократного прохождения через ускорительные модули. Это позволяет избежать многих технических трудностей, возникающих при осуществлении источников питания с ультракороткими импульсами тока и напряжения.

На фиг. 1 представлена схема индукционного ускорителя (линейный ускоритель) заряженных частиц.

На фиг. 2 представлена схема устройства линейного индукционного ускорителя заряженных частиц (вариант 2).

На фиг. 3 представлена схема циклического индукционного ускорителя заряженных частиц (вариант 3).

Индукционный ускоритель заряженных частиц (фиг. 1) содержит ускорительный модуль УМ, выполненный в виде двух коаксиально расположенных труб 1 и 2 электрически замкнутых с одного конца, например кольцом 3, а с другого конца подсоединенных к разноименным полюсам импульсного источника питания 4. Этот конец коаксиала перекрыт диэлектриком 5. Труба 2 одновременно является вакуумной ускорительной камерой 6 при соответствующем выполнении. Инжектор 7 и выводное окно 8 расположены на оси устройства с противоположных концов внутренней трубы 2. Коаксиал из трубы 1 и 2 представляет собой одновитковую распределенную обмотку ускорительного модуля УМ.

Использование сплошных медных труб для выполнения одновитковой обмотки индукционного ускорительного модуля упрощает технологию изготовления модуля и улучшает весогабаритные характеристики, а практическое отсутствие магнитного поля в окружающем ускоритель пространстве приводит к сокращению потребляемой от источника питания энергии. Оно также приводит к облегчению осуществления сверхпроводящего варианта модуля путем заполнения пространства между трубами хладоносителем; внутренняя труба изнутри соприкасается с вакуумным объемом и, следовательно, в известной мере термоизолирована.

Коаксиальная конструкция ускорительного модуля обладает высокой механической прочностью, что очень важно в условиях, когда необходимо пропускать через обмотку устройства весьма высокие значения импульсов тока, необходимые для возбуждения вихревого электрического поля с высокой напряженностью, что приводит к большим механическим напряжениям витков обмотки УМ.

Линейный индукционный ускоритель заряженных частиц (фиг. 2) содержит два или более ускорительных модулей УМ, установленных последовательно по прямой и подключенных к импульсному источнику питания ИГ, общему для всех ускорительных модулей, каждый из которых состоит из коаксиально расположенных труб 1 и 2, с одного конца подсоединенных к разноименным полюсам импульсного источника питания 4, а с противоположного конца электрически соединенных друг с другом, например кольцом 3, при этом инжектор 7 установлен в начало линейного ускорителя, а выводное окно 8 - в конце прямолинейной траектории ускоряемых частиц. Внутренние трубы ускорительных модулей, последовательно составленные друг за другом через диэлектрик 5, образуют ускорительную камеру 6 устройства.

Ускорительные модули питаются от одного импульсного источника питания 4.

Циклический индукционный ускоритель заряженных частиц (фиг. 3) содержит два или более ускорительных модулей УМ, каждый из которых состоит из коаксиально расположенных труб 1 и 2, с одного конца подсоединенных к разноименным полюсам импульсного источника питания 4, а с противоположного конца электрически соединенных друг с другом, например кольцом 3, и установленных равномерно по замкнутой плоской линии через диэлектрик 5 и питаемых от отдельных или общего импульсного источника питания 4, и механически соединенных между собой дугообразно изогнутыми электромагнитами переменного тока 9, а вакуумная ускорительная камера 6 имеет отводы, в которых выполнены инжектор 7 и выводное окно 8.

Замкнутая плоская линия при этом содержит прямолинейные участки в местах установки УМ и криволинейно-дуговые участки между ускорительными модулями.

Ускорительная камера и весь ускоритель имеют таким образом прямолинейные участки, количество которых равно количеству установленных ускорительных модулей, и криволинейные участки с электромагнитами, выполненные в промежутках между ускорительными модулями УМ.

Индукционный ускоритель заряженных частиц (фиг.1) работает следующим образом. Переменное магнитное поле возбуждается одновитковой обмоткой, образованной коаксиальными трубами 1,2, питаемой от импульсного источника питания 4 и сосредоточено в замкнутом пространстве ограниченном внутренней 2 и внешней 1 трубами, кольцом 3 и диэлектрической деталью 5, это пространство может быть заполнено воздухом ("воздушный", безжелезный сердечник электромагнита) или ферромагнитным материалом (ферромагнитный сердечник электромагнита). Магнитное поле во внутреннем пространстве б внутренней трубы и снаружи внешней трубы практически отсутствует (минимально), следовательно, уменьшается потребляемая электроэнергия и возрастает КПД установки.

В вакуумном объеме б внутренней трубы 2 индуктируется вихревое электрическое поле, напряженность которого направлена вдоль оси устройства.

Заряженные частицы, введенные в это пространство 6 инжектором 7, испытывают ускоряющее воздействие электрического поля на всем пути вдоль оси устройства от инжектора 7 до выводного окна 8, через которое ускоренные частицы выводятся наружу или их энергия преобразуется в энергию тормозного гамма-излучения. В последнем случае вместо выводного окна 8 устанавливается мишень из тяжелого материала, например вольфрама.

Линейный индукционный ускоритель по варианту 2 (фиг. 2) работает следующим образом.

Каждый из ускорительных модулей УМ, состоящих из коаксиально расположенных труб 1 и 2, с одного конца подсоединенных к разноименным полюсам импульсного источника питания 4, а с противоположного конца электрически соединенных между собой, например, медным кольцом 3, причем инжектор 7 и выводное окно 8 расположены на противоположных концах вакуумной камеры б, ускоряет заряженные частицы до некоторого значения энергии W, определяемого значением напряженности индуктируемого вихревого электрического поля и длиной ускорительного модуля УМ.

Последовательно составленные вдоль прямой линии n ускорительных модулей УМ с диэлектрической деталью 5 между ними ускоряют частицы до конечного значения энергии, которое в n раз больше значения, приобретаемого частицами в одном модуле, т.е. до n•W. Таким образом, увеличение числа ускорительных модулей позволяет пропорционально увеличивать достижимую в ускорителе энергию заряженных частиц.

Устройство по варианту 3 (фиг. 3) работает следующим образом.

Каждый из двух или более УМ, состоящих из коаксиально расположенных труб 1 и 2, с одного конца подсоединенных к разноименным полюсам импульсного источника питания 4 и связанных диэлектриком 5, а с противоположного конца электрически соединенных между собой, например, медным кольцом 3 и расположенных равномерно по замкнутой плоской кривой, ускоряет заряженные частицы до некоторого значения W, определяемого значением напряженности индуктируемого вихревого электрического поля и длиной ускорительного модуля УМ.

Дугообразные магниты переменного тока 9 механически соединяют между собой ускорительные модули УМ и охватывают криволинейные участки ускорительной камеры 6. Эти электромагниты создают переменное магнитное поле, искривляющее траекторию движения ускоренных заряженных частиц таким образом, что траектория представляет в плане замкнутую линию с прямолинейными участками внутри ускорительных модулей УМ и с криволинейными участками в зоне действия электромагнитов 9. Нарастающее во времени как в синхротронах со слабой фокусировкой магнитное поле электромагнитов 9 обеспечивает движение ускоряемых заряженных частиц на криволинейных участках траектории по орбите постоянного радиуса. Ускорительная камера б с инжекторным устройством 7 и выводным окном 8, внутри которой пролегает траектория ускоряемых частиц, имеет прямолинейные участки, количество которых равно количеству ускорительных модулей УМ, и криволинейные участки, расположенные между ускорительными модулями.

Таким образом, ускоряемые частицы имеют возможность многократно проходить через ускорительные модули, совершая за один цикл большое число оборотов вдоль замкнутой орбиты, и накапливают суммарную энергию, пропорциональную произведению заряда частицы, напряженности вихревого электрического поля ускорительного модуля, числа модулей и количества оборотов, совершаемых частицами за цикл ускорения, длительность которого определяется временем нарастания магнитного поля в ускорительном модуле. Инжектор 7 и выводное окно 8 (или мишень) устанавливаются за пределами замкнутой траектории заряженных частиц - внутри или вне ее, ускорительные модули УМ и электромагниты 9 питаются от самостоятельных источников импульсного питания.

Следовательно, поставленная цель достигнута.

Использование сплошных коаксиальных проводящих труб в качестве распределенной одновитковой обмотки ускорительного модуля существенно упрощает конструкцию ускорительного модуля по сравнению с существующими ускорительными модулями с ферромагнитными сердечниками с обмотками - индукторами; существенно упрощается также технология изготовления ускорительных модулей, их габаритные размеры и вес по сравнению с известными; сводит к минимуму магнитное поле в пространстве, окружающем ускорительный модуль, что приводит к снижению потребляемой ускорителем электрической энергии и, следовательно, к повышению КПД устройства, а также к повышению экологической безопасности ускорителя; увеличенная часть длины силовой линии вихревого электрического поля, непосредственно используемая для ускорения частиц, повышает эффективность ускорительного модуля; механическая прочность и жесткость коаксиального ускорительного модуля заведомо снижает уровень деформации модуля от механических перегрузок, которые возникают при пропускании через трубы модуля килоамперных токов; сплошная внутренняя труба модуля одновременно используется в качестве ускорительной камеры устройства.

Источники информации
1. Фурман Э.Г., Васильев B.B.Томских О.Н., Королев А.А., Кульбеда B.E., Трухин В.А. Импульсно-периодический индукционный ускоритель с магнитной коммутацией. ПТЭ, 1993, N 6. Стр. 45-55
2. Хвастунов M.C. Циклический индукционный ускоритель электронов, ПТЭ, 1981, N3, стр. 20-23
3. Васильев B.B., Фурман Э.Г. Линейный индукционный ускоритель ЛИУ 0,5/7 с питанием от одного емкостного накопителя. ПТЭ, 1992, N 6. Стр. 158-164п

Ускоритель предназначен для получения пучков заряженных частиц или тормозного гамма-излучения. Ускоритель по варианту 1 содержит ускорительный модуль (УМ), содержащий две коаксиальные трубы из проводящего материала, электрически соединенные между собой с одного конца и подсоединенные к разноименным полюсам импульсного источника питания с другого конца, а у противоположных концов внутренней трубы, образующей ускорительную камеру, выполнены инжектор и выводное окно. Ускоритель по варианту 2 содержит два или более УМ, установленных последовательно вдоль прямой линии и подсоединенных к одному или нескольким импульсным источникам питания, а инжектор и выводное окно выполнены у противоположных концов ускорительной вакуумной камеры, образованной путем механического вакуум-плотного соединения между собой внутренних труб УМ. Укоритель по варианту 3 содержит два или более УМ, установленных равномерно вдоль плоской кривой между криволинейными электромагнитами переменного тока и подсоединенных к одному или нескольким импульсным источникам питания, а инжектор и выводное окно установлены в отводах ускорительной камеры, выполненной внутри конструкции. Ускорительная камера имеет прямолинейные участки в зоне установки УМ и криволинейные участки в зоне установки электромагнитов переменного тока. Изобретение обеспечивает снижение весогабаритных характеристик, упрощение технологии изготовления, снижение потребляемой энергии, повышение КПД и экологической безопасности ускорителя. 3 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Индукционный ускоритель заряженных частиц, содержащий индукционный ускорительный модуль, вакуумную ускорительную камеру с инжектором и выводным окном и импульсный источник питания, отличающийся тем, что индукционный ускорительный модуль выполнен в виде двух коаксиально расположенных труб из проводящего материала, например меди, подсоединенных с одного конца к разноименным полюсам импульсного источника питания и электрически соединенных между собой с противоположного конца, а инжектор и выводное окно выполнено с противоположных концов вакуумной полости внутренней трубы. 2. Индукционный ускоритель заряженных частиц, содержащий индукционный ускорительный модуль, вакуумную ускорительную камеру с инжектором и выводным окном и импульсный источник питания, отличающийся тем, что в него дополнительно введен один или более индукционных ускорительных модулей, выполненных в виде двух коаксиально расположенных труб из проводящего материала, например меди, подсоединенных с одного конца к разноименным полюсам импульсного источника питания и электрически соединенных между собой с противоположного конца и расположенных последовательно по прямой, а инжектор и выводное окно выполнены с противоположных концов внутреннего вакуумного пространства устройства. 3. Индукционный ускоритель заряженных частиц, содержащий индукционный ускорительный модуль, вакуумную ускорительную камеру с инжектором и выводным окном и импульсный источник питания, отличающийся тем, что в него дополнительно введен один или более индукционных ускорительных модулей, выполненных в виде двух коаксиально расположенных труб из проводящего материала, например меди, подсоединенных с одного конца к разноименным полюсам импульсного источника питания и электрически соединенных между собой с противоположного конца, и расположенных равномерно по замкнутой плоской кривой между криволинейными электромагнитами переменного тока, а ускорительная камера выполнена внутри конструкции.