ИНДУКЦИОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 2003 года по МПК H05H11/00 H05H7/04 

Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для генерации электронных пучков с большой энергией для последующего использования энергии ускоренных электронов для целей интраоперационной лучевой терапии, промышленной дефектоскопии, радиационных испытаний стойкости материалов и т.д.

Известен индукционный ускоритель с выведенным электронным пучком [1], содержащий электромагнит, ускорительный зазор которого образован полюсными наконечниками, выполненными в виде гребневой конструкции. Как показывает практика, основным недостатком этих установок является пространственное смещение оси выведенного пучка при изменении энергии выведенных электронов, которое приводит к длительным операциям настройки и корректировки поля электронного излучения. Данный факт сильно ограничивает применение этих установок, так как во многих случаях необходимо оперативное регулирование энергии выведенных электронов и конфигурации поля излучения.

Наиболее близок к изобретению индукционный ускоритель [2], включающий электромагнит с двумя ускорительными зазорами, образованными двумя парами гладких полюсов, в которых расположены две ускорительные камеры. Данный ускоритель предназначен для проведения стереоскопического неразрушающего контроля объектов, поэтому, с целью отдаления источников излучения, расстояние между наружными краями полюсов первого и второго зазоров выбирается приблизительно равным диаметру полюсов. Ускоритель не имеет систем корректировки поля излучения и не предназначен для вывода пучка ускоренных электронов.

Задача изобретения - повышение эффективности вывода электронного пучка и обеспечение оперативного регулирования поля излучения.

Поставленная задача достигается тем, что в индукционном ускорителе электронов, содержащем электромагнит с двумя ускорительными зазорами, образованными двумя парами полюсов, две ускорительные камеры, дополнительно введены обмотки вывода пучка электронов, полюса выполнены гребневой конструкции, причем азимутальное положение гребней одной пары полюсов относительно положения гребней другой пары выбирается так, что полюса обращены друг к другу выемками между гребнями, а наименьшее расстояние между наружными краями гребней полюсов первого и второго зазоров равно 1,5h±10%, где h - высота рабочего зазора на наружном радиусе. Две ускорительные камеры образуют один вакуумный объем с общим выводным окном. Возможно применение нескольких подобных ускорителей, соединенных вакуумными каналами, на которых расположены фокусирующие системы.

При таком исполнении ускорителя введенные в электромагнитную систему обмотки предварительного симметричного расширения равновесных орбит и секторные обмотки позволяют изменять начальные условия движения электронов непосредственно перед выводом, что дает возможность регулировать поле электронного излучения только электрическими параметрами в цепях этих обмоток, в частности изменением фаз включения обмоток. Подбор определенных соотношений производится, исходя из требуемых параметров конфигурации поля излучения. Гребневая конструкция полюсов обеспечивает значительно меньшие поля рассеяния по сравнению с полями рассеяния, создаваемыми сплошными полюсами, в результате чего удается сократить наименьшее расстояние между наружными краями гребней полюсов первого и второго зазоров до 1,5h±10%. Экспериментальными исследованиями управляющих полей бетатрона установлено, что такое расстояние достаточно, чтобы влияние полей рассеяния одного зазора на управляющее поле другого зазора было несущественным для выполнения условий ускорения электронов в двух зазорах и в то же время, при определенном азимутальном положении гребней полюсов, обеспечивает вывод пучков из ускорительных зазоров через общее выводное окно. В плоскости вертикальной симметрии, проходящей между полюсами ускорительных зазоров, такой системы магнитное поле стремится к нулю, что позволяет сочленять несколько одинаковых ускорителей в многомодульную конструкцию и тем самым повышать интенсивность излучения. При этом требуется применение общего вакуумного канала и промежуточных фокусирующих систем.

На фиг.1 приведена электромагнитная система индукционного ускорителя.

На фиг.2 представлены результаты математического моделирования процесса вывода электронов из ускорителя с четырехгребневыми полюсами, где показаны траектории электронов в медианной плоскости и сечение пучка в выводном окне.

На фиг. 3 приведена схема соединения нескольких ускорителей для увеличения интенсивности излучения с применением вакуумных каналов Р и фокусирующих систем L.

Электромагнитная система индукционного ускорителя содержит (фиг.1) четыре обмотки 1, 2, 3, 4 возбуждения, две пары обмоток 5 симметричного расширения равновесных орбит, две пары обмоток 6 несимметричного расширения равновесных орбит (секторные обмотки), четыре гребневых полюса 7, две вакуумные камеры 8 с общим выводным окном 9, два ярма 10 магнитопровода.

Вывод электронов осуществляется следующим образом.

В конце цикла ускорения т.е. при достижении электронами необходимой энергии в обмотки симметричного расширения орбит подаются импульсы тока, создающие дополнительные магнитные потоки, которые нарушают бетатронное соотношение и радиусы равновесных орбит увеличиваются. Скорости расширения равновесных орбит определяются электрическими параметрами цепей предварительного расширения равновесных орбит. При достижении необходимой величины равновесного радиуса в обмотки несимметричного расширения орбит подаются импульсы тока, которые создают магнитное поле, направленное встречно основному управляющему полю. Это приводит как к увеличению амплитуды радиальных бетатронных колебаний, так и к выравниванию фаз этих колебаний. Когда амплитуда колебаний достигает области освобождения, электроны покидают пределы ускорительной камеры. Если азимутальное положение гребней одной пары полюсов относительно положения гребней другой пары выбрано так, что полюса обращены друг к другу выемками между гребнями, а наименьшее расстояние между наружными краями гребней полюсов первого и второго зазоров равно 1,5h±10%, где h - высота рабочего зазора на наружном радиусе, то электронные пучки, ускоренные в ускорительных зазорах, можно вывести через общее выводное окно (фиг.2). Это следует из анализа результатов математического моделирования процессов вывода пучка из такого ускорителя при различных начальных условиях. При этом размеры области излучения возможно регулировать изменяя только электрические параметры в цепях предварительного симметричного расширения равновесных орбит и несимметричного (секторного) возмущения. Вертикальная симметрия системы обеспечивает независимость положения оси пучка при регулировании энергии, а также возможность соединения нескольких одинаковых установок. Так как, при выводе пучка конфигурация поля излучения в основном зависит от значений положения равновесной орбиты, орбиты освобождения и секторного возмущения, применяя двухступенчатый метод вывода пучков, т.е. предварительное симметричное расширение равновесных орбит и последующее несимметричное секторное возмущение, обмотками возможно регулировать и размеры выведенного пучка, меняя их соотношения, а при двухступенчатом выводе это легко сделать путем изменения фаз включения обмотки предварительного и секторного возмущения, изменяются начальные условия при выводе электронов и, следовательно, размеры области излучения.

Для анализа полей излучения было проведено математическое моделирование процессов вывода пучка из данной системы. Моделирование проводилось методом Рунге-Кутта четвертого порядка точности по следующей системе уравнений:


где штрих обозначает дифференцирование по ϕ; е, Е - заряд и релятивистская энергия электрона; с - скорость света в вакууме; B_z, B_r, B_ϕ - компоненты вектора магнитной индукции на соответствующие оси координат.

При моделировании пучок представлялся в виде отдельных электронов с различными начальными условиями. Компоненты магнитного поля, входящие в уравнения, были определены из экспериментальных результатов измерений, проведенных на модернизированном электромагните ПМБ-6 и заданы в виде двумерных сплайнов. Азимутальная вариация поля накладывалась на симметричное поле по методике, описанной в [3]. При моделировании прослеживалось развитие событий для каждого электрона. Такая упрощенная модель вполне пригодна для анализа систем вывода т.к. к этому моменту времени пучок сформирован, а скорости нарастания возмущающих полей достаточно малы по сравнению со временем движения электронов по круговой орбите. Результаты одной модели представлены на фиг. 2, где показаны траектории электронов в медианной плоскости при выводе из системы с четырехгребневой конструкцией полюсов и секторными возмущениями протяженностью 180^o и сечение пучка около выводного окна.

Анализируя результаты моделирования процессов вывода с различными начальными условиями можно отметить следующие особенности данного ускорителя по сравнению с классическим бетатроном для вывода электронного пучка.

1. Вертикальные размеры пучка несколько больше, чем при выводе из классического бетатрона.

2. Эффективность вывода на порядок выше за счет более ослабленных краевых полей.

3. Изменение фаз предварительного расширения орбит и секторных возмущений не приводит к смещению оси пучка, а влияет только на его размеры.

Таким образом, рассмотренная система индукционного ускорителя позволяет на порядок увеличить эффективность вывода по сравнению с выводом из бетатрона классической конструкции. Ось пучка сохраняет свое положение при изменении энергии ускоренных электронов. Размеры области излучения возможно регулировать только электрическими параметрами в цепях вывода электронного пучка. Симметрия сечения пучка значительно упрощает настройку фокусирующих систем для последующего совмещения нескольких выведенных пучков, что позволяет повысить интенсивность излучения за счет применения одинаковых конструкций, соединенных вакуумными каналами.

Литература
1. Ерофеева Г.В., Чахлов В.Л. - Авт. свидетельство 677136.

2. Москалев В.А. Бетатроны. М.: Энергоиздат, 1980.

3. Чахлов В. Л. Малогабаритные бетатроны с пространственной и временной вариацией магнитных полей. Дисс. д.т.н. Томск, 1983.

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для генерации электронных пучков с большой энергией для последующего использования энергии ускоренных электронов для целей интраоперационной лучевой терапии, промышленной дефектоскопии, радиационных испытаний стойкости материалов и т. д. Технический результат - повышение эффективности вывода электронного пучка и обеспечение оперативного регулирования поля излучения. В индукционном ускорителе электронов, содержащем электромагнит с двумя ускорительными зазорами, образованными двумя парами полюсов, две ускорительные камеры, дополнительно введены две пары обмоток симметричного расширения равновесных орбит, две пары обмоток несимметричного расширения равновесных орбит (секторные обмотки), полюса выполнены гребневой конструкции, причем азимутальное положение гребней одной пары полюсов относительно положения гребней другой пары выбирается так, что полюса обращены друг к другу выемками между гребнями, а наименьшее расстояние между наружными краями гребней полюсов первого и второго зазоров равно 1,5h±10%, где h - высота рабочего зазора на наружном радиусе. Две ускорительные камеры образуют один вакуумный объем с общим выводным окном. Возможно применение нескольких подобных ускорителей, соединенных вакуумными каналами Р, на которых расположены фокусирующие системы L. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Индукционный ускоритель электронов, содержащий электромагнит с двумя ускорительными зазорами, образованными двумя парами полюсов, две ускорительные камеры, отличающийся тем, что дополнительно введены обмотки вывода пучка электронов, полюса выполнены гребневой конструкции, причем азимутальное положение гребней одной пары полюсов относительно положения гребней другой пары выбирается так, что полюса обращены друг к другу выемками между гребнями, а наименьшее расстояние между наружными краями гребней полюсов первого и второго зазоров равно 1,5h ± 10%, где h - высота рабочего зазора на наружном радиусе.2. Индукционный ускоритель электронов по п.1, отличающийся тем, что две ускорительные камеры образуют один вакуумный объем с общим выводным окном.3. Индукционный ускоритель электронов по п.1 или 2, отличающийся тем, что снабжен дополнительными аналогично выполненными электромагнитами и ускорительными камерами, выводные окна которых соединены с помощью вакуумных патрубков, а на последних расположены фокусирующие системы.