ЭЛЕКТРОМАГНИТ БЕТАТРОНА Российский патент 2008 года по МПК H05H11/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке индукционных ускорителей электронов - бетатронов.

Известны электромагниты бетатронов, содержащие стойки, ярма, полюса с центральными вкладышами и многослойную намагничивающую обмотку, выполненную в виде двух одинаковых секций, расположенных симметрично относительно средней плоскости межполюсного зазора, образованного полюсами [1-3].

В межполюсном зазоре электромагнита устанавливается вакуумная ускорительная камера, в которой вихревым электрическим полем осуществляется ускорение электронов. В конце цикла ускоренные частицы смещаются на мишень, установленную внутри ускорительной камеры. В результате взаимодействия ускоренных электронов с материалом мишени образуется тормозное рентгеновское излучение. Данное излучение используется для неразрушающего контроля (дефектоскопии) материалов и изделий.

Ось пучка тормозного излучения находится в средней плоскости межполюсного зазора и она касательна к окружности радиусом r_м, на которой установлена мишень. При разработке и конструировании электромагнита радиус r_м обычно известен. Инжектор с мишенью устанавливается по радиусу так, что на этом радиусе показатель спадания управляющего магнитного поля равен 1. Конструктивно r_м меньше наружного радиуса полюса r_n ˜ на 5÷10 мм.

Недостаток известных конструкций электромагнитов заключается в том, что они не обеспечивают большой угол расходимости пучка излучения. Большой угол важен для большинства применений бетатрона. Угол расходимости пучка ограничивается в плоскости, совпадающей со средней плоскостью межполюсного зазора, стойками электромагнита, а в плоскости, перпендикулярной указанной средней плоскости, секциями намагничивающей катушки.

Для контроля большегрузных транспортных средств, контейнеров и крупногабаритных изделий [4, с.554-559] необходимы бетатроны, которые могли бы генерировать веерный пучок тормозного излучения. Веерный пучок обычно имеет угловую расходимость в одной плоскости ≤1°, а в перпендикулярной - угол расходимости должен быть как можно больше. Достаточно часто угол расходимости пучка α должен быть в пределах 60÷70°. Наиболее близким техническим решением является электромагнит бетатрона по [5].

Электромагнит бетатрона по [5] содержит стойки, ярма, полюса с центральными вкладышами и многослойную намагничивающую обмотку, выполненную в виде двух секций, установленных симметрично относительно средней плоскости межполюсного зазора.

Недостаток данной конструкции - секции намагничивающей обмотки ограничивают угол расходимости веерного пучка тормозного излучения в плоскости, перпендикулярной средней плоскости межполюсного зазора.

Цель изобретения - увеличение угла расходимости веерного пучка тормозного излучения в плоскости, перпендикулярной средней плоскости межполюсного зазора.

Поставленная цель достигается тем, что в электромагните бетатрона, содержащем стойки, ярма, полюса с центральными вкладышами и многослойную намагничивающую обмотку, выполненную в виде двух секций, симметрично расположенных относительно средней плоскости межполюсного зазора, каждая секция обмотки выполнена ступенчатой, причем ступени секций обращены к средней плоскости, а их число и число витков в ступенях выбирается так, чтобы ближайшие к средней плоскости витки любой ступени были удалены от этой плоскости на расстояние, равное или большее, чем

где h_вi - расстояние от средней плоскости до ближайшего к ней витка i-й ступени;

r_вi - радиус удаленной кромки витка i-й ступени;

r_м - радиус установки мишени;

α - угол расходимости веерного пучка тормозного излучения.

Схема предлагаемого электромагнита показана на фиг.1 и 2:

- на фиг.1 - поперечное сечение электромагнита (по ВВ);

- на фиг.2 - вид в плане (по АА).

Предлагаемый электромагнит бетатрона содержит стойки 1, ярма 2, полюса 3, центральные вкладыши 4 и намагничивающую обмотку 5а, 5в. Стойки 1, ярма 2, полюса 3 и центральные вкладыши 4 выполнены из отдельных изолированных пластин 6 электротехнической стали.

Намагничивающая обмотка выполнена из двух одинаковых секций 5а и 5в, которые устанавливаются симметрично относительно средней плоскости 7 межполюсного зазора 8. Средняя плоскость 7 совпадает с плоскостью «разъема» электромагнита. Каждая секция 5а и 5в намагничивающей обмотки выполнена многослойной, чаще всего из многожильного провода 9. Каждая секция устанавливается в «окне» 10 под обмотку.

В предлагаемой конструкции электромагнита секции 5а, 5в выполнены ступенчатыми с меняющимся по радиусу числом витков в слоях. Секции установлены ступенчатыми поверхностями по направлению к средней плоскости 7. Число слоев и число витков в каждом слое выбирается так, чтобы ближайшие к средней плоскости 7 витки 11 любой ступени были удалены от этой плоскости на расстояние, равное или большее, чем h_вi. Расстояние h_вi связано с полным углом α веерного пучка излучения следующей формулой:

где h_вi - расстояние от средней плоскости 7 до ближайшего витка 11 i-й ступени;

l_вi - расстояние от мишени М до наиболее удаленной поверхности 12 витка i - й ступени, отмеряемое по касательной 13 к радиусу установки мишени М.

Угол α указывается в техническом задании на проектирование бетатрона, следовательно, и электромагнита. Угол α определяется следующим образом. Веерный пучок тормозного излучения от мишени М должен одновременно облучать весь объект в вертикальной плоскости. Тогда

где h_об - максимальная полувысота объекта контроля;

l_об - расстояние от мишени М до объекта контроля.

Между слоями может быть выполнен один, два или более вентиляционных канала 14. При изготовлении секций намагничивающей обмотки необходимо знать расстояние от средней плоскости 7 межполюсного зазора до ближайшего к ней витка любой ступени. Для этого необходимо значение l_вi выразить через r_вi. Расстояние l_вi, по которому ось 13 пучка излучения проектируется на плоскость витков, может быть определено по формуле

где r_м - радиус установки мишени.

Подставляя (3) в (1), получим

В качестве примера в таблице представлена расчетная зависимость значения h_вi от радиуса витка r_вi секций намагничивающей катушки. При расчетах принято r_м=9·10^-2 м (90 мм).

α_i (град)r_вi (мм)l_вi (мм)h_вi (мм)4010043,515,84012586,7531,64015012043,75010043,520,35012586,7540,45015012055,96010043,525,16012586,75506015012069,247010043,530,457012586,7560,737015012084

Таким образом, чтобы угол расходимости веерного пучка тормозного излучения был равен 60°, необходимо обеспечить расстояние от плоскости 7 (z=0) до наиболее удаленного от оси 15 электромагнита слоя витков, равное 69 мм. Соответственно, при угле расходимости пучка излучения в 70° это расстояние возрастает до 84 мм. Следовательно, если использовать известную конструкцию намагничивающей обмотки, то увеличение угла расходимости пучка излучения приводит к росту массы магнитопровода, так как увеличивается вертикальный размер стоек 1 и полюсов 3. Возможное положение секции известной конструкции показано на фиг.1 пунктиром.

Как и в известных конструкциях, между плоским торцом секций 5 намагничивающей обмотки и ярмом 2 устанавливаются диэлектрические прокладки 16.

Общее число витков W_с в каждой секции и суммарное поперечное сечение витка обмотки «по меди» S_М определяются так же, как и в электромагнитах известных конструкций.

Устройство работает следующим образом. В секции 5а, 5в намагничивающей обмотки подается импульс тока. Импульс тока создает магнитный поток, который циркулирует по пути стойки 1, ярма 2, полюса 3, центральные вкладыши 4. Часть магнитного потока проходит через межполюсный зазор 8.

Циркулирующий магнитный поток создает вихревое электрическое поле, которое ускоряет электроны. В конце цикла ускорения электроны смещаются на мишень М. Мишень М устанавливается в средней плоскости 7 межполюсного зазора 8. Ось пучка тормозного излучения 13 «выходит» по касательной 13 к окружности радиусом r_м. Так как секции 5а и 5в выполнены ступенчатыми, а ближайшие к средней плоскости 7 витки 11 удалены от оси 15 электромагнита на расстояние h_вi, определяемое по формуле (4), то предложенная конструкция электромагнита позволяет обеспечить необходимый угол α веерного пучка тормозного излучения бетатрона. Толщина пластин 6 электромагнита определяется частотой следования импульсов тормозного излучения, а толщина диэлектрических пластин 16 - выбранным напряжением на секциях 5а и 5в обмотки. Геометрические размеры окна 10 под секцию обмотки должны учитывать количество и размеры вентиляционных каналов 14.

Источники информации

1. Ананьев Л.М., Воробьев А.А., Горбунов В.И. Индукционный ускоритель электронов-бетатронов. М.: Госатомиздат, 1968.

2. Москалев В.А. Бетатроны. М.: Энергоиздат, 1981. - 167 с.

3. Звонцов А.А., Чахлов В.А., Чахлов Г.Л., Филимонов А.А. Электромагнит бетатрона с азимутальной вариацией управляющего поля. А.с. №497956. Б.И. №8, 1982, с.276.

4. Неразрушающий контроль. Справочник. Т. 8. / Под ред. В.В.Клюева. М.: Машиностроение. 789 с.

5. Звонцов А.А., Чахлов В.А., Филимонов А.А. Электромагнит бетатрона с азимутальной вариацией управляющего поля. ПТЭ №2, 1975, с.40-42.

Электромагнит бетатрона относится к ускорительной технике и может быть использован при разработке бетатронов, предназначенных для контроля большегрузных транспортных средств, контейнеров и крупногабаритных изделий. Электромагнит бетатрона содержит стойки, ярма, полюса с центральными вкладышами и многослойную намагничивающую обмотку, выполненную в виде двух секций, симметрично установленных относительно средней плоскости многополюсного зазора; причем каждая секция обмотки выполнена ступенчатой, и ступени секций обращены к средней плоскости, а их число и число витков в каждой ступени выбираются так, чтобы ближайшие к средней плоскости витки любой ступени были удалены от этой плоскости на расстояние, равное или большее чем расстояние от средней плоскости до ближайшего к ней витка i-й ступени. Изобретение обеспечивает уменьшение габаритов и массы за счет увеличения угла расходимости веерного пучка тормозного излучения в плоскости, перпендикулярной средней плоскости зазора. 2 ил., 1 табл.

Электромагнит бетатрона, содержащий стойки, ярма, полюса с центральными вкладышами и многослойную намагничивающую обмотку, выполненную в виде двух секций, симметрично расположенных относительно средней плоскости межполюсного зазора, отличающийся тем, что каждая секция обмотки выполнена ступенчатой, причем ступени секций обращены к средней плоскости, а их число и число витков в ступенях выбирается так, чтобы ближайшие к средней плоскости витки любой ступени были удалены от этой плоскости на расстояние, равное или большее, чем

где h_вi - расстояние от средней плоскости до ближайшего к ней витка i-й ступени;

r_вi - радиус удаленной кромки витка i-й ступени;

r_м - радиус установки мишени;

α - угол расходимости веерного пучка тормозного излучения.