БЕТАТРОН С ИЗМЕНЯЕМЫМ РАДИУСОМ ОРБИТЫ Российский патент 2012 года по МПК H05H11/04 

Данное изобретение относится к бетатрону с изменяемым радиусом орбиты, прежде всего, для формирования рентгеновского излучения в рентгеновской досмотровой установке.

При проверке крупногабаритных предметов, таких как контейнеры и транспортные средства, на наличие недопустимого содержимого, такого как оружие, взрывчатые вещества или контрабандные товары, известным образом используют рентгеновские досмотровые установки. При этом формируют рентгеновские лучи и направляют их на предмет. Ослабленные предметом рентгеновские лучи измеряют посредством детектора и анализируют в анализаторе. Таким образом, можно сделать заключение о свойствах предмета. Такая рентгеновская досмотровая установка известна, например, из публикации европейского патента ЕР 0412190 B1.

Для формирования рентгеновских лучей с необходимой для проверки энергией более 1 МэВ используют бетатроны. При этом речь идет о циклических ускорителях, в которых электроны ускоряются на круговой орбите. Ускоренные электроны направляются на мишень, где они при попадании создают тормозное излучение, спектр которого также зависит от энергии электронов.

Известный из публикации патентной заявки DE 2357126 А1 бетатрон состоит из двухкомпонентного внутреннего ярма, в котором торцевые стороны обеих частей ярма расположены на расстоянии друг напротив друга. Посредством двух катушек основного поля во внутреннем ярме создают электромагнитное поле. Внешнее ярмо соединяет оба удаленных друг от друга конца частей внутреннего ярма и замыкает электромагнитный контур.

Между торцевыми сторонами обеих частей внутреннего ярма расположена вакуумная камера бетатрона, в которой по кругу движутся подлежащие ускорению электроны. Торцевые стороны частей внутреннего ярма выполнены таким образом, что созданное катушкой основного поля электромагнитное поле вынуждает электроны двигаться по круговой орбите и, помимо этого, фокусирует их в плоскости, в которой находится эта круговая орбита. Для управления электромагнитным потоком известно расположение ферромагнитной вставки между торцевыми сторонами частей внутреннего ярма внутри камеры бетатрона.

Электроны инжектируются, например, посредством электронной пушки в камеры бетатрона, а через катушку основного поля увеличивается ток, а тем самым, и сила магнитного поля. Посредством изменяющегося магнитного поля формируется электрическое поле, которое ускоряет электроны на их круговой орбите. Одновременно с силой магнитного поля равным образом увеличивается действующая на электроны сила Лоренца. Вследствие этого электроны удерживаются на постоянном радиусе орбиты. Электрон движется по круговой орбите, если сила Лоренца, направленная к центру круговой орбиты, и центростремительная сила, направленная в противоположном направлении, взаимно компенсируются. Из этого следует условие Видероэ:

При этом, r_s - это заданный радиус орбиты электрона, А - плоскость, ограниченная заданным радиусом орбиты r_s, и <В(r_s)> - усредненная сила магнитного поля через плоскость А.

Согласно публикации патентной заявки DE 2357128 А1, вокруг ферромагнитной вставки расположена еще одна катушка, которая во время фазы ускорения последовательно включена с катушкой основного поля и соответственно запитана током. С помощью тиристорной схемы достигается, что следующая катушка в конце фазы ускорения изменяет магнитное поле таким образом, что условие Видероэ более не выполняется и, таким образом, электроны отклоняются от заданной орбиты на мишень.

Недостатком известного бетатрона является факт, что только незначительная часть испускаемых в камеру бетатрона электронов ускоряется до желаемой конечной энергии и, таким образом, не достигается высокий коэффициент полезного действия.

Поэтому задача данного изобретения заключается в разработке бетатрона с увеличенным коэффициентом полезного действия.

Эта задача согласно изобретению решена посредством признаков пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные формы осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения 2-9. Пункт 10 формулы относится к рентгеновской досмотровой установке с использованием бетатрона согласно изобретению.

Предлагаемый в изобретении бетатрон имеет вращательно-симметричное внутреннее ярмо из двух расположенных на расстоянии друг от друга частей, по меньшей мере одну круглую пластину между частями внутреннего ярма, расположенную так, что ее продольная ось совпадает с осью вращательной симметрии внутреннего ярма, наружное ярмо, соединяющее обе части внутреннего ярма, по меньшей мере одну катушку основного поля, тороидальную камеру бетатрона, расположенную между частями внутреннего бетатрона, по меньшей мере одну настроечную катушку в области по меньшей мере одной круглой пластины и электронную схему управления для управления прохождением тока через настроечную катушку во время фазы инжекции электронов в камеру бетатрона, причем круглая пластина по существу полностью заполняет внутреннюю часть настроечной катушки, вследствие чего настроечная катушка уменьшает магнитное поле в круглой пластине, не вызывая, однако, значительного изменения напряженности магнитного поля на заданном радиусе орбиты электронов.

При этом фаза инжекции охватывает не только промежуток времени вброса электронов в камеру бетатрона, но и по меньшей мере частично также последующую фазу, в которой электроны еще не движутся по желаемой заданной круговой орбите.

В одной форме осуществления изобретения подключения настроечной катушки соединены между собой через потребителя, и по меньшей мере в одной линии между настроечной катушкой и потребителем расположен выполненный с возможностью приведения в действие электронной схемой управления переключатель. В случае с переключателем речь идет, например, о высокопроизводительном полупроводниковом реле, таком как IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor - биполярный транзистор с изолированным затвором). В случае потребителя речь идет, например, о сопротивлении или полупроводниковом потребителе тока. Полупроводниковый потребитель тока имеет преимущество в том, что его сила и, тем самым, протекание тока через настроечную катушку являются регулируемыми. При замкнутом переключателе настроечная катушка и потребитель образуют электрическую цепь. Возникает прохождение тока, посредством которого настроечная катушка извлекает энергию из магнитного поля в круглых пластинах, которая через потребителя преобразуется обычным образом в тепло.

В альтернативной форме осуществления изобретения подключения настроечной катушки соединены с источником тока или напряжения, и по меньшей мере в одной линии между настроечной катушкой и источником тока или напряжения расположен выполненный с возможностью приведения в действие электронной схемой управления переключатель. В случае с переключателем речь идет, например, о высокопроизводительном полупроводниковом реле, таком как IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). При замкнутом переключателе в настроечную катушку вводится ток, который формирует магнитное поле, которое перекрывает магнитное поле катушек основного поля.

За счет расположения настроечной катушки в области круглых пластин

при прохождении через настроечную катушку тока изменяется средняя напряженность магнитного поля через ограниченную заданным радиусом орбиты плоскость, не вызывая, однако, значительного изменения напряженности магнитного поля на самом заданном радиусе орбиты. То же самое действительно для производных этих величин с течением времени. Тем самым, условие Видероэ изменяется, что приводит во время прохождения тока через настроечную катушку к увеличенному заданному радиусу орбиты. За счет регулировки прохождения тока внутри цепи настроечной катушки может варьироваться. При этом, увеличенный заданный радиус орбиты находится, предпочтительно, ближе к радиусу инжекции, чем заданный радиус r_s орбиты. Вследствие этого, большее количество инжектируемых электронов «улавливается» и направляется на круговую орбиту. После прерывания прохождения тока условие Видероэ снова выполняется желаемым заданным радиусом r_s орбиты, и электроны изменяют направление на этот заданный радиус r_s орбиты.

Альтернативно, прохождение тока через настроечную катушку во время инжекции электронов прерывается. Вследствие этого, заданный радиус орбиты во время инжекции уменьшается по отношению к заданному радиусу r_s во время ускорения. Это является необходимым, если радиус инжекции является меньшим, чем заданный радиус r_s орбиты, на котором ускоряются электроны, электроны инжектируются также на внутреннем радиусе.

Предпочтительно, противолежащие торцевые стороны частей внутреннего ярма выполнены и расположены зеркально-симметрично по отношению друг к другу. При этом, плоскость симметрии, предпочтительно, ориентирована так, что ось вращательной симметрии внутреннего ярма расположена к ней перпендикулярно. Это приводит к предпочтительному распределению поля в воздушном зазоре между торцевыми сторонами, посредством которого электроны удерживаются в камере бетатрона на круговой орбите.

Далее является предпочтительным, если на внутреннем ярме расположена по меньшей мере одна катушка основного поля, прежде всего на сужении или заплечике внутреннего ярма. Это приводит к тому, что по существу все сформированное катушкой основного поля магнитное поле направляется через внутреннее ярмо. Предпочтительным образом, бетатрон имеет две катушки основного поля, при этом на каждой из частей внутреннего ярма расположена одна катушка. Это приводит к предпочтительному распределению магнитного потока на части внутреннего ярма.

В одной форме осуществления изобретения настроечная катушка охватывает наружную окружность по меньшей мере одной круглой пластины. Таким образом, круглая пластина по существу полностью заполняет внутреннюю часть настроечной катушки. Преимущество этого расположения состоит в том, что каждый виток настроечной катушки уменьшает магнитное поле через всю поверхность поперечного сечения охваченного магнитно-активного материала круглой пластины.

В следующей форме осуществления изобретения настроечная катушка расположена между двумя круглыми пластинами. Преимущество заключается в незначительной занимаемой площади, так как настроечная катушка не выступает за окружность круглой пластины. То же самое действительно для другой предпочтительной формы осуществления, в которой настроечная катушка расположена между круглой пластиной и торцевой поверхностью части внутреннего ярма.

Если настроечная катушка расположена между двумя круглыми пластинами или же одной круглой пластиной и торцевой стороной части внутреннего ярма, то настроечная катушка выполнена, например, в виде спирали. Это приводит к незначительной конструктивной высоте настроечной катушки и, тем самым, к незначительному воздушному зазору между круглыми пластинами или же между круглой пластиной и торцевой поверхностью части внутреннего ярма.

Бетатрон согласно изобретению предпочтительно применяется в рентгеновской досмотровой установке для проверки безопасности объектов. Электроны инжектируются в бетатрон и ускоряются до того, как они будут направлены на мишень, состоящую, например, из тантала. Там электроны создают рентгеновские лучи с известным спектром. Рентгеновские лучи направляются на объект, предпочтительно контейнер и/или транспортное средство, и там модифицируются, например, за счет рассеивания или трансмиссионного затухания. Модифицированные рентгеновские лучи измеряют рентгеновским детектором и анализируют посредством анализатора. По результатам делают заключение о свойствах или содержимом объекта.

Рассматриваемое изобретение более подробно объясняется с помощью примера осуществления. Показано на:

фигура 1 - схематичное изображение в разрезе бетатрона согласно изобретению,

фигура 2а-2с - увеличенное изображение представленной на фигуре 1 области круглых пластин с разными настроечными катушками,

фигура 3 - качественная характеристика изменения силы магнитного поля в зависимости от радиуса,

фигура 4 - схема настроечной катушки с потребителем, и

фигура 5 - схема настроечной катушки с источником напряжения.

На фигуре 1 показано в разрезе схематичное построение предпочтительного бетатрона 1. Среди прочего, он состоит из вращательно-симметричного внутреннего ярма из двух расположенных на расстоянии друг от друга частей 2а, 2b, четырех круглых пластин 3a-3d между частями 2а, 2b внутреннего ярма, при этом продольная ось круглых пластин 3a-3d соответствует оси вращательной симметрии внутреннего ярма, соединяющего обе части внутреннего ярма 2а, 2b наружного ярма 4, расположенной между частями 2а, 2b внутреннего ярма тороидальной камеры 5 бетатрона, двух катушек 6а и 6b основного поля, а также не изображенной на фигуре 1 электронной схемы 8 управления. Катушки 6а и 6b расположены на заплечиках частей 2а или же 2b внутреннего ярма. Формируемое ими магнитное поле пронизывает части 2а и 2b внутреннего ярма, при этом магнитная цепь замкнута посредством наружного ярма 4. Форма внутреннего и/или наружного ярма может быть выбрана специалистом в зависимости от случая применения и может отличаться от представленной на фигуре 1 формы. Также, могут присутствовать только одна или больше чем две катушки основного поля. Другое количество и/или форма круглых пластин также является возможным.

Между торцевыми сторонами частей 2а и 2b внутреннего ярма магнитное поле частично проходит через круглые пластины 3a-3d, а в остальном - через воздушный зазор. В этом воздушном зазоре расположена камера 5 бетатрона. При этом речь идет о вакуумной камере, в которой ускоряются электроны. Торцевые стороны частей 2а и 2b внутреннего ярма имеют форму, которая выбрана так, что магнитное поле между ними фокусирует электроны на круговой орбите. Форма торцевых сторон известна специалисту и поэтому более подробно не поясняется. В конце процесса ускорения электроны попадают на мишень и вследствие этого формируют рентгеновские лучи, спектр которых, среди прочего, зависит от конечной энергии электронов и материала мишени.

Для ускорения электроны с начальной энергией заключаются в камеру 5 бетатрона. Во время фазы ускорения магнитное поле в бетатроне 1 посредством катушек 6а и 6b основного поля непрерывно увеличивается. Вследствие этого формируется электрическое поле, которое оказывает ускоряющее воздействие на электроны. Одновременно с этим, электроны вследствие силы Лоренца устремляются на заданную круговую орбиту внутри камеры 5 бетатрона.

Ускорение электронов периодически повторяется, вследствие чего образуется импульсное рентгеновское излучение. В каждом периоде электроны на первом этапе инжектируются в камеру 5 бетатрона. На втором этапе электроны ускоряются в направлении окружности их круговой орбиты благодаря увеличивающемуся току в катушках 6а и 6b основного поля и, таким образом, растущему магнитному полю в воздушном зазоре между частями 2а и 2b внутреннего ярма. На третьем этапе ускоренные электроны выбрасываются на мишень для формирования рентгеновского излучения. Затем происходит опциональная пауза перед тем, как электроны заново испускаются в камеру 5 бетатрона.

На фигурах 2а-2с показан увеличенный вырез бетатрона 1 в области круглых пластин 3a-3d с разными положениями настроечной катушки. В каждом случае между двумя соседними круглыми пластинами или же между наружной круглой пластиной 3а, 3d и частью 2а, 2b внутреннего ярма расположен воздушный зазор и/или не намагничивающийся материал. Вследствие этого, образуется изображенная на фигуре 3 штрих-линией качественная характеристика изменения силы магнитного поля В(r) в зависимости от радиуса, исходя от оси вращательной симметрии внутреннего ярма. Ввиду проницаемости материала круглых пластин, магнитное поле в области круглых пластин сильнее, чем в воздушном зазоре без круглых пластин между торцевыми сторонами частей 2а и 2b внутреннего ярма.

На фигуре 2а показана форма осуществления изобретения со спирально намотанной настроечной катушкой 7а между круглой пластиной 3d и частью 2b внутреннего ярма. Настроечная катушка 7b на фигуре 2 напротив охватывает наружную окружность круглой пластины 3с, так что круглая пластина 3с действует в качестве железного сердечника настроечной катушки 7b. Настроечная катушка 7b на фигуре 2с намотана спирально и расположена в воздушном зазоре между круглой пластиной 3а и круглой пластиной 3b. Альтернативно, настроечные катушки 7а или 7с могут иметь другой характер обмотки и простираться, например, в продольном направлении. Настроечные катушки на фигурах 2а-2с обозначены тремя витками, фактическая форма может от этого отличаться.

Количество и расположение настроечных катушек определяется выполняющим осуществление специалистом. При этом возможно применение одной единственной настроечной катушки или любой комбинации катушек и их положений в области круглых пластин. Также возможна измененная форма настроечной катушки, которая охватывает окружность круглой пластины, а также имеет протяженность, равную зазору между двумя круглыми пластинами или же одной круглой пластиной и частью внутреннего ярма.

Для орбиты электронов в камере 5 бетатрона действует вышеуказанное условие Видероэ, которое вытекает из того, что центростремительная сила уравновешивает силу Лоренца. Горизонтальная штрих-линия указывает среднюю напряженность магнитного поля <B(r_s)> поверхности, ограниченной заданным радиусом (r_s) орбиты. Тот радиус (r_s), который соответствует уравнению

является стабильным заданным радиусом орбиты, на котором вращаются электроны.

Обычно электроны инжектируются в камеру бетатрона не на этом стабильном заданном радиусе орбиты, вследствие чего только незначительная часть испущенных электронов устремляется на круговую орбиту. Поэтому, согласно изобретению во время фазы инжекции вышеуказанное условие равновесия нарушается и, тем самым, для этого периода времени устанавливается измененный заданный радиус орбиты. В данном примере осуществления радиус инжекции электронов является большим, чем заданный радиус во время ускорения.

Нарушение условия равновесия достигается посредством использования настроечной катушки в области круглых пластин. С помощью электронной схемы 8 управления во время фазы инжекции через настроечные катушки 7а-7с пропускается ток. Вследствие этого магнитный поток в круглых пластинах 3а-3d ослабляется, в то время как ток вне круглых пластин, т.е., прежде всего, в области камеры 5 бетатрона, не оказывает существенного влияния на магнитный поток.

В одной форме осуществления данного примера осуществления настроечная катушка 7а-7с соединена с нагрузочным сопротивлением в каждом случае через переключатель, например, высокопроизводительное полупроводниковое реле, такое как IGBT. Для настроечной катушки 7а это схематично изображено на фиг.4. Во время фазы инжекции электронная схема 8 управления управляет переключателем 9 таким образом, что настроечная катушка 7а периодически соединена с нагрузочным сопротивлением 10. Вследствие этого образуется прохождение тока через электрическую цепь и, тем самым, также через настроечную катушку 7а, который приводит к магнитному полю внутри образованной настроечной катушкой поверхности, прежде всего, в круглых пластинах 3a-3d. Таким образом, формируется изображенная на фигуре 3 сплошной линией качественная характеристика изменения силы магнитного поля В'(r) в зависимости от радиуса в виде наложения магнитных полей катушек 6а, 6b основного поля и настроечной катушки 7а.

Становится очевидным, что при прохождении тока через настроечную катушку напряженность магнитного поля в воздушном зазоре между частями 2а и 2b внутреннего ярма, а тем самым и их проводимость, со временем практически не изменяется, однако в области круглых пластин существенно уменьшается. Вследствие этого, обозначенная на фигуре 3 штрих-линией средняя напряженность поля <В(r_s)> через поверхность с радиусом r_s уменьшается до изображенной сплошной линией средней напряженности поля через поверхность с радиусом

Одновременно с этим со временем уменьшается производная этих величин. Таким образом, условие Видероэ выполняется посредством модифицированного заданного радиуса орбиты, который является большим, чем радиус r_s и, тем самым, расположен ближе к радиусу инжекции электронов.

В альтернативной форме осуществления данного примера осуществления настроечная катушка 7а, как схематично изображено на фигуре 5, через переключатель 9 соединена с источником 11 тока. Если переключатель во время фазы инжекции посредством электронной схемы 8 управления замкнут, то к настроечной катушке 7а прикладывается ток. Этот ток в круглых пластинах 3a-3d формирует магнитное поле, которое является противонаправленным магнитному полю, сформированному катушками 6а, 6b основного поля, и ослабляет его. Воздействия на магнитное поле в бетатроне и, тем самым, на заданный радиус орбиты одинаковы с вышеописанной альтернативой с потребителем в цепи тока настроечной катушки.

Фигуры 4 и 5 показывают в качестве примера цепи тока настроечной катушки 7а, которые являются идентично переносимыми на настроечные катушки 7b и 7с. На выбор, несколько настроечных катушек соединяются через один или несколько переключателей с общим сопротивлением или же общим источником напряжения. Далее, каждая настроечная катушка через отдельный переключатель альтернативно соединяется с приданным настроечной катушке сопротивлением или приданным настроечной катушке источником напряжения.

В альтернативной форме осуществления настроечная катушка во время фазы инжекции отсоединена от нагрузочного сопротивления или же от источника напряжения, во все остальное время соединение замкнуто. Вследствие этого, заданный радиус во время инжекции является меньшим, чем радиус r_s, на котором ускоряются электроны. Это является особенно предпочтительным тогда, когда электроны инжектируются в области внутреннего края камеры 5 бетатрона.

Бетатрон (1), прежде всего, в рентгеновской досмотровой установке с вращательно-симметричным внутренним ярмом из двух расположенных на расстоянии друг от друга частей (2а, 2b), по меньшей мере одной круглой пластиной (3a-3d) между частями (2а, 2b) внутреннего ярма, при этом круглая пластина (3a-3d) расположена так, что ее продольная ось совпадает с вращательно-симметричной осью внутреннего ярма, наружным ярмом (4), соединяющим обе части (2а, 2b) внутреннего ярма, по меньшей мере одной катушкой (6а, 6b) основного поля, тороидальной камерой (5) бетатрона, расположенной между частями (2а, 2b) внутреннего ярма, а также по меньшей мере одной настроечной катушкой (7а-7с) в области по меньшей мере одной круглой пластины (3a-3d), и электронной схемой (8) управления для управления прохождением тока через настроечную катушку (7а-7с) во время фазы инжекции электронов в камеру (5) бетатрона. Технический результат - повышение коэффициента полезного действия. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Бетатрон (1), прежде всего в рентгеновской досмотровой установке, содержащий:
- вращательно-симметричное внутреннее ярмо из двух расположенных на расстоянии друг от друга частей (2а, 2b),
- по меньшей мере одну круглую пластину (3a-3d) между частями (2а, 2b) внутреннего ярма, расположенную так, что ее продольная ось совпадает с осью вращательной симметрии внутреннего ярма,
- наружное ярмо (4), соединяющее обе части (2а, 2b) внутреннего ярма,
- по меньшей мере одну катушку (6а, 6b) основного поля,
- тороидальную камеру (5) бетатрона, расположенную между частями (2а, 2b) внутреннего ярма,
- по меньшей мере одну настроечную катушку (7а-7с) в области по меньшей мере одной круглой пластины (3a-3d),
- электронную схему (8) управления для управления прохождением тока через настроечную катушку (7а-7с) во время фазы инжекции электронов в камеру (5) бетатрона,
отличающийся тем, что круглая пластина по существу полностью заполняет внутреннюю часть настроечной катушки, вследствие чего настроечная катушка уменьшает магнитное поле в круглой пластине, не вызывая, однако, значительного изменения напряженности магнитного поля на заданном радиусе орбиты электронов.

2. Бетатрон (1) по п.1, отличающийся тем, что противолежащие торцевые стороны частей (2а, 2b) внутреннего ярма выполнены и расположены зеркально-симметрично по отношению друг к другу.

3. Бетатрон (1) по п.1 или 2, отличающийся тем, что на внутреннем ярме расположена по меньшей мере одна катушка (6а, 6b) основного поля, прежде всего, на сужении или заплечике внутреннего ярма.

4. Бетатрон (1) по п.3, отличающийся двумя катушками (6а, 6b) основного поля, при этом на каждой из частей (2а, 2b) внутреннего ярма расположена одна катушка (6а, 6b) основного поля.

5. Бетатрон (1) по п.1, отличающийся тем, что подключения настроечной катушки (7а-7с) соединены друг с другом через потребитель (10), и по меньшей мере в одной линии между настроечной катушкой (7а-7с) и потребителем (10) расположен выполненный с возможностью приведения в действие электронной схемой (8) управления переключатель (9).

6. Бетатрон (1) по п.1, отличающийся тем, что подключения настроечной катушки (7а-7с) соединены с источником (11) тока или напряжения, и по меньшей мере в одной линии между настроечной катушкой (7а-7с) и источником (11) тока или напряжения расположен выполненный с возможностью приведения в действие электронной схемой (8) управления переключатель (9).

7. Бетатрон (1) по п.1, отличающийся тем, что настроечная катушка (7b) охватывает наружную окружность по меньшей мере одной круглой пластины (3с).

8. Бетатрон по п.1, отличающийся тем, что настроечная катушка (7с) расположена между двумя круглыми пластинами (3а, 3b).

9. Бетатрон (1) по п.1, отличающийся тем, что настроечная катушка (7а) расположена между круглой пластиной (3d) и торцевой стороной части (2b) внутреннего ярма.

10. Рентгеновская досмотровая установка для проверки безопасности объектов, имеющая бетатрон (1) по одному из пп.1-9 и мишень для формирования рентгеновских лучей, а также рентгеновский детектор и анализатор.