ИСТОЧНИК ТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК H05H11/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в средствах неразрушающего контроля материалов и изделий.

Известен источник тормозного излучения (Л.М.Ананьев., А.А.Воробьев, В.И.Горбунов. Индукционный ускоритель электронов - бетатрон. М., Госатомиздат, 1961, с.228-231), содержащий магнитопровод, полюсы, обмотки возбуждения на полюсах, центральные вкладыши, ускорительную камеру между полюсами, мишень, расположенную в ускорительной камере, обмотки смещения ускоренных электронов на мишень с импульсными ампер-витками в конце цикла ускорения, расположенные на центральных вкладышах или на полюсах.

В этом источнике смещение электронов с равновесной орбиты на мишень реализуется за счет их доускорения импульсным магнитным полем обмоток смещения.

Известен источник тормозного излучения (Москалев В.А. Бетатроны, М. Энергоиздат, 1981, с.38), выбранный в качестве прототипа, содержащий магнитопровод, полюсы, обмотки возбуждения на полюсах, центральные вкладыши, ускорительную камеру между полюсами, мишень, расположенную в ускорительной камере на радиусе, большем радиуса равновесной орбиты, две системы расположенных на полюсах обмоток смещения с одинаковыми по величине и противоположно направленными импульсными ампер-витками в конце цикла ускорения и радиальными размерами, меньшими радиуса равновесной орбиты ускоряемых электронов у обмоток смещения первой системы, и радиальными размерами, большими радиуса равновесной орбиты ускоряемых электронов у обмоток смещения второй системы.

В этом источнике смещение электронов с равновесной орбиты на мишень реализуется за счет уменьшения индукции в области равновесной орбиты импульсным магнитным полем обмоток смещения.

Известные источники тормозного излучения имеют достаточно малые размеры (до 0,2 мм) фокусного пятна только в радиальном направлении, но при гораздо больших размерах, превышающих 2 мм, в направлении, перпендикулярном плоскости ускорения, - в аксиальном направлении. Такое соотношение ограничивает, например, функциональные параметры промышленных томографов на основе этих источников.

Большие размеры фокусного пятна в аксиальном направлении являются следствием больших амплитуд колебаний электронов в этом направлении в процессе смещения электронов с равновесной орбиты на мишень из-за малых сил, действующих на отклоняющиеся от плоскости ускорения электроны, величины которых определяются малыми величинами радиальной составляющей индукции между ускорительными полюсами вблизи плоскости ускорения в процессе смещения.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение размера фокусного пятна тормозного излучения в аксиальном направлении.

Поставленная задача достигается тем, что в источнике тормозного излучения, который содержит магнитопровод, полюсы, обмотки возбуждения на полюсах, центральные вкладыши, ускорительную камеру между полюсами, мишень, расположенную в ускорительной камере на радиусе, большем радиуса равновесной орбиты, две системы обмоток смещения с одинаковыми по величине и противоположно направленными импульсными ампер-витками в конце цикла ускорения, обмотки смещения расположены между ускорительной камерой и магнитопроводом, в обмотках смещения первой системы, образуемой ближними к полюсам обмотками смещения, направление импульсных ампер-витков совпадает с направлением токов в обмотках возбуждения на полюсах, а обмотки смещения второй системы расположены между обмотками смещения первой системы с зазорами относительно обмоток смещения первой системы и между собой.

Дополнительно, зазор между обмотками смещения второй системы меньше размера ускорительной камеры в аксиальном направлении.

Дополнительно, часть зазора между обмотками смещения первой и второй систем заполнена магнитным материалом.

Отличительными от прототипа признаками являются расположение обмоток смещения между ускорительной камерой и магнитопроводом, совпадение направлений импульсных ампер-витков в обмотках смещения первой системы ближних к полюсам обмоток смещения с направлением токов в обмотках возбуждения на полюсах, расположение обмоток смещения второй системы с зазором относительно обмоток смещения первой системы ближних к полюсам обмоток смещения и между собой, а также выполнение зазора между обмотками смещения второй системы меньше размера ускорительной камеры в аксиальном направлении, заполнение части зазора между обмотками первой и второй систем магнитным материалом.

Размеры фокусного пятна тормозного излучения задаются размерами области мишени, которая облучается электронами, ускоренными на равновесной орбите, относительно которой они совершали бетатронные колебания, смещенными с равновесной орбиты в результате импульсного уменьшения индукции в области равновесной орбиты ниже порогового значения за счет действия импульса магнитного поля, генерируемого обмотками смещения, и переместившимися в пространстве между равновесной орбитой и мишенью по спиральной траектории.

Размер облучаемой области мишени в аксиальном направлении определяется амплитудами колебаний электронов в аксиальном направлении в процессе смещения, величина которых обратно пропорциональна величине аксиального градиента радиальной составляющей индукции.

В процессе смещения импульсное магнитное поле, формируемое первой и второй системами обмоток смещения, увеличивает степень спадания магнитного поля в области между равновесной орбитой и радиальным положением мишени в гораздо большей степени, чем при реализации процесса смещения в известных устройствах. Радиальная составляющая индукции во всех точках этой области вблизи плоскости ускорения увеличивается, причем степень увеличения является возрастающей функцией радиального отличия от положения равновесной орбиты. В результате, в процессе смещения амплитуда аксиальных колебаний электронов уменьшается, электроны падают на мишень с уменьшенной амплитудой аксиальных колебаний, облучают область поверхности малого аксиального размера, что обеспечивает малый аксиальный размер фокусного пятна тормозного излучения.

В итоге формируется фокусное пятно тормозного излучения с малым аксиальным размером, намного меньшим, чем у известных источников тормозного излучения.

Действие импульсного магнитного поля, формируемого первой и второй системами обмоток смещения, выше при аксиальном зазоре между обмотками смещения второй системы, меньшем аксиального размера ускорительной камеры.

Заполнение части зазора между обмотками смещения первой и второй систем магнитным материалом позволяет выполнить первую и вторую системы обмоток смещения с меньшими импульсными ампер-витками с сохранением их функциональных свойств и практически без влияния на процесс захвата электронов в ускорение при инжекции и на процесс ускорения электронов до смещения на мишень.

На фиг.1 показана схема предлагаемого устройства в двух проекциях.

На фиг.2 - радиальные распределения индукции В в плоскости ускорения.

Зависимость 1 - перед началом процесса смещения электронов с равновесной орбиты.

Зависимости 2, 3, 4 - в момент достижения порогового значения индукции на радиусе равновесной орбиты: зависимость 2 - при реализации устройства-прототипа, зависимость 3 - при реализации предлагаемого устройства без частичного заполнения магнитным материалом зазора между обмотками смещения, зависимость 4 - при реализации предлагаемого устройства с частичным заполнением магнитным материалом зазора между обмотками смещения.

На фиг.3 - зависимости магнитного потока F от радиуса R.

Зависимость 1 - перед началом процесса смещения электронов с равновесной орбиты.

Зависимости 2, 3, 4 - в момент достижения порогового значения индукции на радиусе равновесной орбиты: зависимость 2 - при реализации устройства-прототипа, зависимость 3 - при реализации предлагаемого устройства без частичного заполнения магнитным материалом зазора между обмотками смещения.

На фиг.4 - аксиальные распределения радиальной составляющей индукции B_R на равновесной орбите.

Зависимость 1 - перед началом процесса смещения электронов с равновесной орбиты.

Зависимости 2, 3, 4 - в момент достижения порогового значения индукции на радиусе равновесной орбиты: зависимость 2 - при реализации устройства-прототипа, зависимость 3 - при реализации предлагаемого устройства без частичного заполнения магнитным материалом зазора между обмотками смещения.

На фиг.5 - аксиальные распределения радиальной составляющей индукции B_R на радиусе положения мишени.

Зависимость 1 - перед началом процесса смещения электронов с равновесной орбиты.

Зависимости 2, 3, 4 - в момент достижения порогового значения индукции на радиусе равновесной орбиты: зависимость 2 - при реализации устройства-прототипа, зависимость 3 - при реализации предлагаемого устройства без частичного заполнения магнитным материалом зазора между обмотками смещения.

На фиг.6 - радиальные распределения индукции В при различных соотношениях величины зазора L между обмотками смещения второй системы и аксиального размера ускорительной камеры h при пороговом значении индукции на равновесной орбите.

На фиг.7 - аксиальные распределения радиальной составляющей индукции B_R на радиусе равновесной орбиты при различных соотношениях величины зазора L между обмотками смещения второй системы и аксиального размера ускорительной камеры h при пороговом значении индукции на равновесной орбите.

На фиг.8 - аксиальные распределения радиальной составляющей индукции B_R на радиусе положения мишени при различных соотношениях величины зазора между обмотками смещения второй системы L и аксиального размера ускорительной камеры h при пороговом значении индукции на равновесной орбите.

На фиг.9 - радиальные распределения индукции В в плоскости ускорения при различном частичном заполнении магнитным материалом зазора между обмотками смещения.

Источник тормозного излучения содержит магнитопровод 1, полюсы 2, обмотки возбуждения 3 на полюсах 2, центральные вкладыши 4, ускорительную камеру 5 с внешним радиусом R_K между полюсами 2, мишень 6, расположенную на инжекторе 7 в ускорительной камере 5 на радиусе R_M, большем радиуса равновесной орбиты R₀, две системы обмоток смещения с противоположно направленными импульсными ампер-витками в конце цикла ускорения. Первая система содержит обмотки смещения 8 и 9, вторая система содержит обмотки смещения 10 и 11. Обмотки смещения 8, 9, 10, 11 расположены между ускорительной камерой 5 и магнитопроводом 1. В обмотках смещения первой системы, ближних к полюсам обмоток смещения 8, 9, направление импульсных ампер-витков совпадает с направлением токов в обмотках возбуждения 3 на полюсах 2. Обмотки смещения 10 и 11 второй системы расположены с зазором Н относительно обмоток смещения 8, 9 первой системы, ближних к полюсам обмоток смещения. Направление импульсных ампер-витков в обмотках смещения 10 и 11 противоположно направлению токов в обмотках возбуждения 3 и, соответственно, импульсных ампер-витков в обмотках смещения 8 и 9.

Обмотки смещения 10 и 11 расположены с зазором L между ними, меньшим, например, размера h ускорительной камеры 5 в аксиальном направлении.

Часть зазора, например, за пределами радиуса R_Fe между обмотками смещения 8 и 10, а также между обмотками смещения 9 и 11, заполнена магнитным материалом 12.

В цикле работы устройства нарастающий ток в обмотках возбуждения 3 создает нарастающий магнитный поток F в магнитопроводе 1, центральных вкладышах 4, полюсах 2, межполюсном пространстве и, при наличии, в магнитном материале 12 в зазорах Н между обмотками смещения 8 и 10, 9 и 11. В момент оптимального соответствия между напряжением инжекции инжектора 7 и индукцией магнитного поля в пространстве между полюсами 2 часть электронов из инжектора 7 в ускорительной камере 5 захватывается в ускорение на равновесной орбите, радиус которой задается параметрами центральных вкладышей 4 и распределением магнитной индукции В в пространстве между полюсами 2, задаваемым профилем полюсов и, при наличии, магнитным материалом 12 в зазорах Н между обмотками смещения 8 и 10, 9 и 11.

Под действием электрического поля, индуцированного нарастающим магнитным потоком, F электроны ускоряются на равновесной орбите, совершая относительно нее бетатронные колебания, амплитуда которых в радиальном и аксиальном направлениях определяется степенью спадания магнитной индукции В в межполюсном пространстве.

В конце цикла ускорения перед началом процесса смещения током обмоток возбуждения 3 в пространстве между полюсами 2 создается магнитное поле с индукцией на равновесной орбите В₀, с распределением индукции в области между равновесной орбитой с радиусом, например, R₀=50 мм и мишенью на радиусе R_M=70 мм в плоскости ускорения в соответствии с зависимостью 1 (фиг2).

Действием импульсного магнитного поля первой и второй систем обмоток смещения запускается процесс смещения ускоренных электронов на мишень.

При этом импульсным магнитным полем обмоток смещения индукция В в области равновесной орбиты уменьшается до порогового значения смещения, например, на 15%, при котором магнитное поле, несмотря на то что одновременно произошло некоторое замедление электронов из-за уменьшения магнитного потока F в пределах равновесной орбиты (R=50 mm) (зависимость 3, фиг.3), не может удерживать электроны на равновесной орбите.

Достижение порогового значения смещения сопровождается изменением распределения магнитной индукции В в пространстве между равновесной орбитой и радиальным положением мишени с увеличением ее спада.

Пороговому значению смещения соответствует распределение магнитной индукции в пространстве между равновесной орбитой и радиальным положением мишени (фиг.2, зависимость 3) с гораздо большим спадом, чем до запуска процесса смещения (фиг.2, зависимость 1) и при реализации смещения в известном устройстве-прототипе (фиг.2, зависимость 2).

Увеличенному спаду соответствуют увеличенные аксиальные градиенты радиальной составляющей индукции B_R.

Аксиальные градиенты предлагаемого устройства (фиг.4, 5, зависимость 3) значительно превосходят аксиальные градиенты устройства-прототипа (фиг.4, 5, зависимость 2).

Увеличенным аксиальным градиентам радиальной составляющей индукции соответствуют увеличенные аксиальные силы, действующие на электроны при их отклонении от плоскости смещения (ускорения), что приводит к уменьшению амплитуды аксиальных колебаний электронов в процессе смещения и значит к уменьшению аксиального размера облучаемой области поверхности мишени и, соответственно, к уменьшению аксиального размера фокусного пятна тормозного излучения.

Тормозное излучение из мишени выходит через стенку ускорительной камеры и зазор между обмотками смещения 10, 11 второй системы на облучаемый объект.

Степень изменения распределения индукции в межполюсном пространстве при достижении порогового значения индукции на равновесной орбите в процессе смещения существенно зависит от положения первой и второй систем обмоток смещения относительно плоскости ускорения.

На фиг 6 показаны радиальные распределения индукции В в пределах от R₀ до R_M, а на фиг.7, 8 - аксиальные распределения радиальной составляющей B_R на радиусах R₀ и R_M при различных соотношениях между зазором L и аксиальным размером ускорительной камеры h (фиг.1), равных L₂=h (зависимости 2), L₃=0.75×h (зависимости 3), L₄=0.5×h (зависимости 4) при неизменных ампер-витках первой и второй систем обмоток смещения. Зависимости 1 соответствуют состоянию до начала процесса смещения. При уменьшении L от величины, равной аксиальному размеру ускорительной камеры h, степень изменения распределений тем больше, чем меньше L.

Заполнение ферромагнитным материалом части зазора между обмотками первой и второй систем в несколько раз уменьшает ампер-витки обмоток смещения.

Зависимость 4 на фиг.2 соответствует распределению индукции при достижении порогового значения индукции на равновесной орбите при наличии магнитного материала в зазоре между обмотками смещения, начиная с радиуса R_Fe=1.2×R_K (фиг.1), а зависимость 3 - при отсутствии магнитного материала в зазоре. Зависимости практически не различаются, хотя соотношение ампер-витков равно 4.

Такое заполнение изменяет распределение индукции В в области между равновесной орбитой и радиальным положением инжектора (мишени) в процессе ускорения до начала смещения электронов с равновесной орбиты всего на несколько процентов в зависимости от R_Fe и величины зазора L между обмотками второй системы (фиг.9: 1 - отсутствие магнитного материала в зазоре; 2 - R_Fe=1.3×R_K, L=0.5×h; 3 - R_Fe=1.2×R_K, L=0.5×h; 4 - R_Fe=1.2×R_K, L=0.75×h)

Это, как и то, что реализация предлагаемого устройства достигается в основном введением дополнительных узлов без изменения узлов, принципиально определяющих функционирование устройства, позволяет создавать предлагаемые устройства путем модернизации серийно выпускаемых установок с соответствующей подстройкой магнитных систем.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в средствах неразрушающего контроля материалов и изделий. Источник тормозного излучения содержит магнитопровод, полюсы, обмотки возбуждения, центральные вкладыши, ускорительную камеру, мишень, две системы обмоток смещения с противоположно направленными импульсными ампер-витками в конце цикла ускорения. Обмотки смещения расположены между ускорительной камерой и магнитопроводом. В обмотках первой системы, образуемой ближними к полюсам обмотками смещения, направление импульсных ампер-витков совпадает с направлением токов в обмотках возбуждения, а обмотки второй системы расположены между обмотками первой системы с зазорами относительно обмоток первой системы и между собой. Зазор между обмотками смещения второй системы меньше размера ускорительной камеры в аксиальном направлении. Часть зазора между обмотками смещения первой и второй систем заполнена магнитным материалом. Техническим результатом является уменьшение размера фокусного пятна тормозного излучения в аксиальном направлении. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Источник тормозного излучения, содержащий магнитопровод, полюсы, обмотки возбуждения на полюсах, центральные вкладыши, ускорительную камеру между полюсами, мишень, расположенную в ускорительной камере на радиусе, большем радиуса равновесной орбиты, две системы обмоток смещения с одинаковыми по величине и противоположно направленными импульсными ампер-витками в конце цикла ускорения, отличающийся тем, что обмотки смещения расположены между ускорительной камерой и магнитопроводом, в обмотках смещения первой системы, образуемой ближними к полюсам обмотками смещения, направление импульсных ампер-витков совпадает с направлением токов в обмотках возбуждения на полюсах, а обмотки смещения второй системы расположены между обмотками смещения первой системы с зазорами относительно обмоток смещения первой системы и между собой.

2. Источник тормозного излучения по п.1, отличающийся тем, что зазор между обмотками смещения второй системы меньше размера ускорительной камеры в аксиальном направлении.

3. Источник тормозного излучения по п.1, отличающийся тем, что часть зазора между обмотками смещения первой и второй систем заполнена магнитным материалом.