УЛУЧШЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ И МАГНИТНЫЙ СЕРДЕЧНИК ДЛЯ УСКОРИТЕЛЯ ЧАСТИЦ Российский патент 2015 года по МПК H05H7/04 

Область техники

Настоящее изобретение относится к технике ускорения частиц, в частности к ускорителю частиц и конструкции магнитного сердечника для подобного ускорителя.

Предпосылки создания изобретения

Годовой оборот промышленных и медицинских ускорителей частиц, таких как ускорители пучков электронов, на мировом рынке составляет многие миллионы долларов. Подобные ускорители используются в различных сферах применения, от обеззараживания изделий, например, медицинских инструментов и контейнеров для пищевых продуктов, до усовершенствования материалов, например, вулканизации шин, закрепления красок, сшивания полимеров и производства бумаги, и до сварки толстых пластин пучком электронов, например, в автомобильной промышленности, и применения для медицинских задач, включая радиационную терапию. Другие сферы применения включают обеззараживание воды для коммунальных нужд без использования химических средств и переработку котельного газа для удаления оксидов серы и азота из выходящего газа и создания удобрений в этом процессе.

Линейные ускорители частиц также могут быть использованы в качестве инжекторов для синхротронов с более высокими энергиями в специализированных лабораториях физики элементарных частиц.

Различают три основных типа ускорителей частиц:

- Электростатические ускорители, в которых частицы ускоряются электрическим полем между двумя различными заданными уровнями напряжения. Примерами подобных ускорителей могут служить ускорители Ван де Граафа, пеллетроны и тандемы.

- Радиочастотные ускорители, в которых электрическая компонента радиоволн ускоряет частицы внутри частично закрытой проводящей полости, выступающей в качестве резонатора радиочастоты.

- Индукционные ускорители, в которых импульсное напряжение прикладывается по периметру магнитных сердечников, порождая тем самым электрическое поле для ускорения пучка частиц.

Электростатические ускорители, такие как классический ускоритель Ван де Граафа, использовались в течение долгого времени и продолжают использоваться, например, в экспериментальных исследовательских установках для ускорения частиц и/или пучков ионов.

По существующей технологии для радиочастотных ускорителей обычно используется набор различных генераторов высокого напряжения, заключенных в емкости с газом, находящимся под давлением. Две основные конструкции основаны на динамитроне (Dynamitron) (создан компанией Radiation Dynamics Inc, RDI) и трансформаторе с изолированным сердечником или ICT (создан компанией Fujitsu, Япония). Динамитрон обеспечивается энергией с помощью ультразвуковых радиочастотных колебаний от лампового генератора. Трансформатор с изолированным сердечником обеспечивается энергией с помощью переменного тока, подаваемого по обычной линии питания. Другое устройство высокой мощности, родотрон, также представлено на рынке. Однако все перечисленные устройства имеют один или несколько недостатков, связанных с использованием генераторов высокого напряжения, опасных и тяжелых емкостей, находящихся под высоким давлением, и потенциально ядовитых и дорогих газов.

В начале 1960-х годов Nicolas Christofilos в U.S. Goverment′s Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL, Ливерморская национальная лаборатория) создал так называемый линейный индукционный ускоритель. В то время лаборатория называлась Lawrence Radiation Laboratory (LRL, Радиационная лаборатория Лоуренса). Конструкция этого ускорителя основана на использовании большого количества тороидальных (имеющих кольцевую форму) магнитных сердечников, причем каждый из указанных сердечников возбуждается импульсным генератором высокого напряжения на уровне нескольких десятков киловольт (используется переключатель с искровым зазором и схема формирования импульсов или PFN) для создания ускоряющего напряжения на уровне нескольких сотен киловольт до нескольких мегавольт для ускорения сильноточного пучка заряженных частиц.

Основная особенность данного типа ускорителей заключается в том, что они, подобно всем линейным ускорителям (LINAC), имеют внешнюю поверхность, находящуюся под потенциалом земли. Напряжения, возбуждаемые отдельными сердечниками, проявляются по ходу центральной оси, но не проявляются где-либо еще. Это означает, что ускоритель не излучает электромагнитную энергию во «внешнюю среду» и установка его в лаборатории не сопряжена с трудностями, так как нет необходимости изолировать его от внешней среды. Линейный индукционный ускоритель с напряжением 800 кВ, или линейный ускоритель АСТРОН (ASTRON), был создан в Ливерморской национальной лаборатории в конце 1960-х годов [1] и был использован для ускорения пучка электронов в экспериментах по ядерному синтезу. Более крупный линейный индукционный ускоритель FXR (Flash X-ray) был создан в 1970-х годах и использовался для ускорения пучка электронов на мишень, преобразующую энергию в рентгеновское излучение. Ускоритель FXR использовался для рентгеновской съемки взрывов.

Основная идея так называемого линейного индукционного ускорителя схематически показана на фиг. 1. Линейный индукционный ускоритель на фиг. 1 образован набором тороидальных магнитных сердечников, расположенных таким образом, что их центральные отверстия окружают прямую линию, так называемую центральную ось пучка, вдоль которой ускоряется пучок частиц. Каждый магнитный сердечник содержит возбуждающую систему высокого напряжения, содержащую схему формирования высокого импульсного напряжения и переключатель высокого напряжения, например, переключатель с искровым зазором. Для упрощения конструкции на фиг. 1 показана только одна возбуждающая часть.

Переключатель высокого напряжения обычно представляет собой плазменный переключатель или переключатель на основе ионизированного газа, например, водородный тиратрон, которые могут быть только включены, но не выключены. Схема формирования импульса необходима для формирования импульса и обеспечения питания в форме прямоугольного импульса с относительно коротким временем нарастания и спада по сравнению с шириной импульса. Схема формирования импульса обычно разряжается по принципу бегущей волны, с электрическим импульсом, проходящим от коммутируемого вывода до «разомкнутого» вывода, отражающимся от разрыва в цепи и возвращающимся по направлению к коммутируемому выводу, и получает энергию от накапливающих энергию конденсаторов в схеме формирования импульса по ходу движения и передает энергию в секцию сердечника. Импульс заканчивается, когда бегущая волна пересекает схему формирования импульса в обоих направлениях, и энергия, хранимая в схеме, высвобождается. Напряжение формирующей схемы перед переключением составляет V, а напряжение, прикладываемое к первичной обмотке импульсного трансформатора, составляет V/2 или меньше. Если происходит отказ элемента схемы формирования импульса, необходимо перенастроить схему формирования импульса для получения оптимальной формы импульса после замены элемента. Это трудоемкая и опасная процедура, так как ее необходимо выполнять с приложением высокого напряжения к схеме формирования импульса. Кроме того, если требуется другой импульс, то необходимо заменить и/или перенастроить всю конструкцию схемы формирования импульса. Схемы формирования импульса и переключатели на основе высокого напряжения также имеют недостатки, связанные с их надежностью и безопасностью.

Несколько компаний создали ускорители на основании ранней конструкции ускорителя АСТРОН. Конструкции, используемые для возбуждения ускорителей, основаны на переключателях с искровым зазором или переключателях на основе тиратронов в сочетании с громоздкими схемами формирования импульса высокого напряжения и неконкурентоспособны в отношении стоимости по сравнению с радиочастотными конструкциями, например динамитроном и трансформатором с изолированным сердечником.

Существуют также современные конструкции, основанные на твердотельных преобразователях, преобразующих постоянный ток питающей линии в импульсы переменного тока, которые, в свою очередь, преобразуются в радиочастотные импульсы, «выбивающие» частицы на необходимые энергетические уровни [2].

Другие варианты твердотельных преобразователей, которые могут использоваться для возбуждения радиочастотных систем, описаны в [3-5].

Лаборатория LLNL также представила компактные ускорители с диэлектрической стенкой и цепи формирования импульсов, работающие на высоких градиентах для подачи ускоряющего импульса по изолирующей стенке, содержащие генератор заряженных частиц, встроенный в ускоритель, обеспечивающий малое единичное перемещение [6]. Другие варианты, основанные на ускорителях с диэлектрической стенкой и/или технологии Blumlein, описаны в [7-8].

Существует необходимость улучшить конструкцию ускорителя частиц по отношению к одной или нескольким перечисленным ниже проблемам: рентабельность, надежность, доступность в режиме реального времени, размер, потребление энергии и безопасность.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение устраняет указанные и другие недостатки известных устройств. Общей целью настоящего изобретения является создание улучшенного индукционного ускорителя частиц. Следующей целью настоящего изобретения является создание улучшенной конструкции магнитного сердечника для ускорителя частиц. Эти и другие цели достигаются согласно прилагаемой формуле изобретения.

Основная идея заключается в том, чтобы создать индукционный ускоритель частиц для ускорения пучка заряженных частиц вдоль центральной оси пучка. Основными компонентами ускорителя частиц являются питающее устройство, возбуждающие блоки на твердотельных переключателях, секции магнитного сердечника и устройство управления переключателями для управления переключением твердотельных переключателей в возбуждающих блоках. Возбуждающие блоки на твердотельных переключателях соединяются с питающим устройством для получения от него электрического питания, и каждый указанный возбуждающий блок на твердотельном переключателе содержит твердотельный переключатель, выполненный с возможностью электрического управления включением и выключением и с возможностью избирательно обеспечивать возбуждающие импульсы на выходе возбуждающего блока на твердотельном переключателе. Секции магнитного сердечника расположены симметрично вдоль центральной оси пучка, и каждый магнитный сердечник из указанных секций магнитного сердечника соединен с соответствующим возбуждающим блоком на твердотельном переключателе через электрическую обмотку, соединенную с выходом возбуждающего блока на твердотельном переключателе. Устройство управления переключением соединено с возбуждающим блоком на твердотельном переключателе для подачи управляющих сигналов для управления включением и выключением твердотельных переключателей для избирательного возбуждения сердечников секций магнитного сердечника, чтобы создать электрическое поле для ускорения пучка заряженных частиц вдоль центральной оси пучка.

Таким образом, может быть получен недорогой индукционный ускоритель частиц с высокой степенью надежности, доступности и безопасности (низковольтное возбуждение). Классические системы высоковольтного возбуждения индукционных ускорителей с использованием тиратронов или переключателей с искровым зазором могут быть исключены. Например, для получения ускоряющего устройства с напряжением 100 кВ, могут быть использованы 100 магнитных сердечников, причем каждый сердечник возбуждается при помощи возбуждающего импульса в 1 кВ от твердотельных переключателей. Новая схема ускорителя также означает, что не требуется использовать опасные и тяжелые емкости, находящиеся под высоким давлением, и потенциально ядовитые и дорогие газы.

Во-вторых, предлагается конструкция магнитного сердечника для ускорителя частиц. Конструкция магнитного сердечника содержит секции магнитного сердечника, расположенные вдоль центральной оси. Каждая из секций магнитного сердечника содержит как минимум два магнитных сердечника: первый магнитный сердечник, называемый также внешним магнитным сердечником, расположенный радиально по направлению от центральной оси, и второй магнитный сердечник, называемый также внутренним магнитным сердечником. Эта схема может быть расширена до нескольких сердечников на каждый ускоряющий блок.

При "гнездовом" размещении дополнительных сердечников радиально по направлению от центра существенно повышается напряженность Е ускоряющего электрического поля (В/м по длине устройства) по сравнению с классической конструкцией, использующей один сердечник.

Это дает свободу при выборе компромисса между длиной устройства и его диаметром, что, в свою очередь, позволяет создать более компактные устройства, так как длина устройства может быть значительно уменьшена по сравнению с существующими конструкциями.

Другие преимущества изобретения будут показаны при дальнейшем описании вариантов осуществления изобретения.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение, вместе с его целями и преимуществами, наиболее полным образом раскрывается следующим описанием, дополняемым чертежами.

Фиг. 1 представляет собой схему, иллюстрирующую основную идею классического линейного индукционного ускорителя.

Фиг. 2 представляет собой схему, иллюстрирующую основную идею нового индукционного ускорителя частиц согласно варианту осуществления изобретения.

Фиг. 3 представляет собой схему, содержащую частный пример осуществления ускорителя частиц согласно варианту осуществления изобретения.

Фиг. 4 представляет собой схему, содержащую еще один частный пример осуществления ускорителя частиц согласно варианту осуществления изобретения.

Фиг. 5 представляет собой схему, иллюстрирующую конструкцию и принципы работы индукционного ускорителя частиц согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 6 представляет собой схему, иллюстрирующую основную идею новой конструкции магнитного сердечника для ускорителя частиц согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 7 представляет собой схему, содержащую новый ускоритель частиц, оборудованный конструкцией магнитного сердечника, которая проиллюстрирована на фиг. 6.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

На всех чертежах для похожих или соответствующих элементов будут использованы одни и те же условные обозначения.

Фиг. 2 представляет собой схему, иллюстрирующую основную идею нового индукционного ускорителя частиц согласно варианту осуществления изобретения.

Для упрощения ускоритель частиц показан здесь как линейный ускоритель. Линейный ускоритель является предпочтительным типом ускорителя частиц, но настоящее изобретение не ограничивается указанным типом.

Ускоритель 100 обычно содержит питающее устройство 110, которое содержит один или несколько питающих блоков 112, и возбуждающие блоки 120 на твердотельных переключателях, секции 130 магнитного сердечника, устройство 140 управления электронным переключателем и источник 150 частиц.

Питающее устройство 110 может иметь соединительное приспособление для соединения питающего блока 112 с несколькими, возможно всеми, возбуждающими блоками 120 на твердотельных переключателях. Это означает, что питающее устройство 110 может содержать отдельный питающий блок 112 для соединения с каждым из возбуждающих блоков 120 на твердотельных переключателях. В другом варианте, возможно, создать конструкцию, в которой каждый возбуждающий блок 120 на твердотельном переключателе имеет свой собственный соответствующий питающий блок 112.

Возбуждающие блоки 120 на твердотельных переключателях соединяются с питающим устройством 110 для получения от него электрического питания. Предпочтительно, чтобы каждый возбуждающий блок 120 на твердотельном переключателе содержал твердотельный переключатель, управляемый электрически для включения и выключения, для избирательного обеспечения возбуждающего импульса на выходе возбуждающего блока 120 на твердотельном переключателе.

Секции 130 магнитного сердечника, каждая из которых содержит по меньшей мере один тороидальный магнитный сердечник, расположены симметрично вдоль центральной оси пучка, и каждый магнитный сердечник соединен с соответствующим возбуждающим блоком 120 на твердотельном переключателе с помощью электрической обмотки, соединенной с выходом возбуждающего блока на твердотельном переключателе.

Устройство 140 управления переключателями соединено с возбуждающими блоками 120 на твердотельных переключателях для подачи управляющих сигналов (ВКЛ/ВЫКЛ) для управления включением и выключением твердотельных переключателей возбуждающих блоков 120 для избирательного возбуждения секций 130 магнитного сердечника, чтобы создать электрическое поле для ускорения пучка заряженных частиц, образующегося в источнике 150 частиц, вдоль центральной оси пучка по всей ускоряющей конструкции секций 130 магнитного сердечника.

Таким образом, может быть получен недорогой индукционный ускоритель частиц с высокой степенью надежности, доступности и безопасности (низковольтное возбуждение). Классические системы высоковольтного возбуждения индукционных ускорителей с использованием тиратронов или переключателей с искровым зазором могут быть исключены.

Например, для получения ускоряющего устройства с напряжением 100 кВ, могут быть использованы 100 магнитных сердечников, где каждый сердечник возбуждается импульсом в 1 кВ от твердотельных переключателей. Новая схема ускорителя также означает, что не требуется использовать опасные и тяжелые емкости, находящиеся под высоким давлением, и потенциально ядовитые и дорогие газы. Кроме того, для получения ускорителя с напряжением 1 MB может быть использовано 1000 сердечников, каждый из которых возбуждается напряжением в 1 кВ, или 2000 сердечников, каждый из которых возбуждается напряжением 500 В.

Изобретение, в частности, является предпочтительным для ускоряющих конструкций с напряжением выше 10 кВ и еще более предпочтительным для ускоряющих конструкций с напряжением выше 100 кВ или для ускоряющих конструкций с напряжением порядка мегавольт.

Ускоритель АСТРОН и другие «линейные индукционные» ускорители, созданные до сегодняшнего момента, содержат часть конструкции, в которой пучок ускоряется путем окружения оси пучка рядом импульсных магнитных сердечников. Однако на этом сходство с предложенным устройством заканчивается. Все другие линейные индукционные ускорители используют высоковольтные возбуждающие системы с тиратронами и переключателями с искровым зазором.

Новая конструкция ускорителя, предлагаемая в настоящей заявке, позволяет достичь новых стандартов надежности, качества и снижения стоимости, как в отношении производства, так и в отношении эксплуатации (требуется лишь минимальная техническая поддержка).

Фиг. 3 представляет собой схему, содержащую частный пример осуществления ускорителя частиц согласно варианту осуществления изобретения. В данном частном примере, каждый возбуждающий блок 120 выполнен на основе накапливающего энергию конденсатора 122 и твердотельного переключателя 124 в виде биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT). В данном примере один и тот же питающий блок 112 постоянного тока соединен с каждым из возбуждающих блоков 120 для избирательного заряда накапливающего энергию конденсатора 122. Путем управления включением и выключением с помощью устройства 140 управления переключателем, каждый переключатель 124 на основе биполярного транзистора с изолированным затвором включается для начала выходного возбуждающего импульса путем передачи энергии от конденсатора 122 и выключается для прекращения выходного возбуждающего импульса. Переключатель включается путем обеспечения соответствующего сигнала, например, возбуждающего импульса напряжения, на управляющем электроде (g), и переключатель выключается, когда возбуждающий импульс напряжения заканчивается.

Другие варианты твердотельных переключателей включают полевые транзисторы или управляемые тиристоры с изолированным затвором, управляемые как на включение, так и на выключение.

Фиг. 4 представляет собой схему, содержащую еще один частный пример осуществления ускорителя частиц согласно варианту осуществления изобретения. В данном примере каждый возбуждающий блок 120 выполнен на основе накапливающего энергию конденсатора 122 и твердотельного переключателя 124 в виде биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT). В дополнение, предпочтительно, чтобы каждый возбуждающий блок 120 содержал блок 126 компенсации спада напряжения и опциональный диод 128 для защиты от пиковых выбросов напряжения, называемый подавителем выбросов или ограничительным диодом.

Блок 126 компенсации спада напряжения выполнен с возможностью компенсировать спад напряжения во время разряда накапливающего энергию конденсатора 122 и управлять формой выходного импульса так, что может быть получен импульс желаемой степени сглаженности. Предпочтительно, чтобы блок 126 компенсации падения напряжения был выполнен в виде пассивной схемы компенсации спада напряжения (через которую передается энергия конденсатора), например параллельной схемы резистор - индуктивность (RL).

Фиг. 5 представляет собой схему, иллюстрирующую конструкцию и принципы работы индукционного ускорителя частиц согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Для лучшего понимания вопроса, некоторые принципы работы линейного индукционного ускорителя будут объяснены со ссылкой на упрощенную схему на фиг. 5, показывающую сечение варианта устройства в плоскости, содержащей ось пучка.

Некоторые «правила игры» необходимы для описания работы ускорителя с множеством сердечников, показанного на фиг. 5. Во-первых, необходимо «правило правой руки». Это правило (в произвольной форме) гласит, что если вы зажимаете в правой руке проводник, и ваш большой палец указывает в положительном направлении тока, то пальцы вокруг проводника укажут направление силовых линий магнитного поля, охватывающих проводник. Применяя это правило к фиг. 5, магнитный поток, возникающий в тороидальных магнитных сердечниках, будет распространяться так, как показано на фиг. 5. Точка используется, чтобы обозначить вектор магнитной индукции, направленный к наблюдателю (обозначает острие стрелки), и X используется, чтобы обозначить вектор магнитной индукции, направленный от наблюдателя (обозначает «оперение» на конце стрелки).

Применяя это правило к пучку частиц, двигающихся в направлении слева направо вдоль оси конструкции, можно заключить, что магнитный поток, порождаемый этим пучком, распространяется в направлении, противоположном направлению магнитного потока, порождаемого первичным током. Если представить это как воображаемый трансформатор, а пучок частиц - как короткое замыкание вторичной обмотки, то ток в этой вторичной обмотке будет течь в таком направлении, чтобы компенсировать магнитный поток, порождаемый первичным током, так что в магнитных сердечниках не возникает общего магнитного потока и на первичном источнике питания возникает короткое замыкание. Отсутствие изменения магнитного потока в сердечниках означает отсутствие напряжения на первичной обмотке, что по определению является коротким замыканием. Пучок положительно заряженных частиц (протонов) будет в этом случае ускоряться этой конструкцией по направлению вправо, а пучок отрицательно заряженных частиц (электронов) будет ускоряться конструкцией влево.

Далее применяется другое правило электромагнитной теории поля, а именно, то, что напряжение, возникающее в проводнике, охватывающем магнитный поток, равно скорости изменения указанного магнитного потока (закон Фарадея). Рассмотрим линию, окружающую магнитные потоки всех пяти сердечников. Напряжение, возникающее в воображаемом «проводе», который повторяет указанную линию, будет равно скорости изменения магнитного потока во всех пяти сердечниках одновременно. Но каждый сердечник возбуждается первичным напряжением V, так что каждый сердечник имеет скорость изменения магнитного потока, пропорциональную V. Таким образом, напряжение, возникающее вдоль линии, проходящей вокруг всех сердечников, будет составлять 5V.

Для лучшего понимания обычного режима работы линейного индукционного ускорителя можно сослаться на базовый ускоритель АСТРОН [1].

Фиг. 6 представляет собой схему, иллюстрирующую основную идею новой конструкции магнитного сердечника для ускорителя частиц согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Конструкция 160 магнитного сердечника содержит секции 130 магнитного сердечника, расположенные вдоль центральной оси. Каждая из секций 130 магнитного сердечника, число которых составляет N≥1, содержит по меньшей мере два магнитных сердечника: первый магнитный сердечник, называемый также внешним магнитным сердечником, расположенный радиально по направлению от центральной оси, и второй магнитный сердечник, называемый также внутренним магнитным сердечником. Эта схема может быть расширена до нескольких сердечников на каждый ускоряющий блок, как показано на фиг. 6.

При "гнездовом" размещении дополнительных сердечников (по сравнению с блоком с одним сердечником) радиально по направлению от центра, существенно повышается напряженность Е ускоряющего электрического поля (В/м по длине устройства) по сравнению с классической конструкцией, использующей один сердечник.

Это дает свободу компромисса между длиной устройства и его диаметром, что, в свою очередь, допускает создание более компактных устройств, так как длина устройства может быть значительно уменьшена по сравнению с существующими конструкциями.

В данном варианте ускоряющей конструкции с напряжением 100 кВ может быть использовано 100 магнитных сердечников, где каждый сердечник возбуждается при помощи возбуждающего импульса в 1 кВ от твердотельных переключателей. Однако при радиальном расположении магнитных сердечников друг в друге, так что каждая секция магнитного сердечника содержит, к примеру, 5 сердечников, необходимо всего лишь 20 секций магнитного сердечника, что позволяет сделать конструкцию компактной.

Новая конструкция магнитного сердечника может сочетаться с любым из ранее описанных вариантов осуществления изобретения, представленных на фиг. 2-5, но может быть также использована вместе с любой подходящей схемой электрического возбуждения в любом подходящем типе ускорителя частиц, включая ускорители частиц, имеющие и не имеющие в своей основе индукционный принцип ускорения частиц. Далее описывается новая конструкция магнитного сердечника со ссылкой на частный вариант осуществления изобретения в виде линейного индукционного ускорителя частиц.

Фиг. 7 представляет собой схему, содержащую новый ускоритель частиц, оборудованный конструкцией магнитного сердечника, которая проиллюстрирована на фиг. 6. Ускоритель 100 обычно содержит питающее устройство 110, которое содержит один или несколько питающих блоков 112, возбуждающие блоки 120 на твердотельных переключателях, секции 130 магнитного сердечника, устройство 140 управления электронными переключателями и источник 150 частиц. Секции 130 магнитного сердечника объединены в новую конструкцию 160 магнитного сердечника.

Возбуждающие блоки 120 на твердотельных переключателях соединяются с питающим устройством 110 для получения от него электрического питания. Предпочтительно, чтобы каждый возбуждающий блок 120 на твердотельном переключателе содержал твердотельный переключатель, управляемый электрически для включения и выключения, для избирательного обеспечения возбуждающих импульсов на выходе возбуждающего блока 120 на твердотельном переключателе.

Секции 130 магнитного сердечника расположены симметрично вдоль центральной оси пучка. Каждая из секций 130 магнитного сердечника, число которых N≥1, содержит по меньшей мере два магнитных сердечника: первый магнитный сердечник, называемый также внешним магнитным сердечником, расположенный радиально по направлению от центральной оси, и второй магнитный сердечник, называемый также внутренним магнитным сердечником. Эта схема может быть расширена до нескольких сердечников на каждый ускоряющий блок. Предпочтительно, чтобы каждый магнитный сердечник был соединен с соответствующим одним из возбуждающих блоков 120 через электрическую обмотку, соединенную с возбуждающим блоком.

Устройство 140 управления переключателями соединено с возбуждающими блоками 120 на твердотельных переключателях для обеспечения управляющих сигналов (ВКЛ/ВЫКЛ) для управления включением и выключением твердотельных переключателей возбуждающих блоков 120 для избирательного возбуждения магнитных сердечников из секций 130 магнитного сердечника, чтобы создать электрическое поле для ускорения пучка заряженных частиц, образующегося в источнике частиц (не показан на фиг. 7) вдоль центральной оси пучка по всей ускоряющей конструкции секций 130 магнитного сердечника.

Таким образом, может быть получен недорогой индукционный ускоритель частиц с высокой степенью надежности, доступности и безопасности (низковольтное возбуждение).

Некоторые возможные преимущества по сравнению с существующими устройствами изложены ниже:

В существующих устройствах используются источники импульсного высокого (от 10 кВ до 100 кВ) напряжения для возбуждения сердечников, таким образом, диапазон возбуждающих устройств сужается до переключателей с искровым зазором или переключателей на основе тиратронов, или переключателей на основе устройств с подмагничиванием.

В существующих устройствах используется одно питающее устройство на каждый сердечник, что является нецелесообразным ограничением. Действительно, одно питающее устройство может обеспечивать питанием все сердечники в конструкции, что может существенно упростить конструкцию и снизить расходы, и что не используется в конструкциях существующих устройств.

Так как в существующих устройствах используются источники питания высокого напряжения, то необходимо применять масляную изоляцию или изоляцию сжиженным газом для возбуждающих сердечники генераторов импульсов; в новой конструкции этой сложности можно избежать.

В существующих устройствах используется один сердечник для каждой части ускорителя. Это также нецелесообразно, и в вариантах осуществления настоящего изобретения увеличено количество сердечников для каждой части ускорителя путем «вложения» дополнительных сердечников радиально по направлению от центральной оси, что увеличивает напряженность Е электрического поля (В/м по длине устройства) по сравнению с конструкцией, использующей один сердечник. Это дает свободу компромисса между длиной устройства и его диаметром, что, в свою очередь, допускает создание более компактных устройств, так как длина устройства может быть значительно уменьшена по сравнению с существующими конструкциями. Например, АСТРОН (версия 1969 года) был устройством, позволяющим обеспечить максимальную энергию частиц на уровне 4,2 МэВ, и имел длину около 100 футов (30,5 м). При размещении одного или нескольких сердечников радиально по направлению от центральной оси можно создать ускоряющее напряжение величиной в 4,2 MB при длине ускорителя всего 5 м.

В новом ускорителе могут быть использованы тороидальные спиральные ленточные сердечники без зазора из металлического стекла, которые отличаются доступной ценой и могут быть выполнены любого требуемого размера. Для сердечников не требуется сложных зажимов или средств крепления (в отличие от сегментированных П-образных сердечников, использующихся в импульсных трансформаторах).

Охлаждение сердечников может осуществляться с помощью нагнетаемого воздуха, при этом небольшие размеры поперечных сечений сердечников обуславливают высокий показатель отношения площади поверхности к объему, что необходимо для успешного охлаждения воздухом. Не требуется использовать жидкости или теплообменники.

Вся ускоряющая конструкция может быть пассивной (не требуется использования диодов или других твердотельных компонентов в ускоряющей конструкции в отличие от динамитрона или трансформатора с изолированным сердечником). Это означает, что в ускорителе нет элементов, которые подвержены износу или повреждениям электрической дугой или радиационным повреждениям. Элементами с ограниченным сроком службы являются только источник электронов (нить накала) и окно для выхода пучка (металлическая фольга). Предпочтительно, чтобы указанные два элемента монтировались в удлинительных трубах, находящихся вне ускорителя, чтобы избежать демонтажа ускорителя при техническом обслуживании указанных элементов.

Предпочтительно, чтобы ускоритель управлялся возбуждающими твердотельными устройствами, чтобы не использовать элементов с ограниченным сроком службы. Указанные устройства могут быть расположены в любой удобной точке вне ускорителя, чтобы полупроводники не подвергались радиационным повреждениям. Возбуждающие устройства на основе биполярного транзистора с изолированным затвором представляют собой один из возможных вариантов возбуждающих устройств.

Варианты осуществления изобретения, описанные выше, приведены в качестве примеров, и настоящее изобретение не ограничивается указанными вариантами. Дальнейшие улучшения и изменения, сохраняющие основные принципы, отраженные в данной заявке и в формуле изобретения, входят в объем изобретения.

Источники информации

1. The ASTRON Linear Accelerator, by Beal, Christofilos and Hester, 1969.

2. Solid-State Technology Meets Collider Challenge, S & TR1 September 2004, pp. 22-24.

3. Патент США №5,905,646.

4. Патент США №6,741,484.

5. Заявка на патент США №2003/0128554 А1.

6. Международная заявка WO 2008/051358 А1.

7. Международная заявка WO 2007/120211 А2.

8. Международная заявка WO 2008/033149 А2.

Изобретение относится к технике ускорения частиц. Ускоритель (100) частиц содержит питающее устройство (110), возбуждающие блоки (120) на твердотельных переключателях, секции (130) магнитного сердечника и устройство (140) управления переключателями. Возбуждающие блоки (120) соединены с питающим устройством (110) для получения от него электрического питания, и каждый возбуждающий блок содержит твердотельный переключатель, управляемый электрически для включения и выключения для избирательной подачи возбуждающих импульсов на выход возбуждающего блока. Секции (130) магнитного сердечника расположены симметрично вдоль центральной оси пучка, и каждый сердечник в секции соединен с соответствующим возбуждающим блоком (120) через электрическую обмотку, соединенную с выходом возбуждающего блока. Устройство (140) управления переключателями соединено с возбуждающими блоками (120) для подачи сигналов, управляющих включением и выключением твердотельных переключателей, для избирательного возбуждения магнитных сердечников, чтобы создать электрическое поле для ускорения пучка заряженных частиц вдоль оси пучка. Технический результат - повышение надежности и безопасности ускорителя. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Индукционный линейный ускоритель (100) частиц для ускорения пучка заряженных частиц вдоль центральной оси пучка, имеющий внешнюю поверхность, находящуюся под потенциалом земли, и содержащий:
- питающее устройство (110),
- множество возбуждающих блоков (120) на твердотельных переключателях, соединенных с питающим устройством (110) для получения электрического питания от указанного питающего устройства, причем каждый возбуждающий блок (120) на твердотельном переключателе содержит накапливающий энергию конденсатор для избирательного заряда от указанного питающего устройства и твердотельный переключатель, электрически управляемый для включения и выключения, для избирательной подачи возбуждающего импульса на выход возбуждающего блока, при этом указанный переключатель включается для начала подачи возбуждающего импульса путем передачи энергии от накапливающего энергию конденсатора и выключается для прекращения подачи возбуждающего импульса, тем самым обеспечивая низковольтное возбуждение упомянутого линейного ускорителя частиц;
- множество секций (130) магнитного сердечника, расположенных симметрично вдоль указанной центральной оси пучка, причем каждый магнитный сердечник из секций (130) магнитного сердечника соединен с соответствующим одним из возбуждающих блоков (120) на твердотельном переключателе через электрическую обмотку, соединенную с указанным выходом возбуждающего блока на твердотельном переключателе; и
- устройство (140) управления переключателями, соединенное с указанными возбуждающими блоками (120) на твердотельных переключателях для подачи сигналов, управляющих включением и выключением указанных твердотельных переключателей для избирательного возбуждения секций (130) магнитного сердечника, чтобы создать электрическое поле для ускорения указанного пучка заряженных частиц вдоль центральной оси пучка.

2. Индукционный линейный ускоритель по п.1, в котором каждая секция (130) магнитного сердечника содержит по меньшей мере один тороидальный магнитный сердечник.

3. Индукционный линейный ускоритель по п.1, в котором по меньшей мере одна секция (130) магнитного сердечника содержит по меньшей мере два магнитных сердечника, один из которых, внешний магнитный сердечник, расположен радиально по направлению от центральной оси по отношению ко второму из указанных двух магнитных сердечников, внутреннему магнитному сердечнику.

4. Индукционный линейный ускоритель по п.3, в котором каждая из указанных секций (130) магнитного сердечника содержит по меньшей мере два магнитных сердечника, один из которых, внешний магнитный сердечник, расположен радиально по направлению от центральной оси по отношению ко второму из указанных двух магнитных сердечников, внутреннему магнитному сердечнику.

5. Индукционный линейный ускоритель по п.2, в котором по меньшей мере один тороидальный магнитный сердечник представляет собой спиральный ленточный сердечник из металлического стекла без зазора.

6. Индукционный линейный ускоритель по п.1, в котором указанное питающее устройство (110) содержит соединительное приспособление для соединения питающего блока (112) с более чем одним из указанных возбуждающих блоков (120) на твердотельных переключателях.

7. Индукционный линейный ускоритель по п.1, в котором по меньшей мере один из указанных твердотельных переключателей представляет собой переключатель на биполярном транзисторе с изолированным затвором (IGBT).

8. Индукционный линейный ускоритель по п.1, в котором указанные возбуждающие блоки (120) на твердотельных переключателях представляют собой блоки формирования импульсов на твердотельных переключателях.

9. Индукционный линейный ускоритель по п.1, в котором каждый возбуждающий блок дополнительно содержит блок компенсации спада напряжения, выполненный с возможностью компенсировать спад напряжения во время разряда накапливающего энергию конденсатора.

10. Индукционный линейный ускоритель по п.9, в котором указанный блок компенсации спада напряжения выполнен в виде пассивной схемы компенсации спада напряжения, через которую передается энергия конденсатора.