СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 2015 года по МПК H05H11/00 

Описание патента на изобретение RU2557798C1

Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для генерации высокоэнергетичных электронов для последующего использования в дефектоскопии, томографии, радиационных испытаниях стойкости материалов, лучевой терапии и др.

Известен способ индукционного ускорения электронов, реализуемый в бетатронах [1. Москалев В.А., Сергеев Г.И. Индукционный ускоритель электронов - бетатрон. - Томск: ТПУ, 2012. - С. 103], который включает формирование возрастающего во времени магнитного поля, коррекцию магнитного поля дополнительным импульсным магнитным полем, импульсную инжекцию электронов в скорректированное магнитное поле, ускорение электронов на равновесной орбите.

Известен, способ индукционного ускорения электронов, реализуемый в бетатронах [2. Демидов И.И., Лисин В.А. Секторный контрактор бетатрона //Актуальные проблемы современной онкологии. - Томск: ТГУ, 1984. - Вып. 3. - С. 30-33.], выбранный в качестве прототипа, который включает формирование возрастающего во времени магнитного поля, коррекцию магнитного поля дополнительным импульсным магнитным полем, импульсную инжекцию электронов в скорректированное магнитное поле, ускорение электронов на равновесной орбите, причем коррекцию магнитного поля дополнительным импульсным магнитным полем и импульсную инжекцию электронов начинают одновременно.

Количество электронов, ускоренных этими способами в импульсе излучения бетатрона, ограничено из-за малой длительности интервала времени захвата электронов в ускорение, в течение которого энергия инжектируемых электронов соответствует напряженности магнитного поля на равновесной орбите.

Задачей настоящего изобретения является увеличение количества ускоренных электронов в импульсе излучения.

Поставленная задача решена за счет того, что способ ускорения электронов, так же как и в прототипе, включает формирование возрастающего во времени магнитного поля, коррекцию магнитного поля дополнительным импульсным магнитным полем, импульсную инжекцию электронов в скорректированное магнитное поле, ускорение пучка частиц на равновесной орбите.

Согласно изобретению корректирующее дополнительное импульсное магнитное поле включают после начала импульсной инжекции электронов в магнитное поле.

Включение корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля после начала импульсной инжекции электронов в магнитное поле позволяет при подборе амплитуд и простых временных зависимостей корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля и напряжения импульсной инжекции электронов, увеличить длительность интервала времени захвата электронов в ускорение, в течение которого энергия инжектируемых электронов соответствует напряженности магнитного поля на равновесной орбите, до длительности действия корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля.

Увеличение длительности интервала времени захвата электронов в ускорение соответствует увеличению количества ускоренных электронов в импульсе излучения.

На фиг. 1 показана принципиальная схема бетатрона.

На фиг. 2 показаны зависимости токов в обмотках возбуждения, в обмотках контрактора и напряжения инжекции от времени.

На фиг. 3 представлены зависимость энергии электронов, соответствующей радиусу равновесной орбиты и напряженности магнитного поля на ней, а также тока в обмотках, генерирующих корректирующее дополнительное импульсное магнитное поле, и энергии инжектируемых электронов от времени при реализации предлагаемого способа.

На фиг. 4 показана зависимость радиуса равновесной орбиты от времени в интервале времени включения корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля.

На фиг. 5 представлены зависимость энергии электронов, соответствующей радиусу равновесной орбиты и напряженности магнитного поля на ней, а также тока в обмотках, генерирующих корректирующее дополнительное импульсное магнитное поле, и энергии инжектируемых электронов от времени при реализации известного способа.

Способ ускорения электронов осуществляют, например, малогабаритным бетатроном, который содержит магнитопровод 1 (фиг. 1), обмотки возбуждения 2, профильные полюсы 3, набор центральных вкладышей 4, ускорительную камеру 5, инжектор 6, обмотки контрактора 7.

Формирование основного магнитного поля осуществляют путем пропускания в каждом цикле ускорения длительностью, например, 1 мс через обмотки возбуждения 2 возрастающего во времени t тока Iв (фиг. 2).

При этом профильные полюсы 3, набор центральных вкладышей 4, величина зазора между профильными полюсами 3 обеспечивают распределение напряженности магнитного поля, в котором на радиусе r =Ro=const выполняется "бетатронное соотношение":

H R o ( t ) = H R o ( t ) ¯ 2 ,

где H R o ( t ) - текущая напряженность магнитного поля на орбите радиуса Ro в медианной плоскости (z=0) в момент времени t ;

H R o ( t ) ¯ - текущая средняя в пределах круга, охватываемого орбитой радиуса Ro, напряженность магнитного поля в медианной плоскости в момент времени t .

Кинетическая энергия E к и н . ( H R o ( t ) , R O ) , с которой на орбите с радиусом Ro может находится электрон в момент времени t до включения корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля и после выключения корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля при напряженности магнитного поля на орбите H R o ( t ) , соответствует соотношениям:

E к и н . ( H R o ( t ) , R o ) = E ( t ) m c 2 ,

E ( t ) = m c 2 1 β ( t ) 2 ,

β ( t ) = V ( t ) c ,

β ( t ) E ( t ) = e 0 R 0 H R o ( t ) ,

и равна:

E к и н . ( H R o ( t ) , R o ) = ( ( m c 2 ) 2 + ( e 0 R 0 H R o ( t ) ) 2 ) 0.5 m c 2 ,

где E - полная энергия электрона,

m - масса покоя электрона,

c - скорость света,

e 0 - заряд электрона,

V - скорость электрона.

Зависимости E к и н . ( H R o ( t ) , R O ) от времени t до включения корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля и после его выключения показаны на фиг. 3.

В момент времени tи включают инжекцию электронов, напряжение которой изменяется по зависимости Uи(t) (фиг. 2).

По такой же зависимости возрастает энергия инжектируемых электронов (фиг. 3):

Eи (t)= e 0 Uи(t), кэВ.

При достижении равенства:

E и ( t ) = E к и н . ( H R o ( t ) , R O )

в момент времени tк включают на время Tк корректирующее дополнительное импульсное магнитное поле путем пропускания тока через обмотки контрактора 7 в соответствии с зависимостью I к ( t ) (фиг. 2, фиг. 3).

Зависимости U и ( t ) и I к ( t ) реализуются известными средствами.

В скорректированном магнитном поле радиус R(t) орбиты, соответствующей "бетатронному соотношению", в интервале времени Tк изменяется от Ro до Rмакс (фиг. 4).

Возрастающая во времени кинетическая энергия:

E к и н . ( H R ( t ) ( t , I к ( t ) ) , R ( t ) ) = ( ( m c 2 ) 2 + ( e 0 R ( t ) H R ( t ) ( t , I к ( t ) ) ) 2 ) 0.5 m c 2 ,

с которой электрон может находиться на орбите с радиусом R(t), и возрастающая во времени энергия инжектируемых электронов E и ( t ) с момента времени tк в течение интервала времени Tк практически равны в пределах энергетического разброса электронов, соответствующего их ускорению:

E к и н . ( H R ( t ) ( t , I к ( t ) ) , R ( t ) ) = E и ( t ) ,

(фиг. 3), и соответственно инжектируемые электроны захватываются на орбиту с радиусом R(t), которая становится благодаря фокусирующим свойствам скорректированного магнитного поля равновесной орбитой ускорения захваченных электронов.

Длительность времени захвата ТЗ (интервала времени сопряжения зависимостей E к и н . ( H R ( t ) ( t , I к ( t ) ) , R ( t ) ) и E и ( t ) ) равна (фиг. 3) длительности действия корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля ТК, ТЗК.

Причем захватываемые электроны остаются на равновесной орбите с радиусом R(t), так как Rмакс (фиг. 4) достаточно сильно отличается от Rин - радиуса расположения инжектора (фиг. 1), элемента ограничивающего пространство, в котором могут перемещаться захваченные электроны, совершая колебания относительно равновесной орбиты.

В интервале времени от tи до tк и после момента времени tк+Tк электроны с уменьшающейся в процессе инжекции энергией инжектируются в нескорректированное возрастающее во времени магнитное поле и не захватываются на равновесную орбиту из-за несоответствия энергии инжектируемых электронов и напряженности магнитного поля на равновесной орбите.

При условии ограничения амплитуды тока в обмотках контрактора Iк(t), а значит, и Rмакс длительность времени захвата ТЗ ограничена только необходимостью сформировать простые по форме и согласованные по амплитуде импульсы напряжения инжекции и тока в обмотках контрактора 7 достаточно большой длительности, что выполняется известными средствами.

Определение зависимостей I к ( t ) и U и ( t ) при конкретной реализации способа проводится компьютерным моделированием с последующим экспериментальным уточнением.

На фиг. 5 приведены зависимости, соответствующие известному способу ускорения электронов [2]. Если t и t к , то при любых параметрах изменения напряжения инжекции (энергии инжектируемых электронов) невозможно выполнение равенства:

E к и н . ( H R ( t ) ( t , I к ( t ) ) , R ( t ) ) =Eи(t)

во всем интервале времени ТК, время захвата ТЗ мало и составляет только малую часть времени действия корректирующего поля ТК, ТЗ<<ТК.

Большая длительность времени захвата электронов в ускорение, превосходящая длительность времени захвата при реализации известного способа соответствует большему по сравнению с известным способом количеству ускоренных электронов в импульсе излучения.

Похожие патенты RU2557798C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ УСКОРЕННЫХ ПОЗИТРОНОВ 2013
  • Сорокин Владимир Борисович
RU2530735C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ УСКОРЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В БЕТАТРОНЕ 2009
  • Кашковский Виктор Васильевич
  • Иванилова Татьяна Сергеевна
RU2408903C9
СПОСОБ ИНДУКЦИОННОГО УСКОРЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1986
  • Мынка А.А.
  • Романов В.В.
  • Буров Г.И.
SU1386007A1
Способ накопления ускоренных заряженных частиц в кольцевом накопителе 1981
  • Мазманишвили А.С.
  • Репринцев Л.В.
SU997595A1
СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ БЕТАТРОНЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1992
  • Гончаров В.Я.
  • Москалев В.А.
  • Николаев В.Л.
  • Сергеев Г.И.
RU2050044C1
Способ смещения пучка частиц в циклическом ускорителе и устройство для его осуществления 1983
  • Хвастунов Михаил Сергеевич
SU1109965A1
СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ПОЗИТРОНОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ 2011
  • Крёнинг Ханс-Михаэль
  • Лидер Андрей Маркович
  • Сурков Александр Семёнович
  • Рычков Максим Михайлович
  • Шестак Александр Павлович
  • Маликов Евгений Львович
  • Лаптев Роман Сергеевич
RU2468546C1
СПОСОБ ИНДУКЦИОННОГО УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ 2007
  • Долбилов Геннадий Варламович
RU2359434C2
СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В БЕТАТРОНЕ 2006
  • Робкин Лев Николаевич
  • Селемир Виктор Дмитриевич
  • Ковтун Александр Дмитриевич
RU2319325C1
Устройство вывода ускоренного пучка электронов из бетатрона 1990
  • Пушин Валерий Семенович
  • Чахлов Владимир Лукьянович
  • Зворыгин Валерий Павлович
SU1764192A1

Иллюстрации к изобретению RU 2 557 798 C1

Реферат патента 2015 года СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для генерации электронов с большой энергией для последующего использования в дефектоскопии, томографии, радиационных испытаниях стойкости материалов, лучевой терапии и других областях техники. Способ ускорения электронов включает формирование возрастающего во времени магнитного поля, коррекцию магнитного поля дополнительным импульсным магнитным полем, импульсную инжекцию электронов в скорректированное магнитное поле, ускорение пучка частиц на равновесной орбите. Корректирующее дополнительное импульсное магнитное поле включают после начала импульсной инжекции электронов в магнитное поле. Техническим результатом является увеличение количества ускоренных электронов в импульсе излучения бетатрона. 5 ил.

Формула изобретения RU 2 557 798 C1

Cпособ ускорения электронов, включающий формирование возрастающего во времени магнитного поля, коррекцию магнитного поля дополнительным импульсным магнитным полем, импульсную инжекцию электронов в скорректированное магнитное поле, ускорение пучка частиц на равновесной орбите, отличающийся тем, что корректирующее дополнительное импульсное магнитное поле включают после начала импульсной инжекции электронов в магнитное поле.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2015 года RU2557798C1

RU 2009130106 A, 10.02.2011
СПОСОБ ИНДУКЦИОННОГО УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ 2007
  • Долбилов Геннадий Варламович
RU2359434C2
US 0004398156 A1, 09.08.1983
US 20090290684 A1, 26.11.2009

RU 2 557 798 C1

Авторы

Сорокин Владимир Борисович

Даты

2015-07-27Публикация

2014-03-13Подача