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

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 I_в (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":

$$H_{Ro}(t)=\frac{\overline{H_{Ro}(t)}}{2}$$ ,

где $$H_{Ro}(t)$$ - текущая напряженность магнитного поля на орбите радиуса Ro в медианной плоскости (z=0) в момент времени $$t$$ ;

$$\overline{H_{Ro}(t)}$$ - текущая средняя в пределах круга, охватываемого орбитой радиуса Ro, напряженность магнитного поля в медианной плоскости в момент времени $$t$$ .

Кинетическая энергия $$E_{кин.}(H_{Ro}(t),R_O)$$ , 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 $$H_{Ro}(t)$$ , соответствует соотношениям:

$$E_{кин.}(H_{Ro}(t),Ro)=E(t)-m{c}^2$$ ,

$$E(t)=\frac{m{c}^2}{\sqrt{1-\beta {(t)}^2}}$$ ,

$$\beta (t)=\frac{V(t)}{c}$$ ,

$$\beta (t)E(t)=e_0{R}_0{H}_{Ro}(t)$$ ,

и равна:

$$E_{кин.}(H_{Ro}(t),Ro)=$$ $${({(m{c}^2)}^2+{(e_0{R}_0{H}_{Ro}(t))}^2)}^{0.5}-m{c}^2$$ ,

где $$E$$ - полная энергия электрона,

$$m$$ - масса покоя электрона,

c - скорость света,

$$e_0$$ - заряд электрона,

$$V$$ - скорость электрона.

Зависимости $$E_{кин.}(H_{Ro}(t),R_O)$$ от времени t до включения корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля и после его выключения показаны на фиг. 3.

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

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

E_и (t)= $$e_0$$ U_и(t), кэВ.

При достижении равенства:

$$E_{и}(t)=E_{кин.}(H_{Ro}(t),R_O)$$

в момент времени t_к включают на время T_к 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 T_к изменяется от Ro до R_макс (фиг. 4).

Возрастающая во времени кинетическая энергия:

$$E_{кин.}(H_{R(t)}(t,I_{к}(t)),R(t))$$ = $${({(m{c}^2)}^2+{(e_{0}R(t)H_{R(t)}(t,I_{к}(t)))}^2)}^{0.5}-m{c}^2$$ ,

с которой электрон может находиться на орбите с радиусом R(t), и возрастающая во времени энергия инжектируемых электронов $$E_{и}(t)$$ с момента времени t_к в течение интервала времени T_к практически равны в пределах энергетического разброса электронов, соответствующего их ускорению:

$$E_{кин.}(H_{R(t)}(t,I_{к}(t)),R(t))=E_{и}(t)$$ ,

(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 Т_З (интервала времени сопряжения зависимостей $$E_{кин.}(H_{R(t)}(t,I_{к}(t)),R(t))$$ и $$E_{и}(t)$$ ) равна (фиг. 3) длительности действия корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля Т_К, Т_З=Т_К.

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

В интервале времени от t_и до t_к и после момента времени t_к+T_к 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 I_к(t), а значит, и R_макс длительность времени захвата Т_З 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 $$t_{и}\ge t_{к}$$ , то при любых параметрах изменения напряжения инжекции (энергии инжектируемых электронов) невозможно выполнение равенства:

$$E_{кин.}(H_{R(t)}(t,I_{к}(t)),R(t))$$ =E_и(t)

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

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.

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.

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.