ЭЛЕКТРОМАГНИТ БЕТАТРОНА Советский патент 1994 года по МПК H05H11/04 

Устройство относится к ускорительной технике, в частности к индукционным ускорителям электронов - бетатронам.

Известны так называемые Ш-образные электромагниты бетатронов, содержащие обратный магнитопровод, выполненный в виде двух стоек, объединенных с обеих сторон ярмами, полюса с центральными дисками-вкладышами и намагничивающие катушки. Такие электромагниты предназначены для бетатронов с выведенным из ускорительной камеры пучком высокоэнергетических электронов.

Недостатком известного технического решения является то, что в таком электромагните фазовая неоднородность магнитного поля, обусловленная конструктивными особенностями электромагнита, достигает величины, исключающей нормальную работу бетатрона.

Наиболее близким известным техническим решением к изобретению является электромагнит бетатрона, содержащий обратный магнитопровод, выполненный в виде стоек, объединенных с обеих сторон ярмами, размещенные внутри обратного магнитопровода полюса, намагничивающие катушки и дополнительное устройство для проводки выведенного из ускорительной камеры пучка электронов в краевое магнитное поле электромагнита до окна в обратном магнитопроводе между стойками, выполненное в виде токовой обмотки, соединенной с источником питания и устройством управления током источника.

Токовая обмотка, расположенная в промежутке между стойками обратного магнитопровода и полюсами, соединенная с источником питания, создают электромагнитное поле, направленное встречно полям рассеяния полюсов и намагничивающих катушек электромагнита, ослабляет поля рассеяния и тем самым способствует попаданию выведенных электронов в промежуток между стойками обратного магнитопровода электромагнита.

Недостатком известного электромагнита является низкая эффективность вывода пучка электронов за пределы обратного магнитопровода электромагнита, порядка 20-30% , так как значительная часть пучка рассеивается на стойках обратного магнитопровода. Рассеяние на стойках и, следовательно, потери электронов в пучке обусловлены малыми поперечными размерами промежутка между стойками обратного магнитопровода в направлении прохождения пучка и большой расходимостью пучка в плоскости орбиты ускоряемых электронов, которая составляет 10-20^о в реальных бетатронах. Разместить же фокусирующее устройство в ограниченном пространстве между стойками и полюсами не представляется возможным.

Целью изобретения является повышение эффективности вывода пучка ускоренных электронов за пределы обратного магнитопровода.

Цель достигается тем, что в предлагаемом электромагните бетатрона, содержащем обратный магнитопровод, выполненный в виде стоек, объединенных с обеих сторон ярмами, размещенные внутри обратного магнитопровода полюса и намагничивающие катушки, одна из стоек в средней части выполнена с окном для проводки пучка в виде рамы с зазором между другими стойками, при этом азимутальный размер окна в плоскости равновесной орбиты соизмерим с удвоенным расстоянием между другими стойками магнитопровода бетатрона.

Кроме того, на внутренней поверхности стенок рамы размещена система токопроводящих витков, подключенная через коммутатор к виткам намагничивающих катушек.

Существо изобретения поясняется на фигурах 1-6.

На фиг. 1 показан общий вид электромагнита, одна из стоек которого выполнена в виде рамы.

На фиг. 2,3 показаны размеры этого электромагнита вдоль вертикальной оси и вдоль плоскости равновесной орбиты электронов соответственно.

На фиг. 4 показан общий вид электромагнита, отличающийся от вида, показанного на фиг. 1, тем, что в окне рамы внутренней поверхности стенок размещена система токопроводящих витков.

Фиг. 5 показывает разрез этого электромагнита вдоль плоскости равновесной орбиты электронов.

На фиг. 6 показана схема соединения токопроводящих витков, размещенных на стенках рамы с намагничивающими катушками электромагнита бетатрона.

Электромагнит, изображенный на фиг. 1-5, содержит обратный магнитопровод 1, выполненный в виде шести стоек 2, которые объединены с обеих сторон ярмами 3, размещенные внутри обратного магнитопровода полюса 4 и намагничивающие катушки 5. Средняя часть одной из стоек 2 выполнена в виде рамы 6, имеющей окно 7 для проводки электронного пучка 8.

В окне 7 рамы 6 электромагнита, указанного на фиг. 4,5,6, на внутренней поверхности стенок 9 плотно к этой поверхности размещена система токопроводящих витков 10, которые уложены вдоль направления движения электронного пучка 8 и соединены между собой таким образом, чтобы в окне 7 рамы 6 при подключении витков к источнику тока создавалось квадрупольное магнитное поле. Стенки 9 рамы 6 образуют прямоугольное ярмо. Система токопроводящих витков 10, указанная на фиг. 6, подсоединена параллельно через коммутирующий прибор (тиристор) 11 к намагничивающим катушкам 5.

Работа устройства, указанного на фиг. 1-3, заключается в следующем.

При подключении к сети в обратном магнитопроводе 1, состоящем из стоек 2 и объединяющих их ярмах 3, в полюсах 4 посредством намагничивающих катушек 5 формируется электромагнитное поле. Сгусток электронов, инжектированный в это поле, захватывается в ускорение управляющим полем и набирает энергию. При достижении определенного уровня энергии ускоренные электроны выводятся из ускорения и двигаются в околополюсном краевом магнитном поле в пространстве между намагничивающими катушками 5 в виде электронного пучка 8, доходят до окна 7 рамы 6 в стойке 2 обратного магнитопровода и выходят наружу.

Благодаря раме 6 с окном 7 увеличивается общее число электронов, выводимых за пределы обратного магнитопровода бетатрона. В результате увеличенного поперечного размера выходного окна в обратном магнитопроводе увеличивается отношение числа электронов за импульс излучения, вышедших за пределы обратного магнитопровода, к числу электронов, выведенных из ускорительной камеры. Увеличение этого отношения характеризует повышение эффективности вывода пучка ускоренных электронов за пределы обратного магнитопровода, доведя ее до уровня 80-90% .

Работа устройства, показанного на фиг. 4,5,6, отличается от работы устройства, указанного на фиг. 1-3, тем, что в момент вывода электронного пучка 8 система токопроводящих витков 10 через коммутирующий прибор (тиристор) 11 подключается к намагничивающим катушкам 5. Часть тока из намагничивающих катушек 5 перехватывается в цепь системы витков 10 и создает в окне 7 рамы 6 квадрупольное магнитное поле, которое воздействует на электронный пучок 8, проходящий в окно 7, помогает его выводу за пределы обратного магнитопровода и формирует пучок по пространственно-временным параметрам. Стенки 9 рамы 6 служат при этом для проводки части магнитного потока, проходящего из полюсов 4 в ярмо 3, стойку 2 от намагничивающих катушек 5, и для замыкания магнитных потоков между собой от системы витков 10, формирующих электронный пучок 8 в окне 7.

Рама 6 с окном 7, стенками 9 и системой токопроводящих витков 10 образует по сути дела квадрупольную линзу, встроенную в стойку 2 обратного магнитопровода.

Наличие системы токопроводящих витков 10, размещенной на внутренней поверхности стенок 9 окна 7, с регулируемой системой питания позволяет оперативно переключать работу ускорителя с одного режима формирования выведенного электронного пучка в другой, осуществляя при этом плавную подстройку на заданный режим.

Подключение витков 10 к намагниченным катушкам 5 позволяет в то же самое время синхронизировать процесс вывода электронного пучка и его формирование.

Посредством переключения витков 10 между собой можно получить как квадрупольное магнитное поле, так и однородное магнитное поле, соответствующим образом при этом будет изменяться и сечение электронного пучка на выходе, изменяясь от сфокусированного малого до расходящегося широкого.

Для транспортировки выведенного пучка электронов и для его фокусировки в обеих плоскостях необходимо использовать систему из нескольких квадрупольных линз. В этом случае рама 6 с окном 7, стенками 9 и системой токопроводящих витков 10 будет выполнять функции головной линзы и позволит уменьшить апертуру последующих линз тракта транспортировки и формирования.

Таким образом, в бетатроне, содержащем предложенную конструкцию электромагнита, удается повысить эффективность вывода электронного пучка за пределы обратного магнитопровода примерно в 3 раза по сравнению с прототипом, доводя ее до уровня 80-90% от числа частиц, выведенных из камеры бетатрона. Одновременно с этим появляется возможность осуществления плавного оперативного формирования пучка по пространственно-временным параметрам на выходе из электромагнита. При этом предложенная многостоечная конструкция электромагнита сохраняет хорошую фазовую структуру магнитного поля по азимуту, и стойки выполняют функции защитных экранов, что позволяет использовать электронный пучок на близком расстоянии от выходного окна. (56) Воробъев А. А. и др. Электронные пучки бетатронов. М. , А-И, 1974.

Ерофеева Г. В. и др. Бетатрон ПМБ-6 с введенным электронным пучком. ПТЭ, 1975, N 3, с. 32.

1. ЭЛЕКТРОМАГНИТ БЕТАТРОНА, содержащий обратный магнитопровод, выполненный в виде стоек, объединенных с обеих сторон ярмами, размещенные внутри обратного магнитопровода полюса и намагничивающие катушки, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности вывода электронного пучка за пределы обратного магнитопровода, одна из стоек в средней части выполнена с окном для проводки пучка в виде рамы с зазором между другими стойками, при этом азимутальный размер окна в плоскости равновесной орбиты соизмерим с удвоенным расстоянием между другими стойками магнитопровода бетатрона. 2. Электромагнит по п. 1, отличающийся тем, что на внутренней поверхности стенок рамы размещена система токопроводящих витков, подключенная через коммутатор к виткам намагничивающих катушек.