МАГНИТОПРОВОД БЕТАТРОНА Советский патент 1994 года по МПК H05H11/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке бетатронов с высокой интенсивностью выведенного пучка.

Целью данного изобретения является повышение КПД бетатрона путем расширения равновесной орбиты к концу цикла ускорения за счет перераспределения управляющего и ускоряющего потоков и увеличения выводного окна.

На фиг. 1 дан вариант магнитопровода под линии разъема, поперечный разрез, направления основного (Ф_осн) и перетекающего (Ф_пер) магнитных потоков и варианты расположения пластин ферромагнетика в гребнях; на фиг. 2 - то же, продольный разрез.

Магнитопровод бетатрона содержит стойки 1 и ярма 2. Стойки 1 между собой по торцам замкнуты ярмами 2. Внутри магнитопровода и соосно с ним расположены вкладыши 3 и полюса, выполненные в виде центрального сердечника 4, из которого выходят гребни 5, причем количество гребней берется четным и больше трех. Полюса и центральные вкладыши 3 образуют межполюсный зазор 6, в котором на равновесной орбите 7 ускоряются частицы. К моменту вывода частиц из ускорения равновесная орбита 7 расширяется и переходит в орбиту 8.

Устройство работает следующим образом.

При включении электромагнитов бетатрона в сеть по его магнитной цепи начинает циркулировать магнитный поток Ф_осн, который состоит из ускоряющегося Ф_уск, управляющего Ф_упр и потока рассеяния Ф_рас (не показаны). Ф_уск складывается из потока Ф_с, протекающего в круге с радиусом, равным радиусу центральных вкладышей r_с, и потока, протекающего в кольце (r_o-r_c), ограниченном радиусом равновесной орбиты r_o и радиусом центрального сердечника полюсов r_c. Ф_упр протекает в кольце (r_н-r_c). Возникновение отставания по фазе Ф_уск от Ф_упр благодаря расположению одного из гребней по центру ярем показано на фиг. 1.

Для примера рассмотрим схему протекания магнитного потока по одному из ярем одного из вариантов магнитопровода. Так как конструкция магнитопровода симметричная, то в других ярмах наблюдается такая же картина.

По поперечному сечению ярма и, следовательно, стойки, примыкающему к центральному сердечнику полюсов, протекает основная часть ускоряющего потока Ф_с. Кроме того, внутри кольца (r_o-r_c) по магнитной цепи: гребни - ярмо - стойка - ярмо - гребни рабочий зазор, протекает оставшаяся часть Ф_уск и часть Ф_упр, циркулирующая в этой области. За пределами этой области в кольце (r_н-r_o) циркулирует оставшаяся часть Ф_упр. Все поперечное сечение ярма имеет три степени разгрузки:
наиболее загруженная часть I, контактирующая с гребнем, расположенным по оси ярма, где циркулирует поток, равный Ф_осн/N, где N - количество гребней;
менее загруженные части II ярма, ограниченные с одной стороны наиболее загруженной частью ярма (I) и линией, проведенной параллельно оси ярма к точке пересечения равновесной орбиты с осью гребней, смежных с лежащим по оси ярма. В этих частях циркулирует по 0,5 ч ускоряющего и управляющего потоков, распределенных в кольце (r_o-r_c);
слабо загруженные части III ярма, к которым относится его оставшаяся часть. Здесь циркулирует по 0,5 ч управляющего потока, распределенного в кольце (r_н-r_o).

С ростом энергии ферромагнетик в наиболее загруженной части ярма начинает насыщаться раньше, вследствие чего повышается магнитное сопротивление этой части ярма, поэтому магнитный поток перераспределяется в менее загруженные части ярма. Но так как перераспределение потоков направляется под углом к пластинам, из которых набрано ярмо, то пластины оказывают экранирующее воздействие на перетекающий поток, вызывая его отставание. Ввиду того, что по наиболее загруженным частям I и II протекает в основном Ф_уск, а его доля в Ф_оснсоставляет 60-80% , то и наибольшее отставание претерпевает Ф_уск. Так как доля Ф_с, протекающего по центральной части полюсов и, следовательно, по наиболее загруженной части ярма 1, составляет около 80% от Ф_уск, то Ф_с и претерпевает наибольшее отставание. Обеспечение отставания Ф_с приводит к концу цикла ускорения к расширению равновесной орбиты и, следовательно, к увеличению конечной энергии ускоренных электронов. Эксперименты показывают, что увеличение радиуса равновесной орбиты достигает 10% .

По достижении ускоренными частицами заданной энергии производится их вывод из ускорения. Частицы выходят из камеры "веером". Угол разворота "веера" составляет около 90^о с вершиной в точке выхода с орбиты освобождения. Наибольшей энергией обладают частицы, расположенные по оси "веера" с углом около 45^о. Этот угол почти полностью вписывается в выходное окно, расположенное между стойками.

Реализация предлагаемого решения не исключает возможности применения четырехгребневых полюсов с двухстоечным магнитопроводом, что позволяет получить азимутально-периодическое управляющее поле, обладающее повышенными фокусирующими свойствами по сравнению с полюсами, формирующими аксиально-симметричное управляющее поле, и избавиться от явно выраженной вредной двугармоники, обусловленной применением двухстоечного магнитопровода.

(56) Ананьев Л. М. Индукционный ускоритель электронов - бетатрон. - М. : Атомиздат, 1961, с. 1-20.

Москалев В. А. Бетатроны. - М. : Энергоиздат, 1981, с. 111-113.

1. МАГНИТОПРОВОД БЕТАТРОНА, состоящий из стоек, замкнутых между собой по торцам ярмами, выполненными контактирующими с полюсами гребневого типа, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД бетатрона путем увеличения конечной энергии ускоренных частиц и эффективности вывода их за пределы ускорителя без увеличения массогабаритных характеристик, в нем общая площадь контакта каждого полюса с каждым из ярем равна площади двух гребней. 2. Магнитопровод по п. 1, отличающийся тем, что каждый полюс выполнен контактирующим с каждым из ярем двумя гребнями. 3. Магнитопровод по п. 1, отличающийся тем, что каждый полюс выполнен контактирующим с каждым из ярем тремя гребнями, при этом осевые линии среднего из трех гребней и ярма совпадают.