СПОСОБ ИНДУКЦИОННОГО УСКОРЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Советский патент 1994 года по МПК H05H11/04 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке бетатронов, синхротронов и накопительных установок с внешней инжекцией ускоряемых частиц.

Целью изобретения является повышение импульсной интенсивности ускоренного пучка, путем повышения его поперечной устойчивости на этапе инжекции, захвата в режим ускорения и формирования.

На фиг. 1 дана временная диаграмма изменения во времени основного магнитного поля B_zосн, импульсного магнитного поля B_zимп, и тока инжекции I; на фиг. 2 представлено изменение импульсного магнитного поля по азимуту; на фиг. 3 - по радиусу; на фиг. 4,5 - устройство для осуществления способа.

Согласно данному способу до начала инжекции (момент t₂ в момент t₁ создается импульсное магнитное поле B_zимп (фиг. 1), амплитуда которого нарастает в интервале t₂-t₃ пропорционально основному полю B_zосн. Инжекция электронов в момент t₂ осуществляется в сильнофокусирующее поле, которое обеспечивает следующие интервалы частот бетатронных колебаний;
1 < ν_x< 2, 1 < ν_z< 2.

Предельное число удерживаемых частиц N_пред в этом случае определяется выражением
N_пред< ην_zγ³β² , (1) а для случая слабой фокусировки
N_пред< γ³η (Δn_рез)β², (2) где η - фактор группировки частиц;
a, b - полуоси эллиптического сечения пучка;
R - радиус равновесной орбиты;
r₀= - классический радиус частицы, с - скорость света;
γ = ( 1 - β² ) ^1/2 - релятивистский фактор.

Как видно из выражений (1) и (2), в данном способе при одной и той же апертуре ускорительной камеры число частиц, захватываемых в ускорение, увеличивается пропорционально величине ν_z (Δ n_рез), гдеΔ n_рез << 1 - изменение эффективного показателя спада поля, которое приводит рабочую точку ускорителя к ближайшему опасному резонансу в слабо фокусирующем ускорителе; ν_z>> 1 - частота бетатронных колебаний в единицах частоты обращения в сильнофокусирующем поле.

Однако для сохранения захваченного заряда, рабочая точка ускорителя должна находиться в области сильной фокусировки до момента, пока основное поле B_zосн не достигнет такого значения, что амплитуда бетатронных колебаний ускоренных частиц в слабофокусирующем поле станет меньше амплитуды колебаний в сильнофокусирующем поле на момент инжекции. В этом случае не произойдет потери электронов при переводе рабочей точки из области сильной фокусировки в область слабой фокусировки.

Изменение частоты бетатронных колебаний при переводе рабочей точки ускорителя, приводит к прохождению резонансных областей, а именно, когда для идеальной системы приближенно выполняется одно из соотношений
ν_x≈ ; ν_z= ; ν_z± ν_z= k, (3) где k - целые числа.

Это приводит к росту амплитуды бетатронных колебаний. Поэтому скорость перемещения рабочей точки задается такой, чтобы при пересечении резонансных областей происходило необратимое затухание амплитуд бетатронных колебаний. В зависимости от типа ускорителя и вида резонансного взаимодействия, эта скорость может колебаться от единиц до сотен оборотов частиц на орбите и определяется выражением
, (4) где b - полуширина ускорительной камеры;
A_m - амплитуда бетатронных колебаний на подходе к резонансной области;
k = ν_z,x - соответствующая гармоника неоднородности в структуре магнитного поля при целочисленном значении собственной частоты;
- среднее значение индукции на радиусе R;
R - средний радиус замкнутой орбиты;
B_k - значение индукции К-й гармоники;
N_об - количество оборотов электронов на орбите.

Таким образом, после снятия дополнительного магнитного поля при соблюдении вышеуказанных условий процесс дальнейшего ускорения частиц осуществляется в том же режиме, что и в прототипе, с тем единственным отличием, что захваченный на устойчивую орбиту бетатрона ток превышает ток прототипа согласно формулам (1), (2).

Это и обеспечивает повышение импульсной интенсивности ускоренного пучка по сравнению с прототипом.

На фиг. 4 дано поперечное сечение бетатрона; на фиг. 5 - вид в направлении, перпендикулярном медианной плоскости.

Устройство содержит электромагнит бетатрона 1 с полюсными наконечниками 2, ускорительную камеру 3, систему инжекции 4, систему синхронизации 5, К пар секторных обмоток 6, расположенных симметрично медианной плоскости на полюсных наконечниках 2 электромагнита бетатрона 1 со стороны рабочего зазора 7 и генератор тока 8. Радиальные элементы 9 обмоток расположены на кривых α (r) = N ϕ, а их азимутальные элементы 10 - на радиусах, внутренний R_вр - от радиуса центральных вкладышей r_с до радиуса (r_вн - r_c)/2, а внешний R_вн - от радиуса (r_вн - r_c)/2 до внешнего радиуса полюсных наконечников r_вн, при этом азимутальная протяженность обмоток равна π (r_вн - r_c)/N, а соседние обмотки включены встречно-последовательно и параллельно им - генератор тока 8.

Устройство работает следующим образом.

По мере роста основного поля B_zосн, в момент t₁ (фиг. 1) от системы синхронизации 5 запускается генератор тока 8 и в витках секторных обмоток 6 нарастает ток от нуля до максимума. Так как соседние обмотки включены встречно-последовательно, то первая пара обмоток 6 (нижняя и верхняя) создают поле, совпадающее по направлению с основным, а вторая пара - встречное, и в рабочем зазоре 7 формируется периодическое знакопеременное магнитное поле, наложенное на основное (фиг. 2,3).

Глубина вариации магнитного поля в данном устройстве, например, при азимутально-симметричной структуре основного поля определяется выражением
f = , (5) где β_имп - индукция импульсного магнитного поля;
β_zосн - индукция основного магнитного поля.

Задавая взаимное расположение радиальных и азимутальных элементов секторных обмоток 6, а также число периодичности поля N, получим среднее значение индукции <B_zи> на среднем радиусе замкнутой орбиты R, равное нулю.

Следовательно, в данном устройстве средний радиус замкнутой орбиты R и энергия инжектируемых электронов Е_i будут определяться основным полем, а глубина вариации импульсным, так как на величину импульсного магнитного поля нет других ограничений, кроме обеспечения одновременной фокусировки в двух направлениях - в радиальном и аксиальном.

Наряду с этим, радиальные элементы секторных обмоток создают на среднем радиусе замкнутой орбиты азимутальную составляющую магнитного поля B_Θ (фиг. 2), в результате чего возникает дополнительная фокусирующая сила.

Таким образом, секторные обмотки 6 позволяют создать в рабочем зазоре сильнофокусирующее периодическое поле и обеспечивают перемещение рабочей точки бетатрона из области слабой фокусировки (1 > ν_x > 0, 1 > ν_z> 0) в область сильной фокусировки.

В момент времени t₂ (фиг. 1), соответствующий соотношению
E_i ~ β_zoR (6) от системы синхронизации 5 запускается система инжекции 4, и в ускорительную камеру 3 инжектируются электроны. Поскольку рабочая точка бетатрона в момент инжекции и захвата электронов в ускорение находится в области сильной фокусировки, то величина заряда определяется выражением (1) и значительно превосходит заряд, который бы захватился основным полем (2).

По мере роста основного магнитного поля (на интервале захвата и формирования ускоряемого пучка t₂. . . t₃ растет и импульсное магнитное поле таким образом, чтобы отношение β_zи/ β _zосн оставалось постоянным и рабочая точка не сместилась к ближайшему резонансу.

В момент t₃ мгновенное значение основного поля B_z возрастает до такого значения, что амплитуда бетатронных колебаний частиц в слабофокусирующем поле станет меньше амплитуды колебаний в сильнофокусирующем поле на момент инжекции t₂ и в витках секторных обмоток 6 ток уменьшается до нуля со скоростью, обеспечивающей выполнение соотношения (4). Дальнейшее ускорение электронов в данном устройстве осуществляется аналогично прототипу, но с большим захваченным током, что обеспечивает увеличение импульсной интенсивности ускоренного пучка. (56) Ананьеев Л. М. , Воробьев А. А. , Горбунов В. И. Индукционный ускоритель электронов-бетатрон. Госатомиздат, 1961, с. 33-56.

Звонцов А. А. , Чахлов В. Л. , Филимонов А. А. Бетатрон с азимутальной вариацией управляющего магнитного поля. - Известия ТПИ, изд-во Томск. ун-та, т. 279, с. 32.

Изобретение относится к области ускорительной техники. Способ индукционного ускорения электронов реализован в устройстве, содержащем электромагнит 1 бетатрона (Б) с полюсными наконечниками 2, К пар секторных обмоток с радиальными и азимутальными элементами, размещенными симметрично медиальной плоскости, ускорительную камеру 3, систему (С) 4 инжекции, С 5 синхронизации, генератор 8 тока. Вначале создают дополнительное азимутально-периодическое знакопеременное импульсное магнитное поле (МП) и поддерживают его в течение периодов инжекции, захвата в режиме ускорения и формирования пучка с амплитудой, нарастающей пропорционально основному МП. Под действием этого МП на электроны рабочая точка Б смещается из области слабой в область сильной фокусировки. После завершения формирования пучка уменьшают амплитуду дополнительного МП до нуля и действием основного МП на электроны возвращают рабочую точку Б в область слабой фокусировки. Повышается импульсная интенсивность ускоренного пучка. 2 с. п. ф-лы, 5 ил.

СПОСОБ ИНДУКЦИОННОГО УСКОРЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
1. Способ индукционного ускоpения электpонов, включающий инжекцию электpонов в азимутально-пеpиодическое магнитное поле, их захват в pежим ускоpения и фоpмиpования пучка под действием наpастающего во вpемени основного магнитного поля, отличающийся тем, что, с целью повышения импульсной интенсивности ускоpенного пучка, до начала инжекции создают дополнительное азимутально-пеpиодическое знакопеpеменное импульсное магнитное поле, поддеpживают его в течение пеpиода инжекции, захвата в pежим ускоpения и фоpмиpования пучка с наpастающей пpопоpционально основному магнитному полю амплитудой, под действием этого поля на электpоны смещают pабочую точку бетатpона из области слабой фокусиpовки в область сильной фокусиpовки, а после завеpшения фоpмиpования пучка уменьшают амплитуду дополнительного поля до нуля, и под действием основного магнитного поля на электpоны возвpащают pабочую точку бетатpона в область слабой фокусиpовки.