ЛИНЕЙНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ Советский патент 1972 года по МПК H05H7/04 H05H11/00 

Изобретение относится к области ускорительной .

Известны линейные индукцианные ускорители с ускоряющей системой, содержащей серию последовательно соединенных трансформаторов (индукторов) с коэффициентом трансформации, равным единице. Индукторы в таких ускорителях выполнены либо в виде витка, охватывающего тороидальный ферра.магнитный сердечиик, соединенного с расположенными вне ускорителя накопителями энергии и ко.Ммутирующим устройство.м, либо в виде безжелезного тороидального колебательного контура, образованного емкостными накопителЯМи энергии (конденсаторы или линии с распределенны.ми пара метрами) и ком мутирующи.ми устройствами.

В известных ускорителях необходимо обеспечить однозреме)1ное срабатывание коммутирующих устройств всех индукторов, число которых определяется вкладом каждого трансфор.матора в полное ускоряющее наяряжение (обЫЧно несколько десятков киловольт). Уменьшение числа коммутирующих элементов встречает значительные трудности вследствие малой индуктивности индукторов.

В безл елезных линейных индукционных ускорителях емкостные накапители энергии и ко.м мутирующее устройство с системой запуска являются составными частями тороидальнего 1шд ктора. Поэтому увеличение накопленной в ускорителе энергии приводит к увеличению габаритов, веса установки и ограничению напряженности ускоряющего электрического поля. Кроме того, .минимальная высота индуктора а следовательно, И напряженность электрического поля ограничивается также коиструктивным оформлением высоковольтиых ко.ммутаторов, .в качестве которых обычно используются многоканальные искровые разрядник; кольцевой геометрии, работающие в сжато.м газе.

Особенностью предлагаемого ускорителя является выполнение каждого индуктора в виде короткозамкнут ого соленоида .меньшего поперечного сечения или в виде короткозамкнутой тороидальиой катушки, пронизываемых из.меняющимися магнитны.ми нотока.ми.

Такое выполнение ускорителя, по сравнению с известными, существенно упрощает схему коммутации и конструкцию ускорителя; увеличивает энершю, за-пасенную в ускоряющей системе, и следовательно, энергосодержание пучка заряженных частиц; увеличивает напряженность ускоряющего электрического ноля; уменьшает габариты и вес ускорителя.

Па фиг. I изображен один из возможных вариантов предлагаемого линейного индукционного ускорителя; на фиг. 2 - конструктивно более простая схема линейного индукционного ускорителя; «а фиг. 3 .показана одна из возможных схем ускоряющей системы, пронизываемой несколькими аксиальными потоками.

Кор-откоза.мкнутый соленоид У, намотанный из .соленоида лрямоугольного сечения 2, образует Индуктор ускорителя, помещенный в проводящую трубу 3 С разрезом 4 по образующей для ПОДсоединенИя внещних источияков питан-ия. В описываемой схеме рруба одновременно служит соединением концов соленоида (индуктивность соединения должна быть малой по сравнению с индуктивностью и.идуктора).

Изменяющийся аксиальный ма гнитный иоС -

ток Фа .) В, d S, возникающий, в трубе 3 при обтекании ее токо.м Ii от .внешнего источника, пронизывает и-ндуктор, возбуждая в нем ток 12. Суммарный ма.гнитный поток, создаваемый индукторОМ, состоит из продольно- о потока, который создается соленоидом 1, ослабляющего охватываемый индуктором внешний магнитный поток и азиму. - V

тального потока г); .. В, d S, проходящего внутри соленоида 2. Соответственно этому индуктивность индуктора LU можно представить в виде суммы двух индуктивностей - ин.дуктивности LI соленоида /, и.меющего .V витков, намотанного из провода с прямоугольны м сечением, равным сечению соленоида 2, и индуктивности L2 соленоида 2, имеющего n.V витков, где п - число витков соленоида 2 на одном витке соленоида 1 Ln .

Бели Lz L,, (а)

внещнИй аксиальный поток, охватываемый индуктором, ослабляется незначительно. Соленоид / охватывает внещний поток N раз, поэтому полная 9. д. с., действующая по контуру проводника, из которого намотан индуктор, равна

., .. .|

а скорость изменения потока }з, определяющая величину -напряжения на одном витке соленоида 2 .

.Vii. Л аФ

lit nN ii dtТаким образом э. д. с. индукции по одновитковому контуру, .проходящему через область ускорения (приасевое пространство индуктора) и охватывающему Л потоков (например, АБВГА) определяется выражением

1. .1, р «Ф Е Ф а ,-.

п (П

Вихревое электрическое поле может быть сконцентрировано в скоряюще.м зазоре АГ с помощью .металлического одновиткового вторичного контура АБВГ (в данной схеме частью вторичного контура служит tpy6a 3} При это.м заряженная частица, пройдя путь L

вдоль оси ускорителя (L - длина области ускорения АГ), приобретает энергию, соответствующую э. д. с. индукции Е

pV Л1 Г е 1 --- -(б)

Ускоряющая систе.ма состоит из одного или нескольких таких индукторов.

По другому варианту выполнения схе.ма

ускорителя (с.м. фиг. 2) электрическое поле возбуждается на оси системы, составленной из тороидальных короткозамкнутых многовитковых катушек - индукторов, пронизываемых аксиальиы.м магнитным потоко.м, создаваемым в проводящей трубе 3 с разрезом 4 по образующей (соленоид / предыдущей схемы разбит на /V отдельных витков). Магнитное поле, создаваемое током, инду.цированным в индукторах, также является суперпозицией

продольного поля, направленного против внешнего магнитного поля, и азимутального, силовые линии которого замыкаются внутри тороидальных катушек. Так как индуктивность соленоида пропорциональна квадрату числа

витков, условие максимальной напряженности на оси ускоряющей системы (незначительное ослабление внешнего аксиального потока) в этом случае запишется в виде

J..Д/-2 Л2

где LK - индуктивность одной тороидальной катушки,

ZiT - индуктивность трубы, обтекаемой но всему сечению азимутальньгм током с внутренни.м и внешним диаметрами, равными соответствующим диаметрам индукторов, и длиной, равной длине ускорителя.

Так как индуктивность трубы падает с узеличением ее длины,,условию (в) удо.г5летворить в достаточно длинной ускоряющей системе при любом количестве витков тороидальной катушки. Это обстоятельство позволяет, кроме того, .не нарушая условия (в), значительно у.меньшить аксиальный раз.мер индуктора, что приводит к увеличению напряженности электрического поля.

Энергия частиц, соответствующая полному ускоряющему напряжению, в этом случае

также определяется выражение.м (в).

Аксиальный магнитный поток, пронизывающий индуктор, может создаваться различными способами, в частности, трубу можно имитировать от.дельными индуктивно связапиыми витками, расположенными внутри тороидальной катушки или во внутреннем отверстии индукторов.

Внутри тороидальной катушки (соленоида) в ПЛОСКОСТИ, перпендикулярной оси, размещепы иараллельно или независимо запитываемые первичные витки 5. Если обеспечена хорошая связь .между соответствующими первичными витками соседних индукторов (расстояние между индукторами миого меньше попе.:ма пронизывается несколькими аксиальными :потоками. Эти потоки независимы, если.дли3ia ускорителя велика по сравнению с расстоянием между ними и их поперечными размерами.

В этой схеме напряженность ускоряющего электрического поля максимальна и определяется скоростью изменения суммарного магнитного потока.

MN

и.,

Е

п L

где М - число охватываемых индуктором потоков, и о - напряжение на каждом первичном витке, L - длина ускорителя.

Коэффициент транформации каждого ин„ М дуктора в такой с-хеме, равный , может

иметь величину больше единицы.

В каждом индукторе для улучшения связи и у.меньшения мош,ности питания могут быть размещены ферромагнитные сердечники, охватываемые первичными витками. В ускоряющей систе.ме они образуют секционированные (необходима изоляция как между индукторами, так и по азимуту) магнитопроводы, в которых концентрируется аксиальный и азимутальный магнитные потоки.

Ток нагрузки, протекающий по оси ускорителя, создает азимутальное магнитное поле, ослабляющее азимутальное поле внутри индукторов. Распределение и величина поля внутри тороидальной .многовитковой катушки пря.моугольного сечения определяется значением полного аксиального тока, текущего по внутреннему цилиндру катушки

„МоРп

Поэтому без значительного уменьшения амплитуды ускоряющего электрического поля можно нагружать ускоритель током.

Схема предлагаемого ускорителя позволяет испОоТьзовать различные источники питания:

конденсаторные батареи, кабельные и полосковые линии, генераторы Аркадьева-Маркса, индуктивные накопители и т. д. Энергия зап асается в индуктивности первичного контура,

создающего один «ли несколько аксиальлых магнитны.х потоков. Небольшое количество элементов, к которым необходимо подводить ток от внешних источников, дает возможность существенно упростить схемы коммутации ускорителя, а накопление энергии в магнитном поле, обладающем большей энергоемкостью, чем электрическое поле в существующих диэлектриках - увеличить энергосодержание потоков ускоренных частиц, а также у.меньшить габариты ускорителя.

Для получения отдельных нмпульсов тока ускоренных частиц длительностью целесообразно использовать в качестве внешних накопителей энергии полосковые линии с

распределенными параметра ми, разряжающиеся на индуктивную нагрузку первичного контура ускорителя.

Подобные безжелезные ускорители особелно выгодно использовать для получения пучков релятивистских электронов с токо.м в импульсе - при энергии в десятки мегаэлектроновольт {энергия в пучке 1 мгдж) в режиме одиночных импульсов с очень малой частотой повторелия.

Ускорители с упрощенной схемой коммутации, имеющие ферромагнитные сердечники, целесообразно использовать при работе с большой ( 10 ги) частотой повторения.

Предмет изобретения

Линейный индукционный ускоритель, содержащий ускорительный тракт, индукторы и

источник питания, отличающийся тем, что, с целью уменьшения габаритов ускорителя и повышения напряженности ускоряющего поля, каждый из индукторов выполнен в виде короткозамкнутого соленоида, намотанного из

соленоида с меньшим поперечным сечением.