Электромагнит цилиндрического бетатрона Советский патент 1981 года по МПК H05H11/00 

(54) ЭЛЕКТРОМАГНИТ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО БЕТАТРОНА

1

Изобретение относится к ускорителям заряженных частиц и может быть использовано разработке индукционных ускорителей.

Известен электромагнит цилиндрического безжелезного бетатрона с однородным по радиусу управляющим магнитным полем и электрическими или магнитными зеркалами на краях рабочего зазора PL .

Известен также электромагнит цилиндрического бетатрона, в котором роль магнитных зеркал выполняют полюса гребневого типа 2, содержащий ферромагнитный магнитопровод с полюсными наконечниками, намагничивающую катушку, выполненную в виде соленоида, и центральные вкладыши, установленные по оси соленоида.

В цилиндрических бетатронах пучок ускоряемых электронов сильно вытянут по оси соленоидов и сжат по радиусу в большей степени, чем в обычных, так как показатель радиального спада поля п близок к О в рабочей области.

К недостаткам известных цилиндрических бетатронов относится резонансная неустойчивость ускоряемых электронов, так как при значении

п О имеет место равенство между частотой обращения и частотой радиальных колебаний электронов, что при наличии неоднороднрстей поля может привести к резонансному увеличению амплитуды радиальных колебаний.

Это приводит к тому, что происходит усиленный самопроизвольный

сброс электронов на стенки камеры на протяжении большей части цикла ускорения. Этот недостаток усложняет конструкцию электромагнита,

так как необходимо формировать управляющее поле с более жесткими допусками, потому что раскачка радиальных колебаний может происходить как из-за малых искажений магнитного поля, так и из-за взаимодействия ускоряемых электронов между собой в условиях почти постоянного магнитного поля.

Получение же достаточно большой

скорости нарастания махяитного поля, с помощью которой можно было бы деглпфировать раскачку радиальных бетатронных колебаний, за счет адиабатического уменьшения амплитуды усложняет схему питания электромагнита и приводит к увеличению габаритов и веса всей установки. Цель изобретения - уменьшить потери частиц в процессе ускорения за счет устранения раскачки радиальных бетатронных колебаний. Это достигается тем, что в конструкции электромагнита предусмотрены средства для осуществления вариации показателя спадания магнитного поля по аксиальному направлению, например намагничивающий соленоид, вьдполненный с аксиально-периодической плотностью намотки витков, а центральные вкладыши установлены с периодически повторяющимся зазором На фиг. 1 изображен электромагнит цилиндрического бетатрона, поперечное сечение- на фиг. 2 - то же, вид в планер на фиг. 3,а - область устой чивого движения заряженных частиц дл предлагаемого цилиндрического бетатрона) на фиг. 3,6 - изменение показателя,; спадания поля для различных с чений данной области. Для того, чтобы уменьшить потери частиц в процессе ускорения, необходимо устранить раскачку радиальных бетатронных колебаний. Какуже было показ1ано выше, устранить раскачку радиальных бетатронных колебаний можно увеличением скорости роста поля либо изменить конфигурацию управляющего поля так, чтобы при ускорении частиц не выполнялось равенство между частотой обращения и частотой радиальных бетатронных колебаний Для этого в конструкции электромагни та, необходимо предусмотреть средства для осуществления вариации показателя спадания поля по периодическому закону (например, по гармоническому) В этом случае при движении частиц вышеуказанное резонансное условие будет наблюдаться не по всему объему области устойчивого движения, а толь ко в некоторых точках этого простран ства. Поэтому при движении частиц резонансное увеличение амплитуд в одном месте траектории будет компенсироваться стабилизирующим действием поля в других ее точках. Средства для осуществления периодического изменения показателя спадан1}я поля п могут быть выполнены следукицим образом. Намагничивающий соленоид 1 необходимо выполнить с аксиально-периодической плотностью намотки витков, а центральные вкладыши 2 установить с периодически повторяющимся зазором 3. Соленоид 1 может быть выполнен в виде отдельных секций, причем в зависимости от габаритных размегхзв бетатрйна направление тока в витках секций может чередоваться.Периодичес кая плотность намотки витков обеспечивает вариацию показателя спадания поля на больших радиусах,а установк вкладышей 2 с зазором 3 обеспечивает эту Вариацию на малых радиусах. Велиина зазора 3 и высота вкладышей 2 зависят от габаритных размеров бетатрона и выбираются также с учетом выполнения бетатронного отношения 2:1. Зазор 3 может быть заполнен немагнитным материалом. В безжелезном бетатроне роль центральных вкладышей выполняет соленоид, который также должен быть выполнен с аксиальнопериодической плотноствю намотки витков. На фиг. 1 и 2 показано выполнение соленоида в виде секций, обеспечивающих ступенчатое изменение плотности намотки витков, Устройство работает следующим образом. С помощью соленоида 1 в рабочем зазоре 4 формируется управляющее поле, йектор-потенциал которого описывается выражением вида А(г, 2)Б,Г-+ ) C060UZ, а N7 компонента управляющего поля изменяется по -закону , «.() (aJh)()coe twr, где В , В2,а ,b,(A) - коэффициенты,определяемые по выбранному радиусу равновесной орбиты г и показателю спадания поля на разновесной орбите по ; l lOur},K/U)l-),IoCu;h),Ko(« - бесселевые функции мнимого аргумента первого и нулевого порядка соответственно. Как видно из выражения (2), напряженность управляющего поля Н меняется по 2 - координате около некоторого среднего значения. Примерная картина поведения магнитных силовых линий 5 показана на фиг.1. Так как Нкомпонента меняется около среднего значения, то при фиксированной энергии ускоряемых частиц равенство lyiVc (h; будет выполняться не на всей цилиндрической поверхности радиуса г (как это имеет место в известных цилиндрических бетатронах), а только в некоторых плоскостях, расстояние, z. между которыми равно ЖlEi7 Г (), Поэтому в таком поле равновесные траектории (орбиты) лежат в разных плоскостях,, а колебания частиц от сительно равновесных орбит осущес вляются в сложном силовом поле,фо кусирующие свойства которого хара теризуются потенциальной функцией mC)A nz;-- - )B V4 +jayoyr)-(-tl,(cuv)jco5 W)z. Из выражения (5) слелует, что поте циальная функция периодически изме няется по Z - координате, причем е ли в плоскостях равновесных орбит (т. 0,zo , 2zo . . .mzp) величину принять рав . г г„ 1, то в плоскостях Z Zo-t/2, 3z,/ 5zo-(/a . Чп будет больше 1 и равна (А) , где А г - величина векторног потенциала при г г и z z Частота изменения характери поля равна Область устойчивого движения имеет сложную форму, конфигурации и размеры которой зависят от выбра Типичная ных величин г, картина области устойчивого движения приведена на фиг. 3,а (по данным расчета на ЭЦВМ), а изменение показателя спадания поля для этого же случая на фиг. 3,6 (при расчетах принято А 1,005, Пр 0,3; Го 15 см), В процессе инжекции -частицы заполняют всю область , ограниченную поверхностями равного потенциала (линиями 6). В процессе ускорения вследствие адиабатического сжатия весь пучок распадается на отдельные сгустки, которые последователь но занимают объемы, ограниченные эквипотенциальными поверхностями 7-10. В конце цикла ускорения частицы либо сбрасываются на отдельны мишени, либо выводятся за пределы ускорителя (мишени на чертежах не показаны). Вследствие аксиальной вариации показателя магнитного по ля (см.фиг. 3,б) и разделения пучка в процессе ускорения на несколько отдельных пучков резонансной раскач колебаний не происходит. Если в ци линдрическом бетатроне показательполя равен О, то в предлагаемом бетатроне показатель принимает переме ное значение, так, из фиг.3,6 следует, что показатель поля п колеблется около нули с амплитудой, которая изменяется по радиусу и равна 0,3 на TO, причем, чем меньше эти значения отличаются от О, тем меньше деформация 11 и слабее демпфирующее свойство поля. На фиг.3,а пунктирной линией 12 показана граница области устойчивого движения для известного цилиндрического бетатрона при п 0. Для того, чтобы устранить утечку электронов через торцовые части,можно использовать уже известные электростатические или магнитные зеркала либо применить ферромагнитный магнитопровОд 13 с полюсами гребневого типа 14 (на фиг. 3 показан 6-гребневой полюс). Предлагаемое устройство позволяет также использовать из.вестные полюса, формирующие азимутальнооднородное управляющее поле. Уменьшение потерь частиц за счет устранения раскачки радиальных бетатронных колебаний приводит к повышению количества ускоряемых частиц и КПД всего бетатрона. Увеличивается также производительность работ с его использованием. Величина вариации показателя магнитного поля может быть рассчитана приближенно для конкретной установки. Практика работ бетатронов показывает, что создание вариации показателя поля с амплитудой 0,1-0,2 оказывается достаточной для стабильного движения ускоряемых частиц. Кроме того,предлагаемая конструкция цилинд ического бетатрона может генерировать несколько импульсов излучения, временной интервал между которыми регулируется. формула изобретения Электромагнит цилиндрического бетатрона, содержащий ферромагнитный Магнитопровод с полюсными наконечниками, намагничивающую катушку, выполненную в виде соленоида, и центральные вкладьши, установленные по оси соле1 оида, отличающийся тем, что, с целью уменьшения потерь частиц в процессе ускорения за счёт устранения раскачки радиальных бетатронных колебаний, в нем предусмотрены средства для осуществления вариации показателя спадания магнитного поля по аксиальному направлению, например намагничивающий соленоид, ыполненный с аксиально-периодичес- . кой плотностью намотки витков, а центральные вкладыши установлены с периодически повторяющимся зазором. Источники информации, ринятые во внимание при экспертизе Коробочко Ю.С. и Шилков К.С. одель цилиндрического безжелезного етатрона. ЖТФ, I960, т.30, вып. 8, . 981-983. 2. Авторское свидетельство СССР 496895, кл. Н 05 Н 11/00, 1973.