Электромагнит индукционного ускорителя заряженных частиц

ЭЛЕКТРОМАГНИТ ИНДУКЦИОННОГО УСКОРИТЕЛЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий обмотку возбуждения, внутри которой и соосно с ней установлены гребневые полюса и дополнительные корректирующие обмотки, размещенные в межгребневых пазах, отличающийся тем, что, с целью уменьшения массы и габаритов электромагнита, обмотка возбуждения выполнена путем соединения между собой последовательно и согласно дополнительных корректирующих обмоток.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке электромагнитов бетатронов.
Известен электромагнит бетатрона, включающий обмотку возбуждения, гребневые полюса и обратный магнитопровод.
Обмотка возбуждения с W_в витков имеет цилиндрическую форму и выполнена в виде двух разнесенных по оси обмоток, каждая с W_в/2 витков. Обмотки включены между собой последовательно и согласно. Расстояние между обмотками обеспечивает выход ускоренных частиц за пределы электромагнита без потерь.
Внутри каждой из обмоток и соосно с нею расположены гребневые полюса. Они разнесены на расстояние, необходимое для размещения между ними ускорительной камеры.
За счет гребневой конструкции полюсов формируют азимутально-периодическое управляющее поле, обладающее глубиной вариации f, вызывающей улучшение фокусирующих свойств управляющего магнитного поля по отношению к бетатронам с традиционным, аксиально-симметричным управляющим полем. Фокусирующие свойства азимутально-периодического поля описываются приближенным выражением
²_r = 1 - <n>
²_z = <n> + f², где <n> - усредненный показатель спадания магнитного поля.
К недостаткам данной конструкции электромагнита следует отнести малое приращение фокусирующих свойств _z в вертикальном направлении и отсутствие приращения фокусирующих свойств управляющего поля _r в радиальном направлении. Это объясняется малыми значениями глубины вариации f.
Наиболее близким по технической сути к изобретению является электромагнит индукционного ускорителя заряженных частиц, содержащий обмотку возбуждения, внутри которой и соосно с ней установлены гребневые полюса и дополнительные корректирующие обмотки, размещенные в межгребневых пазах.
Увеличение фокусирующих свойств управляющего магнитного поля получают за счет дополнительных обмоток, уложенных в межгребневые промежутки каждого из полюсов, и подключенных к отдельному источнику питания.
Недостатком известного ускорителя является увеличение массы ускорителя, вызванное наличием дополнительных круговых обмоток, и габаритов, вызванное необходимостью применения дополнительного источника питания для круговых обмоток. К тому же, применение дополнительного источника питания и круговых обмоток приводит к увеличению стоимости ускорителя.
Целью настоящего изобретения является уменьшение массы, габаритов электромагнита.
Поставленная цель достигается тем, что в электромагните индукционного ускорителя заряженных частиц, содержащем обмотку возбуждения, внутри которой и соосно с нею установлены гребневые полюса и дополнительные корректирующие обмотки, размещенные в межгребневых пазах, обмотка возбуждения выполнена путем соединения между собой последовательно и согласно дополнительных корректирующих обмоток.
На фиг. 1 - закон изменения магнитного поля по азимуту (кривая 1) и закон изменения магнитного поля в рабочем зазоре с обычной обмоткой возбуждения (кривая 2);
на фиг. 2 - развертка полюсов по азимуту, размещение обмотки возбуждения и ход магнитных силовых линий основного магнитного потока и потока рассеяния обмотки возбуждения;
на фиг. 3 - вариант выполнения обмотки возбуждения.
Электромагнит включает в себя полюса, которые конструктивно состоят (см. фиг. 3) из центральной цилиндрической части 3 и выходящих из нее гребней 4. Полюса разнесены между собой по оси 5 на расстояние, необходимое для установки ускорительной камеры. В промежутках 6 между гребнями каждого из полюсов размещены круговые обмотки 7. Все круговые обмотки соединены между собой последовательно и согласно, что позволяет им одновременно выполнять роль обмотки возбуждения.
Обмотка возбуждения подключена к источнику питания электромагнита.
Электромагнит работает следующим образом.
С подключением к сети по обмотке возбуждения протекает переменный ток, который возбуждает в межполюсном рабочем зазоре азимутально-периодическое управляющее поле (см. фиг. 1) области максимальных значений его (Н_макс) расположены в плоскости, совпадающей с осевыми сечениями противолежащих гребней обоих полюсов (см. фиг. 2), а минимальных (Н_мин), формируемых в основном, потоком рассеяния с боковых поверхностей гребней, - в плоскости, проходящей на равном удалении от осевых плоскостей соседних гребней одного и того же полюса. Такое поле, как уже говорилось выше, обладает глубиной вариации f, определяемой выражением
f = .
Фокусирующие свойства такого азимутально-периодического поля характеризуются частотами бетатронных колебаний в радиальном _r и вертикальном _z направлениях и приближенно определяются выражением
²_r = 1 - <n>
²_z = <n> + f², где <n> - средний показатель спадания магнитного поля.
Очевидно, что фокусирующие свойства магнитного поля в вертикальном направлении зависят от глубины вариации. Таким образом, имея возможность увеличения f, можно уменьшать средний показатель спадания магнитного поля <n>, а это, в свою очередь, приводит к увеличению фокусирующих свойств магнитного поля в радиальном направлении. Так как значения Н_мин формируются потоком рассеяния с боковых поверхностей гребней, то применение обмотки возбуждения в виде отдельных обмоток, размещенных в межгребневых промежутках, позволяет увеличивать значения Н_макс и уменьшать Н_мин за счет экранирования упомянутой обмоткой потока рассеяния с боковых поверхностей гребней.
Таким образом, масса, габариты и стоимостные характеристики ускорителя, вследствие совмещения в обмотке возбуждения функции возбуждения колебательного контура и экранирования потока рассеяния с боковых поверхностей гребней полюсов существенно уменьшаются, а фокусирующие свойства управляющего магнитного поля увеличиваются.
Для эффективного вывода ускоренных электронов, как это имеет место например, в медицинских бетатронах, необходимо ослабление магнитного поля на пути прохождения электронов за пределами ускорительной камеры, для эффективного вывода электронов можно к одной из дополнительных обмоток подключить импульсный источник питания и в моменты, близкие к моменту вывода, менять амплитуду тока. (56) Авторское свидетельство СССР N 360008, кл. H 05 H 11/00, 1969.
Дж. Левингуд. Принцип работы циклических ускорителей. , И. Л. , М. , 1963, с. 316-321.