Бетатрон

Бетатрон, содержащий электромагнит с полюсами, расположенную внутри него ускорительную камеру и расположенные в камере устройства ввода и вывода частиц, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и упрощения конструкции, каждый из полюсов электромагнита выполнен из набора пластин из ферромагнитного материала с различным коэффициентом заполнения, при этом коэффициент заполнения в центральной части каждого полюса превышает коэффициент заполнения в остальной части каждого полюса.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке бетатронов промышленного применения.
Целью изобретения является повышение КПД устройства, упрощение его конструкции путем расширения камеры в центральной части и повышение магнитной проводимости электромагнита в его центральной части за счет переменного по радиусу полюса коэффициента заполнения полюса магнитопроводящими пластинами.
На фиг. 1 изображен предлагаемый бетатрон, поперечное сечение; на фиг. 2 тот же бетатрон в плане.
Бетатрон содержит полюса электромагнита, выполненные в виде центральной части 1 радиусом r_c и кольцевой зоны 2, которая имеет профилированную поверхность 3. Полюса установлены на некотором расстоянии друг от друга и профилированными поверхностями 3 образуют рабочий зазор 4, в котором устанавливается ускорительная камера 5. Центральная часть 1 полюсов имеет отверстие 6, которое служит для размещения патрубка 7. Через патрубок 7 в ускорительную камеру 5 устанавливается инжектор 8. Центральная часть 1 полюсов избирается из пластин 9 ферромагнитного материала (например, из электротехнической стали) с максимально возможным коэффициентом заполнения. Так как центральные вкладыши удалены, то коэффициент заполнения кольцевой зоны 2 рассчитывается из условия выполнения бетатронного соотношения при удаленных вкладышах и он значительно меньше 1. Поэтому пластины 9 из ферромагнитного материала в зоне 2 при установке чередуются с прокладками 10 из немагнитного и диэлектрического материала, например текстолита. Общее количество ферромагнитных пластин 9 и диэлектрических прокладок 10 рассчитывается по полученному значению коэффициента заполнения K_c этой зоны и конкретных геометрических размеров электромагнита бетатрона. Технология изготовления полюсов практически не отличается от общеизвестной. Полюса в этом случае могут быть изготовлены из радиально расположенных пластин. Пластины при этом изготовляются разной длины и объединяются в сектора (см. фиг. 2). Количество секторов определяется по известным геометрическим размерам полюсов. Отличие заключается в том, что часть пластин 9 из ферромагнитного материала заменяется на прокладки 10 соответствующей длины.
При работе устройства в межполюсном зазоре возбуждается переменное во времени магнитное поле, которое одновременно обеспечивает ускорение и удержание на круговой орбите ускоряемых частиц.
В процессе ускорения должно выполняться бетатронное условие
(1)
где B_о индукция поля на равновесной орбите;
индукция, средняя на площади, охватываемой равновесной орбитой.
Ввиду отсутствия центральных вкладышей, бетатронное соотношение необходимо обеспечить, изготовив полюса с переменным коэффициентом заполнения ферромагнитным материалом, так как
(r) = B S(r) K_c(r), (2)
где (r) магнитный поток, необходимый для целей ускорения;
S площадь полюса;
K_c коэффициент заполнения.
Магнитный поток (r_o), необходимый для целей ускорения при выбранной равновесной орбите, можно представить
(r_o) = ₁+ ₂, (3)
где
(r_o) = 2 r²_oB_o (4)
поток, проходящий через центральную часть полюсов радиусом r_c; ₂ магнитный поток, проходящий в кольцевой области между r_o и r_о B₅, K_c1 индукция насыщения магнитного материала и коэффициент заполнения центральной части полюса.
Обычно K_c1=0,9-0,95, поэтому для упрощения дальнейших расчетов полагают K_c1 приблизительно 1.
В свою очередь величина ₂ зависит от выбранного показателя спадания поля n в указанной кольцевой области:
(5)
Подставляя уравнения (4) и (5) в выражение (3) получают
(6)
Из выражения (6) путем подстановки
(7)
получают
(8)
Но левую часть выражения (8) можно представить в виде
B_e=B_s K_c/2
Тогда

Учитывая, что в действующих бетатронах
= 1,5-2,5
имеют
K_c=0,15-0,3.
Таким образом, для выполнения бетатронного соотношения при удаленных из межполюсного зазора центральных вкладышах полюса должны быть набраны с переменным коэффициентом заполнения, причем центральная часть полюсов радиусом r_c набирается из указанных пластин с максимально возможным коэффициентом заполнения, близким к 1, а коэффициент заполнения остальной части полюса выбирается из условия выполнения бетатронного соотношения (2:1) и он значительно меньше 1. Коэффициент заполнения в этой части полюса определяет необходимое число пластин.
Кроме бетатронного соотношения (2:1) в рабочем зазоре 4 необходимо выдержать заданное значение показателя спадания поля . Для устойчивого движения ускоряемых частиц необходимо, чтобы n было заключено в пределах O<n<1. Заданное значение обеспечивается выбором угла наклона профилированной поверхности 3 с учетом влияния немагнитных прокладок 10. Коррекция показателя спадания поля может осуществляться выполнением корректирующего выступа 11 как в известных конструкциях, так и изменением положения и числа немагнитных прокладок 10. Обратный магнитопровод 12 может быть Ш-образного или многостоечного типа. Намагничивающая катушка 13 такая же, как и в известных конструкциях.
В предлагаемом бетатроне частицы ускоряются вихревым электрическим полем (как и в известных конструкциях). Частицы, вышедшие из инжектора, движутся по разворачивающейся спирали и попадают на равновесную орбиту радиусом r_c. Так как в процессе движения частицы смещаются на больший радиус, то уменьшается вероятность их соударений с инжектором. Магнитное поле легко подобрать таким образом, что, начиная с радиуса инжекции r_i, будет осуществляться фокусировка частиц по r и z направлениям. Все это приводит к тому, что увеличивается коэффициент захвата частиц в режим ускорения и в конечном итоге повышается КПД ускорителя и производительность работ с его использованием. Удаление центральных вкладышей из рабочего зазора приводит к упрощению конструкции ускорительной камеры.
Бетатрон, содержащий электромагнит с полюсами, расположенную внутри него ускорительную камеру и расположенные в камере устройства ввода и вывода частиц, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и упрощения конструкции, каждый из полюсов электромагнита выполнен из набора пластин из ферромагнитного материала с различным коэффициентом заполнения, при этом коэффициент заполнения в центральной части каждого полюса превышает коэффициент заполнения в остальной части каждого полюса.