Способ индукционного ускорения электронов и устройство для его осуществления

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.
2. Устpойство для индукционного ускоpения электpонов, содеpжащее электpомагнит с симметpичными относительно медианной плоскости полюсными и центpальными вкладышами, отличающееся тем, что, с целью повышения импульсной интенсивности ускоpенного пучка, в него введены дополнительные сектоpные обмотки, pасположенные на обpащенных к медианной плоскости повеpхностях полюсов, и генеpатоp импульсного тока, пpи этом дополнительные сектоpные обмотки выполнены в виде симметpично pасположенных относительно медианной плоскости паp, котоpые pасположены пеpиодически по азимуту ускоpителя, соседние по азимуту паpы включены встpечно одна дpугой, и все сектоpные обмотки подключены к генеpатоpу импульсного тока.

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 < _x< 2, 1 < _z< 2.
Предельное число удерживаемых частиц N_пред в этом случае определяется выражением
N_пред< _z ^{3 2} , (1) а для случая слабой фокусировки
N_пред< ³ ( n_рез) ², (2) где - фактор группировки частиц;
a, b - полуоси эллиптического сечения пучка;
R - радиус равновесной орбиты;
r₀= - классический радиус частицы, с - скорость света;
= ( 1 - ² ) ^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 _z ( n_рез), где n_рез << 1 - изменение эффективного показателя спада поля, которое приводит рабочую точку ускорителя к ближайшему опасному резонансу в слабо фокусирующем ускорителе; _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
_x ; _z= ; _{z 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 = _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 (r) = N , 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 (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 _имп - индукция импульсного магнитного поля;
_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<sub>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 (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 > _x > 0, 1 > _z> 0) в область сильной фокусировки.
В момент времени t₂ (фиг. 1), соответствующий соотношению
E_i ~ _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 _zи/ _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.