Источник тормозного излучения с фокусным пятном малых размеров


 


Владельцы патента RU 2462844:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке источников тормозного излучения. Технический результат - повышение выхода тормозного излучения с фокусным пятном малых размеров и его отношения к выходу паразитного излучения. В устройстве, которое содержит магнитопровод, обмотки возбуждения, полюсы, центральные вкладыши, ускорительную камеру, мишень, расположенную в ускорительной камере и имеющую размеры, меньшие размеров сечения пучка, облучающего мишень, и установленную на держателе, держатель выполнен из отдельного углеродного волокна, а мишень на держателе расположена в объеме, в пределах которого происходит ускорение электронов. Устройство выполнено с изменяющимся в течение цикла ускорения соотношением между магнитной индукцией в центральных вкладышах и магнитной индукцией в межполюсном пространстве. Против окна выхода излучения ускорительной камеры установлен коллиматор и очищающий магнит. Обмотки возбуждения выполнены с возможностью питания током с малой мощностью гармоник с частотой, близкой к собственной частоте механических колебаний, мишени на держателе, магнитопровода, полюсов, центральных вкладышей, обмоток возбуждения и ускорительной камеры. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке источников тормозного излучения на основе циклических ускорителей заряженных частиц, например бетатронов.

Известен источник тормозного излучения (Быстров Ю.А., Иванов С.А Ускорители и рентгеновские приборы, М.: Высшая школа, 1976, с.90-98), содержащий магнитопровод, обмотки возбуждения, полюсы, центральные вкладыши, обмотки смещения, ускорительную камеру, мишень, расположенную в ускорительной камере вне области ускорения электронов в пределах области перемещения пучка, смещенного с равновесной орбиты на мишень, с размерами, превышающими размеры сечения пучка, облучающего мишень.

Фокусное пятно тормозного излучения этого устройства имеет большие размеры, что ограничивает применение этого устройства, например, в промышленной томографии.

Известно, выбранное в качестве прототипа, устройство для реализации способа получения фокусного пятна тормозного излучения малых размеров в циклическом ускорителе заряженных частиц (патент РФ №2072643), который включает ускорение электронов на равновесной орбите, смещение электронов с равновесной орбиты с оптимальной, обеспечивающей получение максимальной мощности дозы тормозного излучения, радиальной скоростью на мишень, выполненную из металла с большим атомным номером и с размерами, меньшими размеров сечения пучка смещенных электронов, и установленную на держателе, выполненном из металла с малым атомным номером.

Устройство содержит магнитопровод, обмотки возбуждения, полюсы, центральные вкладыши, обмотки смещения, ускорительную камеру, мишень, расположенную в ускорительной камере вне области ускорения электронов в пределах области перемещения пучка, смещенного с равновесной орбиты на мишень, с размерами, меньшими размеров сечения пучка, облучающего мишень, и установленную на держателе, выполненном из металла с малым атомным номером.

В этом устройстве облучающий мишень смещенный с равновесной орбиты пучок имеет размеры сечения большие и соответственно меньшую плотность тока, чем размеры сечения и плотность пучка электронов в процессе ускорения на равновесной орбите, вследствие отсутствия в процессе смещения условий фокусировки электронов, подобных действующим на равновесной орбите в процессе ускорения. При этом в кратковременном импульсном процессе смещения только незначительная часть электронов смещенного пучка попадает на мишень, а остальные проходят мимо мишени и облучают не только держатель, но и элементы конструкции ускорительной камеры с генерацией паразитного тормозного излучения. Кроме того, тормозное излучение сопровождается потоком электронов, рассеянных держателем, мишенью и конструктивными элементами ускорительной камеры и прошедших через стенку ускорительной камеры.

В результате формируется фокусное пятно малых размеров, задаваемое мишенью малых размеров, с относительно небольшим выходом тормозного излучения, на фоне источника паразитного тормозного и электронного излучения большой площади со сложным распределением и относительно большим суммарным выходом.

Кроме того, генерация импульсного процесса смещения посредством обмоток смещения, а также питание обмоток возбуждения импульсами тока с неизбежным наличием гармоник с частотами, близкими к собственным механическим резонансным частотам мишени на держателе, магнитопровода, полюсов, центральных вкладышей, обмоток возбуждения и ускорительной камеры неизбежно приводит к резонансным колебаниям мишени, что увеличивает размеры эффективного фокусного пятна по сравнению с размерами мишени.

Задачей настоящего изобретения является повышение выхода тормозного излучения с фокусным пятном малых размеров и его отношения к выходу паразитного излучения.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве, которое содержит магнитопровод, обмотки возбуждения, полюсы, центральные вкладыши, ускорительную камеру, мишень, расположенную в ускорительной камере и имеющую размеры, меньшие размеров сечения пучка, облучающего мишень, и установленную на держателе, держатель выполнен из отдельного углеродного волокна, а мишень на держателе расположена в объеме, в пределах которого происходит ускорение электронов.

Дополнительно, устройство выполнено с изменяющимся в течение цикла ускорения соотношением между магнитной индукцией в центральных вкладышах и магнитной индукцией в межполюсном пространстве, в пределах которого происходит ускорение электронов.

Дополнительно, против окна выхода излучения ускорительной камеры установлен коллиматор и очищающий магнит.

Дополнительно, обмотки возбуждения выполнены с возможностью питания током с малой мощностью гармоник с частотой, близкой к собственной частоте механических колебаний мишени на держателе, магнитопровода, полюсов, центральных вкладышей, обмоток возбуждения и ускорительной камеры.

Отличительными от прототипа признаками являются выполнение держателя из отдельного углеродного волокна, расположение мишени на держателе в объеме ускорительной камеры, в пределах которого происходит ускорение электронов, выполнение устройства с изменяющимся в течение цикла ускорения соотношением между магнитной индукцией в центральных вкладышах и магнитной индукцией в межполюсном пространстве, в пределах которого происходит ускорение электронов, и выполнение обмоток возбуждения с возможностью питания током с малой мощностью гармоник с частотой, близкой к собственной частоте механических колебаний мишени на держателе, магнитопровода, полюсов, центральных вкладышей, обмоток возбуждения, наличие коллиматора и очищающего магнита против окна выхода излучения ускорительной камеры.

Наименьшая из возможных толщина держателя (6-7 мкм) в виде отдельного углеродного волокна обеспечивает наибольшее отношение токов электронов на мишень и на держатель, которое, совместно с соотношением размеров, атомных номеров и плотностей материалов мишени и держателя, дает наибольшее соотношение выходов тормозного излучения из мишени и держателя.

Выполнение держателя из отдельного углеродного волокна позволяет выполнить мишень с минимальными размерами вплоть до толщины углеродного волокна. Выполнение мишени таких размеров на держателе из отдельного углеродного волокна позволяет расположить мишень на держателе в объеме, в пределах которого происходит ускорение электронов и где пучок электронов имеет наибольшую плотностью тока.

Дополнительно, выполнение устройства с изменяющимся в течение цикла ускорения соотношением между магнитной индукцией в центральных вкладышах и магнитной индукцией в межполюсном пространстве, в пределах которого происходит ускорение электронов, приводит к изменению радиуса равновесной орбиты в течение цикла ускорения и, при расположении мишени на радиусе, равном конечному значению изменяющегося радиуса равновесной орбиты, обеспечивает наименьший выход электронов из процесса ускорения в начале цикла ускорения, когда электроны имеют еще небольшую энергию, из-за взаимодействия с мишенью и держателем и наибольший выход тормозного излучения в конце цикла ускорения. При этом благодаря малым толщинам и размерам мишени и держателя выход электронов из процесса ускорения с облучением элементов конструкции ускорительной камеры относительно небольшой, а мишень облучается пучком электронов с наибольшей возможной энергией и плотностью для данного устройства, что обеспечивает наибольший выход тормозного излучения из мишени.

Установленные против окна коллиматор и очищающий магнит отфильтровывают тормозное излучение из мишени от паразитного тормозного и электронного излучений из элементов конструкции ускорительной камеры.

Этим обеспечивается высокое абсолютное значение выхода тормозного излучения из мишени малых размеров, а значит выхода тормозного излучения с фокусным пятном малых размеров и его высокое соотношение с выходом паразитного излучения из держателя и элементов конструкции ускорительной камеры. Отсутствие импульсного процесса смещения электронов с равновесной орбиты с неизбежными гармониками с частотами, близкими к собственной механической частоте мишени на держателе, исключает резонансные колебания мишени, обусловленные генерацией процесса смещения, а значит и соответствующее увеличение эффективного размера фокусного пятна.

Выполнение обмоток возбуждения с возможностью питания током с малой мощностью гармоник с частотой, близкой к собственной частоте механических колебаний мишени на держателе, магнитопровода, полюсов, центральных вкладышей, обмоток возбуждения и ускорительной камеры уменьшает, а при питании синусоидальным переменным током с частотой, намного отличающейся от частоты собственных колебаний, практически исключает резонансные колебания мишени.

На фигуре показано предлагаемое устройство.

Устройство содержит магнитопровод 1, обмотки возбуждения 2, полюсы 3, центральные вкладыши 4, ускорительную камеру 5 с вводом 6, на котором закреплен держатель 7 в виде отдельного углеродного волокна толщиной около d=6 мкм с мишенью 8, например, диаметром D=100 мкм. Соосно с окном 9 выхода излучения установлен коллиматор 10 и очищающий магнит 11.

Магнитопровод, полюсы, центральные вкладыши, обмотки возбуждения выполнены на основе известных технических решений (Ананьев Л.М., Воробьев А.А., Горбунов В.И. Индукционный ускоритель электронов - бетатрон. М.: Госатомиздат, 1961, с.84.) и настроены так, что в каждом цикле ускорения, например, за счет нелинейности характеристики магнитного материала полюсов 3 и центральных вкладышей 4, коэффициента их заполнения магнитным материалом и подбора амплитуды тока в обмотках возбуждения 2 в цикле ускорения радиус равновесной орбиты уменьшается от R01 до R02.

Мишень 8 на держателе 7 из отдельного углеродного волокна установлена, например, на радиусе R0≅R02.

После инжекции электроны ускоряются на равновесной орбите с радиусом R01, пока индукция в полюсах и центральных вкладышах пропорциональна увеличивающемуся току в обмотках возбуждения. При этом электроны, совершая бетатронные колебания относительно равновесной орбиты, практически не попадают на мишень 8 и держатель 7 благодаря малым размерам мишени 8 и малой толщине держателя 7 из отдельного углеродного волокна и их положению на радиусе R02.

При дальнейшем увеличении тока в обмотках возбуждения 2, например, индукция в центральных вкладышах 4 возрастает все медленнее, чем ток в обмотках возбуждения 2 и индукция в полюсах 3. Это приводит к медленному уменьшению радиуса равновесной орбиты от R01 до R02, и пучок ускоряемых электронов подходит к мишени 8 на держателе 7. При этом мишень 8 и часть держателя 7, примыкающая к мишени 8, облучаются потоком электронов все с большей плотностью вплоть до максимальной величины, и выход тормозного излучения соответственно возрастает как за счет увеличения тока ускоряемых электронов, так и их энергии. Только те электроны, которые испытали относительно большие потери энергии при взаимодействии с мишенью и держателем и рассеянные ими на относительно большие углы, выходят из процесса ускорения, попадают на элементы конструкции ускорительной камеры и генерируют при взаимодействии с ними паразитное тормозное излучение. Остальные же ускоряются и, или попадают на мишень 8 и часть держателя 7, или замедляются при уменьшении тока в обмотках возбуждения 2 после максимального значения тока, совершая колебания относительно равновесной орбиты без генерации тормозного излучения.

Выходящее из мишени 8 и части держателя 7 тормозное излучение выходит через окно выхода 9, проходит апертуру коллиматора 10 и межполюсное пространство очищающего магнита 11. Коллиматор 10 ограничивает телесный угол выхода тормозного излучения так, что тормозное излучение из удаленной от мишени 8 части держателя 7 и от элементов ускорительной камеры 5, облучаемых электронами, выходящими из процесса ускорения после взаимодействия с мишенью 8 и держателем 7, поглощается материалом коллиматора 10. Магнитное поле очищающего магнита 11 убирает из пучка тормозного излучения сопутствующие ему выбывающие из процесса ускорения электроны и эмиссионные электроны из материала окна выхода 9 излучения и материала коллиматора 10.

При питании током с частотой, например, 50 Гц мишень 8 на держателе 7, которая имеет собственную частоту колебаний, равную нескольким сотням Гц, практически неподвижна.

Таким образом, после очищающего магнита 10 пучок тормозного излучения практически состоит только из квантов, выходящих из мишени 8, а размер фокуса пучка практически равен размеру мишени 8.

1. Источник тормозного излучения с фокусным пятном малых размеров, содержащий магнитопровод, обмотки возбуждения, полюсы, центральные вкладыши, ускорительную камеру, мишень, расположенную в ускорительной камере и имеющую размеры, меньшие размеров сечения пучка, облучающего мишень, и установленную на держателе, отличающийся тем, что держатель выполнен из отдельного углеродного волокна, а мишень на держателе расположена в объеме, в пределах которого происходит ускорение электронов.

2. Источник тормозного излучения по п.1, отличающийся тем, что выполнен с изменяющимся в течение цикла ускорения соотношением между магнитной индукцией в центральных вкладышах и магнитной индукцией в межполюсном пространстве, в пределах которого происходит ускорение электронов.

3. Источник тормозного излучения по п.1, отличающийся тем, что против окна выхода излучения ускорительной камеры установлен коллиматор и очищающий магнит.

4. Источник тормозного излучения по п.1, отличающийся тем, что обмотки возбуждения выполнены с возможностью питания током с малой мощностью гармоник с частотой, близкой к собственной частоте механических колебаний мишени на держателе, магнитопровода, полюсов, центральных вкладышей, обмоток возбуждения и ускорительной камеры.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области циклотронной техники и может быть использовано в компактных изохронных циклотронах. .

Изобретение относится к ускорительной и СВЧ технике. .

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано при выполнении лучевой терапии злокачественных опухолей пучками адронов. .

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано при выполнении лучевой терапии злокачественных опухолей пучками адронов. .

Изобретение относится к медицинской технике и используется при выполнении лучевой терапии злокачественных опухолей пучками адронов, конкретно при лечении злокачественных опухолей молочной железы пучками протонов и ионов углерода.

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано при выполнении лучевой терапии злокачественных опухолей пучками адронов. .

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано при выполнении лучевой терапии злокачественных опухолей. .

Изобретение относится к ускорителям заряженных частиц. .

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано при выполнении лучевой терапии злокачественных опухолей. .

Изобретение относится к области физики пучков заряженных частиц и ускорительной техники

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в средствах неразрушающего контроля материалов и изделий

Изобретение относится к ускорительной технике

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано при выполнении лучевой терапии злокачественных опухолей поджелудочной железы пучками адронов

Заявленное изобретение относится к источникам излучения с множеством уровней энергии. В заявленном способе для приведения частоты подаваемой к ускорителю РЧ энергии в соответствие с резонансной частотой ускорителя предусмотрено использование устройств автоматической подстройки частоты. В одном варианте, где генератором мощных радиочастотных импульсов является механически настраиваемый магнетрон, предусмотрена автоматическая подстройка частоты для приведения частоты мощных РЧ импульсов одного уровня энергии в соответствие с резонансной частотой ускорителя во время подачи этих мощных РЧ импульсов, а управление магнетроном выполняется так, чтобы частотный сдвиг в магнетроне при другом уровне энергии питания, по меньшей мере частично, соответствовал бы сдвигу резонансной частоты ускорителя во время подачи этих РЧ импульсов. В других вариантах, когда генератором мощных радиочастотных импульсов является клистрон или электрически настраиваемый магнетрон, для каждого уровня энергии РЧ импульсов предусмотрено отдельное устройство автоматической подстройки частоты. Техническим результатом является повышение эффективности исследования содержимого различных объектов без их вскрытия. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к реактивным средствам перемещения преимущественно в свободном космическом пространстве. Предлагаемое средство перемещения содержит корпус (1), полезную нагрузку (2), систему управления и не менее одной кольцевой системы сверхпроводящих фокусирующе-отклоняющих магнитов (3). Каждый магнит (3) прикреплен к корпусу (1) силовым элементом (4). Предпочтительно использовать две описанных кольцевых системы, расположенных в параллельных плоскостях («друг над другом»). Каждая кольцевая система предназначена для длительного хранения циркулирующего в ней потока (5) высокоэнергичных электрически заряженных частиц (релятивистских протонов). Потоки в кольцевых системах взаимно противоположны и вводятся в эти системы перед полетом (на орбите старта). К выходу одного из магнитов (3) «верхней» кольцевой системы прикреплено устройство (6) для выведения части потока (7) во внешнее космическое пространство. Аналогично производится выведение части потока (9) через устройство (8) одного из магнитов «нижней» кольцевой системы. Потоки (7) и (9) создают реактивную тягу. Устройства (6) и (8) могут быть выполнены в виде отклоняющей магнитной системы, нейтрализатора электрического заряда потока или ондулятора. Техническим результатом изобретения является увеличение энергоотдачи рабочего тела, создающего тягу. 1 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике ускорения частиц. Ускоритель (100) частиц содержит питающее устройство (110), возбуждающие блоки (120) на твердотельных переключателях, секции (130) магнитного сердечника и устройство (140) управления переключателями. Возбуждающие блоки (120) соединены с питающим устройством (110) для получения от него электрического питания, и каждый возбуждающий блок содержит твердотельный переключатель, управляемый электрически для включения и выключения для избирательной подачи возбуждающих импульсов на выход возбуждающего блока. Секции (130) магнитного сердечника расположены симметрично вдоль центральной оси пучка, и каждый сердечник в секции соединен с соответствующим возбуждающим блоком (120) через электрическую обмотку, соединенную с выходом возбуждающего блока. Устройство (140) управления переключателями соединено с возбуждающими блоками (120) для подачи сигналов, управляющих включением и выключением твердотельных переключателей, для избирательного возбуждения магнитных сердечников, чтобы создать электрическое поле для ускорения пучка заряженных частиц вдоль оси пучка. Технический результат - повышение надежности и безопасности ускорителя. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

Заявленное изобретение относится к способу соединения криомодулей коллайдера, а также коаксиальных труб из разнородных металлов в различных криогенных устройствах, используемых при экстремальных температурных и агрессивных условиях и при больших перепадах давлений. В заявленном способе вначале изготавливают фланец. Из нержавеющей стали вырезают диск (2), затем диск плакируют с двух сторон листами ниобия или титана (3) за счет соединения (5), осуществляемого сваркой взрывом. Полученный диск из триметалла правят и обтачивают до размера, равного внешнему диаметру кожуха коллайдера. Далее по центру диска вырезают отверстие диаметром, равным внешнему диаметру ниобиевого патрубка (1), который вставляют в отверстие изготовленного фланца и приваривают (соединение 4) по обеим сторонам отверстия к кромкам листов из ниобия или титана электронно-лучевой сваркой. Для полного устранения образования интерметаллидов сварку взрывом стального диска с листами ниобия или титана осуществляют через никелевую прослойку. Техническим результатом является обеспечение необходимой точности размеров переходника, исключение образования интерметаллидов в сварном соединении, устранение возможности протечки жидкого гелия в полость ниобиевого резонатора, снижение расхода материалов при изготовлении патрубка. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Заявленное изобретение относится к способу увеличения временной длительности выведенного из синхроциклотрона протонного пучка при помощи С-электрода. В заявленном способе вместо принципа синхроциклотронного медленного доускорения пучка по способу-прототипу применяется принцип продольной модуляции импульса протонов при помощи С-электрода, что обеспечивает осуществление радиальной резонансной раскачки протонов с возрастанием их амплитуды и вывода их из ускорителя. Техническим результатом является повышение энергетической монохроматичности пучка примерно в 100 раз и полное исключение импульсной временной микроструктуры пучка, что повышает качество растянутого пучка синхроциклотрона и расширяет возможности его использования при проведении физических экспериментов.

Изобретение относится к ускорителю для ускорения заряженных частиц. Заявленный ускоритель содержит, по меньшей мере, два последовательно установленных по ходу луча высокочастотных резонатора, с помощью которых ускоряется импульсная последовательность, содержащая несколько пучков частиц. Также ускоритель содержит устройство управления для управления высокочастотными резонаторами. С помощью устройства управления соответствующие высокочастотные поля, создаваемые в высокочастотных резонаторах во время ускорения импульсной последовательности, регулируются независимо друг от друга таким образом, что при ускорении импульсной последовательности несколько пучков частиц импульсной последовательности получают разные ускорения. Кроме того, изобретение предусматривает регулирование создаваемых полей в высокочастотных резонаторах во время ускорения импульсной последовательности независимо друг от друга таким образом, что при ускорении импульсной последовательности несколько пучков импульсной последовательности частиц получают разные ускорения. Техническим результатом является повышение эффективности ускорения заряженных частиц разного рода до различных энергий с возможностью повышения гибкости управления работой ускорителя, а также возможность быстрого облучения большого диапазона глубин. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх