Индукционный циклический ускоритель электронов

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в области физики частиц высоких энергий, промышленности, медицины и научных исследований. Заявленный циклический ускоритель электронов включает в себя отклоняющие дипольные магниты, индукционную ускоряющую систему, системы ввода и вывода пучка, расположенные на прямолинейных участках. Для ускорения электронов в диапазоне энергий ~0,3-10 МэВ ускоритель включает в себя генератор возбуждения витков индукторов ускоряющей системы прямоугольной волной напряжения. Длительность ускоряющих импульсов волны равна не ½ длительности периода обращения электронов на орбите, которая составляет несколько наносекунд, а длительности полного цикла ускорения от энергии инжекции до заданной конечной энергии ~10^-4-10^-6 с. Для сохранения равновесного радиуса орбиты при ускорении и медленном выводе электронов ускоритель содержит генератор питания отклоняющих дипольных магнитов, обладающий свойством возбуждения трапецеидальной волны магнитной индукции. Ускоритель также содержит жесткофокусирующую систему в отклоняющих дипольных магнитах и прямолинейных участках. Техническим результатом является увеличение средней мощности ускоренного пучка электронов, уменьшение габаритов и веса ускорителя, упрощение ускоряющей системы и увеличение диапазона регулировки энергии ускоренных электронов. 4 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании индукционных циклических ускорителей промышленного назначения, например, для модификации и производства новых материалов, стерилизации медицинских инструментов и пищевых продуктов, дезинфекции медицинских и др. отходов, очистки дымовых газов промышленных предприятий от вредных SO_x и NO_x окислов.

Уровень техники

Известны ускорители электронов для промышленных технологий типа ЭЛВ [1]. Это ускорители прямого действия, в которых ускоряющее электрическое поле создается разностью постоянных потенциалов между катодом и анодным электродом. Для вывода пучка из ускорителя анод должен находиться под потенциалом земли, поэтому в ускорителях прямого действия катод находится под напряжением, равным энергии ускоренных электронов. При энергии 2,5 МэВ на катоде будет напряжение 2,5 MB, и конструкция ускорителя прямого действия должна обеспечивать электрическую изоляцию катода на постоянное напряжение, равное максимальной допустимой энергии. Это определяет большие размеры ускорителей прямого действия (высота более 4 м).

В высокочастотных ускорителях (к которым относятся ускорители типа ИЛУ) для ускорения электронов используется переменное высокочастотное (ВЧ) электрическое поле, поэтому вопрос обеспечения электрической изоляции решается проще. В ускорителях типа ИЛУ электроны ускоряются в зазоре ВЧ резонатора высокой добротности. Резонатор возбуждается ВЧ генератором через петлю связи, и ВЧ цепь работает как повышающий трансформатор.

Ускорители типа ИЛУ [2-4] являются однорезонаторными машинами, работающими в режиме стоячей полуволны. Рабочие частоты ускорителей ИЛУ находятся в метровом диапазоне радиоволн - 118 МГц (ИЛУ-6 и ИЛУ-10) и 180 МГц (ИЛУ-8). Длина ускоряющего промежутка ускорителя ИЛУ-8 - 3,6 см, ИЛУ-6 - 16 см, ИЛУ-10 - 26 см. Ускоряющий зазор у этих машин короче длины волны в вакууме, поэтому, чтобы в процессе ускорения электроны приобретали энергию, практически равную максимальному напряжению на резонаторе в ускорителях ИЛУ, используется триодная электронная пушка (имеющая управляющий электрод), расположенная непосредственно перед ускоряющим зазором.

Использование управляющего напряжения на электронной пушке позволяет быстро регулировать ток пучка и уменьшает фазовый угол инжекции, что существенно снижает разброс энергии электронов в пучке.

Ускорители типа ИЛУ имеют свои достоинства и недостатки по отношению к самому распространенному типу ускорителей, ускорителям прямого действия, к которым относятся и производимые ИЯФ ускорители типа ЭЛВ. Ускорители ИЛУ - это импульсные машины. Их габариты меньше (высота 2-2,4 м), а энергия ускоренных электронов больше (1-5 Мэв),чем у ускорителей ЭЛВ. Они не нуждаются в баке с сжатым элегазом SF₆ для газовой изоляции высоковольтных частей ускорителя. В ускорителе ИЛУ-10 на триодную электронную пушку подается ВЧ напряжение с регулируемым фазовым сдвигом относительно ускоряющего напряжения, что изменяет фазовый угол инжекции и уменьшает разброс энергий электронов в пучке.

К недостаткам ускорителей ИЛУ относятся: относительно низкий коэффициент преобразования потребляемой из сети электрической мощности в мощность пучка, а максимальная мощность ускорителей (до 50 кВт) ограничена мощностью производимых генераторных ламп.

В отличие от линейных ускорителей ЭЛВ и ИЛУ циклические ускорители не имеют высоковольтных ускоряющих систем с напряжением порядка 1-5 MB. Требуемую энергию электроны приобретают при многократном прохождении ускоряющего зазора с напряжением средней величины [5, 6]. Для радиационных технологий, используемых в промышленности, требуются ускоренные пучки электронов с энергией 0,5-10 МэВ. Циклические ускорители в таком диапазоне энергий гораздо компактнее и дешевле ускорителей прямого действия и СВЧ ускорителей.

Индукционные циклические ускорители [5, 6] и критерии, предложенные в этих работах, имеют малую массу магнитного материала и не имеют перестраиваемых резонансных ускоряющих структур, но они предназначены для индукционного ускорение легких частиц - электронов, которые быстро набирают скорость на первых оборотах, а основной процесс ускорения ведется при скорости частиц, близкой к скорости света.

В ускорителе [5, 6] ускорение электронов ведется во время ½ периода обращения электронов (τ), во время второй половины периода происходит перемагничивание сердечников индукторов, что приводит их в исходное состояние. Малая величина периода обращения требует формирования коротких, наносекундных импульсов с фронтами <1 нс.

В качестве прототипа выбираем ускоритель [5, 6]. Этот индукционный ускоритель содержит: отклоняющую магнитную систему с нарастающим во времени магнитным полем и средней величиной магнитной индукции, много меньшей индукции магнитного поля на орбите; (магнитного поле отклоняющей системы имеет на орбите знакопеременный градиент с показателем поля, много большим единицы) (сильная фокусировка); индукционную импульсную ускоряющую систему с ускоряющим напряжением Vacc=R₀LdB/dt, где R₀ - равновесный радиус орбиты, постоянный при ускорении, L - суммарный период орбиты, dB/dt - скорость изменения магнитной индукции, фокусирующую систему, системы инжекции и вывода электронов. Сложности формирования наносекундных ускоряющих импульсов (1/2τ) с фронтами <10^-9 сек препятствуют уменьшению суммарного периметра орбиты электронов (с учетом прямолинейных участков) и сокращению длительности периода обращения электронов, уменьшению габаритов и стоимости ускорителя, снижают КПД и среднюю мощность пучка.

Раскрытие изобретения

Изобретение решает задачу увеличение средней мощности ускоренного пучка, а также уменьшение габаритов и веса ускорителя путем уменьшения периметра орбиты и сокращения периода цикла, упрощение и удешевление ускоряющей системы, снижения стоимости ускорителя и увеличения диапазона регулировки энергии ускоренных электронов.

Поставленная цель достигается тем, что циклический ускоритель электронов, включающий вакуумный корпус, состоящий из дугообразных и прямолинейных участков, систему отклоняющих магнитов, расположенных на дугообразных участках, соединенных с генераторами питания обмоток отклоняющих магнитов, индукционно ускоряющую систему, состоящую из набора ферромагнитных сердечников-индукторов и витков возбуждения индукторов, соединенных с генераторами импульсного напряжения ускоряющих импульсов, фокусирующую систему, поперечное сечение каждого из индукторов ускоряющей системы соответствует условию

,

где ΔB_ind≤2B_S - заданное изменение индукции в ускоряющем сердечнике в процессе ускорения, B_S - индукция насыщения сердечника, T₀ - длительность полного цикла ускорения от энергии инжекции до конечной заданной энергии, V_ind - напряжение на возбуждающем витке индуктора, при этом генератор импульсного напряжения обладает свойством возбуждения витков индукторов прямоугольной волной с амплитудой V_ind равной:

где ΔР=P_max-P₀ - заданный прирост импульса электронов в процессе ускорения (P₀ - импульс электронов инжекции, P_max - импульс электронов в конце процесса ускорения), L=2πR₀+∑l - периметр орбиты электронов (R₀ - заданный равновесный радиус орбиты электронов, ∑l - заданная суммарная длительность прямолинейных участков), n - число индукторов в индукционной секции, е - заряд электрона, Т₀ - длительность ускоряющего импульса прямоугольной волны, равная заданной длительности цикла ускорения электронов, а генератор питания обмоток отклоняющих магнитов обладает свойством возбуждения трапецеидальной волны магнитной индукции с параметрами:

а) амплитудой B_max, равной

,

где W_max и β_max - заданные энергия и относительная скорость электронов в конце процесса ускорения, R₀ - заданный радиус равновесной орбиты в отклоняющих магнитах, е - заряд электрона, с - скорость света;

б) длительностью линейного роста волны T₀, равной заданному времени цикла ускорения;

в) длительностью плоской вершины волны T₁, равной заданному времени медленного вывода электронов.

Отличительными признаками изобретения является следующее: поперечное сечение каждого из индукторов ускоряющей системы соответствует условию:

,

где ΔB_ind≤2B_S - заданное изменение индукции в ускоряющем сердечнике в процессе ускорения, B_S - индукция насыщения сердечника, T₀ - длительность полного цикла ускорения от энергии инжекции до конечной заданной энергии, V_ind - напряжение на возбуждающем витке индуктора,

при этом генератор импульсного обладает свойством возбуждения витков индукторов прямоугольной волной с амплитудой V_ind, равной:

где ΔP=P_max-P₀ - заданный прирост импульса электронов в процессе ускорения (P₀ - импульс электронов инжекции, P_max - импульс электронов в конце процесса ускорения), L=2πR₀+∑l - периметр орбиты электронов (R₀ - заданный равновесный радиус орбиты электронов, ∑l - заданная суммарная длительность прямолинейных участков), n - число индукторов в индукционной секции, е - заряд электрона, T₀ - длительность ускоряющего импульса прямоугольной волны, равная заданной длительности цикла ускорения электронов,

генератор питания обмоток отклоняющих магнитов обладает свойством возбуждения трапецеидальной волны магнитной индукции с параметрами:

амплитудой B_max, равной

,

где W_max и β_max - заданные энергия и относительная скорость электронов в конце процесса ускорения, R₀ - заданный радиус равновесной орбиты в отклоняющих магнитах, е - заряд электрона, с - скорость света;

б) длительностью линейного роста волны T₀, равной заданному времени цикла ускорения;

в) длительностью плоской вершины волны T₁, равной заданному времени медленного вывода электронов.

Совокупность выше указанных признаков позволяет сократить длительность периода обращения ускоряемых электронов на равновесной орбите путем уменьшения равновесного радиуса орбиты R₀, уменьшения длины прямолинейных участков, что сопровождается сокращением времени обращения электронов на равновесной орбите и приведет к увеличению средней мощности ускоренного пучка, уменьшению габаритов и веса ускорителя. Ускоряющая система, формирующая прямоугольную волну с импульсами длительностью ~ 10^-4-10^-6с существенно проще и дешевле системы, формирующей и синхронизирующей с пучком серию наносекундных импульсов, с фронтами ≤10^-9с. Регулировка энергии ускоренных электронов осуществляется изменением длительности индукционного электрического поля.

Перечень иллюстраций

Фиг.1. (приложение 1) Схема ускорителя;

Фиг.2. (приложение 1) Схемы сердечников отклоняющих магнитов;

Фиг.3. (приложение 2) Схема индукционной ускоряющей секции;

Фиг.4. (приложение 2) Форма волн индукции ведущего магнитного поля и ускоряющего напряжения индукторов.

Описание иллюстраций

Схема циклического ускорителя приведена на Фиг.1 (Приложение 1), где: (1) - система отклоняющих магнитов с сильной фокусировкой; (2) - индукционная ускоряющая система; (3) - системы ввода и вывода электронов.

На Фиг.2 (приложение 1) приведены схемы сердечников отклоняющих магнитов со знакопеременным градиентом магнитного поля (сильная фокусировка).

На Фиг.3 (приложение 2) изображена схема индукционной ускоряющей секции, где (4) - ферромагнитные сердечники индукторов; (5) - витки возбуждения индукторов; (6) - силовые линии индукционного электрического поля.

На Фиг.4 (приложение 2) приведены: а) - форма трапецеидальной волны индукции магнитного поля В_(t), возбуждаемая генератором питания отклоняющих магнитов, б) - форма прямоугольной волны V_ind(t), возбуждаемая генератором импульсного напряжения на витках возбуждения индукторов (ферромагнитных сердечниках). Здесь Т₀ - длительность линейного роста индукции магнитного поля на равновесной орбите, равная длительности ускоряющего импульса прямоугольной волны, T₁ - длительность плоской вершины трапецеидальной волны, которая равна времени медленного вывода электронов.

Корпус ускорителя (Фиг.1) состоит из 2, 4 или n - дугообразных участков, соединенных прямолинейными участками. Дугообразные участки расположены внутри систем отклоняющих магнитов (1), прямолинейные участки используются для размещения индукционной ускоряющей системы (2), систем ввода и вывода электронов.

Отклоняющая система состоит из набора отклоняющих магнитов (Фиг.2) со знакопеременным градиентом магнитного поля (n>>1 и n<<1), что обеспечивает сильную фокусировку электронов.

Индукционная ускоряющая система состоит из набора ферромагнитных сердечников (индукторов) (4) с витками возбуждения индукторов (5), которые создают ускоряющее электрическое поле (6) (см. Фиг.3).

Осуществление изобретения

Устройство работает следующим образам: электроны инжектируются в нарастающее магнитное поле в момент t₀, когда величина индукции поля (W₀ и β₀ - энергия и относительная скорость инжектируемых электронов, R₀ - заданный равновесный радиус, е и с - заряд электрона и скорость света).

Электроны ускоряются электрическим полем индукторов (4) (см. Фиг.3) индукционной системы (2), (см. Фиг.1). Длительность ускоряющих импульсов индукторов равна времени ускорения электронов от энергии инжекции до заданной энергии (Фиг.4б).

В процессе ускорения магнитное поле отклоняющих магнитов растет (Фиг.4а). Для постоянства равновесного радиуса в отклоняющих магнитах скорость нарастания магнитной индукции должна соответствовать условию:

,

где n - число индукторов, V_ind - напряжение индуктора, L - суммарный периметр орбиты, R₀ - равновесный радиус электронов в отклоняющих магнитах.

В процессе медленного вывода ускоренных электронов величина магнитной индукции остается постоянной (Фиг.4б). Длительность вершины трапецеидального импульса магнитной индукции равна времени медленного вывода электронов.

Пример конкретного выполнения.

Индуктора (4), (Фиг.3) представляют собой сердечники из ферромагнитного материала, предназначенного для работы в заданном диапазоне длительностей импульсов. Для уменьшения потоков рассеяния каждый индуктор имеет 3 или более витка возбуждения (5) (Фиг.3), соединенных параллельно.

Генератор возбуждения индукторов, подключенный к виткам возбуждения, представляет собой транзисторный преобразователь постоянного напряжения в прямоугольную волну (Фиг.4б).

Генератор питания обмоток отклоняющих магнитов содержит конденсаторные накопители энергии и транзисторные коммутаторы. Форма волны магнитной индукции, создаваемая генератором, имеет трапецеидальный вид (Фиг.4а).

Транзисторы в генераторах возбуждения индукторов и питания обмоток отклоняющих магнитов работают в режиме коммутации, что позволяет существенно уменьшить потери мощности при формировании заданных форм импульсов.

Если заданная энергия ускоренных электронов равна 10 Мэв, а величина индукции магнитного поля отклоняющих магнитов равна 0,1 Т, то равновесный радиус орбиты в таком поле равен 0,33 м.

При суммарном напряжении ускоряющей секции V=n·V_ind=10³ B для достижения электронами энергии 10⁷ эВ электроны должны совершить 10⁴ оборотов. Если суммарный периметр траектории равен ≈3 м, то период одного цикла ускорения составит 10^-8 c, а полный цикл ускорения и длительность ускоряющего импульса T₀=10^-4 c. Если ΔB_ind≈1T (пермаллой), то сечение индуктора должно быть S=0.1/n м² (n - число индукторов). С уменьшением заданной энергии ускоренных электронов требуемое сечение индукторов уменьшается. Например, для ускорения электронов до энергии 1 МэВ (10⁶ эВ) требуемое сечение индукторов будет примерно в 10 раз меньше.

Литература

1. Salimov R.A., Cherepkov V.G., Golubenko J.I. et al. DC high power electron accelerators of ELV-series: status, development, applications // Radiation Physics and Chemistry. 2000. №57. P.661-665.

2. Auslender V.L. ILU-type electron accelerator for industrial technologies // Nuclear Instruments and Methods in Physical Research. 1994. № В 89. P.46-48.

3. Ауслендер В.Л., Безуглов В.В., Брязгин А.А. и др. Ускорители электронов серии ИЛУ и их использование в радиационно-технологических процессах // Вопр. атомной науки и техники. Серия: Техническая физика и автоматизация. 2004. Вып. 58. С.78-85.

4. Ауслендер В.Л., Брязгин А.А., Воронин Л.А. и др. Ускорители электронов серии ИЛУ и их применение в промышленности и медицине // Сборник докладов Одиннадцатого международного совещания по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине. СПб., 2005. С.78-81.

5. Г.V.Dolbilov, «The Compact Iduction Circular Accelerator for Radiation Technologies», Proceedings of APAC 2007, Raja Ramanna Centre for Advanced Technology (RRCAT), Indore, India, pp.628-629.

6. Г.В.Долбилов, «Способ индукционного ускорения заряженных частиц», Патент на изобретение №2359434, 05 июля 2007 г.

Циклический ускоритель электронов, включающий вакуумный корпус, состоящий из дугообразных и прямолинейных участков, систему отклоняющих магнитов, расположенных на дугообразных участках и соединенных с генераторами питания обмоток отклоняющих магнитов, индукционно ускоряющую систему, состоящую из набора ферромагнитных сердечников-индукторов и витков возбуждения индукторов, соединенных с генераторами импульсного напряжения ускоряющих импульсов, фокусирующую систему, отличающийся тем, что поперечное сечение каждого из индукторов ускоряющей системы соответствует условию
,
где ΔB_ind≤2B_S - заданное изменение индукции в ускоряющем сердечнике в процессе ускорения, B_S - индукция насыщения сердечника, T₀ - длительность полного цикла ускорения от энергии инжекции до конечной заданной энергии, V_ind - напряжение на возбуждающем витке индуктора, при этом генератор импульсного напряжения обладает свойством возбуждения витков индукторов прямоугольной волной с амплитудой V_ind, равной:

где ΔР=P_max-P₀ - заданный прирост импульса электронов в процессе ускорения (P₀ - импульс электронов инжекции, P_max - импульс электронов в конце процесса ускорения), L=2πR₀+∑l - периметр орбиты электронов (R₀ - заданный равновесный радиус орбиты электронов, ∑l - заданная суммарная длительность прямолинейных участков), n - число индукторов в индукционной секции, е - заряд электрона, T₀ - длительность ускоряющего импульса прямоугольной волны, равная заданной длительности цикла ускорения электронов, а
генератор питания обмоток отклоняющих магнитов обладает свойством возбуждения трапецеидальной волны магнитной индукции с параметрами:
а) амплитудой B_max, равной
,
где W_max и β_max - заданные энергия и относительная скорость электронов в конце процесса ускорения, R₀ - заданный радиус равновесной орбиты в отклоняющих магнитах, е - заряд электрона, с - скорость света;
б) длительностью линейного роста волны T₀, равной заданному времени цикла ускорения;
в) длительностью плоской вершины волны T₁, равной заданному времени медленного вывода электронов.