Способ ускорения электронов

Авторы патента:

Сорокин Владимир Борисович (RU)

H05H11/00 - Магнитные индукционные ускорители, например бетатроны

Владельцы патента RU 2557798:

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

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для генерации электронов с большой энергией для последующего использования в дефектоскопии, томографии, радиационных испытаниях стойкости материалов, лучевой терапии и других областях техники. Способ ускорения электронов включает формирование возрастающего во времени магнитного поля, коррекцию магнитного поля дополнительным импульсным магнитным полем, импульсную инжекцию электронов в скорректированное магнитное поле, ускорение пучка частиц на равновесной орбите. Корректирующее дополнительное импульсное магнитное поле включают после начала импульсной инжекции электронов в магнитное поле. Техническим результатом является увеличение количества ускоренных электронов в импульсе излучения бетатрона. 5 ил.

Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для генерации высокоэнергетичных электронов для последующего использования в дефектоскопии, томографии, радиационных испытаниях стойкости материалов, лучевой терапии и др.

Известен способ индукционного ускорения электронов, реализуемый в бетатронах [1. Москалев В.А., Сергеев Г.И. Индукционный ускоритель электронов - бетатрон. - Томск: ТПУ, 2012. - С. 103], который включает формирование возрастающего во времени магнитного поля, коррекцию магнитного поля дополнительным импульсным магнитным полем, импульсную инжекцию электронов в скорректированное магнитное поле, ускорение электронов на равновесной орбите.

Известен, способ индукционного ускорения электронов, реализуемый в бетатронах [2. Демидов И.И., Лисин В.А. Секторный контрактор бетатрона //Актуальные проблемы современной онкологии. - Томск: ТГУ, 1984. - Вып. 3. - С. 30-33.], выбранный в качестве прототипа, который включает формирование возрастающего во времени магнитного поля, коррекцию магнитного поля дополнительным импульсным магнитным полем, импульсную инжекцию электронов в скорректированное магнитное поле, ускорение электронов на равновесной орбите, причем коррекцию магнитного поля дополнительным импульсным магнитным полем и импульсную инжекцию электронов начинают одновременно.

Количество электронов, ускоренных этими способами в импульсе излучения бетатрона, ограничено из-за малой длительности интервала времени захвата электронов в ускорение, в течение которого энергия инжектируемых электронов соответствует напряженности магнитного поля на равновесной орбите.

Задачей настоящего изобретения является увеличение количества ускоренных электронов в импульсе излучения.

Поставленная задача решена за счет того, что способ ускорения электронов, так же как и в прототипе, включает формирование возрастающего во времени магнитного поля, коррекцию магнитного поля дополнительным импульсным магнитным полем, импульсную инжекцию электронов в скорректированное магнитное поле, ускорение пучка частиц на равновесной орбите.

Согласно изобретению корректирующее дополнительное импульсное магнитное поле включают после начала импульсной инжекции электронов в магнитное поле.

Включение корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля после начала импульсной инжекции электронов в магнитное поле позволяет при подборе амплитуд и простых временных зависимостей корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля и напряжения импульсной инжекции электронов, увеличить длительность интервала времени захвата электронов в ускорение, в течение которого энергия инжектируемых электронов соответствует напряженности магнитного поля на равновесной орбите, до длительности действия корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля.

Увеличение длительности интервала времени захвата электронов в ускорение соответствует увеличению количества ускоренных электронов в импульсе излучения.

На фиг. 1 показана принципиальная схема бетатрона.

На фиг. 2 показаны зависимости токов в обмотках возбуждения, в обмотках контрактора и напряжения инжекции от времени.

На фиг. 3 представлены зависимость энергии электронов, соответствующей радиусу равновесной орбиты и напряженности магнитного поля на ней, а также тока в обмотках, генерирующих корректирующее дополнительное импульсное магнитное поле, и энергии инжектируемых электронов от времени при реализации предлагаемого способа.

На фиг. 4 показана зависимость радиуса равновесной орбиты от времени в интервале времени включения корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля.

На фиг. 5 представлены зависимость энергии электронов, соответствующей радиусу равновесной орбиты и напряженности магнитного поля на ней, а также тока в обмотках, генерирующих корректирующее дополнительное импульсное магнитное поле, и энергии инжектируемых электронов от времени при реализации известного способа.

Способ ускорения электронов осуществляют, например, малогабаритным бетатроном, который содержит магнитопровод 1 (фиг. 1), обмотки возбуждения 2, профильные полюсы 3, набор центральных вкладышей 4, ускорительную камеру 5, инжектор 6, обмотки контрактора 7.

Формирование основного магнитного поля осуществляют путем пропускания в каждом цикле ускорения длительностью, например, 1 мс через обмотки возбуждения 2 возрастающего во времени t тока I_в (фиг. 2).

При этом профильные полюсы 3, набор центральных вкладышей 4, величина зазора между профильными полюсами 3 обеспечивают распределение напряженности магнитного поля, в котором на радиусе $r$ =Ro=const выполняется "бетатронное соотношение":

$H_{R o} (t) = \frac{\bar{H_{R o} (t)}}{2}$ ,

где $H_{R o} (t)$ - текущая напряженность магнитного поля на орбите радиуса Ro в медианной плоскости (z=0) в момент времени $t$ ;

$\bar{H_{R o} (t)}$ - текущая средняя в пределах круга, охватываемого орбитой радиуса Ro, напряженность магнитного поля в медианной плоскости в момент времени $t$ .

Кинетическая энергия $E_{к и н .} (H_{R o} (t), R_{O})$ , с которой на орбите с радиусом Ro может находится электрон в момент времени t до включения корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля и после выключения корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля при напряженности магнитного поля на орбите $H_{R o} (t)$ , соответствует соотношениям:

$E_{к и н .} (H_{R o} (t), R o) = E (t) - m c^{2}$ ,

$E (t) = \frac{m c^{2}}{\sqrt{1 - β {(t)}^{2}}}$ ,

$β (t) = \frac{V (t)}{c}$ ,

$β (t) E (t) = e_{0} R_{0} H_{R o} (t)$ ,

и равна:

$E_{к и н .} (H_{R o} (t), R o) =$ ${({(m c^{2})}^{2} + {(e_{0} R_{0} H_{R o} (t))}^{2})}^{0.5} - m c^{2}$ ,

где $E$ - полная энергия электрона,

$m$ - масса покоя электрона,

c - скорость света,

$e_{0}$ - заряд электрона,

$V$ - скорость электрона.

Зависимости $E_{к и н .} (H_{R o} (t), R_{O})$ от времени t до включения корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля и после его выключения показаны на фиг. 3.

В момент времени t_и включают инжекцию электронов, напряжение которой изменяется по зависимости U_и(t) (фиг. 2).

По такой же зависимости возрастает энергия инжектируемых электронов (фиг. 3):

E_и(t)= $e_{0}$ U_и(t), кэВ.

При достижении равенства:

$E_{и} (t) = E_{к и н .} (H_{R o} (t), R_{O})$

в момент времени t_квключают на время T_к корректирующее дополнительное импульсное магнитное поле путем пропускания тока через обмотки контрактора 7 в соответствии с зависимостью $I_{к} (t)$ (фиг. 2, фиг. 3).

Зависимости $U_{и} (t)$ и $I_{к} (t)$ реализуются известными средствами.

В скорректированном магнитном поле радиус R(t) орбиты, соответствующей "бетатронному соотношению", в интервале времени T_кизменяется от Ro до R_макс (фиг. 4).

Возрастающая во времени кинетическая энергия:

$E_{к и н .} (H_{R (t)} (t, I_{к} (t)), R (t))$ = ${({(m c^{2})}^{2} + {(e_{0} R (t) H_{R (t)} (t, I_{к} (t)))}^{2})}^{0.5} - m c^{2}$ ,

с которой электрон может находиться на орбите с радиусом R(t), и возрастающая во времени энергия инжектируемых электронов $E_{и} (t)$ с момента времени t_к в течение интервала времени T_к практически равны в пределах энергетического разброса электронов, соответствующего их ускорению:

$E_{к и н .} (H_{R (t)} (t, I_{к} (t)), R (t)) = E_{и} (t)$ ,

(фиг. 3), и соответственно инжектируемые электроны захватываются на орбиту с радиусом R(t), которая становится благодаря фокусирующим свойствам скорректированного магнитного поля равновесной орбитой ускорения захваченных электронов.

Длительность времени захвата Т_З(интервала времени сопряжения зависимостей $E_{к и н .} (H_{R (t)} (t, I_{к} (t)), R (t))$ и $E_{и} (t)$ ) равна (фиг. 3) длительности действия корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля Т_К, Т_З=Т_К.

Причем захватываемые электроны остаются на равновесной орбите с радиусом R(t), так как R_макс (фиг. 4) достаточно сильно отличается от R_ин- радиуса расположения инжектора (фиг. 1), элемента ограничивающего пространство, в котором могут перемещаться захваченные электроны, совершая колебания относительно равновесной орбиты.

В интервале времени от t_идо t_ки после момента времени t_к+T_к электроны с уменьшающейся в процессе инжекции энергией инжектируются в нескорректированное возрастающее во времени магнитное поле и не захватываются на равновесную орбиту из-за несоответствия энергии инжектируемых электронов и напряженности магнитного поля на равновесной орбите.

При условии ограничения амплитуды тока в обмотках контрактора I_к(t), а значит, и R_макс длительность времени захвата Т_З ограничена только необходимостью сформировать простые по форме и согласованные по амплитуде импульсы напряжения инжекции и тока в обмотках контрактора 7 достаточно большой длительности, что выполняется известными средствами.

Определение зависимостей $I_{к} (t)$ и $U_{и} (t)$ при конкретной реализации способа проводится компьютерным моделированием с последующим экспериментальным уточнением.

На фиг. 5 приведены зависимости, соответствующие известному способу ускорения электронов [2]. Если $t_{и} \geq t_{к}$ , то при любых параметрах изменения напряжения инжекции (энергии инжектируемых электронов) невозможно выполнение равенства:

$E_{к и н .} (H_{R (t)} (t, I_{к} (t)), R (t))$ =E_и(t)

во всем интервале времени Т_К, время захвата Т_З мало и составляет только малую часть времени действия корректирующего поля Т_К, Т_З<<Т_К.

Большая длительность времени захвата электронов в ускорение, превосходящая длительность времени захвата при реализации известного способа соответствует большему по сравнению с известным способом количеству ускоренных электронов в импульсе излучения.

Cпособ ускорения электронов, включающий формирование возрастающего во времени магнитного поля, коррекцию магнитного поля дополнительным импульсным магнитным полем, импульсную инжекцию электронов в скорректированное магнитное поле, ускорение пучка частиц на равновесной орбите, отличающийся тем, что корректирующее дополнительное импульсное магнитное поле включают после начала импульсной инжекции электронов в магнитное поле.

Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для генерации позитронов с большой энергией для последующего использования в дефектоскопии, томографии, радиационных испытаниях стойкости материалов, лучевой терапии и др.

Индукционный циклический ускоритель электронов // 2524571

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в области физики частиц высоких энергий, промышленности, медицины и научных исследований.

Бетатрон с катушкой сжатия и расширения // 2516293

Бетатрон (1), прежде всего, в рентгеновской досмотровой установке, с вращательно-симметричным внутренним ярмом из двух расположенных на расстоянии друг от друга частей (2a, 2b), внешним ярмом (4), соединяющим обе части (2a, 2b) внутреннего ярма, по меньшей мере одной катушкой (6a, 6b) основного поля, тороидальной камерой (5) бетатрона, расположенной между частями (2a, 2b) внутреннего ярма, по меньшей мере одной катушкой сжатия и расширения (СР-катушкой) 7a, 7b, при этом соответственно ровно одна СР-катушка (7a, 7b) расположена между торцевой стороной части (2a, 2b) внутреннего ярма и камерой (5) бетатрона, а радиус СР-катушки (7a, 7b) равен, по существу, заданному радиусу орбиты электронов в камере (5) бетатрона.

Способ индукционного ускорения электронов // 2513034

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 других отходов, очистки дымовых газов промышленных предприятий от вредных SOx и NOx окислов.

Источник тормозного излучения // 2482642

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

Источник тормозного излучения // 2482641

Бетатрон с извлекаемым блоком ускорителя // 2479168

Способ ускорения позитронов и устройство для его реализации // 2468546

Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для генерации позитронных пучков с большой энергией для последующего использования высокоэнергетичных позитронов для целей дефектоскопии, томографии, радиационных испытаний стойкости материалов, лучевой терапии и др.

Свинцовый экран для бетатрона // 2454047

Изобретение относится к рентгеновской досмотровой технике. .

Способ циклического ускорения заряженных частиц // 2451435

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в области физики частиц высоких энергий, промышленности, медицины и научных исследований. .

Индукционный синхротрон с постоянным магнитным полем // 2608365

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в области физики частиц высоких энергий, промышленности, медицины и научных исследований. Технический результат - ускорение в постоянном магнитном поле с почти постоянным радиусом орбит во всем диапазоне ускорения, существенное снижение нижнего порога энергии инжекции, увеличение диапазона ускоряемых энергий и отношения Z/A частиц (где Ζ - зарядность, А - атомный номер), отсутствие пред-ускорителей, уменьшение стоимости создания и эксплуатации ускорителя. Ускоритель включает в себя: импульсную индукционную систему с датчиками времени пролета пучка для синхронизации ускоряющих импульсов с импульсами тока пучка; систему формирования замкнутых орбит ускоряемых частиц, которая состоит из отражающих пучок магнитных диполей и корректирующих устройств для компенсации дефокусируещего действия диполей в вертикальной плоскости; системы жесткой фокусировки на прямолинейных участках; системы ввода и вывода пучка; вакуумную систему. Корректирующие устройства расположены на входе и выходе каждой отклоняющей пучок секции и представляют собой короткую линзу. Магнитные диполи системы формирования орбит, отражая частицы пучка, создают замкнутые орбиты. При этом угол падения пучка на диполь равен углу отражения. Поскольку это равенство не зависит от характера распределения поля поперек продольной оси диполя, равенство углов падения и отражения сохраняется и в краевых полях диполей. Это обстоятельство снимает ограничения на нижний порог энергии инжекции. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ синхронного ускорения заряженных частиц в постоянном магнитном поле // 2618626

Изобретение относится к cпособу ускорения заряженных частиц. В заявленном способе инжектированные в ускоритель частицы ускоряются импульсами индукционного электрического поля, которые синхронизированы с импульсами тока ускоряемого пучка. Синхронизация импульсов осуществляется с помощью датчиков времени пролета пучка. Азимутальная устойчивость ускоряемых частиц обеспечивается формой вершины индукционных импульсов. Замкнутые орбиты частиц при их ускорении формируются посредством многократного отражения частиц от диполей. В результате многократного отражения инжектированные частицы, с предельно низкой энергией, движутся по хордам кольцевой орбиты ускоренных частиц. Величина отклонения траекторий инжектированных и ускоренных частиц зависит от числа отражающих диполей. Вертикальную дефокусировку частиц полями отклоняющих диполей компенсируют на входе и выходе отклоняющих пучок секций. На прямолинейных участках частицы фокусируют квадрупольными линзами и после ускорения выводят их. Техническим результатом является расширение диапазона энергий ускоряемых частиц путем существенного уменьшения нижнего порога энергий, связанного с потерей частиц с малой энергией, а также возможность отказаться от применения пред-ускорителей частиц и упрощение эксплуатации ускорителя. 3 ил.

Индукционный ускоритель // 2624735

Изобретение относится к области ядерной физики, а именно к приборам с магнитными управляющими элементами для ускорения и фокусировки заряженных частиц, и предназначено для получения потока электронов больших энергий. Технический результат - увеличение энергии ускорения заряженных частиц с одновременным повышением технологичности конструкции устройства путем оптимизации системы, создающей переменное магнитное поле. Индукционный ускоритель содержит вакуумную камеру, выполненную в виде участка кольцевой трубы, с размещенными в ней источником заряженных частиц и мишенью, а также систему, создающую переменное магнитное поле и обеспечивающую выполнение бетатронного условия. Упомянутая система выполнена в виде токопроводящих цилиндров параболической формы. Токопроводящие цилиндры могут быть многослойными - набранными из тонких токопроводящих лент, отделенных друг от друга слоями изолятора. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Система корректировки траекторий потока заряженных частиц // 2643507

Изобретение относится к области ускорительной техники, физике плазмы, а именно к устройствам корректировки траекторий потоков заряженных частиц, и может быть использовано в атомной физике, медицине, химии, физике твердого тела. Система корректировки траекторий потока заряженных частиц содержит электрически связанные между собой генератор высоковольтных импульсов, линии, обеспечивающие формирование магнитного поля на пути потока частиц, средство передачи высоковольтного импульса от генератора высоковольтных импульсов к линиям, обеспечивающим формирование магнитного поля на пути потока частиц. В предложенной системе линии, обеспечивающие формирование магнитного поля на пути потока частиц, образуют токовую петлю с волновым сопротивлением ρ, при этом формирующие линии электрически связаны с управляемым разрядником, соединенным с передающими линиями и далее с токовой петлей. Технический результат – обеспечение компактности устройства и исключение внесения искажений в энергетический спектр потока заряженных частиц. 1 ил.