Электромагнит цилиндрического бетатрона

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ

<и1605511 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 19. 11. 76 (21) 2422046/18-25 (я)м. кл.з с присоединением заявкм ¹ (23) Прмормтет—

Н 05 Н 11/00

Государствевиий комитет

СССР по делзи изобретеиии тт откРытий

Оттублмковано 071081. бюллетень № 37 (53) УДК 621.384. 6 (088. 8) Дата опублмковаммя опмсаммя 07. 10. 81 (72) Авторы изобретения

А.A. Звоицов, В.A. Филинова, В.Л. Чахлов и В.A. Касьянов

Научно-исследовательский институт ядерной физики, электроники и автоматики при Ордена Октябрьской .Революции и ордена Трудового Красного Знамени

Томском политехническом институте им. С.М.Кирова (71) Заявитель (54 ) ЭЛЕКТРОМАГНИТ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО БЕТАТРОНА

Изобретение относится к ускорителям заряженных частиц и может быть использовано при разработке индукционных ускорителей.

Известен электромагнит цилиндрического безжелезного бетатрона с однородным по радиусу управляющим магнитным полем и электрическими или магнитными зеркалами на краях рабочего зазора 1 ).

Известен также электромагнит цилиндрического бетатрона, в котором роль магнитных зеркал выполняют полюса гребневого типа (2 1, содержащий ферромагнитный магнитопровод с полюсными наконечниками, намагничивающую катушку, выполненную в виде соленоида, и центральные вкладыши, установленные по оси соленоида.

В цилиндрических бетатронах пучок ускоряемых электронов сильно вытянут по оси соленоидов и сжат по радиусу в большей степени, чем в обычных, так как показатель радиального спада поли п близок к 0 в рабочей области.

К недостаткам известних цилиндрических бетатронов относится резонансная неустойчивость ускоряемых электронов, так как при значении

n = 0 имеет место равенство между частотой обращения и частотой радиальных колебаний электронов, что при наличии неоднородностей поля может привести к резснансному увеличению амплитуды радиальных колебаний.

Это приводит к тому, что проис-.

О ходит усиленный самопроизвольный сброс электронов на стенки камеры на протяжении большей части цикла ускорения. Этот недостаток усложняет конструкцию электромагнита, 15 так как необходимо формировать управляющее поле с более жесткими допусками, потому что раскачка радиальных колебаний может происходить как из-за малых искажений магнитного по20 ля, так и из-за взаимодействия ускоряемых электронов между собой в условиях почти постоянного магнитного поля.

Получение же достаточно большой скорости нарастания мат нитного поля, с помощью которой можно было бы демпфировать раскачку радиальных бетатронных колебаний, эа счет адиабатического уменьшения амплиту30 .ды усложняет схему питания электро605511 иЧС = 6 H (Ц магнита и приводит к увеличению габаритов и веса всей установки.

Цель изобретения — уменьшить потери частиц н процессе ускорения за счет устранения раскачки радиальных бетатронных колебаний.

Это достигается тем, что в конструкции электромагнита предусмотрены средстна для осуществления вариации показателя спадания магнитного поля по аксиальному направлению, например намагничивающий соленоид, выполненный с аксиально-периодической плотностью намотки витков а центральные вкладыши установлены

I с периодически повторяющимся зазором,.

На а фиг. 1 изображен электромагнит цилиндрического бетатрона, поперечное сечение- на фиг. 2 — то же вид

° I в плане. на фиг. З,а — область устойчивого движения заряженных частиц для предлагаемого цилиндрического бетатрона; на фиг. З,б — изменение показателя:спадания поля для различных сечений данной области.

Для того, чтобы уменьшить потери частиц в процессе ускорения, необходимо устранить раскачку радиальных бетатронных колебаний. Как уже было показано выше, устранить раскачку радиальных бетатронных колебаний можно увеличением скорости роста поля либо изменить конфигурацию управляющего поля так, чтобы при ускорении частиц не выполнялось равенство между частотой обращения и часто.той радиальных бетатронных колебаний.

Для этого в конструкции электромагнита необходимо предусмотреть средства для осуществления вариации показателя спадания поля по периодическому закону (например, по гармоническому).

В этом случае при движении частиц вышеуказанное резонансное условие будет наблюдаться не по всему объему области устойчивого движения, а только в некоторых точках этого пространства. Поэтому при движении частиц резонансное увеличение амплитуд в одном месте траектории будет компенсироваться стабилизирующим действием поля в других ее точках.

Средства для осуществления периодического изменения показателя спадания поля и могут быть выполнены следующим образом.

Намагничивающий соленоид 1 необходимо выполнить с аксиально-периодической плотностью намотки витков, а центральные вкладыши 2 установить с периодически повторяющимся зазором 3. Соленоид 1 может быть выполнен в виде отдельных секций, причем в зависимости от габаритных размеров бетатрона направление тока н витках секций может чередоваться.Периодическая плотность намотки витков обеспечивает вариацию показателя спадания поля на больших радиусах,а устанонка

)вкладышей 2 с зазором 3 Обе печинает эту вариацию на малых радиусах Величина зазора 3 и высота нкладышей 2 зависят от габаритных размеров бетатрона и выбираются также с учетом выполнения бетатронного отношения 2:1.

Зазор 3 может быть заполнен немагнитным материалом. В безжелезном бетатроне роль центральных нкладышей выполняет соленоид, который также должен быть выполнен с аксиальнопериодической плотностью намотки витков. На фиг. 1 и 2 показано выполнение соленоида в виде секций, обеспечивающих ступенчатое изменеt5 ние плотности намотки нитков.

Устройство работает следующим образом.

С помощью соленоида 1 в рабочем зазоре 4 формируется управляющее поле, вектор-потенциал которого

20 описывается выражением вида

A(z)=)A)„,) + — „+(1„0 ) () „(вг))смит, 1

И)

2S а Н> компонента управляющего поля изменяется по .закону

Н („ ) = - - — = в„+

А ЭА

30 + Ц)(< (1))-)л )) 1-фо ups где Вл, В, а, Ь, щ) - коэффициенты,определяемые по выбранному радиусу равновесной Орбиты г и показателю спадания поля на разновеской орбиТе r)o

I„(e ),K (W )) IO(") "о()") — бесселевые функции мнимого аргумента

40 первого и нулевого порядка соответственно.

Как видно из выражения (2), напряженность управляющего поля Н

Z меняется по z — координате около не45 котоРого среднего значения.

Примерная картина поведения магнитных силовых линий 5 показана на фиг.1.

Так как Hz — компоненга меняется

oKo)Io среднего значения, фиксированной энергии ускоряемых частиц равенство

55 будет выполняться не на всей цилиндрической поверхности радиуса r (как это имеет место н известных цилийдрических бетатронах), а только н некоторых плоскостях, расстояние. z

$Q между которыми равно

О

/2% Я(Ь ) (4)

Поэтому в таком поле равновесные тра65 ектории (орбиты) лежат н Разных

605511

Ва Г 1 Ъ1

В +, OI (®r)+4K„(® >JCO6 ®Z). (5) (О

Из выражения (5) следует, что потенциальная функция периодически изменяется по z — координате, причем если в плоскостях равновесных орбит (z = О, z+, 2zn ... mz о ) величину V 15 (r = го, z = О, z z<... ) принять равной

1, то в плоскостях г = z p, 3

5zo< И ° ° ° „будет больше 1 и равна з I (А ), где A — величина векторного потенциала при Г = r< и z = z р щ 3z,и, Частота изменения характеристик (поля равна

ЯЖ

Э"

Z (6)

3S

Электромагнит цилиндрического бе4О татрона, содержащий ферромагнитный магнитопровод с полюсными наконечниками, намагничивающую катушку, выполненную в виде соленоида, и центральные вкладыши, установленные по оси соленоида, отличающийся тем, что, с целью уменьшения потерь частиц в процессе ускорения за счет устранения раскачки радиальных бетатронных колебаний, в нем предусмотрены средства для осуществления вариации показателя спадания магнитного поля по аксиальному направлению, например намагничивающий соленоид, ! выполненный с аксиально-периодической плотностью намотки витков, а центральные вкладыши установлены с периодически повторяющимся зазором.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Я . 1. Коробочко.Ю.С. и Шилков К.С. Модель цилиндрического безжелезного бетатрона. ЖТФ, 1960, т.30, вып. 8, с. 981-983.

2. Авторское свидетельство СССР

g5 9 496895, кл. Н 05 Н 11/00, 1973. плоскостях,. а колебания частиц относительно равновесных орбит осуществляются в сложном силовом поле,фокусирующие свойства которого характеризуются потенциальной функцией Ч

Ч (г, .) =A (v,z) =

Область устойчивого движения имеет сложную форму, конфигурации и размеры которой зависят от выбранных величин ro na Ад-. Типичная в картина области устойчивого движения приведена на фиг. З,а (по данным расчета на ЭЦВМ), а изменение показателя спадания поля для этого же случая на фиг. З,б (при расчетах принято А = 1,005, и, = 0,3;

r = 15 см).

В процессе инжекции -частицы заполняют всю область, ограниченную поверхностями равного потенциала (линиями 6). В процессе ускорения вследствие адиабатического сжатия весь пучок распадается на отдельные сгустки, которые последовательно занимают объемы, ограниченные эквипотенциальными поверхностями

7-10. В конце цикла ускорения частицы либо сбрасываются на отдельные мишени, либо выводятся за пределы ускорителя (мишени на чертежах не показаны). Вследствие аксиальной вариации показателя магнитного поля (см.фиг. З,б) и разделения пучка в процессе ускорения на несколько отдельных пучков резонансной раскачки колебаний не происходят. Если в цилиндрическом бетатроне показатель поля равен О, то в предлагаемом бетатроне показатель принимает переменное значение, так, из фиг.З,б следует, что показатель поля п колеблется около нуля с амплитудой, которая изменяется по радиусу и равна О, 3 íà r, причем, чем меньше эти значения отличаются от О, тем меньше деформация 11 и слабее демпфирующее свойство поля. На фиг.3,а пунктирной линией 12 показана граница области устойчивого движения для известного цилиндрического бетатрона при n = О.

Для того, чтобы устранить утечку электронов через торцовые части,можно использовать уже известные электростатические или магнитные зеркала либо применить ферромагнитный магнитопровод 13 с полюсами гребневого типа 14 (на фиг. 3 показан 6-гребневой полюс). Предлагаемое устройство позволяет также использовать известные полюса, формирующие азимутальнооднородное управляющее поле.

Уменьшение потерь частиц за счет устранения раскачки радиальных бетатронных колебаний приводит к повышению количества ускоряемых частиц и КПД всего бетатрона. Увеличивается также производительность работ с его использованием.

Величина вариации показателя магнитного поля может быть рассчитана приближенно для конкретной установки.

Практика работ бетатронов показывает, что создание вариации показателя поля с амплитудой 0,1-0, 2 оказывается достаточной для стабильного движения ускоряемых частиц.

Кроме того, предлагаемая конструкция цилиндрического бетатрона может генерировать несколько импульсов излучения, временной интервал между которыми регулируется.

Формула изобретения

605511

Рие.1

4Úã. 8

ВНИИПИ Заказ 8648/50

Тираж 892 Подписное

Филиал ППП "Патент", r, Ужгород, ул.Проектная,4

n(r ) ог

С7

Ф7. zmзzä г «i ч

2. Zyy г