СПОСОБ ИНДУКЦИОННОГО УСКОРЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ
METHOD FOR INDUCTION ELECTRON ACCELERATION

x
x
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 и NO окислов.
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 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.
6
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 SF 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.
-9
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 ускорения легких частиц - электронов, которые быстро набирают скорость на первых оборотах, а основной процесс ускорения ведется при скорости частиц, близкой к скорости света. Период обращения электронов в диапазоне требуемых энергий составляет τ<10 нс, что затрудняет формирование ускоряющих импульсов длительностью τ/2 и фронтами порядка ≤10 с.
В качестве прототипа выбирают способ [6]. Этот способ заключается в том, что формируют нарастающее во времени магнитное поле со средней величиной магнитной индукции, много меньшей индукции магнитного поля на орбите, формируют знакопеременный градиент магнитного поля на орбите с показателем поля, много большим единицы (сильная фокусировка), инжектируют в него заряженные частицы; ускоряют заряженные частицы импульсами индукционного электрического поля и выводят ускоренные частицы. Недостатки прототипа указаны ранее.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение средней мощности ускоренного пучка, а также уменьшение веса и габаритов ускорителя путем уменьшения периметра орбиты и сокращения периода цикла, упрощение и удешевление ускоряющей системы, снижение стоимости ускорителя и увеличение диапазона регулировки энергии ускоренных электронов.
Способ индукционного ускорения электронов заключается в том, что формируют нарастающее во времени магнитное поле со средней величиной, много меньшей магнитного поля на орбите; формируют знакопеременный градиент магнитного поля на орбите с показателем поля много большим единицы (сильная фокусировка); инжектируют в него электроны; ускоряют электроны импульсами индукционного электрического поля и выводят ускоренные электроны, для ускорения электронов формируют треугольную форму волны ведущего магнитного поля и прямоугольную форму волны индукционного ускоряющего электрического поля, длительность ускоряющей части волны которого равна длительности линейного роста магнитной индукции на равновесной орбите, что соответствует длительности процесса ускорения, при этом изменение потока магнитной индукции ΔФ в индукторах ускоряющей системы выбирают из соотношения:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>Ф</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>e</mi></mfrac><mi>Δ</mi><mi>P</mi><mi>L</mi><mo>=</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>B</mi><mrow><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>d</mi></mrow></msub><mi>S</mi></mrow>
,
0
0
ind
S
S
где ΔP=P-P - прирост импульса электронов в процессе ускорения (P - импульс электронов инжекции, P - импульс электронов в конце процесса ускорения), L - периметр орбиты электронов, ΔB≤2B - диапазон изменения индукции в ускоряющих индукторах в процессе ускорения, B - индукция насыщения индукторов, S=Δrl - суммарное поперечное сечение всех индукторов ускоряющей секции (Δr  -радиальный размер индукторов, / -длина индукционной секции), е - заряд электрона, при этом, величину ускоряющего напряжения выбирают из соотношения:
ind
acc
ΔBS=VT,
acc
где V - суммарное напряжение ускоряющих индукторов, Т - длительность ускоряющего импульса.
Отличительными признаками заявленного способа является следующее: для ускорения электронов формируют треугольную форму волны ведущего магнитного поля и прямоугольную форму волны индукционного ускоряющего электрического поля, длительность ускоряющей части волны которого равна длительности линейного роста магнитной индукции на равновесной орбите, что соответствует длительности процесса ускорения, при этом, изменение потока магнитной индукции ΔФ в индукторах ускоряющей системы выбирают из соотношения:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>Ф</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>e</mi></mfrac><mi>Δ</mi><mi>P</mi><mi>L</mi><mo>=</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>B</mi><mrow><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>d</mi></mrow></msub><mi>S</mi></mrow>
,
0
0
ind
S
S
где ΔP=P-P - прирост импульса электронов в процессе ускорения (P - импульс электронов инжекции, P - импульс электронов в конце процесса ускорения), L - периметр орбиты электронов, ΔB≤2B - диапазон изменения индукции в ускоряющих индукторах, B - индукция насыщения индукторов, S=Δrl - суммарное поперечное сечение всех индукторов ускоряющей секции (Δr - радиальный размер индукторов, l -длина индукционной секции), е - заряд электрона, при этом, величину ускоряющего напряжения выбирают из соотношения:
ind
acc
ΔBS=VT,
acc
где V - суммарное напряжение ускоряющих индукторов, Т - длительность ускоряющего импульса.
0
-9
-7
-6
Техническим результатом предлагаемого изобретения, использующего данный способ, является: уменьшение веса и габаритов ускорителя путем уменьшения периметра орбиты и сокращения периода цикла; упрощение и удешевление ускоряющей системы, снижение стоимости ускорителя и увеличение диапазона регулировки энергии ускоренных электронов. Это достигается тем, что совокупность всех существенных признаков формулы позволяет ускорять электроны от энергии инжекции до заданной конечной энергии, не серией наносекундных импульсов ускоряющей индукционной системы, число которых равно числу циклов ускорения (числу оборотов электронов при ускорении), и длительностью каждого ускоряющего импульса (меньшей или равной половине периода обращения электронов τ≤10 c), а одним импульсом прямоугольной волны с длительностью, равной процессу ускорения τ≈10-10 с.
Такой способ ускорения позволяет сократить до минимума период обращения электронов, что приводит к увеличению средней мощности пучка, уменьшению периметра орбиты, уменьшению габаритов ускорителя, его веса и стоимости, существенному упрощению и удешевлению системы формирования импульсов ускоряющего напряжения.
Регулировка энергии электронов на выходе ускорителя производят изменением параметра T волн магнитной индукции ускоряющего напряжения.
Кроме того, использование индукционного способа ускорения для ускорения электронов в нарастающем магнитном поле со средней величиной магнитного поля много меньшей магнитного поля на орбите и со знакопеременным градиентом магнитного поля на орбите (сильная фокусировка), позволяет дополнительно увеличить интенсивность пучка и уменьшить вес и стоимость ускорителя электронов.
Перечень чертежей
Фиг.1 - схема ускорителя.
Фиг.2 - схема С-образных сердечников со знакопеременным градиентом.
Фиг.3 - форма волны магнитной индукции на равновесной орбите.
Фиг.4 - схема О-образных сердечников индукционной ускоряющей секции.
Фиг.5 - амплитудно-временные характеристики магнитной индукции на равновесной орбите (а) и ускоряющее напряжение на витках О-образных сердечниках (индукторах) (б).
На фиг.1 приведена схема устройства, реализующего предложенный способ, где
1) С-образные электромагниты системы ведущего магнитного поля со знакопеременным градиентом, 2) О-образные сердечники индукционной ускоряющей системы, состоящей из серии индукторов, 3) система инжекции и вывода ионного пучка.
Способ работает следующим образом: Пучок заряженных частиц (электронов) выводят на равновесную орбиту, частицы пучка удерживают на равновесной орбите магнитным полем С-образных электромагнитов (1), ускоряют электрическим полем, индуцированным О-образными ферромагнитными сердечниками (индукторами) (2), и при достижении требуемой энергии выводят из ускорителя.
Для реализации предлагаемого способа ускорения нарастающее во времени магнитное поле на орбите формируют С-образными электромагнитами с высокими градиентами поля n>>1 и n<<-1. Комбинация двух типов С -образных сердечников позволяет обеспечить жесткую фокусировку ионов.
На фиг.2 представлена схема С-образных сердечников электромагнитов со знакопеременным градиентом. Электромагниты формируют треугольную форму волны магнитного поля.
0
Форма волны магнитной индукции B на орбите показана на фиг.3, где Т - длительность нарастающей части волны индукции, соответствующая длительности процесса ускорения.
Частицы, движущиеся по равновесной орбите, ускоряются электрическим полем, индуцированным О-образными ферромагнитными сердечниками (индукторами), которые располагаются на прямолинейных участках ускорителя.
На фиг.4 приведена схема О-образных сердечников индукционной ускоряющей системы: 1) ферромагнитные сердечники индукторов, 2) витки возбуждения, 3) силовые линии индуцированного электрического поля. Для того чтобы в процессе ускорения радиус равновесной орбиты оставался постоянным, необходимо выполнить известное условие постоянства в процессе ускорения соотношения
(t)
(t)
P/eB=const,
(t)
(t)
где Р и В - импульс ионов и индукция магнитного поля на орбите в процессе ускорения, е - заряд электрона.
Это условие выполняется, когда величина суммарного индуцированного О-образными сердечниками напряжение равна:
acc
0
V=RLdB/dt,
0
где R - радиус равновесной орбиты, L - суммарный периметр орбиты с учетом прямолинейных участков.
Амплитудно-временные характеристики магнитной индукции на орбите и ускоряющего напряжения на витках О-образных сердечников (индукторов) показаны на Фиг.5:
0(t)
а) Форма волны индукции магнитного поля на равновесной орбите В,
acc(t)
б) Форма волны индукционного ускоряющего напряжения индукторов V.
acc(t)
0(t)
Длительность импульсов ускоряющего напряжения V равна длительности линейного роста магнитной индукции на равновесной орбите В, что соответствует длительности процесса ускорения электронов.
ind
0
Положительная часть импульса ускоряет ионы, а отрицательная часть перемагничивает О-образные сердечники и возвращает их в исходное состояние. Такой режим ускорения возможен, если изменение суммарного потока магнитной индукции в индукторах ускоряющей секции ΔФ=ΔBS и изменение импульса электронов ΔР=Р-P находятся в зависимости:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>Ф</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>e</mi></mfrac><mi>Δ</mi><mi>P</mi><mi>L</mi></mrow>
,
а суммарное напряжение индукционной секции
acc
V=ΔФ/T
ind
S
S
0
где ΔB≤2B - изменение индукции, B - индукция насыщения, S - суммарное сечение сердечников индукторов, L - суммарная длина периметра с учетом прямолинейных участков, P=mcβγ и P - конечный и начальный импульсы электронов, Т - длительность процесса ускорения, c - скорость света, β и γ - относительная скорость и релятивистский фактор электронов.
Формирование магнитного поля в зазорах С-образных электромагнитов с большим радиальным градиентом и осуществление фокусировки ионов знакопеременным градиентом поля (сильная фокусировка) позволяет увеличить число электронов, ускоряемых в одном цикле ускорения. Большой показатель магнитного поля уменьшает амплитуду бетатронных колебаний и позволяет уменьшить размеры вакуумной камеры, уменьшить размеры, вес и стоимость С-образных магнитов.
max
0
Для примера рассмотрим основные параметры ускорителя электронов на энергию 10 МэВ. При энергии 10 МэВ релятивистский фактор электронов равен γ=20.6, а их относительная скорость β≅1,0. При амплитуде магнитной индукции ведущего магнитного поля B=0.1 Тл радиус равновесной орбиты R равен:
0
max
max
max
2
R=P/eB=mcγβ/ecB=0.33 л,
max
max
где P - максимальный импульс электрона, е - заряд электрона, m - масса электрона, c - скорость света, β=ν/c - относительная скорость протонов, B - максимальна амплитуда магнитной индукции поля.
min
-9
Если суммарный периметр орбиты с учетом прямолинейных участков равен L≈2,4 м, то период обращения ускоренных протонов будет равен τ≈8·10 с, а требуемое изменение потока магнитной индукции составит:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>Ф</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>e</mi></mfrac><mi>Δ</mi><mi>P</mi><mi>L</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>m</mi><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup><mi>γ</mi><mi>β</mi></mrow><mrow><mi>e</mi><mi>c</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0.08</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>Т</mi><mi>л</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>м</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
acc
ind
ind
При длительности цикла ускорения Т=1 мкс, амплитуда ускоряющего напряжения составит V=ΔФ/T=80 кВ. При радиальном размере сечения индукторов ускоряющей секции, равном Δr=0.2 м, длина секции индукторов будет равна l=0,4 м. Если радиальный размер каждого индуктора ≈ 0.01 м, то потребуется 40 индукторов с напряжением на возбуждающих индукторах V=2 кВ. При необходимости, напряжение V может быть уменьшено путем увеличения длительности цикла ускорения T. Для формирования прямоугольной волны ускоряющего напряжения, возможно использование транзисторных ключевых схем. Транзисторные конвертеры DC напряжения в АС имеют высокие надежность, долговечность и к.п.д. В работе [7] сообщается о реализации конвертора мощностью 1.6 МВт с частотой коммутации 150 кГц. Имеются в наличии транзисторные ключи с частотой переключения до 30 МГц и мощностью до 1.8 кВт [8]. Быстрый прогресс в области полупроводниковых переключателей позволяет надеяться на то, что мощные системы питания для индукционных ускорителей частиц с высокой частотой повторения циклов будут разработаны в ближайшее время.
Список литературы
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 ofAPAC 2007, Raja Ramanna Centre for Advanced Technology(RRCAT), Indore, India, p.p.628-629.
6. Г.В.Долбилов, «Способ индукционного ускорения заряженных частиц», Патент на изобретение №2359434, 05 июля 2007 г.
7. H.Matthes, R. Jurgens, «1.6 MW 150 kHz Series Resonant Circuit Converter incorporating IGBT Device for welding Applikation», International Heating Seminar, Padova, p.25-31.
8 Hammad Abo Zied, Peter Mutschler, Guido Bachmann, «A Modulator IGBT Converter System for High Frequency Induction Heating Application», PCIM 2002, 14-16.05, Nurenberg.