УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБРОСА ПУЧКА УСКОРЕННЫХ В БЕТАТРОНЕ ЭЛЕКТРОНОВ НА МИШЕНЬ
DEVICE FOR DIRECTING BEAM OF ELECTRONS ACCELERATED IN BETATRON ONTO TARGET

Изобретение относится к ускорительной технике и используется для сброса пучка заряженных частиц на мишень.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для сброса пучка ускоренных в бетатроне электронов на мишень (А.А.Воробьев, В.А.Москалев. «Сильноточный бетатрон и стереобетатрон», М., Атомиздат, 1969 г., стр.43-56), содержащее расположенные симметрично над и под средней плоскостью бетатрона кольцевую обмотку смещения и секторную обмотку сброса, середина которой диаметрально противоположна мишени. Азимутальная протяженность секторной обмотки сброса 120°.
Сильноточный бетатрон с энергией ускорения 25-30 МэВ, предназначенный для скоростной рентгеновской съемки быстропротекающих процессов, должен генерировать короткий импульс излучения. Для этого используют комбинированный способ смещения, осуществляющий сброс ускоренных электронов на мишень в два этапа.
-6
В конце цикла ускорения в кольцевые обмотки смещения подаются импульсы тока, которые нарушают бетатронное соотношение и радиус равновесной орбиты увеличивается. При достижении необходимой величины радиуса равновесной орбиты в секторные обмотки сброса подаются импульсы тока, приводящие к резкому азимутальному нарушению магнитного поля на орбите, что вызывает сброс электронов на мишень (сброс электронов производится на внешнюю мишень). В данном бетатроне обеспечивается формирование импульса излучения длительностью не более 0,2·10 сек при энергии ускоренных электронов 25-30 МэВ.
Для просвечивания объектов с большой оптической толщиной и большими скоростями движения требуется получить еще более короткий импульс излучения.
Данное изобретение позволило решить задачу формирования импульса тормозного излучения минимальной длительности при сохранении минимальных размеров фокального пятна.
Техническим результатом являлось уменьшение длительности импульса излучения при сохранении минимальных размеров фокального пятна.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для сброса пучка ускоренных в бетатроне электронов на мишень, содержащем обмотки, которые разбиты на две группы, симметричные относительно плоскости симметрии бетатрона, в каждую группу входят расположенная соосно с бетатроном кольцевая обмотка смещения и секторная обмотка сброса, середина которой диаметрально противоположна мишени, новым является то, что секторная обмотка сброса образована несколькими витками в виде кольцевых секторов, равномерно распределенными в угле протяженностью 180°, соединенных параллельно и подсоединенных к своему источнику питания.
1
2
2
0
0
Кроме того, каждый кольцевой сектор выполнен в виде двух отрезков, размещенных по концентрическим дугам окружностей с радиусами R<R и R>R, где R - радиус равновесной орбиты, соединенных радиальными перемычками, причем участок каждой перемычки, примыкающий к дуге большего радиуса, выполнен плоским, а участок, примыкающий к дуге меньшего радиуса, располагается вдоль конической поверхности, а угол между плоским участком и образующей конической поверхности составляет 120°-150°.
Бетатронные установки, для которых разрабатывается данное устройство, предназначены для регистрации быстропротекающих процессов со скоростями порядка 10 км/сек в объектах с большой оптической толщиной, для чего требуется мощный источник тормозного излучения с длительностью импульса меньше 100 нсек и минимальными размерами фокусного пятна. Реализация совокупности требуемых параметров является сложной технической задачей. В частности, применяются ускорители с энергией ускоренных электронов порядка 100 МэВ, а чем выше энергия ускоренных электронов, тем труднее осуществить их быстрый сброс на мишень.
Предлагаемое устройство сброса ускоренных электронов на мишень обеспечивает формирование импульса излучения с длительностью порядка 50 нсек за счет существенного уменьшения индуктивности обмотки сброса, причем геометрия обмотки сброса подобрана так, что сечение пучка, а следовательно, размеры фокального пятна не увеличиваются.
1
2
2
0
0
1
2
Выполнение каждого кольцевого сектора в виде двух отрезков, размещенных по концентрическим дугам окружностей с радиусами R<R и R>R, где R - радиус равновесной орбиты, соединенных радиальными перемычками, где участок каждой перемычки, примыкающий к дуге большего радиуса, выполнен плоским, а участок, примыкающий к дуге меньшего радиуса, располагается вдоль конической поверхности, а угол между плоским участком и образующей конической поверхности составляет 120°-150°, позволяет обогнуть ускорительную камеру и соединить дуги с радиусами R и R по наименьшему расстоянию.
Таким образом, уменьшение геометрических размеров витков, составляющих секторную обмотку, и их параллельное подключение к источнику импульсного питания приводит к уменьшению индуктивности обмотки и вследствие этого к уменьшению времени сброса пучка электронов на мишень и уменьшению длительности рентгеновского импульса.
Выбор протяженности секторной обмотки, равной 180°, обеспечивает эффективное возбуждение первой азимутальной гармоники магнитного поля системы сброса, а именно эта гармоника обеспечивает реализацию выбранного способа сброса электронов на мишень.
На фиг.1 показано поперечное сечение электромагнита бетатрона с системой сброса пучка ускоренных электронов на мишень.
1 - первая катушка кольцевой обмотки смещения;
2 - вторая катушка кольцевой обмотки смещения;
3 - секторная обмотка сброса;
4 - мишень;
5 - витки секторной обмотки;
6 - коаксиальные выводы секторных обмоток сброса;
7 - коаксиальные выводы кольцевых обмоток смещения;
8 - корпус электромагнита;
9 - бетатронная обмотка;
10 - ускорительная камера.
На фиг.2 и фиг.3 показана секторная обмотка (вид Б-Б и В-В).
Заявляемое устройство для сброса пучка ускоренных в бетатроне электронов на мишень содержит обмотки, которые разбиты на две группы, симметричные относительно плоскости симметрии бетатрона, в каждую группу входят расположенная соосно с бетатроном кольцевая обмотка смещения, образованная двумя катушками 1 и 2, и секторная обмотка сброса 3, середина которой диаметрально противоположна мишени 4. Секторная обмотка сброса 3 образована несколькими витками 5 в виде кольцевых секторов, равномерно распределенными в угле протяженностью 180°, соединенных параллельно и подсоединенных к своему источнику питания (не показан) с помощью коаксиальных выводов 6.
м
В примере конкретного выполнения рассмотрим заявляемую систему сброса пучка ускоренных электронов на мишень для безжелезного бетатрона. Показанный на фиг.1 электромагнит безжелезного бетатрона на 70 МэВ с радиусом равновесной орбиты 230 мм содержит корпус 8 из стеклопластика, в котором размещена бетатронная обмотка 9, образованная двумя плоскими спиральными катушками и соленоидом между ними. В пространстве между плоскими спиральными катушками, образующими полюса электромагнита, расположена тороидальная ускорительная камера 10. На внутренней стенке ускорительной камеры расположена мишень 4 (R=180 мм). В каждой группе кольцевая обмотка смещения системы сброса образована двумя катушками, одна из которых 1 расположена на внешней стороне корпуса электромагнита, а вторая 2 - на корпусе электромагнита у плоскости симметрии. Катушки кольцевой обмотки смещения содержат по три витка и соединены между собой последовательно и через коаксиальные выводы 7 подсоединены к источнику питания. Секторная обмотка системы сброса 3 в каждой из групп расположена на внутренней стороне корпуса электромагнита и имеет азимутальную протяженность 180°. Витки секторной обмотки 5 системы сброса выполнены высоковольтным кабелем без оплетки в виде четырех кольцевых секторов. Выводы каждого из кольцевых секторов выполнены коаксиальным кабелем и подсоединены к источнику питания параллельно. Угол между плоским участком и образующей конической поверхности кольцевого сектора составляет 135°. В данном бетатроне при использовании заявляемой системы сброса реализовано формирование импульса излучения с длительностью порядка 50 нсек на полувысоте.
Предлагаемое устройство сброса работает следующим образом. Когда энергия электронов в бетатроне достигает максимального значения, включается блок питания кольцевых обмоток смещения, в обмотках возникает нарастающий импульс тока, возбуждающий магнитное поле, что приводит к уменьшению радиуса равновесной орбиты. При этом орбиты электронов смещаются к мишени. При достижении максимума тока в кольцевой обмотке смещения включается блок питания секторной обмотки сброса, в ней возбуждается импульс тока, генерирующий магнитное поле, конфигурация которого определяется геометрией обмотки. Взаимодействие электронов с данным магнитным полем приводит к возбуждению первой гармоники вынужденных колебаний, в результате чего электроны сбрасываются на мишень. Выполнение секторной обмотки сброса описанным выше способом обеспечивает формирование фокального пятна с минимальными размерами.