ЭЛЕКТРОМАГНИТ БЕЗЖЕЛЕЗНОГО БЕТАТРОНА
IRONLESS BETATRON ELECTROMAGNET

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к безжелезным электромагнитам ускорителей с аксиальной симметрией магнитного поля, и может быть использовано в дефектоскопических, медицинских и других бетатронных установках.
Известен электромагнит безжелезного бетатрона (В.В.Артемов, В.Б.Веселовский, Ю.П.Куропаткин и А.И.Павловский, МПК H05H 11/02, А.С. №858541, опубл 07.04.82), содержащий две плоские системы круговых витков, соединенных последовательно межвитковыми переходами, центральный соленоид, расположенный между ними, концы которого соединены с внутренними концами систем круговых витков и внешние выводы.
Межвитковые переходы снижают механическую прочность обмотки электромагнита, что не позволяет использовать его для ускорения электронов до высоких энергий.
Указанного недостатка лишен электромагнит, выбранный в качестве прототипа (А.И.Павловский и др. «Сильноточные безжелезные бетатроны», ДАН СССР, 1965 г., т.160, №1, стр.68-70). Электромагнит образован двумя плоскими спиральными катушками и соленоидом между ними, концы которого соединены с внутренними концами плоских спиральных катушек, а источник питания электромагнита соединен с выводами на периферии плоских спиральных катушек.
Описанный электромагнит не обладает осевой симметрией относительно средней плоскости конструкции. Это приводит к возникновению азимутальной неоднородности магнитного поля, «перекосу» медианной плоскости магнитного поля относительно средней плоскости конструкции электромагнита. Кроме того, начало и конец обмотки расположены по разные стороны плоскости симметрии на значительном удалении, что при соединении обмотки с источником питания приводит к образованию контуров, магнитное поле которых искажает магнитное поле обмоток бетатрона. Все это снижает эффективность бетатронной установки. Жесткое соединение частей обмотки, расположенных по обе стороны ускорительной камеры, усложняют обслуживание и ремонт установки.
При создании данного изобретения решалась задача создания максимально простого в обслуживании и ремонте устройства, лишенного перечисленных выше недостатков.
Техническим результатом данного изобретения является снижение азимутальной неоднородности магнитного поля в рабочей области и упрощение эксплуатации и ремонта электромагнита, увеличение механической прочности при сохранении размеров.
Технический результат достигается тем, что в электромагните безжелезного бетатрона, содержащем расположенные соосно две плоские спиральные катушки и соленоид между ними, концы которого соединены с внутренними концами плоских спиральных катушек, и выводы к источнику питания, новым является то, что электромагнит разделен на две части, расположенные симметрично относительно плоскости, проходящей через середину электромагнита перпендикулярно его оси (плоскости симметрии), каждая часть содержит основные плоскую спиральную катушку и соленоид и дополнительную плоскую спиральную катушку и дополнительный соленоид, направление намотки которых противоположно основным, при этом в каждой части с торца, обращенного к плоскости симметрии, концы основного и дополнительного соленоидов соединены между собой, а с другого торца основной соленоид соединен с основной спиральной катушкой, а дополнительный соленоид соединен с дополнительной спиральной катушкой; соленоиды и плоские спиральные катушки выполнены N-заходными и содержат n витков, где N и n - целые числа, а выводы выполнены коаксиальными.
Все заходы присоединены к источнику питания параллельно.
Кроме того, спиральные катушки могут содержать дополнительно m/N витка, где m - целое число, 1≤m≤N.
Шаг намотки плоских спиральных катушек уменьшается к центру и к периферии от их среднего диаметра.
Плоские спиральные катушки и соленоиды соединены таким образом, что дополнительный соленоид расположен внутри основного соленоида, а дополнительная плоская спиральная катушка - с внешней стороны основной плоской спиральной катушки.
При таком техническом решении снижаются азимутальные неоднородности магнитного поля в рабочей области электромагнита, так как неоднородности магнитного поля, генерируемого током, протекающим в основной плоской спиральной катушки, компенсируются в значительной мере неоднородностями, генерируемыми равным током, протекающим в дополнительной плоской спиральной катушки. Устраняется и «перекос» медианной плоскости магнитного поля относительно средней плоскости конструкции, так как обмотки обеих частей зеркально симметричны относительно средней плоскости электромагнита, следовательно зеркально-симметрично относительно средней плоскости и магнитное поле, возбуждаемое равными токами, протекающими в них. Кроме того, компенсируется азимутальная компонента магнитного поля в рабочей области электромагнита, так как азимутальная компонента магнитного поля, генерируемая током, протекающим в основном соленоиде, компенсируется азимутальной компонентой магнитного поля, генерируемого равным током, протекающим в дополнительном соленоиде.
Размещение выводов каждой из частей электромагнита с одной стороны от плоскости симметрии обеспечивает присоединение электромагнита к источнику питания через коаксиальные выводы коаксиальными линиями без введения дополнительных петель, что снижает возмущающие поля и уменьшает габариты электромагнита. Кроме того, электромагнит выполняется разъемным в средней плоскости без разрыва токопроводов, что повышает надежность и облегчает эксплуатацию электромагнита.
Выполнение плоских спиральных катушек и соленоидов N-заходными и присоединение всех заходов к источнику питания параллельно позволит существенно уменьшить остаточные неоднородности магнитного поля и равномерно распределить механические и тепловые нагрузки, что приводит к увеличению прочности.
Экспериментальным путем получено, что введение дополнительно m/N витка спиральных катушек, где m - целое число, 1≤m≤N дает возможность более точно подбирать конфигурацию магнитного поля.
Переменный шаг намотки плоских катушек необходим для того, чтобы устойчивая орбита вращения пучка находилась в средней части полости ускорительной камеры.
На Фиг.1 изображен продольный разрез заявляемого электромагнита, где
1 - основная плоская спиральная катушка;
2 - основной соленоид;
3 - дополнительная плоская спиральная катушка;
4 - дополнительный соленоид;
5 - коаксиальные выводы.
На Фиг.2 схематично показано расположение заходов плоской спиральной катушки электромагнита и их подсоединение к коаксиальным выводам.
Электромагнит разделен на две части, расположенные зеркально относительно плоскости А. Каждая из этих частей содержит плоскую спиральную катушку 1, центральный соленоид 2 и дополнительную плоскую спиральную катушку 3, дополнительный соленоид 4, направление намотки которых противоположно основным. В каждой части с торца, обращенного к медианной плоскости (плоскости симметрии), концы основного и дополнительного соленоидов соединены между собой, а с другого торца основной соленоид соединен с основной спиральной катушкой, а дополнительный соленоид соединен с дополнительной спиральной катушкой. Соленоиды и плоские катушки выполнены N-заходными и содержат n витков, где N и n - целые числа, при этом выводы 5 выполнены коаксиальными.
Работает электромагнит следующим образом. От источника питания (на чертеже не показан) подается импульс тока, проходящий через плоские спиральные катушки 1 и 3 и соленоиды 2 и 4, и в области между плоскими спиральными катушками возбуждается импульсное электромагнитное поле бетатронного типа.
Магнитное поле, генерируемое радиальной компонентой тока в основных плоских спиральных катушках 1 компенсируется магнитным полем, генерируемым встречно направленной компонентой равного тока, протекающего в дополнительных плоских спиральных катушках 3, а магнитное поле, генерируемое азимутальной компонентой вышеупомянутых токов, суммируется, поэтому снижается азимутальная неоднородность магнитного поля.
Азимутальное магнитное поле, генерируемое аксиальной компонентой тока, протекающего в основных соленоидах 2, компенсируется в рабочей области электромагнита азимутальным магнитным полем, генерируемым аксиальной компонентой тока, протекающего в дополнительных соленоидах 4. Токоподводы электромагнита расположены зеркально - симметрично относительно плоскости А, поэтому медианная плоскость магнитного поля совпадает со средней плоскостью конструкции, что упрощает эксплуатацию электромагнита.
Спроектирован, изготовлен и испытан магнит бетатрона, состоящий из двух частей, которые после установки между ними ускорительной камеры скрепляются в центре и на переферии шпильками из полиамида. Каждая часть содержит обмотку, выполненную медным изолированным проводом прямоугольного сечения. Обмотка вклеена в спиральные канавки на дисках и цилиндрах из стеклотекстолита. Диски и цилиндры склеены эпоксидным клеем в единый блок. Обмотка выполнена трехзаходной (N=3). Каждый заход содежит 16 и 1/3 витков (n=16, m=1). На переферии равномерно по окружности расположены три коаксиальных вывода, к каждому из них присоединено начало следующего и конец предыдущего захода. Размеры магнита - 1120 мм × 568 мм.
Известно (см., например, А.А.Воробьев и др. «Электронные пучки бетатронов», М., Атомиздат, 1974, стр.44-45), что наличие азимутальной неоднородности магнитного поля бетатрона приводит к возникновению вынужденных колебаний ускоряемых частиц и их потерям, поэтому снижение азимутальной неоднородности поля электромагнита приводит к повышению эффективности работы ускорителя.
Проведенные испытания опытного образца электромагнита в бетатронной установке показали снижение азимутальной неоднородности не менее чем в 2 раза, а число ускоряемых в одном цикле частиц увеличилось в два раза по сравнению с бетатроном, использующим электромагнит-прототип.