RU2050044C1

RU2050044C1 - Method acceleration of electrons in cylindrical induction accelerator and device for implementation of said method

Info

Publication number: RU2050044C1
Authority: RU
Inventors: В.Я. Гончаров; В.А. Москалев; В.Л. Николаев; Г.И. Сергеев
Original assignee: Научно-исследовательский институт интроскопии Томского политехнического университета
Priority date: 1992-01-17
Filing date: 1992-01-17
Publication date: 1995-12-10

Abstract

FIELD: accelerators. SUBSTANCE: method involves injection of electrons into area where radial-symmetrical controlled magnetic field is increased in time. In axial direction this area is limited by areas of magnetic locks. In area between magnetic locks additional radial-symmetrical magnetic field is decreased in time. Direction of this additional magnetic field is opposite and coaxial to control magnetic field. Device for acceleration of electrons in cylindrical induction accelerator has central insertions, pole pieces and divided magnetizing winding. Elements with active resistance are connected in parallel to central sections of windings. This results in possibility to increase number of electrons, which are accelerated in one cycle and to increase efficiency of accelerator. EFFECT: increased functional capabilities. 2 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке и усовершенствовании индукционных ускорителей и накопительных установок с внешней инжекцией ускоряемых частиц. The invention relates to accelerator technology and can be used in the development and improvement of induction accelerators and storage systems with external injection of accelerated particles.

Известен способ ускорения электронов в цилиндрическом бетатроне, включающий инжекцию электронов в область с азимутально-симметричным магнитным полем, показатель спада которого n=0, ограниченную в аксиальном направлении участками магнитных пробок, а в области магнитных пробок формируется дополнительное импульсное азимутально-симметричное магнитное поле, соосное основному и уменьшающее пробочное отношение результирующего магнитного поля, причем в процессе инжекции дополнительное импульсное магнитное поле уменьшают до нуля со скоростью, обеспечивающей удержание инжектируемого заряда в области между пробками. A known method of accelerating electrons in a cylindrical betatron, comprising injecting electrons into a region with an azimuthally symmetric magnetic field, the decay rate of which is n = 0, axially bounded by sections of magnetic plugs, and in the region of magnetic plugs an additional impulse azimuthally symmetric magnetic field is formed, coaxial the main and reducing the cork ratio of the resulting magnetic field, and during the injection process, the additional pulsed magnetic field is reduced to zero from the speed a tube ensuring the retention of the injected charge in the region between the plugs.

Известно устройство, реализующее предлагаемый способ и содержащие центральные вкладыши, полюсные наконечники, обратный магнитопровод и намагничивающие обмотки, на полюсных наконечниках размещены концентрично к равновесной орбите витки, включенные между собой согласно последовательно, и подключенные к генератору импульсного тока. A device is known that implements the proposed method and contains central liners, pole tips, reverse magnetic core and magnetizing windings, on the pole tips placed coils concentrically to the equilibrium orbit, connected in series according to each other and connected to a pulse current generator.

Этот способ улучшает условия захвата электронов в ускорение, но при этом происходит ослабление фокусирующих сил магнитного поля в аксиальном направлении во время инжекции в связи с уменьшением пробочного отношения, что снижает эффективность известного способа ускорения. Кроме того, для выполнения условия удержания инжектируемого заряда в области между пробками каждый раз при изменеии режима работы ускорителя необходимо экспериментально подбирать скорость уменьшения дополнительного импульсного магнитного поля. This method improves the conditions for electron capture in acceleration, but the focusing forces of the magnetic field in the axial direction are weakened during injection due to a decrease in the cork ratio, which reduces the effectiveness of the known acceleration method. In addition, in order to fulfill the condition of holding the injected charge in the region between the plugs, each time when the accelerator operating mode changes, it is necessary to experimentally select the rate of decrease in the additional pulsed magnetic field.

К недостаткам устройства относится относительно сложная система возбуждения дополнительного поля, включающая витки на полюсных наконечниках, размещенные концентрично к равновесной орбите и включенные согласно-последовательно, а также наличие автономного генератора импульсного тока. Для исключения искажений магнитного поля витки должны быть размещены на полюсных наконечниках с очень высокой точностью. The disadvantages of the device include a relatively complex system for exciting an additional field, including turns on the pole tips, arranged concentrically to the equilibrium orbit and switched on in series, as well as the presence of an autonomous pulse current generator. To avoid distortion of the magnetic field, the turns must be placed on the pole pieces with very high accuracy.

Наиболее близким техническим решением является способ ускорения электронов в цилиндрическом бетатроне, включающий инжекцию электронов в область с азимутально-симметричным магнитным полем, показатель спада которого n=0, ограниченную в аксиальном направлении участками магнитных пробок, в области магнитных пробок во время захвата электронов в ускорение осуществляется увеличение потенциальных барьеров в аксиальном направлении вследствие потери части инжектируемых электронов на проводящих пластинах, установленных в районе магнитных пробок. The closest technical solution is a method of accelerating electrons in a cylindrical betatron, including the injection of electrons into a region with an azimuthally symmetric magnetic field, the decay rate of which is n = 0, axially limited by sections of magnetic plugs, in the region of magnetic plugs during electron capture in acceleration an increase in potential barriers in the axial direction due to the loss of part of the injected electrons on the conductive plates installed in the region of magnetic by side.

Известно также устройства, реализующее этот способ ускорения и содержащее обратный магнитопровод, полюсные наконечники, центральные вкладыши и секционированную намагничивающую обмотку, внутри ускорительной камеры на границах области устойчивого движения электронов установлены пластины из проводящего материала, которые соединены с проводящим покрытием камеры через коммутирующие устройства. Devices that implement this acceleration method and include a reverse magnetic circuit, pole pieces, central bushings and a sectioned magnetizing winding are also known; plates of conductive material are installed inside the accelerator chamber at the boundaries of the region of stable electron motion, which are connected to the conductive coating of the chamber through switching devices.

Данный способ ускорения позволяет увеличить фокусирующие силы в аксиальном направлении. This method of acceleration allows you to increase the focusing forces in the axial direction.

Недостатком этого способа и устройства является потеря большей части инжектируемых электронов на проводящих пластинах, так как чем больше потери электронов на пластинах, тем больше силы, сжимающие электроны в аксиальном направлении. The disadvantage of this method and device is the loss of most of the injected electrons on the conductive plates, since the greater the loss of electrons on the plates, the greater the forces compressing the electrons in the axial direction.

Цель изобретения состоит в увеличении количества электронов, ускоряемых в одном цикле, и повышение КПД ускорителя. Для достижения этой цели в способе ускорения электронов в цилиндрическом бетатроне, включающем инжекцию электронов в область с азимутально-симметричным магнитным полем, показатель спада которого n= 0, ограниченную в аксиальном направлении участками магнитных пробок, в области между магнитными пробками возбуждают азимутально-симметричное магнитное поле, опережающее на 90^о основное поле и соосное ему.The purpose of the invention is to increase the number of electrons accelerated in one cycle, and increase the efficiency of the accelerator. To achieve this goal, in a method for accelerating electrons in a cylindrical betatron, which includes injecting electrons into a region with an azimuthally symmetric magnetic field, the decay rate of which is n = 0, axially bounded by sections of magnetic tubes, in the region between the magnetic tubes, an azimuthally symmetric magnetic field is excited , ahead of 90 ^{about the} main field and coaxial to him.

Реализовать предлагаемый способ ускорения можно с помощью устройства, содержащего центральные вкладыши, полюсные наконечники и секционированную намагничивающую обмотку, в котором параллельно секциям намагничивающей обмотки, расположенным в области между магнитными пробками, подключены активные сопротивления. The proposed acceleration method can be implemented using a device containing central bushings, pole pieces, and a sectioned magnetizing winding, in which active resistances are connected in parallel with the sections of the magnetizing winding located in the region between the magnetic plugs.

Предлагаемое техническое решение содержит новую совокупность существенных признаков, следовательно оно соответствует критерию "Новизна". The proposed technical solution contains a new set of essential features, therefore, it meets the criterion of "Novelty."

Проведенный анализ на соответствие критерию "Изобретательский уровень" показал, что заявляемый способ ускорения обладает существенными отличиями, заключающимися в том, что возбуждаемое в области между пробками магнитное поле направлено не на изменение пробочного отношения или увеличение потенциальных барьеров, а осуществляет компенсацию изменений показателя спада магнитного поля n в этой области, вызванных воздействием собственного электромагнитного поля инжектируемого пучка. Возбуждаемое магнитное поле опережает на 90^о основное поле, поэтому его влияние будет максимально в момент инжекции и на начальной стадии цикла ускорения. Воздействие собственного поля пучка также максимально на начальной стадии цикла ускорения, так как по мере увеличения энергии частиц влияние пространственного заряда уменьшается, т.е. рассматриваемые процессы происходят практически синхронно. Таким образом, предлагаемый способ ускорения не допускает перехода n в область отрицательных значений и способствует стабилизации захватываемого в ускорение заряда, что приводит к увеличению доводимого до конца цикла ускорения заряда, и, следовательно, к повышению КПД ускорителя что, соответствует критерию "Изобретательский уровень".The analysis for compliance with the criterion of "Inventive step" showed that the claimed method of acceleration has significant differences, namely, that the magnetic field excited in the area between the plugs is not aimed at changing the cork ratio or increasing potential barriers, but compensates for changes in the magnetic field decay rate n in this area caused by exposure to the intrinsic electromagnetic field of the injected beam. The excited magnetic field is 90 ° ahead ^{of the} main field; therefore, its influence will be maximum at the time of injection and at the initial stage of the acceleration cycle. The influence of the beam’s own field is also maximal at the initial stage of the acceleration cycle, since the influence of the space charge decreases with increasing particle energy, i.e. The processes under consideration occur almost synchronously. Thus, the proposed method of acceleration does not allow the transition of n to the region of negative values and helps to stabilize the charge trapped in the acceleration, which leads to an increase in the charge acceleration brought to the end of the cycle, and, therefore, to an increase in the efficiency of the accelerator, which meets the criterion of "Inventive step".

Проведенный анализ на соответствие критерию "Изобретательский уровень" показал, что заявляемое устройство отличается предельной простотой, не требует внешних источников питания и других вспомогательных устройств. Подключение активных сопротивлений к намагничивающей обмотке ускорителя с целью возбуждения дополнительного магнитного поля авторам неизвестно. Следовательно, предлагаемое устройство обладает существенным отличием и соответствует критерию "Изобретательский уровень". The analysis for compliance with the criterion of "Inventive step" showed that the claimed device is extremely simple, does not require external power sources and other auxiliary devices. The connection of active resistances to the magnetizing winding of the accelerator in order to excite an additional magnetic field is unknown to the authors. Therefore, the proposed device has a significant difference and meets the criterion of "Inventive step".

На фиг. 1 представлено сечение 1/2 электромагнита цилиндрического бетатрона; на фиг.2 распределение магнитного поля в рабочем зазоре ускорителя; на фиг.3 временные диаграммы. In FIG. 1 shows a section 1/2 of an electromagnet of a cylindrical betatron; figure 2 distribution of the magnetic field in the working gap of the accelerator; figure 3 timing diagrams.

В циклических ускорителях с мягкой фокусировкой, в том числе и в цилиндрическом бетатроне, при инжекции интенсивных пучков заряженных частиц под действием пространственного заряда этого пучка происходит сдвиг рабочей точки ускорителя, характеризующийся изменением эффективного значения показателя спада магнитного поля n. Пучок кругового сечения радиусом a и энергией Е, циркулирующий на радиусе R, уменьшает показатель спада магнитного поля n на величину dn (Д.Ливингуд. Принципы работы циклических ускорителей. М. И.Л. 1963). In cyclic accelerators with soft focusing, including a cylindrical betatron, during the injection of intense beams of charged particles under the action of the space charge of this beam, the working point of the accelerator shifts, characterized by a change in the effective value of the magnetic field decay coefficient n. A circular beam with a radius a and energy E circulating at a radius R decreases the magnetic field decay rate n by dn (D. Livingud. Principles of operation of cyclic accelerators. M. I. L. 1963).

d_n=

где N число частиц в пучке;
e заряд частицы;
μ_o магнитная проницаемость пространства;
c скорость света;
β скорость частицы в единицах скорости света.d _n =

where N is the number of particles in the beam;
e is the particle charge;
μ _{o the} magnetic permeability of space;
c is the speed of light;
β particle velocity in units of the speed of light.

В цилиндрическом бетатроне в области между пробками n=0 и даже незначительное уменьшение показателя спада магнитного поля приводит к тому, что n переходит в область отрицательных значений, характеризующуюся дефокусировкой пучка в аксиальном направлении. В процессе ускорения по мере увеличения энергии частиц влияние пространственного заряда уменьшается, и рабочая точка возвращается к исходному значению. In a cylindrical betatron in the region between the plugs n = 0 and even a slight decrease in the magnetic field decay rate leads to the fact that n goes into the region of negative values, characterized by defocusing of the beam in the axial direction. In the process of acceleration, as the particle energy increases, the influence of the space charge decreases, and the operating point returns to its original value.

Для того, чтобы исключить потери частиц в цилиндрическом бетатроне, необходимо скомпенсировать изменение показателя спада магнитного поля из-за пространственного заряда пучка в медианной плоскости бетатрона во время инжекции и на начальной стадии цикла ускорения, что достигается возбуждением в области между пробками дополнительного азимутально-симметричного магнитного поля, опережающего на 90^о основное поле и соосного ему.In order to exclude particle losses in a cylindrical betatron, it is necessary to compensate for the change in the magnetic field decay due to the spatial charge of the beam in the median plane of the betatron during injection and at the initial stage of the acceleration cycle, which is achieved by excitation in the region between the tubes of an additional azimuthally symmetric magnetic field ahead of 90 ^{about the} main field and coaxial to it.

Устройство, реализующее предлагаемый способ ускорения, состоит (фиг.1), например, из полюсных наконечников 1 и 2, блока центральных вкладышей 3, намагничивающих обмоток 4 6 и активных сопротивлений 7. Кривая 8 (фиг.2) соответствует теоретической кривой распределения магнитного поля B f(z). Индукция магнитного поля B_z в межполюсном пространстве должна быть постоянной B_zo const и возрастать в прилегающих к полюсным наконечникам 1,2 областях до значения B_zg, необходимого для обеспечения аксиальной фокусировки частиц.A device that implements the proposed acceleration method consists (Fig. 1), for example, of pole pieces 1 and 2, a block of central inserts 3, magnetizing windings 4 6 and active resistances 7. Curve 8 (Fig. 2) corresponds to the theoretical distribution curve of the magnetic field B f (z). The magnetic field induction B _z in the interpolar space should be constant B _zo const and increase in the regions adjacent to the pole pieces 1.2 to the value B _zg necessary to ensure axial focusing of the particles.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Электромагнитное поле бетатрона возбуждается напряжением косинусоидальной формы (кривая 9, фиг.3). Так как нагрузка носит индуктивный характер, намагничивающий ток (кривая 10) в обмотках 4 6 изменяется по синусоидальному закону. The electromagnetic field of the betatron is excited by a cosine voltage (curve 9, figure 3). Since the load is inductive, the magnetizing current (curve 10) in windings 4-6 changes according to a sinusoidal law.

Наводимые в обмотках 5 ЭДС вызывают протекание по цепи обмотка 5 сопротивления 7 замкнутого тока, по форме повторяющего форму ЭДС, т.е. косинусоиду, а по направлению совпадающему с направлением намагничивающего тока в сопротивлениях 7 и направленного встречно намагничивающему току (опережающему на 90^о) в обмотках 5 (кривая 11).Induced in the windings 5 EMF cause the flow through the circuit of the winding 5 of the resistance 7 of the closed current, in the form of repeating the shape of the EMF, i.e. cosine, and in the direction coinciding with the direction of the magnetizing current in resistances 7 and directed counter-to the magnetizing current (ahead of 90 ^° ) in the windings 5 (curve 11).

Управляющее магнитное поле 8 возбуждается током (кривая 10). Под действие пространственного заряда инжектируемого интенсивного электронного пучка кривая распределения магнитного поля 8 в рабочем зазоре ускорителя искажается и принимает форму 12 (фиг.2). Такая форма кривой распределения соответствует отрицательным значениям n и означает аксиальную дефокусировку циркулирующих в бетатроне частиц. Током (кривая 11) в области между пробками возбуждается магнитный поток, направленный встречно управляющему магнитному потоку, в итоге чего кривая распределения результирующего магнитного поля в отсутствии пучка принимает вид 13 (фиг.2), т.е. n становится равным n>0. Выбором соответствующих значений сопротивлений 7 добиваются, чтобы характер изменений кривых распределения магнитного поля под действием заряда пучка 12 и под влиянием возбуждаемого магнитного поля 13 компенсировал друг друга, а результирующее магнитное поле приближалось к кривой 8. Критерием полной компенсации искажений характера распределения магнитного поля является максимум интенсивности излучения ускорителя. The control magnetic field 8 is excited by a current (curve 10). Under the influence of the space charge of the injected intense electron beam, the distribution curve of the magnetic field 8 in the working gap of the accelerator is distorted and takes the form 12 (figure 2). This shape of the distribution curve corresponds to negative values of n and means axial defocusing of particles circulating in the betatron. A current (curve 11) in the region between the plugs excites a magnetic flux directed in the opposite direction to the control magnetic flux, as a result of which the distribution curve of the resulting magnetic field in the absence of a beam takes the form 13 (Fig. 2), i.e. n becomes equal to n> 0. By choosing the appropriate values of the resistances 7, they achieve that the nature of the changes in the curves of the distribution of the magnetic field under the action of the beam 12 and under the influence of the excited magnetic field 13 compensates each other, and the resulting magnetic field approaches curve 8. The criterion for the complete compensation of distortions in the nature of the distribution of the magnetic field is the maximum intensity radiation accelerator.

Влияние пространственного заряда, как следует из приведенного выражения, максимально в момент инжекции и уменьшается в процессе ускорения по мере увеличения энергии частиц. Но так как ток (кривая 11) опережает ток (кривая 10) на 90^о, возбуждаемое им магнитное поле также максимально во время инжекции, и уменьшается с ростом тока (кривая 10), пропорционального энергии частиц. Таким образом, компенсация показателя спада магнитного поля осуществляется в момент инжекции и на начальном этапе цикла ускорения.The effect of the space charge, as follows from the above expression, is maximum at the time of injection and decreases during acceleration as the particle energy increases. But since the current (curve 11) leading the current (curve 10) at ^about 90, the magnetic field excited by them as much as possible during the injection time, and decreases with increasing current (curve 10), proportional to the particle energy. Thus, the compensation of the magnetic field decay is carried out at the time of injection and at the initial stage of the acceleration cycle.

Предлагаемые способ и устройство были испытаны на действующем цилиндрическом бетатроне на 15 МэВ. При этом соотношения между текущим значением энергии ускоряемых частиц T_уск., напряжением 9 на электромагните (U_к), намагничивающим током (кривая 10) (I₁₀), током (кривая 11) (I₁₁) и отношением I₁₁/I₁₀ имеют значения, представленные в таблице.The proposed method and device were tested on an existing 15 MeV cylindrical betatron. Moreover, the relationship between the current value of the energy of accelerated particles T _accele. , voltage 9 on an electromagnet (U _to ), magnetizing current (curve 10) (I ₁₀ ), current (curve 11) (I ₁₁ ) and the ratio I ₁₁ / I ₁₀ have the values shown in the table.

Испытание показало, что применение заявляемого способа ускорения позволило в три раза увеличить электронный заряд, доводимый до конца цикла ускорения. The test showed that the use of the proposed method of acceleration allowed three times to increase the electronic charge, brought to the end of the acceleration cycle.

Claims

1. A method of accelerating electrons in a cylindrical batatron, comprising injecting electrons into a region with an azimuthally symmetric control magnetic field growing in time, axially bounded sections of magnetic plugs, characterized in that in the region between the magnetic plugs, an additional azimuthally symmetric additional decreasing in time is excited magnetic field directed opposite to the control magnetic field and coaxial with it.

2. A device for accelerating electrons in a cylindrical betatron containing central liners, pole pieces and a magnetizing winding made in the form of series-connected peripheral and central sections, characterized in that elements having active resistance are connected parallel to the central sections of the winding.