RU2193829C1

RU2193829C1 - Induction charged-particle accelerator

Info

Publication number: RU2193829C1
Application number: RU2001118651A
Authority: RU
Inventors: В.А. Москалев
Original assignee: Научно-исследовательский институт интроскопии при Томском политехническом университете
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2002-11-27

Abstract

FIELD: acceleration engineering. SUBSTANCE: accelerator that may be used to produce charged-particle beams or bremsstrahlung with energy of several hundreds of keV to 10 MeV and higher has magnetizing windings, acceleration chamber with injector, and switch-mode power supplies. Single-turn magnetizing winding used to build up controlling magnetic field is made in the form of two concentric cylindrical rings assembled of conducting (such as copper) strips with radial split; strips are interconnected on one side of split and connected to unlike poles of switch-mode power supply on its other side. Strips are bent out so that their convex section occurs outside ring axis. On edges strips are joined by means of circular insulating packings and winding that builds up accelerating electromagnetic field is concentrically mounted inside ring formed by single-turn magnetizing winding and connected to separate switch-mode power supply. Injector may be installed at any desired point of insulating ring. EFFECT: simplified design, facilitated manufacture, reduced size and weight, and enhanced efficiency of accelerator. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для получения пучков заряженных частиц или тормозного излучения с энергией от нескольких сотен КэВ до 10 МэВ и выше. The invention relates to accelerator technology and can be used to obtain beams of charged particles or bremsstrahlung with an energy of several hundred keV to 10 MeV and higher.

Известен индукционный ускоритель электронов - бетатрон [1], содержащий магнитопровод, состоящий из пары профилированных полюсов, объединенных с помощью ферромагнитных ярем, обмотки намагничивания, питаемые от источника переменного напряжения, и ускорительную камеру с инжектором, размещаемую в межполюсном зазоре. Такой ускоритель имеет большой вес и габариты, сложную технологию изготовления и монтажа, в основном, за счет веса и габаритов магнитопровода и сложности изготовления полюсов и ускорительной вакуумной камеры. Known induction electron accelerator - betatron [1], containing a magnetic circuit, consisting of a pair of profiled poles, combined using a ferromagnetic yoke, magnetization windings, powered by an AC voltage source, and an accelerator chamber with an injector placed in the interpolar gap. Such an accelerator has a large weight and dimensions, a complex manufacturing and installation technology, mainly due to the weight and dimensions of the magnetic circuit and the complexity of manufacturing the poles and the accelerating vacuum chamber.

Наиболее близким техническим решением является бетатрон с разделенными магнитными потоками [2], содержащий магнитопровод, намагничивающие обмотки, ускорительную камеру с инжектором и источники импульсного напряжения, в котором магнитное поле на орбите ускоряемых электронов - управляющее магнитное поле - создается специальными электромагнитами, устанавливаемыми на криволинейных участках траектории и питаемыми от отдельного источника напряжения. Магнитное поле в круге орбиты электронов, отвечающее за создание на орбите напряженности вихревого электрического - ускоряющее магнитное поле - создается с помощью индукторов - ускорительных модулей индукционного типа, питаемых электроэнергией от самостоятельного источника импульсного напряжения. Вся система электромагнитов и индукторов смонтирована вдоль траектории ускоряемых частиц и охватывает вакуумную ускорительную камеру с установленным в ней инжектором и подсоединенную к вакуумному насосу. Такой ускоритель также громоздок и сложен в изготовлении. The closest technical solution is a betatron with separated magnetic fluxes [2], which contains a magnetic circuit, magnetizing windings, an accelerator chamber with an injector, and pulsed voltage sources, in which a magnetic field in the orbit of accelerated electrons — a control magnetic field — is created by special electromagnets installed in curved sections trajectories and powered by a separate voltage source. The magnetic field in the circle of the orbit of the electrons, which is responsible for creating in the orbit the strength of the vortex electric - an accelerating magnetic field - is created using inductors - induction-type accelerating modules, powered by electricity from an independent source of pulse voltage. The entire system of electromagnets and inductors is mounted along the trajectory of accelerated particles and covers a vacuum accelerator chamber with an injector installed in it and connected to a vacuum pump. Such an accelerator is also cumbersome and difficult to manufacture.

Целью изобретения является упрощение конструкции ускорителя и технологии его изготовления, уменьшение веса, габаритов и повышение кпд. The aim of the invention is to simplify the design of the accelerator and its manufacturing technology, reducing weight, dimensions and increasing efficiency.

Эта цель достигается тем, что в индукционном ускорителе заряженных частиц, содержащем намагничивающие обмотки, ускорительную камеру с инжектором и импульсные источники питания, одновитковая намагничивающая обмотка для создания управляющего магнитного поля выполнена в виде двух концентрически расположенных цилиндрообразных колец, выполненных из проводящих, например, медных полос, имеющих радиальный разрез, по одну сторону которого полосы соединены между собой электрически, а по другую сторону разреза подсоединены к разноименным полюсам импульсного или переменного источника питания, причем полосы выгнуты так, что выпуклость обращена наружу от оси колец, а по краям полосы соединены между собой кольцевыми диэлектрическими вакуумными уплотнителями, а обмотка для создания ускоряющего электромагнитного поля установлена концентрически внутри кольца, образованного одновитковой намагничивающей обмоткой, и подсоединена к отдельному источнику импульсного или переменного напряжения. Использование для создания управляющего поля ускорителя одновитковой обмотки предлагаемого типа позволяет значительно упростить конструкцию ускорителя, технологию его изготовления, уменьшить вес и габариты, а за счет снижения полей рассеяния повысить кпд ускорителя. Соединение краев обмотки с помощью кольцевых диэлектрических вакуумных уплотнителей позволяет использовать ее одновременно и в качестве ускорительной камеры, которая в любом действующем ускорителе является самостоятельным сложным и трудоемким в изготовлении узлом. This goal is achieved by the fact that in an induction particle accelerator containing magnetizing windings, an accelerating chamber with an injector and switching power supplies, the single-turn magnetizing winding for creating a control magnetic field is made in the form of two concentrically arranged cylindrical rings made of conducting, for example, copper strips having a radial cut, on one side of which the strips are electrically interconnected, and on the other side of the cut are connected to unlike floor the pulse or alternating power supply itself, the strips being bent so that the convexity is facing outward from the axis of the rings, and the edges of the strip are interconnected by ring dielectric vacuum seals, and the winding for creating an accelerating electromagnetic field is mounted concentrically inside the ring formed by a single-turn magnetizing winding, and connected to a separate source of pulse or alternating voltage. Using a single-turn winding of the proposed type to create the control field of the accelerator allows to significantly simplify the design of the accelerator, its manufacturing technology, reduce weight and dimensions, and increase the efficiency of the accelerator by reducing the scattering fields. The connection of the edges of the winding with the help of ring dielectric vacuum seals allows it to be used simultaneously as an accelerator chamber, which in any active accelerator is an independent complex and labor-consuming assembly unit.

На чертеже представлена схема индукционного ускорителя заряженных частиц. The drawing shows a diagram of an induction accelerator of charged particles.

Индукционный ускоритель заряженных частиц (см. чертеж) содержит одновитковую обмотку для создания управляющего магнитного поля, выполненную в виде двух концентрически расположенных цилиндрообразных полос 1 и 2 из проводящего материала, например меди, имеющих радиальный разрез, по одну сторону которого полосы соединены между собой электрически, а по другую сторону разреза подсоединены к разноименным полюсам 6 импульсного или переменного источника питания и, будучи соединенными по краям кольцевыми диэлектрическими вакуумными уплотнителями 3, образуют ускорительную камеру. The charged particle induction accelerator (see the drawing) contains a single-turn winding for creating a control magnetic field made in the form of two concentrically arranged cylindrical strips 1 and 2 of conductive material, for example, copper, having a radial cut, on one side of which the strips are electrically connected, and on the other side of the section are connected to opposite poles 6 of a pulse or alternating power source and, being connected at the edges by ring dielectric vacuum seals s 3 to form the accelerating chamber.

Для обеспечения фокусирующих свойств управляющего магнитного поля ("бочкообразная" форма силовых линий) поверхность медных полос выгнута выпуклостью наружу от оси колец. Ускоритель содержит также обмотку 4 для создания ускоряющего электромагнитного поля, выполненную в виде катушки, расположенной концентрически внутри кольца, образованного одновитковой обмоткой, и питаемую от отдельного источника 5 импульсного или переменного напряжения. Инжектор 7 электронов может быть расположен в любом удобном месте вдоль поверхности диэлектрического кольца-уплотнителя 3. To ensure the focusing properties of the control magnetic field (“barrel-shaped” line of force), the surface of the copper strips is curved convex outward from the axis of the rings. The accelerator also contains a winding 4 for creating an accelerating electromagnetic field, made in the form of a coil located concentrically inside the ring formed by a single-turn winding, and powered from a separate source 5 of pulse or alternating voltage. The electron injector 7 can be located at any convenient location along the surface of the dielectric seal ring 3.

Использование одновитковой обмотки для получения управляющего магнитного поля и одновременно для формирования ускорительной камеры существенно облегчает ускоритель и упрощает его конструкцию, обеспечивает свободный доступ к камере, упрощает монтаж инжектора и патрубка вакуумного насоса, отпадает надобность в полюсах, что значительно сокращает вес ускорителя, повышается удобство эксплуатации бетатронов, так как исчезает необходимость трудоемких разборок и демонтажа магнитопровода во время ремонтных и регламентных работ. Увеличение радиуса равновесной орбиты в этом ускорителе не приводит к возрастанию веса электромагнита в кубической зависимости, как это имеет место в известных ускорителях. Разделение магнитных потоков в индукционном ускорителе позволяет получать высокие энергии ускоренных электронов, так как дает возможность в значительной степени скомпенсировать потери энергии электронов на синхротронное излучение. Возможно также использование сверхпроводящих материалов для повышения эффективности работы ускорителя. The use of a single-turn winding to obtain a control magnetic field and at the same time to form an accelerator chamber significantly simplifies the accelerator and simplifies its design, provides easy access to the chamber, simplifies installation of the injector and the nozzle of the vacuum pump, eliminates the need for poles, which significantly reduces the weight of the accelerator, and increases the ease of use betatrons, since the need for laborious disassembly and dismantling of the magnetic circuit during repair and maintenance work disappears. An increase in the radius of the equilibrium orbit in this accelerator does not lead to an increase in the weight of the electromagnet in a cubic dependence, as is the case in known accelerators. Separation of magnetic fluxes in an induction accelerator allows one to obtain high energies of accelerated electrons, since it makes it possible to substantially compensate for the loss of electron energy by synchrotron radiation. It is also possible to use superconducting materials to increase the efficiency of the accelerator.

Индукционный ускоритель заряженных частиц (см. чертеж) работает следующим образом. Управляющее переменное магнитное поле возбуждается одновитковой обмоткой, выполненной в виде двух концентрически расположенных цилиндрообразных колец-полос 1 и 2 из проводящего материала, например, меди, имеющих радиальный разрез, по одну сторону которого полосы соединены между собой электрически, а по другую сторону разреза подсоединены к разноименным полюсам 6 импульсного или переменного источника питания. Полосы по краям соединены между собой кольцевыми вакуумными уплотнителями 3 и образуют ускорительную камеру. Induction accelerator of charged particles (see drawing) works as follows. The control alternating magnetic field is excited by a single-turn winding made in the form of two concentrically arranged cylindrical ring-bands 1 and 2 of conductive material, for example, copper, having a radial cut, on one side of which the strips are electrically connected to each other, and on the other side of the cut are connected to opposite poles of 6 pulse or variable power supply. The bands at the edges are interconnected by annular vacuum seals 3 and form an accelerator chamber.

Электрический ток протекает по полосе 1, например в одном направлении, а по полосе 2 - в обратном. В пространстве между полосами возникает переменное бетатронное спадающее по радиусу магнитное поле, обладающее фокусирующими свойствами благодаря "выпуклости" медных полос 1 и 2. С помощью этого переменного поля ускоряемые электроны удерживаются в камере на орбите постоянного радиуса. Обмотка 4, выполненная в виде цилиндрической катушки, например, медного провода, расположена концентрически внутри кольца, образованного одновитковой обмоткой и подключена к отдельному источнику 5 импульсного или переменного напряжения. В пространстве, охватываемом катушкой, создается переменное магнитное поле, которое индуктирует вихревое электрическое поле в объеме ускорительной камеры. Вектор напряженности вихревого электрического поля пропорционален скорости изменения магнитного потока, охватываемого катушкой 4, а его направление перпендикулярно к радиальному сечению ускорительной камеры в любой точке. Соответствующая синхронизация магнитных полей, создаваемых одновитковой обмоткой (полосы 1 и 2) и обмоткой 4, обеспечивает индукционное ускорение электронов до заданной энергии. Ускоряемые электроны вводятся в ускорительную камеру с помощью инжектора 7, а после ускорения выводятся за пределы камеры одним из известных способов или сбрасываются на мишень для получения пучка тормозного излучения. Обмотка 4 для усиления охватываемого ею магнитного потока может быть снабжена замкнутым или незамкнутым ферромагнитным сердечником, набранным, например, из листов трансформаторной стали. Это приведет, с одной стороны, к уменьшению тока в обмотке, т. е. снижению потребляемой энергии, но с другой стороны - повлечет за собой увеличение веса ускорителя. Electric current flows in strip 1, for example in one direction, and in strip 2 in the opposite direction. In the space between the bands, an alternating betatron radius decreasing magnetic field appears, which has focusing properties due to the "convexity" of copper bands 1 and 2. With this variable field, accelerated electrons are held in a chamber in an orbit of constant radius. The winding 4, made in the form of a cylindrical coil, for example, a copper wire, is concentrically located inside the ring formed by a single-turn winding and is connected to a separate source 5 of pulsed or alternating voltage. In the space covered by the coil, an alternating magnetic field is created, which induces a vortex electric field in the volume of the accelerating chamber. The vortex electric field intensity vector is proportional to the rate of change of the magnetic flux enveloped by coil 4, and its direction is perpendicular to the radial section of the accelerating chamber at any point. Corresponding synchronization of magnetic fields created by a single-turn winding (bands 1 and 2) and winding 4 provides induction acceleration of electrons to a given energy. Accelerated electrons are introduced into the accelerating chamber using an injector 7, and after acceleration they are removed from the chamber by one of the known methods or are dropped onto a target to obtain a beam of bremsstrahlung. The winding 4 for enhancing the magnetic flux it encompasses may be provided with a closed or open ferromagnetic core, for example, assembled from sheets of transformer steel. This will lead, on the one hand, to a decrease in the current in the winding, i.e., to a reduction in energy consumption, but on the other hand, it will entail an increase in the weight of the accelerator.

Источники информации
1. Ананьев Л. М., Воробьев А.А., Горбунов В.И. Индукционный ускоритель электронов - бетатрон. Москва, Энергоиздат, 1961.Sources of information
1. Ananyev L.M., Vorobyov A.A., Gorbunov V.I. Induction electron accelerator - betatron. Moscow, Energy Publishing House, 1961.

2. Хвастунов М.С. "Циклический индукционный ускоритель электронов", ПТЭ, 1981, 3, с. 20-23. 2. Khvastunov M.S. "Cyclic induction electron accelerator", PTE, 1981, 3, p. 20-23.

Claims

An induction charged particle accelerator containing magnetizing windings, an accelerating chamber with an injector and switching power supplies, characterized in that the single-turn magnetizing winding for creating a control magnetic field is made in the form of two concentrically arranged cylindrical rings made of conductive, for example copper, strips and having a radial section, on one side of which the strips are electrically connected, and on the other side of the section are connected to opposite poles of imp an alternating power source, the strips being bent so that the convexity is facing outward from the axis of the rings, the edges of the strip are interconnected by ring dielectric vacuum seals, and the winding for creating an accelerating electromagnetic field is mounted concentrically inside the ring formed by a single-turn magnetizing winding and connected to a separate source of pulse or alternating voltage.