RU2513034C2 - Method for induction electron acceleration - Google Patents

Method for induction electron acceleration Download PDF

Info

Publication number
RU2513034C2
RU2513034C2 RU2012128086/07A RU2012128086A RU2513034C2 RU 2513034 C2 RU2513034 C2 RU 2513034C2 RU 2012128086/07 A RU2012128086/07 A RU 2012128086/07A RU 2012128086 A RU2012128086 A RU 2012128086A RU 2513034 C2 RU2513034 C2 RU 2513034C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
induction
accelerating
electrons
orbit
inductors
Prior art date
Application number
RU2012128086/07A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012128086A (en
Inventor
Геннадий Варламович Долбилов
Original Assignee
Объединенный Институт Ядерных Исследований
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Объединенный Институт Ядерных Исследований filed Critical Объединенный Институт Ядерных Исследований
Priority to RU2012128086/07A priority Critical patent/RU2513034C2/en
Publication of RU2012128086A publication Critical patent/RU2012128086A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2513034C2 publication Critical patent/RU2513034C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Particle Accelerators (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to acceleration techniques and can be used in making induction cyclic accelerators for industrial purposes, e.g. for modifying and producing new materials, sterilising medical instruments and food products, disinfecting medical wastes and other wastes, cleaning industrial flue gases from hazardous SOx and NOx oxides. The disclosed method involves achieving given final energy (≤10 MeV) using a rectangular wave of accelerating induction voltage and a triangular wave of the guiding magnetic field. In order to keep the radius of the equilibrium orbit constant during acceleration, special relationships between amplitude-time characteristics of magnetic induction on the orbit and induced accelerating voltage are satisfied. In order to realise strong focusing, a magnetic field with a large alternating gradient is formed on the orbit.
EFFECT: high average power of a beam of accelerated charged particles, reduced size and weight of the induced cyclic accelerator of electrons, simple power supply system of the induction accelerating system, low cost of the accelerator.
5 dwg

Description

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 SOx и NOx окислов.The invention relates to accelerator technology and can be used to create induction cyclic accelerators for industrial use, for example, for the modification and production of new materials, sterilization of medical instruments and food products, disinfection of medical and other wastes, purification of industrial gases from harmful SO x and NO x oxides.

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).Known electron accelerators for industrial technologies such as ELV [1]. These are direct action accelerators in which an accelerating electric field is created by the difference of constant potentials between the cathode and the anode electrode. To remove the beam from the accelerator, the anode must be at ground potential, therefore, in direct-acting accelerators, the cathode is at a voltage equal to the energy of accelerated electrons. At an energy of 2.5 MeV, the voltage at the cathode will be 2.5 MB, and the design of the direct-action accelerator should provide electrical insulation of the cathode for a constant voltage equal to the maximum allowable energy. This determines the large size of direct-acting accelerators (height over 4 m).

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.In high-frequency accelerators (which include ILU-type accelerators), an alternating high-frequency (HF) electric field is used to accelerate electrons, so the question of ensuring electrical insulation is easier to solve. In ILU-type accelerators, electrons are accelerated in the gap of a high-quality high-frequency resonator. The resonator is excited by the RF generator through a communication loop, and the RF circuit acts as a step-up transformer.

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.Accelerators of the ILU type [2-4] are single-resonator machines operating in the standing half-wave mode. The operating frequencies of the ILU accelerators are in the meter range of radio waves - 118 MHz (ILU-6 and ILU-10) and 180 MHz (ILU-8). The length of the accelerating gap of the ILU-8 accelerator is 3.6 cm, ILU-6 is 16 cm, ILU-10 is 26 cm. The accelerating gap of these machines is shorter than the wavelength in vacuum, therefore, during acceleration, the electrons acquired energy almost equal to the maximum voltage on the resonator. ILU accelerators use a triode electron gun (with a control electrode) located immediately in front of the accelerating gap.

Использование управляющего напряжения на электронной пушке позволяет быстро регулировать ток пучка и уменьшает фазовый угол инжекции, что существенно снижает разброс энергии электронов в пучке.Using the control voltage on the electron gun allows you to quickly adjust the beam current and reduces the phase angle of injection, which significantly reduces the spread of electron energy in the beam.

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 SF6 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.Accelerators of the ILU type have their advantages and disadvantages with respect to the most common type of accelerators, direct-acting accelerators, which include ELV-type accelerators produced by INP. ILU accelerators are impulse machines. Their dimensions are smaller (height 2-2.4 m), and the energy of accelerated electrons is greater (1-5 MeV) than that of ELV accelerators. They do not need a tank with compressed sulfur hexafluoride SF 6 gas for insulation of high-voltage parts of the accelerator. In the ILU-10 accelerator, an RF voltage with an adjustable phase shift relative to the accelerating voltage is applied to the triode electron gun, which changes the phase angle of injection and reduces the spread of electron energies in the beam.

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.The disadvantages of ILU accelerators include: a relatively low coefficient of conversion of electric power consumed from the network into beam power, and the maximum accelerator power (up to 50 kW) is limited by the power of the generated generator lamps.

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.Unlike linear ELV and ILU accelerators, cyclic accelerators do not have high-voltage accelerating systems with a voltage of the order of 1-5 MB. Electrons acquire the required energy by repeatedly passing the accelerating gap with an average voltage [5, 6]. For radiation technologies used in industry, accelerated electron beams with an energy of 0.5-10 MeV are required. Cyclic accelerators in this energy range are much more compact and cheaper than direct-acting accelerators and microwave accelerators.

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 ≤10-9 с.Induction cyclic accelerators [5, 6] and the criteria proposed in these works have a small mass of magnetic material and do not have tunable resonant accelerating structures, but they are designed for induction acceleration of light particles - electrons, which quickly gain speed at first revolutions, and the main The acceleration process is carried out at a particle velocity close to the speed of light. The period of electron revolution in the range of required energies is τ <10 ns, which complicates the formation of accelerating pulses of duration τ / 2 and fronts of the order of ≤10 -9 s.

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.As a prototype, choose the method [6]. This method consists in creating a magnetic field increasing in time with an average value of magnetic induction, much smaller than the magnetic field induction in orbit, forming an alternating magnetic field gradient in orbit with a field index much larger than unity (strong focusing), and charged particles; accelerate charged particles by pulses of an induction electric field and output accelerated particles. The disadvantages of the prototype indicated earlier.

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.The technical result of the invention is to increase the average power of the accelerated beam, as well as reducing the weight and dimensions of the accelerator by decreasing the orbit perimeter and shortening the cycle period, simplifying and cheapening the accelerating system, reducing the cost of the accelerator and increasing the range of adjustment of the energy of accelerated electrons.

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:The method of induction acceleration of electrons is that they form a magnetic field that grows in time with an average value much smaller than the magnetic field in orbit; form an alternating magnetic field gradient in orbit with a field index much greater than unity (strong focusing); inject electrons into it; electrons accelerate with pulses of an induction electric field and output accelerated electrons, to accelerate electrons, they form a triangular waveform of the leading magnetic field and a rectangular waveform of the induction accelerating electric field, the duration of the accelerating part of the wave is equal to the duration of the linear growth of magnetic induction in equilibrium orbit, which corresponds to the duration of the acceleration process wherein the change in the flux of magnetic induction ΔФ in the inductors of the accelerating system is selected from the relation:

Δ Ф = 1 e Δ P L = Δ B i n d S

Figure 00000001
, Δ F = one e Δ P L = Δ B i n d S
Figure 00000001
,

где ΔP=P-P0 - прирост импульса электронов в процессе ускорения (P0 - импульс электронов инжекции, P - импульс электронов в конце процесса ускорения), L - периметр орбиты электронов, ΔBind≤2BS - диапазон изменения индукции в ускоряющих индукторах в процессе ускорения, BS - 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:where ΔP = PP 0 is the increase in the electron momentum during the acceleration (P 0 is the electron momentum of the injection, P is the electron momentum at the end of the acceleration process), L is the perimeter of the electron orbit, ΔB ind ≤2B S is the range of variation of the induction in the accelerating inductors in the process acceleration, B S is the induction saturation induction, S = Δrl is the total cross section of all the inductors of the accelerating section (Δr is the radial size of the inductors, / is the length of the induction section), e is the electron charge, and the value of the accelerating voltage is selected from the relation:

ΔBindS=VaccT,ΔB ind S = V acc T,

где Vacc - суммарное напряжение ускоряющих индукторов, Т - длительность ускоряющего импульса.where V acc is the total voltage of the accelerating inductors, T is the duration of the accelerating pulse.

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:The distinguishing features of the claimed method is the following: to accelerate electrons, a triangular waveform of the leading magnetic field and a rectangular waveform of the induction accelerating electric field are formed, the duration of the accelerating part of the wave equal to the duration of the linear growth of magnetic induction in equilibrium orbit, which corresponds to the duration of the acceleration process, the change in the flux of magnetic induction ΔF in the inductors of the accelerating system is chosen from the relation

Δ Ф = 1 e Δ P L = Δ B i n d S

Figure 00000001
, Δ F = one e Δ P L = Δ B i n d S
Figure 00000001
,

где ΔP=P-P0 - прирост импульса электронов в процессе ускорения (P0 - импульс электронов инжекции, P - импульс электронов в конце процесса ускорения), L - периметр орбиты электронов, ΔBind≤2BS - диапазон изменения индукции в ускоряющих индукторах, BS - 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:where ΔP = PP 0 is the increase in the electron momentum during acceleration (P 0 is the electron momentum of injection, P is the electron momentum at the end of the acceleration process), L is the perimeter of the electron orbit, ΔB ind ≤2B S is the range of variation of induction in accelerating inductors, B S is the induction saturation induction, S = Δrl is the total cross section of all the inductors of the accelerating section (Δr is the radial size of the inductors, l is the length of the induction section), e is the electron charge, and the value of the accelerating voltage is selected from the relation:

ΔBindS=VaccT,ΔB ind S = V acc T,

где Vacc - суммарное напряжение ускоряющих индукторов, Т - длительность ускоряющего импульса.where V acc is the total voltage of the accelerating inductors, T is the duration of the accelerating pulse.

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 τ0≤10-9 c), а одним импульсом прямоугольной волны с длительностью, равной процессу ускорения τ≈10-7-10-6 с.The technical result of the invention using this method is: reducing the weight and dimensions of the accelerator by reducing the perimeter of the orbit and shortening the cycle period; simplification and cheapening of the accelerating system, reducing the cost of the accelerator and increasing the range of adjustment of the energy of accelerated electrons. This is achieved by the fact that the combination of all the essential features of the formula makes it possible to accelerate electrons from injection energy to a given final energy, not by a series of nanosecond pulses of an accelerating induction system, the number of which is equal to the number of acceleration cycles (the number of electron revolutions during acceleration), and the duration of each accelerating pulse (less or equal to half the electron revolution period τ 0 ≤10 -9 s), and with a single pulse of a square wave with a duration equal to the acceleration process τ≈10 -7 -10 -6 s.

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.Such an acceleration method makes it possible to minimize the electron revolution period, which leads to an increase in the average beam power, a decrease in the orbit perimeter, a decrease in the accelerator dimensions, its weight and cost, and a significant simplification and cheapening of the system for generating accelerating voltage pulses.

Регулировка энергии электронов на выходе ускорителя производят изменением параметра T волн магнитной индукции ускоряющего напряжения.The electron energy at the output of the accelerator is adjusted by changing the parameter T of the waves of magnetic induction of the accelerating voltage.

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.In addition, the use of an induction acceleration method for accelerating electrons in an increasing magnetic field with an average magnetic field much smaller than the magnetic field in orbit and with an alternating magnetic field gradient in orbit (strong focusing), allows you to further increase the beam intensity and reduce the weight and cost of the electron accelerator .

Перечень чертежейList of drawings

Фиг.1 - схема ускорителя.Figure 1 - diagram of the accelerator.

Фиг.2 - схема С-образных сердечников со знакопеременным градиентом.Figure 2 is a diagram of C-shaped cores with an alternating gradient.

Фиг.3 - форма волны магнитной индукции на равновесной орбите.Figure 3 - waveform of magnetic induction in equilibrium orbit.

Фиг.4 - схема О-образных сердечников индукционной ускоряющей секции.4 is a diagram of the O-shaped cores of the induction accelerating section.

Фиг.5 - амплитудно-временные характеристики магнитной индукции на равновесной орбите (а) и ускоряющее напряжение на витках О-образных сердечниках (индукторах) (б).Figure 5 - amplitude-time characteristics of magnetic induction in equilibrium orbit (a) and accelerating voltage on the turns of O-shaped cores (inductors) (b).

На фиг.1 приведена схема устройства, реализующего предложенный способ, гдеFigure 1 shows a diagram of a device that implements the proposed method, where

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.1) C-shaped electromagnets of the leading magnetic field system with an alternating gradient, 2) O-shaped cores of an induction accelerating system consisting of a series of inductors, 3) an injection and extraction system for the ion beam.

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.The method works as follows: A beam of charged particles (electrons) is brought into equilibrium orbit, the beam particles are held in equilibrium by the magnetic field of C-shaped electromagnets (1), accelerated by the electric field induced by O-shaped ferromagnetic cores (inductors) (2), and when the required energy is reached, it is removed from the accelerator.

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.To implement the proposed method of acceleration, an increasing magnetic field in time in orbit is formed by C-shaped electromagnets with high field gradients n >> 1 and n << - 1. The combination of two types of C-shaped cores allows for rigid focusing of ions.

На фиг.2 представлена схема С-образных сердечников электромагнитов со знакопеременным градиентом. Электромагниты формируют треугольную форму волны магнитного поля.Figure 2 presents a diagram of the C-shaped cores of electromagnets with an alternating gradient. Electromagnets form a triangular waveform of a magnetic field.

Форма волны магнитной индукции B0 на орбите показана на фиг.3, где Т - длительность нарастающей части волны индукции, соответствующая длительности процесса ускорения.The waveform of magnetic induction B 0 in orbit is shown in figure 3, where T is the duration of the growing part of the wave of induction, corresponding to the duration of the acceleration process.

Частицы, движущиеся по равновесной орбите, ускоряются электрическим полем, индуцированным О-образными ферромагнитными сердечниками (индукторами), которые располагаются на прямолинейных участках ускорителя.Particles moving in an equilibrium orbit are accelerated by an electric field induced by O-shaped ferromagnetic cores (inductors), which are located in straight sections of the accelerator.

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 соотношенияFigure 4 shows a diagram of the O-shaped cores of an induction accelerating system: 1) ferromagnetic cores of inductors, 2) turns of excitation, 3) field lines of the induced electric field. In order for the radius of the equilibrium orbit to remain constant during acceleration, it is necessary to fulfill the well-known constancy condition in the process of acceleration of the relation

P(t)/eB(t)=const,P (t) / eB (t) = const,

где Р(t) и В(t) - импульс ионов и индукция магнитного поля на орбите в процессе ускорения, е - заряд электрона.where P (t) and B (t) is the ion momentum and the magnetic field induction in orbit during acceleration, e is the electron charge.

Это условие выполняется, когда величина суммарного индуцированного О-образными сердечниками напряжение равна:This condition is fulfilled when the total voltage induced by O-shaped cores is equal to:

Vacc=R0LdB/dt,V acc = R 0 LdB / dt,

где R0 - радиус равновесной орбиты, L - суммарный периметр орбиты с учетом прямолинейных участков.where R 0 is the radius of the equilibrium orbit, L is the total perimeter of the orbit, taking into account the straight sections.

Амплитудно-временные характеристики магнитной индукции на орбите и ускоряющего напряжения на витках О-образных сердечников (индукторов) показаны на Фиг.5:The amplitude-time characteristics of magnetic induction in orbit and accelerating voltage on the turns of O-shaped cores (inductors) are shown in Figure 5:

а) Форма волны индукции магнитного поля на равновесной орбите В0(t),a) The waveform of the magnetic field induction in the equilibrium orbit B 0 (t) ,

б) Форма волны индукционного ускоряющего напряжения индукторов Vacc(t).b) The waveform of the induction accelerating voltage of the inductors V acc (t) .

Длительность импульсов ускоряющего напряжения Vacc(t) равна длительности линейного роста магнитной индукции на равновесной орбите В0(t), что соответствует длительности процесса ускорения электронов.The pulse duration of the accelerating voltage V acc (t) is equal to the duration of the linear growth of magnetic induction in the equilibrium orbit B 0 (t) , which corresponds to the duration of the electron acceleration process.

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=ΔBindS и изменение импульса электронов ΔР=Р-P0 находятся в зависимости:The positive part of the pulse accelerates the ions, and the negative part magnetizes the O-shaped cores and returns them to their original state. Such an acceleration mode is possible if a change in the total flux of magnetic induction in the inductors of the accelerating section ΔФ = ΔB ind S and a change in the electron momentum ΔР = Р-P 0 are dependent on:

Δ Ф = 1 e Δ P L

Figure 00000002
, Δ F = one e Δ P L
Figure 00000002
,

а суммарное напряжение индукционной секцииand the total voltage of the induction section

Vacc=ΔФ/TV acc = ΔФ / T

где ΔBind≤2BS - изменение индукции, BS - индукция насыщения, S - суммарное сечение сердечников индукторов, L - суммарная длина периметра с учетом прямолинейных участков, P=mcβγ и P0 - конечный и начальный импульсы электронов, Т - длительность процесса ускорения, c - скорость света, β и γ - относительная скорость и релятивистский фактор электронов.where ΔB ind ≤2B S is the change in induction, B S is the saturation induction, S is the total cross section of the cores of the inductors, L is the total perimeter length taking into account the straight sections, P = mcβγ and P 0 are the final and initial electron momenta, T is the duration of the process accelerations, c is the speed of light, β and γ are the relative speed and relativistic factor of electrons.

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.The formation of a magnetic field in the gaps of C-shaped electromagnets with a large radial gradient and the focusing of ions by an alternating field gradient (strong focusing) makes it possible to increase the number of electrons accelerated in one acceleration cycle. A large indicator of the magnetic field reduces the amplitude of betatron oscillations and allows you to reduce the size of the vacuum chamber, to reduce the size, weight and cost of C-shaped magnets.

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 Bmax=0.1 Тл радиус равновесной орбиты R0 равен:As an example, we consider the main parameters of an electron accelerator with an energy of 10 MeV. At an energy of 10 MeV, the relativistic electron factor is γ = 20.6, and their relative velocity is β≅1.0. When the amplitude of the magnetic induction of the leading magnetic field B max = 0.1 T, the radius of the equilibrium orbit R 0 is equal to:

R0=Pmax/eBmax=mc2γβ/ecBmax=0.33 л,R 0 = P max / eB max = mc 2 γβ / ecB max = 0.33 L,

где Pmax - максимальный импульс электрона, е - заряд электрона, m - масса электрона, c - скорость света, β=ν/c - относительная скорость протонов, Bmax - максимальна амплитуда магнитной индукции поля.where P max is the maximum electron momentum, e is the electron charge, m is the mass of the electron, c is the speed of light, β = ν / c is the relative velocity of protons, B max is the maximum amplitude of the magnetic induction of the field.

Если суммарный периметр орбиты с учетом прямолинейных участков равен L≈2,4 м, то период обращения ускоренных протонов будет равен τmin≈8·10-9 с, а требуемое изменение потока магнитной индукции составит:If the total perimeter of the orbit, taking into account the straight sections, is L≈2.4 m, then the period of revolution of the accelerated protons will be τ min ≈8 · 10 -9 s, and the required change in the flux of magnetic induction will be:

Δ Ф = 1 e Δ P L = m c 2 γ β e c = 0.08 Т л м 2

Figure 00000003
Δ F = one e Δ P L = m c 2 γ β e c = 0.08 T l m 2
Figure 00000003

При длительности цикла ускорения Т=1 мкс, амплитуда ускоряющего напряжения составит Vacc=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 Vind=2 кВ. При необходимости, напряжение Vind 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.With the duration of the acceleration cycle T = 1 μs, the amplitude of the accelerating voltage is V acc = ΔФ / T = 80 kV. With a radial section size of the inductors of the accelerating section equal to Δr = 0.2 m, the length of the section of the inductors will be l = 0.4 m.If the radial size of each inductor is ≈ 0.01 m, then 40 inductors with a voltage on the exciting inductors V ind = 2 kV will be required. If necessary, the voltage V ind can be reduced by increasing the duration of the acceleration cycle T. For the formation of a square wave of accelerating voltage, it is possible to use transistor key circuits. Transistor DC voltage converters in speakers have high reliability, durability and efficiency. In [7], the implementation of a 1.6 MW converter with a switching frequency of 150 kHz was reported. There are transistor switches with a switching frequency of up to 30 MHz and a power of up to 1.8 kW [8]. The rapid progress in the field of semiconductor switches allows us to hope that powerful power systems for induction particle accelerators with a high repetition rate of cycles will be developed in the near future.

Список литературыBibliography

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. 661-665.1. 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. No57. 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.46-48.2. Auslender V. L. ILU-type electron accelerator for industrial technologies // Nuclear Instruments and Methods in Physical Research. 1994. No. B 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.78-85.3. Auslander V.L., Bezuglov V.V., Bryazgin A.A. et al. Electron accelerators of the ILU series and their use in radiation-technological processes // Vopr. atomic science and technology. Series: Technical Physics and Automation. 2004. Iss. 58. S.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.78-81.4. Auslander V.L., Bryazgin A.A., Voronin L.A. et al. Electron accelerators of the ILU series and their application in industry and medicine // Collection of reports of the Eleventh International Meeting on the Use of Charged Particle Accelerators in Industry and Medicine. SPb., 2005. S.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.628-629.5. G. V. Dolbilov, “The Compact Iduction Circular Accelerator for Radiation Technologies”, Proceedings of APAC 2007, Raja Ramanna Center 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.6. G.V.Dolbilov, “Method of induction acceleration of charged particles”, Patent for invention No. 2359434, July 05, 2007

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.25-31.7. 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.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.

Claims (1)

Способ индукционного ускорения электронов, заключающийся 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, отличающийся тем, что 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:
Figure 00000001
,
где ΔP=Р-P0 - прирост импульса электронов в процессе ускорения (P0 - импульс электронов инжекции, P - импульс электронов в конце процесса ускорения), L - периметр орбиты электронов, ΔBind≤2BS - диапазон изменения индукции в ускоряющих индукторах, BS - 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:
ΔBindS=VaccT,
где Vacc - суммарное напряжение ускоряющих индукторов, Т - длительность ускоряющего импульса.
The method of induction acceleration of electrons, which consists in the fact that they form an increasing magnetic field in time with an average value much less than the magnetic field in orbit; form an alternating magnetic field gradient in orbit with a field index much larger than unity (strong focusing); inject electrons into it; accelerate electrons by pulses of an induction electric field and output accelerated electrons, characterized in that for the acceleration of electrons form a triangular waveform of the leading magnetic field and a rectangular waveform of the induction accelerating electric field, the duration of the accelerating part of the wave is equal to the duration of the linear growth of magnetic induction in equilibrium orbit, which corresponds to the duration of the acceleration process, while changing the flux of magnetic induction ΔF in the inductors of the accelerating system selects shouting from the ratio:
Figure 00000001
,
where ΔP = Р-P 0 is the increase in the momentum of electrons during acceleration (P 0 is the momentum of injection electrons, P is the momentum of electrons at the end of the acceleration process), L is the perimeter of the orbit of electrons, ΔB ind ≤2B S is the range of variation of induction in accelerating inductors , B S is the induction saturation induction, S = Δrl is the total cross section of all the inductors of the accelerating section (Δr is the radial size of the inductors, l is the length of the induction section), e is the electron charge, and the value of the accelerating voltage is selected from the relation:
ΔB ind S = V acc T,
where V acc is the total voltage of the accelerating inductors, T is the duration of the accelerating pulse.
RU2012128086/07A 2012-07-03 2012-07-03 Method for induction electron acceleration RU2513034C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012128086/07A RU2513034C2 (en) 2012-07-03 2012-07-03 Method for induction electron acceleration

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012128086/07A RU2513034C2 (en) 2012-07-03 2012-07-03 Method for induction electron acceleration

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012128086A RU2012128086A (en) 2014-01-10
RU2513034C2 true RU2513034C2 (en) 2014-04-20

Family

ID=49884228

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012128086/07A RU2513034C2 (en) 2012-07-03 2012-07-03 Method for induction electron acceleration

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2513034C2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU344802A1 (en) * 1970-09-12 1977-08-05 Panasyuk V S Method of cyclic acceleration of charged particles
WO1982001458A1 (en) * 1980-10-09 1982-04-29 Maxwell Lab Method and apparatus for accelerating charged particles
RU2359434C2 (en) * 2007-07-05 2009-06-20 Геннадий Варламович Долбилов Method for induction acceleration of charged particles
RU2420045C1 (en) * 2009-10-21 2011-05-27 Объединенный Институт Ядерных Исследований Method for inductive ion acceleration

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU344802A1 (en) * 1970-09-12 1977-08-05 Panasyuk V S Method of cyclic acceleration of charged particles
WO1982001458A1 (en) * 1980-10-09 1982-04-29 Maxwell Lab Method and apparatus for accelerating charged particles
RU2359434C2 (en) * 2007-07-05 2009-06-20 Геннадий Варламович Долбилов Method for induction acceleration of charged particles
RU2420045C1 (en) * 2009-10-21 2011-05-27 Объединенный Институт Ядерных Исследований Method for inductive ion acceleration

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012128086A (en) 2014-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jain et al. Positron acceleration by plasma wakefields driven by a hollow electron beam
Sanders et al. Optimization and implementation of a solid state high voltage pulse generator that produces fast rising nanosecond pulses
Tot’meninov et al. Increase in the energy efficiency of a pulsed-periodic relativistic backward wave oscillator with a modulating resonant reflector
RU2452143C2 (en) Method of generating deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for realising said method
Yambe et al. Experimental study on generation of electron beam utilizing cold cathode in the weakly relativistic energy region
Mi et al. A high-repetition-rate bipolar nanosecond pulse generator for dielectric barrier discharge based on a magnetic pulse compression system
US8716958B2 (en) Microwave device for accelerating electrons
Wang et al. Controllable far-infrared electromagnetic radiation from plasmas applied by dc or ac bias electric fields
RU2359434C2 (en) Method for induction acceleration of charged particles
Toonen et al. Gigahertz repetition rate thermionic electron gun concept
Mako et al. A high-current micro-pulse electron gun
Kim et al. Control and analysis of magnetic switch reset current in pulsed power systems
RU2513034C2 (en) Method for induction electron acceleration
Boltachev et al. Control of the operation mode of a relativistic Ka-band backward-wave oscillator
RU2420045C1 (en) Method for inductive ion acceleration
Gunin et al. Simulated parameters of subgigawatt relativistic BWOs with permanent magnetic systems
RU2524571C1 (en) Induction cyclic electron accelerator
Dugar-Zhabon et al. Self-consistent simulation of an electron beam for a new autoresonant x-ray generator based on TE102 rectangular mode
JP6171126B2 (en) High frequency charged particle accelerator
US8324809B2 (en) Strong power compact microwave tube
RU2760284C1 (en) X-ray source with cyclotron autoresonance
Bratman et al. Large orbit gyrotron at submillimeter waves
Gilgenbach et al. Intense Electron Beam Cyclotron Masers With Microsecond Pulselengths
Yalandin et al. Compact relativistic millimeter-band microwave oscillators
Feng et al. A novel THz generation scheme based on plasma-beam interaction