RU2524571C1 - Induction cyclic electron accelerator - Google Patents

Induction cyclic electron accelerator Download PDF

Info

Publication number
RU2524571C1
RU2524571C1 RU2013102806/07A RU2013102806A RU2524571C1 RU 2524571 C1 RU2524571 C1 RU 2524571C1 RU 2013102806/07 A RU2013102806/07 A RU 2013102806/07A RU 2013102806 A RU2013102806 A RU 2013102806A RU 2524571 C1 RU2524571 C1 RU 2524571C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
duration
electron
electrons
induction
accelerating
Prior art date
Application number
RU2013102806/07A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013102806A (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 RU2013102806/07A priority Critical patent/RU2524571C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2013102806A publication Critical patent/RU2013102806A/en
Publication of RU2524571C1 publication Critical patent/RU2524571C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Particle Accelerators (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: cyclic electron accelerator includes deflecting dipole magnets, an induction accelerating system, beam input and output systems located in rectangular sections. To accelerate electrons in the energy range of 0.3-10 MeV, the accelerator includes a generator for exciting inductor coils of the accelerating system with a rectangular voltage wave. Duration of the accelerating wave pulses is equal not to S, the duration of the orbiting period of the electrons, which is several nanoseconds, but the duration of the full cycle of acceleration from the injection energy go a given final energy of about 10-4-10-6 s. To maintain an equilibrium radius of orbit during acceleration and slow ejection of electrons, the accelerator includes a generator for supplying the deflecting dipole magnets, having a property of exciting trapezoidal magnetic induction wave. The accelerator also includes a hard-focusing system in the deflecting dipole magnets and straight sections.
EFFECT: high average power of the accelerated electron beam, reduced size and weight of the accelerator, simple accelerating system and wider range of controlling energy of accelerated electrons.
4 dwg

Description

Область техникиTechnical field

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.

Уровень техникиState of the art

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-Q resonator. The resonator is excited by an 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, чтобы 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, so that in the process of acceleration the electrons acquire an energy almost equal the maximum voltage across the resonator in ILU accelerators uses a triode electron gun (having 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 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 ускорение легких частиц - электронов, которые быстро набирают скорость на первых оборотах, а основной процесс ускорения ведется при скорости частиц, близкой к скорости света.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 that 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.

В ускорителе [5, 6] ускорение электронов ведется во время ½ периода обращения электронов (τ), во время второй половины периода происходит перемагничивание сердечников индукторов, что приводит их в исходное состояние. Малая величина периода обращения требует формирования коротких, наносекундных импульсов с фронтами <1 нс.In the accelerator [5, 6], the acceleration of electrons is carried out during ½ period of electron revolution (τ), during the second half of the period the magnetization reversal of the cores of the inductors occurs, which brings them to their initial state. A small period of revolution requires the formation of short, nanosecond pulses with fronts <1 ns.

В качестве прототипа выбираем ускоритель [5, 6]. Этот индукционный ускоритель содержит: отклоняющую магнитную систему с нарастающим во времени магнитным полем и средней величиной магнитной индукции, много меньшей индукции магнитного поля на орбите; (магнитного поле отклоняющей системы имеет на орбите знакопеременный градиент с показателем поля, много большим единицы) (сильная фокусировка); индукционную импульсную ускоряющую систему с ускоряющим напряжением Vacc=R0LdB/dt, где R0 - равновесный радиус орбиты, постоянный при ускорении, L - суммарный период орбиты, dB/dt - скорость изменения магнитной индукции, фокусирующую систему, системы инжекции и вывода электронов. Сложности формирования наносекундных ускоряющих импульсов (1/2τ) с фронтами <10-9 сек препятствуют уменьшению суммарного периметра орбиты электронов (с учетом прямолинейных участков) и сокращению длительности периода обращения электронов, уменьшению габаритов и стоимости ускорителя, снижают КПД и среднюю мощность пучка.As a prototype, we choose the accelerator [5, 6]. This induction accelerator contains: a deflecting magnetic system with an increasing magnetic field in time and an average value of magnetic induction, much smaller than the magnetic field induction in orbit; (the magnetic field of the deflecting system has an alternating gradient in orbit with a field index much larger than unity) (strong focusing); an induction pulse accelerating system with an accelerating voltage Vacc = R 0 LdB / dt, where R 0 is the equilibrium radius of the orbit constant during acceleration, L is the total period of the orbit, dB / dt is the rate of change of magnetic induction, focusing system, electron injection and output systems . The difficulties in the formation of nanosecond accelerating pulses (1 / 2τ) with fronts <10 -9 sec prevent a decrease in the total perimeter of the electron orbit (taking into account the rectilinear sections) and a decrease in the duration of the electron revolution, a decrease in the size and cost of the accelerator, and reduce the efficiency and average beam power.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Изобретение решает задачу увеличение средней мощности ускоренного пучка, а также уменьшение габаритов и веса ускорителя путем уменьшения периметра орбиты и сокращения периода цикла, упрощение и удешевление ускоряющей системы, снижения стоимости ускорителя и увеличения диапазона регулировки энергии ускоренных электронов.The invention solves the problem of increasing the average power of the accelerated beam, as well as reducing the size and weight of the accelerator by reducing the perimeter of the orbit and shortening the cycle time, simplifying and cheapening the accelerating system, reducing the cost of the accelerator and increasing the range of adjustment of the energy of accelerated electrons.

Поставленная цель достигается тем, что циклический ускоритель электронов, включающий вакуумный корпус, состоящий из дугообразных и прямолинейных участков, систему отклоняющих магнитов, расположенных на дугообразных участках, соединенных с генераторами питания обмоток отклоняющих магнитов, индукционно ускоряющую систему, состоящую из набора ферромагнитных сердечников-индукторов и витков возбуждения индукторов, соединенных с генераторами импульсного напряжения ускоряющих импульсов, фокусирующую систему, поперечное сечение каждого из индукторов ускоряющей системы соответствует условиюThis goal is achieved by the fact that a cyclic electron accelerator, including a vacuum casing, consisting of arched and rectilinear sections, a system of deflecting magnets located on arched sections connected to power generators of the windings of deflecting magnets, an induction accelerating system consisting of a set of ferromagnetic core-inductors and excitation coils of inductors connected to pulse generators of accelerating pulses, focusing system, cross section of each of inductors of the accelerating system meets the condition

Figure 00000001
,
Figure 00000001
,

где ΔBind≤2BS - заданное изменение индукции в ускоряющем сердечнике в процессе ускорения, BS - индукция насыщения сердечника, T0 - длительность полного цикла ускорения от энергии инжекции до конечной заданной энергии, Vind - напряжение на возбуждающем витке индуктора, при этом генератор импульсного напряжения обладает свойством возбуждения витков индукторов прямоугольной волной с амплитудой Vind равной:where ΔB ind ≤2B S is the specified change in induction in the accelerating core during acceleration, B S is the induction of core saturation, T 0 is the duration of the full acceleration cycle from the injection energy to the final given energy, V ind is the voltage across the exciting coil of the inductor, while the pulse voltage generator has the property of exciting the turns of inductors by a square wave with an amplitude V ind equal to:

Figure 00000002
Figure 00000002

где ΔР=Pmax-P0 - заданный прирост импульса электронов в процессе ускорения (P0 - импульс электронов инжекции, Pmax - импульс электронов в конце процесса ускорения), L=2πR0+∑l - периметр орбиты электронов (R0 - заданный равновесный радиус орбиты электронов, ∑l - заданная суммарная длительность прямолинейных участков), n - число индукторов в индукционной секции, е - заряд электрона, Т0 - длительность ускоряющего импульса прямоугольной волны, равная заданной длительности цикла ускорения электронов, а генератор питания обмоток отклоняющих магнитов обладает свойством возбуждения трапецеидальной волны магнитной индукции с параметрами:where ΔР = P max -P 0 is the specified increase in the electron momentum during acceleration (P 0 is the electron momentum of the injection, P max is the electron momentum at the end of the acceleration process), L = 2πR 0 + ∑l is the electron orbit perimeter (R 0 - a given equilibrium radius of the orbit of electrons, ∑l is a given total duration of straight sections), n is the number of inductors in the induction section, e is the electron charge, T 0 is the duration of the accelerating pulse of a square wave equal to the given duration of the electron acceleration cycle, and the power generator of the deflecting windings magnets gives the property of excitation of a trapezoidal wave of magnetic induction with the parameters:

а) амплитудой Bmax, равнойa) amplitude B max equal to

Figure 00000003
,
Figure 00000003
,

где Wmax и βmax - заданные энергия и относительная скорость электронов в конце процесса ускорения, R0 - заданный радиус равновесной орбиты в отклоняющих магнитах, е - заряд электрона, с - скорость света;where W max and β max are the specified energy and relative speed of electrons at the end of the acceleration process, R 0 is the specified radius of the equilibrium orbit in the deflecting magnets, e is the electron charge, c is the speed of light;

б) длительностью линейного роста волны T0, равной заданному времени цикла ускорения;b) the duration of the linear wave growth T 0 equal to a given acceleration cycle time;

в) длительностью плоской вершины волны T1, равной заданному времени медленного вывода электронов.C) the duration of the flat top of the wave T 1 equal to the specified time of slow output of electrons.

Отличительными признаками изобретения является следующее: поперечное сечение каждого из индукторов ускоряющей системы соответствует условию:Distinctive features of the invention is the following: the cross section of each of the inductors of the accelerating system meets the condition:

Figure 00000004
,
Figure 00000004
,

где ΔBind≤2BS - заданное изменение индукции в ускоряющем сердечнике в процессе ускорения, BS - индукция насыщения сердечника, T0 - длительность полного цикла ускорения от энергии инжекции до конечной заданной энергии, Vind - напряжение на возбуждающем витке индуктора,where ΔB ind ≤2B S is the specified change in the induction in the accelerating core during the acceleration process, B S is the saturation induction of the core, T 0 is the duration of the full acceleration cycle from the injection energy to the final given energy, V ind is the voltage across the exciting coil of the inductor,

при этом генератор импульсного обладает свойством возбуждения витков индукторов прямоугольной волной с амплитудой Vind, равной:wherein the pulse generator has the property of exciting the turns of inductors by a square wave with an amplitude V ind equal to:

Figure 00000005
Figure 00000005

где ΔP=Pmax-P0 - заданный прирост импульса электронов в процессе ускорения (P0 - импульс электронов инжекции, Pmax - импульс электронов в конце процесса ускорения), L=2πR0+∑l - периметр орбиты электронов (R0 - заданный равновесный радиус орбиты электронов, ∑l - заданная суммарная длительность прямолинейных участков), n - число индукторов в индукционной секции, е - заряд электрона, T0 - длительность ускоряющего импульса прямоугольной волны, равная заданной длительности цикла ускорения электронов,where ΔP = P max -P 0 is the specified increase in the electron momentum during acceleration (P 0 is the electron momentum of the injection, P max is the electron momentum at the end of the acceleration process), L = 2πR 0 + ∑l is the perimeter of the electron orbit (R 0 - a given equilibrium radius of the orbit of electrons, задl is a given total duration of rectilinear sections), n is the number of inductors in the induction section, e is the charge of an electron, T 0 is the duration of the accelerating pulse of a square wave equal to a given duration of the electron acceleration cycle,

генератор питания обмоток отклоняющих магнитов обладает свойством возбуждения трапецеидальной волны магнитной индукции с параметрами:the power generator of the windings of the deflecting magnets has the property of exciting a trapezoidal wave of magnetic induction with the parameters:

амплитудой Bmax, равнойamplitude B max equal to

Figure 00000006
,
Figure 00000006
,

где Wmax и βmax - заданные энергия и относительная скорость электронов в конце процесса ускорения, R0 - заданный радиус равновесной орбиты в отклоняющих магнитах, е - заряд электрона, с - скорость света;where W max and β max are the specified energy and relative speed of electrons at the end of the acceleration process, R 0 is the specified radius of the equilibrium orbit in the deflecting magnets, e is the electron charge, c is the speed of light;

б) длительностью линейного роста волны T0, равной заданному времени цикла ускорения;b) the duration of the linear wave growth T 0 equal to a given acceleration cycle time;

в) длительностью плоской вершины волны T1, равной заданному времени медленного вывода электронов.C) the duration of the flat top of the wave T 1 equal to the specified time of slow output of electrons.

Совокупность выше указанных признаков позволяет сократить длительность периода обращения ускоряемых электронов на равновесной орбите путем уменьшения равновесного радиуса орбиты R0, уменьшения длины прямолинейных участков, что сопровождается сокращением времени обращения электронов на равновесной орбите и приведет к увеличению средней мощности ускоренного пучка, уменьшению габаритов и веса ускорителя. Ускоряющая система, формирующая прямоугольную волну с импульсами длительностью ~ 10-4-10-6с существенно проще и дешевле системы, формирующей и синхронизирующей с пучком серию наносекундных импульсов, с фронтами ≤10-9с. Регулировка энергии ускоренных электронов осуществляется изменением длительности индукционного электрического поля.The combination of the above characteristics allows us to reduce the duration of the period of revolution of accelerated electrons in equilibrium orbit by reducing the equilibrium radius of the orbit R 0 , reducing the length of straight sections, which is accompanied by a decrease in the time of revolution of electrons in equilibrium orbit and will lead to an increase in the average power of the accelerated beam, a decrease in the dimensions and weight of the accelerator . The accelerating system, which forms a square wave with pulses of duration ~ 10 -4 -10 -6 s, is much simpler and cheaper than the system, which generates and synchronizes a series of nanosecond pulses with the beam, with fronts ≤10 -9 s. The energy of accelerated electrons is adjusted by changing the duration of the induction electric field.

Перечень иллюстрацийList of illustrations

Фиг.1. (приложение 1) Схема ускорителя;Figure 1. (Appendix 1) Accelerator circuit;

Фиг.2. (приложение 1) Схемы сердечников отклоняющих магнитов;Figure 2. (Appendix 1) Schemes of core deflecting magnets;

Фиг.3. (приложение 2) Схема индукционной ускоряющей секции;Figure 3. (Appendix 2) Scheme of the induction accelerating section;

Фиг.4. (приложение 2) Форма волн индукции ведущего магнитного поля и ускоряющего напряжения индукторов.Figure 4. (Appendix 2) Waveform of induction of a leading magnetic field and accelerating voltage of inductors.

Описание иллюстрацийDescription of illustrations

Схема циклического ускорителя приведена на Фиг.1 (Приложение 1), где: (1) - система отклоняющих магнитов с сильной фокусировкой; (2) - индукционная ускоряющая система; (3) - системы ввода и вывода электронов.A diagram of a cyclic accelerator is shown in FIG. 1 (Appendix 1), where: (1) - a system of deflecting magnets with strong focusing; (2) - induction accelerating system; (3) - electron input and output systems.

На Фиг.2 (приложение 1) приведены схемы сердечников отклоняющих магнитов со знакопеременным градиентом магнитного поля (сильная фокусировка).Figure 2 (Appendix 1) shows a diagram of the core deflecting magnets with alternating magnetic field gradient (strong focusing).

На Фиг.3 (приложение 2) изображена схема индукционной ускоряющей секции, где (4) - ферромагнитные сердечники индукторов; (5) - витки возбуждения индукторов; (6) - силовые линии индукционного электрического поля.Figure 3 (Appendix 2) shows a diagram of an induction accelerating section, where (4) are the ferromagnetic cores of the inductors; (5) - coils of excitation of inductors; (6) - field lines of the induction electric field.

На Фиг.4 (приложение 2) приведены: а) - форма трапецеидальной волны индукции магнитного поля В(t), возбуждаемая генератором питания отклоняющих магнитов, б) - форма прямоугольной волны Vind(t), возбуждаемая генератором импульсного напряжения на витках возбуждения индукторов (ферромагнитных сердечниках). Здесь Т0 - длительность линейного роста индукции магнитного поля на равновесной орбите, равная длительности ускоряющего импульса прямоугольной волны, T1 - длительность плоской вершины трапецеидальной волны, которая равна времени медленного вывода электронов.Figure 4 (Appendix 2) shows: a) the trapezoidal waveform of the magnetic field induction B (t) , excited by the power generator of the deflecting magnets, b) the square wave form V ind (t) , excited by the pulse voltage generator on the excitation coils of the inductors (ferromagnetic cores). Here T 0 is the duration of the linear growth of magnetic field induction in equilibrium orbit, equal to the duration of the accelerating pulse of a square wave, T 1 is the duration of the flat top of a trapezoidal wave, which is equal to the time of slow electron output.

Корпус ускорителя (Фиг.1) состоит из 2, 4 или n - дугообразных участков, соединенных прямолинейными участками. Дугообразные участки расположены внутри систем отклоняющих магнитов (1), прямолинейные участки используются для размещения индукционной ускоряющей системы (2), систем ввода и вывода электронов.The case of the accelerator (Figure 1) consists of 2, 4 or n - arcuate sections connected by straight sections. Arcuate sections are located inside the systems of deflecting magnets (1), rectilinear sections are used to accommodate the induction accelerating system (2), electron input and output systems.

Отклоняющая система состоит из набора отклоняющих магнитов (Фиг.2) со знакопеременным градиентом магнитного поля (n>>1 и n<<1), что обеспечивает сильную фокусировку электронов.The deflecting system consists of a set of deflecting magnets (Figure 2) with an alternating magnetic field gradient (n >> 1 and n << 1), which ensures strong focusing of electrons.

Индукционная ускоряющая система состоит из набора ферромагнитных сердечников (индукторов) (4) с витками возбуждения индукторов (5), которые создают ускоряющее электрическое поле (6) (см. Фиг.3).An induction accelerating system consists of a set of ferromagnetic cores (inductors) (4) with excitation coils of inductors (5) that create an accelerating electric field (6) (see Figure 3).

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Устройство работает следующим образам: электроны инжектируются в нарастающее магнитное поле в момент t0, когда величина индукции поля

Figure 00000007
(W0 и β0 - энергия и относительная скорость инжектируемых электронов, R0 - заданный равновесный радиус, е и с - заряд электрона и скорость света).The device operates as follows: electrons are injected into a growing magnetic field at time t 0 , when the magnitude of the field induction
Figure 00000007
(W 0 and β 0 are the energy and relative velocity of the injected electrons, R 0 is the given equilibrium radius, e and c are the electron charge and the speed of light).

Электроны ускоряются электрическим полем индукторов (4) (см. Фиг.3) индукционной системы (2), (см. Фиг.1). Длительность ускоряющих импульсов индукторов равна времени ускорения электронов от энергии инжекции до заданной энергии (Фиг.4б).The electrons are accelerated by the electric field of the inductors (4) (see Figure 3) of the induction system (2), (see Figure 1). The duration of the accelerating pulses of the inductors is equal to the time of acceleration of electrons from the injection energy to a given energy (Fig.4b).

В процессе ускорения магнитное поле отклоняющих магнитов растет (Фиг.4а). Для постоянства равновесного радиуса в отклоняющих магнитах скорость нарастания магнитной индукции

Figure 00000008
должна соответствовать условию:In the process of acceleration, the magnetic field of the deflecting magnets increases (Figa). For a constant equilibrium radius in deflecting magnets, the rate of rise of magnetic induction
Figure 00000008
must meet the condition:

Figure 00000009
,
Figure 00000009
,

где n - число индукторов, Vind - напряжение индуктора, L - суммарный периметр орбиты, R0 - равновесный радиус электронов в отклоняющих магнитах.where n is the number of inductors, V ind is the voltage of the inductor, L is the total perimeter of the orbit, R 0 is the equilibrium radius of the electrons in the deflecting magnets.

В процессе медленного вывода ускоренных электронов величина магнитной индукции остается постоянной (Фиг.4б). Длительность вершины трапецеидального импульса магнитной индукции равна времени медленного вывода электронов.In the process of slow output of accelerated electrons, the magnitude of the magnetic induction remains constant (Fig.4b). The duration of the top of the trapezoidal pulse of magnetic induction is equal to the time of the slow output of electrons.

Пример конкретного выполнения.An example of a specific implementation.

Индуктора (4), (Фиг.3) представляют собой сердечники из ферромагнитного материала, предназначенного для работы в заданном диапазоне длительностей импульсов. Для уменьшения потоков рассеяния каждый индуктор имеет 3 или более витка возбуждения (5) (Фиг.3), соединенных параллельно.Inductors (4), (Figure 3) are cores of ferromagnetic material designed to operate in a given range of pulse durations. To reduce the scattering fluxes, each inductor has 3 or more turns of excitation (5) (Fig. 3) connected in parallel.

Генератор возбуждения индукторов, подключенный к виткам возбуждения, представляет собой транзисторный преобразователь постоянного напряжения в прямоугольную волну (Фиг.4б).The excitation generator of the inductors connected to the excitation coils is a transistor transformer of direct voltage into a square wave (Fig.4b).

Генератор питания обмоток отклоняющих магнитов содержит конденсаторные накопители энергии и транзисторные коммутаторы. Форма волны магнитной индукции, создаваемая генератором, имеет трапецеидальный вид (Фиг.4а).The power generator of the winding deflecting magnets contains capacitor energy storage devices and transistor switches. The waveform of the magnetic induction created by the generator has a trapezoidal shape (Figa).

Транзисторы в генераторах возбуждения индукторов и питания обмоток отклоняющих магнитов работают в режиме коммутации, что позволяет существенно уменьшить потери мощности при формировании заданных форм импульсов.The transistors in the excitation generators of the inductors and the power of the windings of the deflecting magnets operate in the switching mode, which can significantly reduce power losses during the formation of the given pulse shapes.

Если заданная энергия ускоренных электронов равна 10 Мэв, а величина индукции магнитного поля отклоняющих магнитов равна 0,1 Т, то равновесный радиус орбиты в таком поле равен 0,33 м.If the specified energy of accelerated electrons is 10 MeV, and the magnitude of the magnetic field induction of the deflecting magnets is 0.1 T, then the equilibrium radius of the orbit in such a field is 0.33 m.

При суммарном напряжении ускоряющей секции V=n·Vind=103 B для достижения электронами энергии 107 эВ электроны должны совершить 104 оборотов. Если суммарный периметр траектории равен ≈3 м, то период одного цикла ускорения составит 10-8 c, а полный цикл ускорения и длительность ускоряющего импульса T0=10-4 c. Если ΔBind≈1T (пермаллой), то сечение индуктора должно быть S=0.1/n м2 (n - число индукторов). С уменьшением заданной энергии ускоренных электронов требуемое сечение индукторов уменьшается. Например, для ускорения электронов до энергии 1 МэВ (106 эВ) требуемое сечение индукторов будет примерно в 10 раз меньше.With the total voltage of the accelerating section V = n · V ind = 10 3 B, for the electrons to reach the energy of 10 7 eV, the electrons must make 10 4 revolutions. If the total perimeter of the trajectory is ≈3 m, then the period of one acceleration cycle will be 10 -8 s, and the full acceleration cycle and the duration of the accelerating pulse T 0 = 10 -4 s. If ΔB ind ≈1T (permalloy), then the cross section of the inductor should be S = 0.1 / n m 2 (n is the number of inductors). With a decrease in the given energy of accelerated electrons, the required cross section of the inductors decreases. For example, to accelerate electrons to an energy of 1 MeV (10 6 eV), the required cross section of the inductors will be approximately 10 times smaller.

ЛитератураLiterature

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. Issue. 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 of APAC 2007, Raja Ramanna Centre for Advanced Technology (RRCAT), Indore, India, pp.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, pp. 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

Claims (1)

Циклический ускоритель электронов, включающий вакуумный корпус, состоящий из дугообразных и прямолинейных участков, систему отклоняющих магнитов, расположенных на дугообразных участках и соединенных с генераторами питания обмоток отклоняющих магнитов, индукционно ускоряющую систему, состоящую из набора ферромагнитных сердечников-индукторов и витков возбуждения индукторов, соединенных с генераторами импульсного напряжения ускоряющих импульсов, фокусирующую систему, отличающийся тем, что поперечное сечение каждого из индукторов ускоряющей системы соответствует условию
Figure 00000010
,
где ΔBind≤2BS - заданное изменение индукции в ускоряющем сердечнике в процессе ускорения, BS - индукция насыщения сердечника, T0 - длительность полного цикла ускорения от энергии инжекции до конечной заданной энергии, Vind - напряжение на возбуждающем витке индуктора, при этом генератор импульсного напряжения обладает свойством возбуждения витков индукторов прямоугольной волной с амплитудой Vind, равной:
Figure 00000011

где ΔР=Pmax-P0 - заданный прирост импульса электронов в процессе ускорения (P0 - импульс электронов инжекции, Pmax - импульс электронов в конце процесса ускорения), L=2πR0+∑l - периметр орбиты электронов (R0 - заданный равновесный радиус орбиты электронов, ∑l - заданная суммарная длительность прямолинейных участков), n - число индукторов в индукционной секции, е - заряд электрона, T0 - длительность ускоряющего импульса прямоугольной волны, равная заданной длительности цикла ускорения электронов, а
генератор питания обмоток отклоняющих магнитов обладает свойством возбуждения трапецеидальной волны магнитной индукции с параметрами:
а) амплитудой Bmax, равной
Figure 00000012
,
где Wmax и βmax - заданные энергия и относительная скорость электронов в конце процесса ускорения, R0 - заданный радиус равновесной орбиты в отклоняющих магнитах, е - заряд электрона, с - скорость света;
б) длительностью линейного роста волны T0, равной заданному времени цикла ускорения;
в) длительностью плоской вершины волны T1, равной заданному времени медленного вывода электронов.
A cyclic electron accelerator, including a vacuum casing, consisting of arcuate and rectilinear sections, a system of deflecting magnets located on the arcuate sections and connected to the power generators of the windings of the deflecting magnets, an induction accelerating system consisting of a set of ferromagnetic cores-inductors and excitation turns of inductors connected to pulse generators of accelerating pulses, a focusing system, characterized in that the cross section of each of the inductors reproaching the system corresponds to the condition
Figure 00000010
,
where ΔB ind ≤2B S is the specified change in induction in the accelerating core during acceleration, B S is the induction of core saturation, T 0 is the duration of the full acceleration cycle from the injection energy to the final given energy, V ind is the voltage across the exciting coil of the inductor, while the pulse voltage generator has the property of exciting the turns of inductors by a square wave with an amplitude V ind equal to:
Figure 00000011

where ΔР = P max -P 0 is the specified increase in the electron momentum during acceleration (P 0 is the electron momentum of the injection, P max is the electron momentum at the end of the acceleration process), L = 2πR 0 + ∑l is the electron orbit perimeter (R 0 - a given equilibrium radius of the orbit of electrons, ∑l is a given total duration of straight sections), n is the number of inductors in the induction section, e is the electron charge, T 0 is the duration of the accelerating pulse of a square wave equal to the given duration of the electron acceleration cycle, and
the power generator of the windings of the deflecting magnets has the property of exciting a trapezoidal wave of magnetic induction with the parameters:
a) amplitude B max equal to
Figure 00000012
,
where W max and β max are the specified energy and relative speed of electrons at the end of the acceleration process, R 0 is the specified radius of the equilibrium orbit in the deflecting magnets, e is the electron charge, c is the speed of light;
b) the duration of the linear wave growth T 0 equal to a given acceleration cycle time;
C) the duration of the flat top of the wave T 1 equal to the specified time of slow output of electrons.
RU2013102806/07A 2013-01-22 2013-01-22 Induction cyclic electron accelerator RU2524571C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013102806/07A RU2524571C1 (en) 2013-01-22 2013-01-22 Induction cyclic electron accelerator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013102806/07A RU2524571C1 (en) 2013-01-22 2013-01-22 Induction cyclic electron accelerator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013102806A RU2013102806A (en) 2014-07-27
RU2524571C1 true RU2524571C1 (en) 2014-07-27

Family

ID=51264669

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013102806/07A RU2524571C1 (en) 2013-01-22 2013-01-22 Induction cyclic electron accelerator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2524571C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0463408A3 (en) * 1990-06-22 1992-07-08 Hauzer Techno Coating Europe Bv Plasma accelerator with closed electron drift
RU2139646C1 (en) * 1998-04-07 1999-10-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр им.М.В.Келдыша" Closed-electron-drift plasma accelerator
FR2782884A1 (en) * 1998-08-25 2000-03-03 Snecma CLOSED ELECTRON DERIVATIVE PLASMA PROPELLER SUITABLE FOR HIGH THERMAL LOADS
RU2209533C2 (en) * 2001-10-10 2003-07-27 Сорокин Игорь Борисович Plasma accelerator with closed electron drift

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0463408A3 (en) * 1990-06-22 1992-07-08 Hauzer Techno Coating Europe Bv Plasma accelerator with closed electron drift
RU2139646C1 (en) * 1998-04-07 1999-10-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр им.М.В.Келдыша" Closed-electron-drift plasma accelerator
FR2782884A1 (en) * 1998-08-25 2000-03-03 Snecma CLOSED ELECTRON DERIVATIVE PLASMA PROPELLER SUITABLE FOR HIGH THERMAL LOADS
RU2209533C2 (en) * 2001-10-10 2003-07-27 Сорокин Игорь Борисович Plasma accelerator with closed electron drift

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013102806A (en) 2014-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. A repetitive microsecond pulse generator for atmospheric pressure plasma jets
Sanders et al. Optimization and implementation of a solid state high voltage pulse generator that produces fast rising nanosecond pulses
Li et al. Investigation on adjustable magnetic pulse compressor in power supply system
Rossi et al. Overview of RF generation using nonlinear transmission lines
JP2015220929A (en) Pulse power supply device and design method thereof
RU2359434C2 (en) Method for induction acceleration of charged particles
Kim et al. Control and analysis of magnetic switch reset current in pulsed power systems
RU2524571C1 (en) Induction cyclic electron accelerator
Carter Acceleration technologies for charged particles: an introduction
Rukin Solid-state repetitive generators of short GW-range pulses: a review
Gunin et al. Simulated parameters of subgigawatt relativistic BWOs with permanent magnetic systems
RU2420045C1 (en) Method for inductive ion acceleration
Wu et al. Study of superradiance based on a low-voltage backward wave oscillator
US9726621B1 (en) Helical resonator ion accelerator and neutron beam device
Li et al. An adjustable magnetic switch
RU2513034C2 (en) Method for induction electron acceleration
Liu et al. Study of low impedance intense electron-beam accelerator based on magnetic core Tesla transformer
Beaudoin et al. Novel high power sources for the physics of ionospheric modification
Gilgenbach et al. Intense Electron Beam Cyclotron Masers With Microsecond Pulselengths
Peters New developments in rf-and filament-volume H− ion sources for accelerators
Starodubov et al. On the Formation of Higher Harmonic Components in Power Spectrum of the Output Radiation of Microwave Generator with Turbulent Electron Beam
Cook et al. Harmonic ratcheting for fast acceleration
Friedman et al. The physics and applications of modulated intense relativistic electron beams
Yalandin et al. Compact relativistic millimeter-band microwave oscillators
RU103056U1 (en) LINEAR RESONANCE ELECTRON ACCELERATOR