Многополюсная магнитная линза

Многополюсная магнитная линза

Реферат

 

Использование: в электротехнике для нелинейной фокусировки пучков заряженных частиц. Сущность изобретения: полюса, обмотки и ярма магнитопровода магнитной линзы образуют два дипольных плоскопараллельных магнита. Средние плоскости межполюсных зазоров магнитов совмещены с плоскостью фокусировки линзы. Обмотки дипольных магнитов включены встречно. Полюса магнитов в проекции на плоскость фокусировки имеют форму секторов, вершины которых обращены в сторону оси симметрии линзы и смещены относительно нее. Ярма магнитопровода могут быть выполнены общими для обоих магнитов и стянуты немагнитными шпильками. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике, к устройству магнитных линз, используемых для нелинейной фокусировки пучков заряженных частиц. Такую фокусировку, в частности, применяют наряду с методом магнитной развертки пучка для обеспечения равномерного облучения мишени заряженными частицами. Высокая равномерность облучения требуется как при некоторых научных экспериментах, так и для ряда практических применений пучков заряженных частиц (лучевая терапия, стерилизация, обработка материалов и др.) Для тех применений, при которых облучаемый объект (мишень) перемещается перпендикулярно оси пучка, например, с помощью конвейера, достаточно равномерного облучения только в одной плоскости.

Известны используемые для указанной выше цели многополюсные магнитные линзы с шестью, восемью и большим числом полюсов. Такие линзы формируют магнитное поле, индукция которого нелинейно нарастает при удалении от оси линзы.

Чаще всего для нелинейной фокусировки, имеющей целью выравнивание распределения плотности пучка на мишени, применяются восьмиполюсные линзы (октуполи) (см. E.Kashy and B.Sherrill. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B26(1987) 610-613; B.Sherrill, J.Bailey, E.Kashy and C.Leakeas. Nuсlear Instruments and Methods in Physics Research B 40/41 (1989) 1004-1007) У восьмиполюсной линзы индукция магнитного поля при удалении от оси линзы растет по кубическому закону и при переходе через ось изменяет направление. После прохождения пучка заряженных частиц через октуполь зависимость плотности частиц в пучке от расстояния до оси пучка, совмещенной с осью линзы, существенно изменяется, так как на удаленные от оси частицы воздействует более сильное магнитное поле. Это позволяет получить на мишени более равномерное распределение плотности частиц по тому направлению, которое совпадает с плоскостью нелинейной фокусировки линзы.

Недостатком восьмиполюсной линзы является сложность ее конструкции, большие размеры и вес, а также большая мощность питания. Восьмиполюсная линза содержит восемь магнитных полюсов, восемь обмоток возбуждения, охватывающих полюса, и восемь соединяющих полюса ярем магнитопровода. При этом для фокусировки используется лишь небольшая часть объема магнитного поля, возбуждаемого линзой, та, которая включает лишь одну из четырех плоскостей симметрии линзы.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков упрощение конструкции линзы, уменьшение ее размера и веса и снижение мощности питания.

Указанная цель достигается тем, что полюса, обмотки возбуждения и ярма линзы расположены таким образом, что образуют по крайней мере два дипольных плоско-параллельных магнита, установленных таким образом, что средние плоскости межполюсных зазоров магнитов совмещены с плоскостью фокусировки, обмотки одного дипольного магнита включены встречно обмоткам другого, полюса в проекции на плоскость фокусировки имеют форму секторов, вершины которых обращены в сторону оси линзы и смещены относительно этой оси, а величина угла при вершине сектора выбрана из соотношения в котором угол сектора (радиан), Е-полная энергия частиц (электронвольт), приведенная скорость частиц (с скорость света), В индукция поля в зазоре (гаусс), L расстояние от линзы до мишени (см).

Например, для пучка электронов с Е 10⁷ эВ при В 1000 Гс и L 100 см получаем 0,59 рад 34.

Указанная цель достигается также тем, что дипольные магниты имеют общие для обоих магнитов стянутые немагнитными шпильками ярма, соединяющие полюса со встречно включенными обмотками.

На фиг. 1 и 2 приведены схематические чертежи линзы в двух предлагаемых конструктивных вариантах. На фиг.3 приведена схема, поясняющая действие линзы на траектории заряженных частиц пучка, а на фиг.4 показаны распределения плотности частиц пучка перед линзой и на облучаемой пучком мишени.

Линза (фиг.1) составлена из двух одинаковых дипольных магнитов, состоящих каждый из пары плоскопараллельных полюсов 1, пары обмоток возбуждения 2 и одного ярма магнитопровода 3. Полюса 1 в проекции на среднюю плоскость А-А' межполюсного зазора h, совмещенную с плоскостью фокусировки линзы, имеют форму сектора с углом при вершине . Вершина С сектора смещена относительно оси линзы O-O' на расстояние d. Обмотки возбуждения 2 одного магнита включены встречно обмоткам другого, что на фиг.1 обозначено стрелками, указывающими направление вектора индукции магнитного поля в межполюсном зазоре.

Другой вариант конструкции линзы показан схематически на фиг.2. Отличие от варианта фиг.1 состоит в том, что ярма 3 магнитопровода соединяют полюса со встречно включенными обмотками и стянуты немагнитными шпильками 4. Остальные составные части линзы на фиг.2 и обозначения на ней те же, что и на фиг.1.

Работу линзы поясняют фиг.3 и 4. На фиг.3 схематически показаны в проекции на плоскость фокусировки области действия магнитного поля, ограниченные секторными полюсами 1 линзы и несколько траекторий заряженных частиц того пучка, который фокусируется линзой и направляется на мишень 5. Для большей ясности изложения на фиг.3 и 4 показан пучок частиц, траектории которых при входе в линзу параллельны ее оси. На частицы, проходящие вблизи оси линзы (траектории 6 и 6'), магнитное поле линзы не действует, траектории остаются параллельными оси. Траектории 7 и 7', 8 и 8', удаление которых от оси линзы превышает величину смещения d вершины секторных полюсов линзы, отклоняются ее магнитным полем. Это отклонение тем сильнее, чем дальше отстоит траектория от оси, так как при удалении от оси увеличивается ширина области магнитного поля из-за увеличения ширины секторного полюса. Величина-угла сектора и индукция поля В выбраны таким образом, чтобы крайние траектории пучка 8 и 8' после прохождения через линзу попали на мишень 5 в точке, лежащей на оси O-O'. Промежуточные траектории 7 и 7' после отклонения линзой придут на мишень с меньшим отклонением в сторону оси.

Такое изменение формы траекторий заряженных частиц линзой приводит к существенному изменению распределения плотности частиц на мишени по сравнению с распределением их плотности перед линзой. На фиг.4 схематически показано изменение плотности для случая, когда параллельный пучок частиц имеет на входе в линзу исходное распределение 9, близкое по форме к гауссовскому, вида (x)= _oexp(-x²/x²_o), (2) и ограниченное по координате х величиной х 2х_o. В точке х х_o плотность равна половине плотности на оси пучка .

Чтобы получить на мишени 5 распределение плотности частиц, близкое к равномерному, смещение вершины секторного полюса выбрано равным d х_o, а другие параметры линзы определены из условия попадания крайней траектории, начинающейся в точке х 2х_o, в точку пересечения поверхности мишени 5 с осью линзы. Расчеты показывают, что выполнению этого условия соответствует приведенное выше соотношение (1), связывающее параметры линзы и пучка. В этом случае распределение плотности 10 на мишени получается сложением неискаженной центральной части (область 0хх_o) распределения 11 на входе в линзу и перевернутой "хвостовой" части этого распределения 12 (область х_oх2х_o см.фиг.4). В результате получаемая неравномерность облучения мишени не превышает по расчету 5% а ширина поля облучения в плоскости фокусировки равна 2d.

Численные расчеты на ЭВМ, выполненные для пучка с расходящимися от оси траекториями частиц, показали, что и в этом случае предлагаемая линза обеспечивает такую же неравномерность облучения мишени. Однако, при расходящемся пучке значительно увеличивается ширина поля облучения; эта ширина может в несколько раз превышать расстояние 2d между вершинами секторных полюсов линзы. Использование изобретения позволит по меньшей мере вдвое уменьшить размеры, вес и мощность питания линзы по сравнению с октуполем. В результате станет целесообразной замена широко используемых магнитных систем развертки пучка, требующих для своего питания мощных генераторов пилообразного тока, более экономичной и надежной, питаемой постоянным током магнитной системой, основанной на предлагаемой четырехполюсной линзе с секторными полюсами.

Формула изобретения

1. Многополюсная магнитная линза, включающая полюса, охваченные обмотками возбуждения, и ярма магнитопровода, соединяющие полюса, отличающаяся тем, что полюса, обмотки и ярма образуют два дипольных плоскопараллельных магнита, установленных так, что средние плоскости межполюсных зазоров магнитов совмещены с плоскостью фокусировки линзы, обмотки одного дипольного магнита включены встречно обмоткам другого магнита, причем полюса в проекции на плоскость фокусировки имеют форму секторов, вершины которых обращены в сторону оси симметрии линзы и смещены относительно нее.

2. Линза по п. 1, отличающаяся тем, что ярма магнитопровода выполнены общими дня обоих магнитов и стянуты дополнительно введенными немагнитными шпильками.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4