Способ ускорения позитронов и устройство для его реализации

Способ ускорения позитронов и устройство для его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для генерации позитронных пучков с большой энергией для последующего использования высокоэнергетичных позитронов для целей дефектоскопии, томографии, радиационных испытаний стойкости материалов, лучевой терапии и др.

Известны устройства и способы ускорения позитронов по патентам [патент JP 4009700, патент JP 3089500], в которых генерация позитронов осуществляется путем бомбардировки мишени быстрыми электронами, в результате которой образуются позитроны. Ускорение позитронов осуществляется в линейном волноводе электрическим полем типа стоячей волны. Известны линейные ускорители позитронов [R.Krause-Rehberg, H.S.Leipner "Positron Annihilation in Semiconductors", Vol.127 of Series "Solid-State Sciences". Springer-Verlag, Berlin, 1999], в которых инжекция позитронов осуществляется радиоактивным препаратом, испускающим позитроны. Ускорение позитронов происходит также в линейном волноводе. Недостатками этих способов и устройств является наличие сложной, дорогой и громоздкой радиотехнической системы линейного резонатора, сложность ее настройки и ремонта, трудности фокусировки заряженных частиц. Это ограничивает применение этих ускорителей позитронов, поскольку такие системы могут позволить только крупнейшие организации.

Известны способы циклического ускорения позитронов и устройства для их реализации [Физика. Большой энциклопедический словарь. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. Новый политехнический словарь. - М.: Большая Российская энциклопедия, 2000]. Например, способ и устройство ускорения позитронов синхротроном. Это циклический резонансный ускоритель с переменным магнитным полем и ускоряющим ВЧ электрическим полем постоянной частоты. Магнит синхротрона имеет форму кольца, в кольцевом воздушном зазоре которого расположена вакуумная камера, в которой установлен источник заряженных частиц. Ускоряемые частицы движутся в нарастающем магнитном поле по круговым орбитам, получая энергию от ВЧ электрического поля. Синхротроны также имеют достаточно сложную магнитную и резонансную системы. В качестве источников позитронов используются устройства, аналогичные устройствам по патентам [патент JP 4009700, патент JP 3089500].

Наиболее близок к изобретению индукционный ускоритель с выведенным электронным пучком [Ерофеева Г.В., Чахлов В.Л. - Авт. свидетельство №677136]. Данный ускоритель предназначен для генерации пучков быстрых электронов, в котором используется термоэмиссионный катод в качестве источника электронов. Источников позитронов на основе термоэмиссии не существует.

Задача изобретения - повышение надежности устройства и способа ускорения позитронов за счет упрощения устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в способе ускорения позитронов, включающем ускорение заряженных частиц вихревым электрическим полем циклического индукционного ускорителя бетатрона, осуществляют инжекцию позитронов в ускорительную камеру от радиоактивного изотопа, причем скорость роста магнитного поля синхронизована с индуцированным электрическим полем таким образом, что орбита, по которой движутся позитроны, остается постоянной в течение всего цикла ускорения. Позитроны предварительно накапливают в постоянном во времени управляющем магнитном поле, в котором показатель спада поля по радиусу лежит в пределах 0<n<1, а величина индукции магнитного поля соответствует энергии инжектируемых позитронов так, что позитроны движутся по круговой орбите, радиус которой равен среднему радиусу ускорительной камеры.

В устройстве для ускорения позитронов, содержащем обмотки возбуждения, ускорительную камеру, обмотки вывода, магнитопровод, профильные полюса, центральные вкладыши, в воздушном зазоре, образованном полюсами и центральными вкладышами, установлена ускорительная камера, в которой над или под медианной плоскостью на среднем радиусе ускорительной камеры установлен радиоактивный изотоп позитронов, например Ge 68, Ti 44, Na 22.

Применение радиоактивного изотопа в качестве источника позитронов в циклических индукционных ускорителях не известно. А их применение позволяет значительно упростить конструкцию наиболее близкого аналога циклического ускорителя позитронов и, таким образом повысить надежность устройства и способа ускорения позитронов. Электромагнитная система бетатрона не имеет сложных волноводных и резонансных систем, что упрощает изготовление, настройку и обслуживание ускорителя.

На фиг.1 представлена принципиальная схема ускорителя позитронов. На фиг.2 приведены диаграммы тока и напряжения обмотки возбуждения электромагнита ускорителя позитронов.

Ускоритель позитронов содержит (фиг.1) электромагнит, состоящий из обмоток возбуждения 1, обратного магнитопровода 2, профильных полюсов 3, набора центральных вкладышей 4, ускорительной камеры 6, обмоток вывода заряженных частиц 7, источника позитронов 8. Магнитопровод выполнен с воздушным зазором 5, образованным профильными полюсами 3 и центральными вкладышами 4, в котором установлена ускорительная камера 6, обмотки вывода заряженных частиц 7. В качестве источника 8 позитронов применен радиоактивный изотоп, например Ge 68, Ti 44, Na 22, установленный над или под медианной плоскостью на среднем радиусе ускорительной камеры 6 (фиг.1).

Устройство работает следующим образом. В паузах между импульсами ускорения по обмотке 1 электромагнита протекает постоянный ток I₀ (фиг.2), обеспечивающий величину магнитной индукции в воздушном зазоре 5 такую, что позитроны в ускорительной камере 6 движутся по круговой орбите постоянного радиуса, равного радиусу установки источника 8 позитронов. Показатель спада поля по радиусу выбирается из условия 0<n<1. что обеспечивает фокусировку позитронов как в вертикальном, так и в радиальном направлениях. Таким образом, происходит накопление позитронов и формирование позитронного пучка около равновесной орбиты (t₁…t₂). Меняя длительность накопления, можно регулировать число ускоренных позитронов. Далее по обмоткам 1 электромагнита пропускают импульсный ток I(t) (t₂…t₃), который создает переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле индуцирует вихревое электрическое поле, которое ускоряет позитроны. Скорость роста магнитного поля синхронизована с индуцированным электрическим полем таким образом, что орбита, по которой движутся позитроны, остается постоянной в течение всего цикла ускорения. Данное условие обеспечивается подбором профильной поверхности полюсов 3, величиной воздушного зазора 5 и суммарной толщиной набора центральных вкладышей 4. В конце цикла ускорения высокоэнергетичные позитроны выводятся за пределы ускорительной камеры 6 с помощью специальной системы, представляющей собой обмотки вывода заряженных частиц 7, уложенные в межполюсном пространстве над и под ускорительной камерой.

Таким образом, рассмотренная система индукционного ускорителя позволяет получать пучки высокоэнергетичных позитронов, причем энергию ускоренных позитронов можно легко изменять путем изменения времени включения системы вывода. Она не содержит сложных, дорогостоящих и громоздких узлов. Данная система проста в изготовлении и обслуживании.

1. Способ ускорения позитронов, включающий ускорение заряженных частиц вихревым электрическим полем циклического индукционного ускорителя, отличающийся тем, что осуществляют инжекцию позитронов в ускорительную камеру от радиоактивного изотопа, причем скорость роста магнитного поля синхронизована с индуцированным электрическим полем таким образом, что орбита, по которой движутся позитроны, остается постоянной в течение всего цикла ускорения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что позитроны предварительно накапливают в постоянном во времени управляющем магнитном поле, в котором показатель спада поля по радиусу лежит в пределах 0<n<1, а величина индукции магнитного поля соответствует энергии инжектируемых позитронов так, что позитроны движутся по круговой орбите, радиус которой равен среднему радиусу ускорительной камеры.

3. Устройство для ускорения позитронов, содержащее магнитопровод, обмотки возбуждения, ускорительную камеру, обмотки вывода, отличающееся тем, что в ускорительной камере над или под медианной плоскостью на среднем радиусе ускорительной камеры установлен радиоактивный изотоп позитронов, например Ge 68, Ti 44, Na 22.