Способ ускорения электронов

Способ ускорения электронов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для генерации высокоэнергетичных электронов для последующего использования в дефектоскопии, томографии, радиационных испытаниях стойкости материалов, лучевой терапии и др.

Известен способ индукционного ускорения электронов, реализуемый в бетатронах [1. Москалев В.А., Сергеев Г.И. Индукционный ускоритель электронов - бетатрон. - Томск: ТПУ, 2012. - С. 103], который включает формирование возрастающего во времени магнитного поля, коррекцию магнитного поля дополнительным импульсным магнитным полем, импульсную инжекцию электронов в скорректированное магнитное поле, ускорение электронов на равновесной орбите.

Известен, способ индукционного ускорения электронов, реализуемый в бетатронах [2. Демидов И.И., Лисин В.А. Секторный контрактор бетатрона //Актуальные проблемы современной онкологии. - Томск: ТГУ, 1984. - Вып. 3. - С. 30-33.], выбранный в качестве прототипа, который включает формирование возрастающего во времени магнитного поля, коррекцию магнитного поля дополнительным импульсным магнитным полем, импульсную инжекцию электронов в скорректированное магнитное поле, ускорение электронов на равновесной орбите, причем коррекцию магнитного поля дополнительным импульсным магнитным полем и импульсную инжекцию электронов начинают одновременно.

Количество электронов, ускоренных этими способами в импульсе излучения бетатрона, ограничено из-за малой длительности интервала времени захвата электронов в ускорение, в течение которого энергия инжектируемых электронов соответствует напряженности магнитного поля на равновесной орбите.

Задачей настоящего изобретения является увеличение количества ускоренных электронов в импульсе излучения.

Поставленная задача решена за счет того, что способ ускорения электронов, так же как и в прототипе, включает формирование возрастающего во времени магнитного поля, коррекцию магнитного поля дополнительным импульсным магнитным полем, импульсную инжекцию электронов в скорректированное магнитное поле, ускорение пучка частиц на равновесной орбите.

Согласно изобретению корректирующее дополнительное импульсное магнитное поле включают после начала импульсной инжекции электронов в магнитное поле.

Включение корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля после начала импульсной инжекции электронов в магнитное поле позволяет при подборе амплитуд и простых временных зависимостей корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля и напряжения импульсной инжекции электронов, увеличить длительность интервала времени захвата электронов в ускорение, в течение которого энергия инжектируемых электронов соответствует напряженности магнитного поля на равновесной орбите, до длительности действия корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля.

Увеличение длительности интервала времени захвата электронов в ускорение соответствует увеличению количества ускоренных электронов в импульсе излучения.

На фиг. 1 показана принципиальная схема бетатрона.

На фиг. 2 показаны зависимости токов в обмотках возбуждения, в обмотках контрактора и напряжения инжекции от времени.

На фиг. 3 представлены зависимость энергии электронов, соответствующей радиусу равновесной орбиты и напряженности магнитного поля на ней, а также тока в обмотках, генерирующих корректирующее дополнительное импульсное магнитное поле, и энергии инжектируемых электронов от времени при реализации предлагаемого способа.

На фиг. 4 показана зависимость радиуса равновесной орбиты от времени в интервале времени включения корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля.

На фиг. 5 представлены зависимость энергии электронов, соответствующей радиусу равновесной орбиты и напряженности магнитного поля на ней, а также тока в обмотках, генерирующих корректирующее дополнительное импульсное магнитное поле, и энергии инжектируемых электронов от времени при реализации известного способа.

Способ ускорения электронов осуществляют, например, малогабаритным бетатроном, который содержит магнитопровод 1 (фиг. 1), обмотки возбуждения 2, профильные полюсы 3, набор центральных вкладышей 4, ускорительную камеру 5, инжектор 6, обмотки контрактора 7.

Формирование основного магнитного поля осуществляют путем пропускания в каждом цикле ускорения длительностью, например, 1 мс через обмотки возбуждения 2 возрастающего во времени t тока I_в (фиг. 2).

При этом профильные полюсы 3, набор центральных вкладышей 4, величина зазора между профильными полюсами 3 обеспечивают распределение напряженности магнитного поля, в котором на радиусе r =Ro=const выполняется "бетатронное соотношение":

H R o ( t ) = H R o ( t ) ¯ 2 ,

где H R o ( t ) - текущая напряженность магнитного поля на орбите радиуса Ro в медианной плоскости (z=0) в момент времени t ;

H R o ( t ) ¯ - текущая средняя в пределах круга, охватываемого орбитой радиуса Ro, напряженность магнитного поля в медианной плоскости в момент времени t .

Кинетическая энергия E к и н . ( H R o ( t ) , R O ) , с которой на орбите с радиусом Ro может находится электрон в момент времени t до включения корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля и после выключения корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля при напряженности магнитного поля на орбите H R o ( t ) , соответствует соотношениям:

E к и н . ( H R o ( t ) , R o ) = E ( t ) − m c 2 ,

E ( t ) = m c 2 1 − β ( t ) 2 ,

β ( t ) = V ( t ) c ,

β ( t ) E ( t ) = e 0 R 0 H R o ( t ) ,

и равна:

E к и н . ( H R o ( t ) , R o ) = ( ( m c 2 ) 2 + ( e 0 R 0 H R o ( t ) ) 2 ) 0.5 − m c 2 ,

где E - полная энергия электрона,

m - масса покоя электрона,

c - скорость света,

e 0 - заряд электрона,

V - скорость электрона.

Зависимости E к и н . ( H R o ( t ) , R O ) от времени t до включения корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля и после его выключения показаны на фиг. 3.

В момент времени t_и включают инжекцию электронов, напряжение которой изменяется по зависимости U_и(t) (фиг. 2).

По такой же зависимости возрастает энергия инжектируемых электронов (фиг. 3):

E_и (t)= e 0 U_и(t), кэВ.

При достижении равенства:

E и ( t ) = E к и н . ( H R o ( t ) , R O )

в момент времени t_к включают на время T_к корректирующее дополнительное импульсное магнитное поле путем пропускания тока через обмотки контрактора 7 в соответствии с зависимостью I к ( t ) (фиг. 2, фиг. 3).

Зависимости U и ( t ) и I к ( t ) реализуются известными средствами.

В скорректированном магнитном поле радиус R(t) орбиты, соответствующей "бетатронному соотношению", в интервале времени T_к изменяется от Ro до R_макс (фиг. 4).

Возрастающая во времени кинетическая энергия:

E к и н . ( H R ( t ) ( t , I к ( t ) ) , R ( t ) ) = ( ( m c 2 ) 2 + ( e 0 R ( t ) H R ( t ) ( t , I к ( t ) ) ) 2 ) 0.5 − m c 2 ,

с которой электрон может находиться на орбите с радиусом R(t), и возрастающая во времени энергия инжектируемых электронов E и ( t ) с момента времени t_к в течение интервала времени T_к практически равны в пределах энергетического разброса электронов, соответствующего их ускорению:

E к и н . ( H R ( t ) ( t , I к ( t ) ) , R ( t ) ) = E и ( t ) ,

(фиг. 3), и соответственно инжектируемые электроны захватываются на орбиту с радиусом R(t), которая становится благодаря фокусирующим свойствам скорректированного магнитного поля равновесной орбитой ускорения захваченных электронов.

Длительность времени захвата Т_З (интервала времени сопряжения зависимостей E к и н . ( H R ( t ) ( t , I к ( t ) ) , R ( t ) ) и E и ( t ) ) равна (фиг. 3) длительности действия корректирующего дополнительного импульсного магнитного поля Т_К, Т_З=Т_К.

Причем захватываемые электроны остаются на равновесной орбите с радиусом R(t), так как R_макс (фиг. 4) достаточно сильно отличается от R_ин - радиуса расположения инжектора (фиг. 1), элемента ограничивающего пространство, в котором могут перемещаться захваченные электроны, совершая колебания относительно равновесной орбиты.

В интервале времени от t_и до t_к и после момента времени t_к+T_к электроны с уменьшающейся в процессе инжекции энергией инжектируются в нескорректированное возрастающее во времени магнитное поле и не захватываются на равновесную орбиту из-за несоответствия энергии инжектируемых электронов и напряженности магнитного поля на равновесной орбите.

При условии ограничения амплитуды тока в обмотках контрактора I_к(t), а значит, и R_макс длительность времени захвата Т_З ограничена только необходимостью сформировать простые по форме и согласованные по амплитуде импульсы напряжения инжекции и тока в обмотках контрактора 7 достаточно большой длительности, что выполняется известными средствами.

Определение зависимостей I к ( t ) и U и ( t ) при конкретной реализации способа проводится компьютерным моделированием с последующим экспериментальным уточнением.

На фиг. 5 приведены зависимости, соответствующие известному способу ускорения электронов [2]. Если t и ≥ t к , то при любых параметрах изменения напряжения инжекции (энергии инжектируемых электронов) невозможно выполнение равенства:

E к и н . ( H R ( t ) ( t , I к ( t ) ) , R ( t ) ) =E_и(t)

во всем интервале времени Т_К, время захвата Т_З мало и составляет только малую часть времени действия корректирующего поля Т_К, Т_З<<Т_К.

Большая длительность времени захвата электронов в ускорение, превосходящая длительность времени захвата при реализации известного способа соответствует большему по сравнению с известным способом количеству ускоренных электронов в импульсе излучения.

Cпособ ускорения электронов, включающий формирование возрастающего во времени магнитного поля, коррекцию магнитного поля дополнительным импульсным магнитным полем, импульсную инжекцию электронов в скорректированное магнитное поле, ускорение пучка частиц на равновесной орбите, отличающийся тем, что корректирующее дополнительное импульсное магнитное поле включают после начала импульсной инжекции электронов в магнитное поле.