Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ОБЛАСТИ ДЕЙСТВИЯ ФОКУСИРУЮЩИХ СИЛ.В.БЕТАТРОНЕ 9
I.I. Магнитные системы известных бетатронов с увеличенным сечением рабочего зазора 10
1.2. Увеличение объема области действия фокусирующих сил за счет радиального размера. 14
1.3, Увеличение объема области действия фокусирующих сил за счет аксиального размера рабочей области ускорителя. .24
ГЛАВА II. ЭЛЕКТРОМАГНИТ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО БЕТАТРОНА 31
2.1. Моделирование магнитной системы цилиндрического бетатрона 31
2.2. Взаимосвязь параметров управляющего магнитного поля цилиндрического бетатрона и количества удерживаемых частиц 50
.2.3. Удельные характеристики электромагнита цилиндрического бетатрона ...55
ГЛАВА III. ИНЖЕКЦИЯ И СМЕЩЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ
БЕТАТРОНЕ 69
3.1. Выбор места расположения инжектора в цилиндрическом бетатроне 70
3.2. Исследования процесса захвата электронов в ускорение в цилиндрическом бетатроне. 74
3.3 Смещение электронов на мишень и компрессия пучка в цилиндрическом бетатроне. 92
3.4. Результаты запуска на излучение макета цилиндрического бетатрона 98
ГЛАВА ІV. ПОВЕДЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНЖЕКЦИИ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ
БЕТАТРОНЕ 109
4,1. Улучшение условий захвата электронов в ускорение путем изменений потенциальных барьеров 109
4.2, Захват электронов в ускорение за счет взаимодействия инжектируемого пучка с покрытием стенок ускорительной камеры 116
4.3. Безинфлекторный ввод электронов в ускорительную камеру цилиндрического бетатрона 121
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127
ЛИТЕРАТУРА .129
- Магнитные системы известных бетатронов с увеличенным сечением рабочего зазора
- Моделирование магнитной системы цилиндрического бетатрона
- Выбор места расположения инжектора в цилиндрическом бетатроне
- Улучшение условий захвата электронов в ускорение путем изменений потенциальных барьеров
Введение к работе
Ускорители заряженных частиц на малые и средние энергии в настоящее время все чаще находят применение в народном хозяйстве. Наибольшие распространение имеют ускорители электронов;
Класс электронных ускорителей, применяющихся в народном хозяйстве достаточно широк и включает в себя ускорители прямого действия, линейные ускорители и циклические, к которым относятся микротроны и бетатроны*
Область применения ускорителей прямого действия определяется их выходными параметрами: энергия ускоренных электронов - до нескольких МэВ, мощность пучка - до нескольких десятков и сотен киловатт [ I ] . Наиболее широко применяются ускорители прямого действия для радиационной обработки материалов, дефектоскопии изделий в стационарных условиях, для сварки и резки материалов.
В области энергий от 3 до 30 МэВ практически удобны бетатроны, микротроны [ 4, 5 ] и линейные ускорители» Большая энергия пучка (единицы и десятки киловатт) обеспечивает высокую эффективность применения линейных ускорителей для дефектоскопии толстостенных изделий [ 2 ] в стационарных условиях, в медицине и в области радиационной обработки материалов [ 3 ]
Бетатрон с переменным управляющим полем первым из электронных ускорителей нашел применение в народном хозяйстве. Наиболее успешно бетатроны применяются в таких областях, как радиационная дефектоскопия материалов и изделий [ 6 ] , а также в медицине [7, 8 ] »;
Особое значение имеет применение бетатрона для контроля быст-ропротекающих процессов, что определяется возможностью получения короткого импульса излучения (десятые доли микросекунды) и возможностью синхронизации момента следования импульса излучения с положением перемещающегося объекта [ 9 ]V' Бетатрон выгодно от ли- чается от других типов ускорителей электронов простотой, малой массой, удобством в эксплуатации и малыми затратами на изготовление, что позволяет создавать транспортабельные установки, предназначенные для работы в нестационарных условиях.
Основным недостатком классического бетатрона является сравнительно небольшая величина интенсивности излучения*
Задача повышения интенсивности излучения, генерируемого бетатроном, решается следующими путями:
Увеличением частоты следования импульсов излучения*
Увеличением начальной энергии инжектируемых электронов* 3* Улучшением механизма захвата электронов в ускорение*
4* Увеличением объема области действия фокусирующих сил*
Увеличение частоты следования импульсов излучения обеспечивает линейный рост интенсивности излучения с ростом частоты тока, питающего электромагнит установки. Максимальная частота следования импульсов излучения определяется режимом работы установки и тепловым режимом электромагнита, т.к* с ростом частоты растут потери энергии в стали магнитопровода и в намагничивающей обмотке* Увеличить максимальную частоту следования импульсов излучения позволяет применение схем импульсного питания электромагнита [ 10, II ] и использование эффективных систем охлаждения элементов установки [ 12, 13 ] *
Увеличение начальной энергии инжектируемых электронов обеспечивает увеличение ускоренного заряда в импульсе [ 14, 15 ] и, как правило, связано или с увеличением объема межполюсного пространства ускорителя (если используется инжектор, размещаемый внутри ускорительной камеры, или с необходимостью применения внешнего инжектора и обеспечения инфлекторного ввода инжектируемых электронов в ускорительную камеру [ 16 ] *
Как показано в работах [ 17, 18 ] , для установок с инжекто- ром, размещаемым внутри ускорительной камеры, нецелесообразно повышать напряжение инжекции свыше 70 - 100 КэВ.
При энергии инжекции выше этого порога целесообразнее применять внешний инжектор. В том и другом случае повышение напряжения инжекции связано с увеличением габаритов и массы установки.
Улучшение механизма захвата электронов в ускорение является перспективным направлением, однако, известные способы: создание дополнительных импульсных полей на время захвата [ 19, 20 ] , ввод электронов с помощью инжектора, расположенного между центральными вкладышами [ 21 ] , спиральное накопление частиц [ 22 ] , работают эффективно лишь до порога, определяемого какой-либо неустойчивостью пучка. Как известно, [ 23, 24 J , максимальное число частиц, захватываемое в бетатроне, определяется продольной неустойчивостью пучка, в частности, неустойчивостью, вызываемой эффектом отрицательной массы. Так как пороговое значение величины захватываемого заряда, определяемое продольной неустойчивостью пучка, примерно на два порядка ниже порога, определяемого куло-новским сдвигом рабочей точки [24 ], поиск оптимальных условий захвата в классическом бетатроне должен быть направлен на отыскание способов подавления продольной неустойчивости пучка, например, введение элементов жесткой фокусировки, обеспечение захвата частиц с большим энергетическим разбросом.
Увеличение объема области действия фокусирующих сил однозначно дает пропорциональное увеличение интенсивности излучения и, к тому же, позволяет применить более высоковольтную инжекцию, но неизбежно приводит к увеличению объема межполюсного зазора, следовательно, к увеличению габаритов и масоы установки.
Однако, разработчики бетатронов зачастую вынуждены идти на увеличение объема области действия фокусирующих сил, обычно в тех случаях, когда требуется или значительная энергия излучения за импульс, или когда требуемая интенсивность излучения не может быть обеспечена другими известными способами. Необходимо сразу отметить, что, хотя при увеличении объема межполюсного пространства габариты и масса бетатрона растут, удельные характеристики, в частности, такой показатель, как интенсивность излучения, отнесенная к единице массы, зачастую не только не хуже, но и превосходят аналогичные показатели для бетатронов, не рассчитанных на ускорение большого числа частиц в импульсе [ 25 ] t
Увеличение объема области действия фокусирующих сил обычно не прямопропорционально увеличению объема межполюсного пространства, что объясняется искажением поля на краях зазора вблизи полюсных наконечников и центральных вкладышей, а также тем, что сечение пучка в процессе инжекции имеет эллипсовидную форму. Для характеристики степени использования межполюсного пространства полезно ввести коэффициент использования межполюсного пространства Хц , равный отношению площади сечения области устойчивого движения электронов к площади сечения межполюсного пространства.
Естественно, что поиск оптимальных путей увеличения области действия фокусирующих сил должен производиться с учетом коэффициента Хц
Кроме того, необходимо при этом учитывать возможность применения в разрабатываемой установке наиболее эффективных механизмов захвата!
Целью данной работы является создание и исследование электромагнита бетатрона с увеличенной областью действия фокусирующих сил, обладающего лучшими техническими характеристиками по сравнению с известными установками.
Диссертация состоит из 4-х глав, введения и заключения.
В первой главе рассматриваются основные способы увеличения области действия фокусирующих сил в бетатронах, их достоинства и недостатки. Показано, что рабочая область ускорителя может быть увеличена за счет одного из размеров межполюсного пространства -аксиального или радиального без ухудшения коэффициента использования межполюсного пространства; Предложена конструкция электромагнита цилиндрического бетатрона, в котором увеличение объема области действия фокусирующих сил обеспечивается за счет увеличения аксиального размера межполюсного пространства.
Во второй главе диссертации приведены результаты разработки и исследования электромагнита цилиндрического бетатрона [26 ] . Получены соотношения, связывающие основные параметры управляющего магнитного поля электромагнита цилиндрического бетатрона, геометрические размеры рабочей области и число частиц, которое может быть удержано полем бетатрона. Здесь же приведены результаты анализа удельных характеристик электромагнита цилиндрического бетатрона,
В третьей главе рассмотрены вопросы инжекции и смещения электронов на мишень применительно к цилиндрическому бетатрону. Приведены результаты исследования процесса захвата электронов в ускорение и результаты запуска на излучение макета цилиндрического бетатрона»
Четвертая глава посвящена некоторым способам повышения эффективности инжекции в цилиндрическом бетатронеі Предложены технические решения, обеопечивающие повышение коэффициента захвата электронов в ускорение за счет изменения потенциальных барьеров во время инжекции. Там же рассмотрен вариант внешней высоковольтной безинфлекторной инжекции.
Полученные в настоящей работе результаты были использованы при разработке бетатронной установки с числом ускоренных элект-ронов в импульсе > 1*10 , имеющей высокие удельные ха- рактеристики, и при внедрении в промышленное производство бетатрона типа ПМБ-6 [39 ] .
К защите представлены следующие тезисы:
Г. Электромагнит цилиндрического бетатрона с большим отношением аксиального размера рабочей области к радиальному имеет более высокие удельные характеристики по сравнению с электромагнитом бетатрона классического типа»
2, Увеличенный аксиальный размер рабочего объема электромаг нита позволяет реализовать в предлагаемой установке механизм зах вата за счет временного изменения величины пробочного отношения, а также за счет потери части энергии аксиального движения элект ронов пучка в результате взаимодействия последнего о проводящим покрытием стенок ускорительной камеры,
3. Использование частей ярма электромагнита цилиндрического бетатрона в качестве элементов магнитной оистемы электронной.пуш ки Пирса-Харриса обеспечивает высокую эффективность инжекции;
4'« Ограничение в аксиальном направлении рабочего объема ци- линдрического бетатрона пластинами, соединенными через коммутирующие устройства с проводящим покрытием ускорительной камеры, обеспечивает увеличение коэффициента захвата электронов в 1,5 * 2 раза,
Топография управляющего магнитного поля в рабочем объеме электромагнита цилиндрического бетатрона в основном определяется распределением витков намагничивающей катушки и центральных вкладышей по высоте межполюсного зазора.
Рациональное использование межполюоного пространства электромагнита бетатрона, у которого радиальная апертура гораздо больше аксиальной, достигается в результате создания распределения управляющего магнитного поля, обеспечивающего существование нескольких концентрических равновесных орбит;
7. Устранение самооброоа электронов в серийном бетатроне ПМБ-6 обеспечивается уменьшевием радиуса равновесной орбиты примерно на 5 % по сравнению с расчетным значением*
По материалам диссертации опубликованы три статьи [іЗ, 39, 80 ] , получено семь авторских свидетельств на изобретения [ 26, 30, 33, 34, 50, 51, 52 ] .
Магнитные системы известных бетатронов с увеличенным сечением рабочего зазора
В работе [32] показано, что при заданном напряжении инжек-ции максимальные значения удельных характеристик J & и )w обеспечиваются при % ъ 1,5; Дальнейшее увеличение межполюсного пространства приводит к увеличению габаритов и массы намагничивающей катушки и к росту коэффициента рассеяния магнитного потока. Поля рассеяния на краях полюсных наконечников вызывают искажение топографии управляющего магнитного поля в рабочей области зазора и, следовательно, уменьшение коэффициента использования межполюсного пространства Кц Удельные характеристики установки при этом ухудшаются.
С другой стороны, увеличение межполюсного пространства позволяет повысить напряжение инжекции. По этим причинам предельная II величина отношения It для сильноточных бетатронов составляет около 2 2,5«
В известных конструкциях электромагнитов бетатронов с увеличенным межполюсным пространством трудно обеспечить равномерную загрузку стали магнитопровода в течение всего цикла ускорения. Из-за разности длин путей для единичных магнитных потоков происходит перетекание части потока из одних участков магнитопровода в другие [ 38 ] , что вызывает изменение радиуса равновесной орбиты в течение цикла ускорения и появление фагового сдвига между полем внутри орбиты и полем в непосредственной близости от равновесной орбиты Перераспределение потока магнитной индукции по сечению магнитопровода может привести к изменению радиального распределения управляющего магнитного поля, вызывающему нарушению устойчивого движения электронов в окрестности орбиты равновесного радиуса»
Нами было проведено исследование эффекта "самосброса" электронов в серийном бетатроне типа ПМБ-6 [39 ] , электромагнит которого имеет % - 1.7» Это явление характеризуется тем, что часть или все электроны выходят из ускорения и попадают на мишень и стенки ускорительной камеры при энергиях, меньших номинальной Самосброс приводит к уменьшению интенсивности излучения, а при использовании, бетатрона для дефектоскопии - к ухудшению контрастности рентгенограмм, так как направление излучения, возникающего при оамосбросе, чаото не совпадает с направлением основного пучка из-за различных условий приближения электронов к мишени»
Моделирование магнитной системы цилиндрического бетатрона
Электромагнит цилиндрического бетатрона принципиально отличается от электромагнитов известных бетатронов, занимая как бы промежуточное место между безжелезными магнитными системами и системами, в которых управляющее магнитное поде создается профилированными полюсными наконечниками.
В связи с трудоемкостью точного расчета подобных магнитных систем, исследования по определению закономерностей формирования управляющего магнитного поля цилиндрического бетатрона проведены методом натурного моделирования.
Электромагнит макета цилиндрического бетатрона (рис. 2..ІЛ) г устройство которого и основные геометрические размеры приведены на рис. 2.1.2, содержит магнитопровод 2, с полюсными наконечниками 5, блок центральных вкладышей 3 и намагничивающую обмотку I.
С целью обеспечения азимутальной однородности управляющего магнитного поля в рабочем зазоре электромагнита, применена шес-тистоечная конструкция магнигопровода, отдельные С-образные части которого изготовлены из ленточной холоднокатанной стали ЭЗЗО шириной 25 мм и толщиной 0,35 мм.
class3 ИНЖЕКЦИЯ И СМЕЩЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ
БЕТАТРОНЕ class3
Выбор места расположения инжектора в цилиндрическом бетатроне
В настоящее время практически во всех работающих бетатронах используется многооборотная инжекция. При напряжениях инжекции порядка нескольких десятков киловольт обычно применяется инжектор, расположенный внутри ускорительной камеры. Более высокие напряжения инжекции требуют применения внешнего инжектора с инфлекторным вводом частиц в рабочую область ускорителя [16, 17 ] Общим для известных систем инжекции является то, что электроны вводятся в камеру практически в медианной плоскости на радиусе инжекшш ґі большем, чем радиус равновесной орбиты. Имеющиеся предложения [21 ] об установке инжекторного устройства на радиусе / ґ0 реализованы лишь на единичных установках по причине конструктивных трудностей. Захват электронов в ускорение при расположении инжектора в медианной плоскости возможен за счет взаимодействия циркулирующих электронов с пространственной неоднородностью, создаваемой пучком, выходящим из инжектора [ 18, 61 ] .
Известно [ 36 ] , что инжектор может быть расположен и над областью равновесной орбиты, однако этот вариант расположения инжектора обычно не используется из-за резкого уменьшения рабочей области ускорительной камеры и усложнения ее конструкции.
Коэффициент захвата, определяемый как отношение числа частиц, захватываемых в ускорение, к общему числу частиц, вводимых в ускорительную камеру в интервале захвата, где под интервалом захвата понимается время, в течение которого происходит заполнение электронами орбит, не выходящих за пределы камеры, составляет в известных установках обычно десятые доли процента.
В принципе, для цилиндрического бетатрона возможны /два варианта расположения инжектирующего устройства в ускорительной камере В одном варианте инжектор может находится, как и в классическом бетатроне, в.центральной плоскости электромагнита на радиусе Гі Ґ0 .В этом случае часть сечения ускорительной камеры, определяемая произведением радиального габарита инжектора и высоты камеры, не может быть использована.
Для цилиндрического бетатрона более приемлемым является вариант установки инжектирующего устройства в приполюсной области над областью устойчивого движения частиц по соображениям, изложенным ниже.
class4 ПОВЕДЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНЖЕКЦИИ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ
БЕТАТРОНЕ class4
Улучшение условий захвата электронов в ускорение путем изменений потенциальных барьеров
В цилиндрическом бетатроне захват электронов в ускорение происходит в объеме, ограниченном в Ї направлении потенциальными барьерами, функции которых, в частности, выполняют области магнитных пробок. движение электронов в процессе захвата сопровождается взаимодействием электронов пучка между собой, в результате чего происходит перераспределение электронов по скоростям. Часть электронов, энергия аксиального движения которых становится настолько большой, что эти электроны способны преодолеть потенциальные барьеры, будет теряться на торцевых стенках ускорительной камеры, и на инжекторе» Электроны, энергия аксиального движения которых меньше величины потенциальных барьеров, захватываются в ускорение. Коэффициент захвата при этом, как показали проведенные исследования, составляет 10 20 %
Увеличить коэффициент захвата электронов в ускорение можно путем изменения величины потенциальных барьеров во время инжекции.
Самым простым путем повышения коэффициента захвата электронов в ускорение является путь, основанный на увеличении магнитной пробки, в области которой расположен инжектор, во время инжекции. Под величиной магнитной цробки здесь подразумевается величина пробочного отношения , ;;
Оценим возможность технической реализации захвата электронов в ускорение в цилиндрическом бетатроне за счет изменения величины пробочного отношения1.
Допустим, что в начальный момент инжекции величина потенциального барьера в области, где расположен инжектор, мала и электроны, эмиттируемые надорбитным инжектором (рисі 3.1.I) движутся в 2 - направлении за счет соответствующей составляющей их полной скорости, Кулоновское взаимодействие между электронами пучка приводит к перераспределению частиц пучка по аксиальной скорости: головные частицы пучка ускоряются в 2 -направлении в то время, как частицы хвоста пучка тормозятся собственным полем пучка.
Для того, чтобы исключить потери части пучка при возвращении головных электронов к инжектору, необходимо обеспечить в процессе инжекции соответствующий рост величины магнитной пробки, в области которой расположен инжектор.
