СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В ИНДУКЦИОННОМ ЦИКЛИЧЕСКОМ УСКОРИТЕЛЕ

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке и усовершенствовании индукционных циклических ускорителей и накопительных установок.

Известен способ ускорения электронов в бетатроне, включающий инжекцию электронов с последующим их ускорением в области с азимутально-симметричным магнитным полем, которое в цилиндрической системе координат удовлетворяет условиям

где n - показатель спада магнитного поля, H_z - компонента напряженности магнитного поля, - средняя напряженность магнитного поля в области, ограниченной равновесной орбитой, - напряженность магнитного поля на равновесной орбите радиуса R₀, /Л.Н.Ананьев, А.А.Воробьев и В.И.Горбунов. «Индукционный ускоритель электронов - бетатрон». «ГИЛ в области атомной науки и техники». М. 1961 г./.

Недостатком данного способа является малая величина ускоряемого электронного тока.

Технический результат изобретения - увеличение величины ускоряемого тока.

Данный результат достигается тем, что инжекция и последующее ускорение пучка электронов с током

происходят в области устойчивости с показателем спада магнитного поля n, удовлетворяющим неравенству

где L - индуктивность пучка электронов, M - взаимная индуктивность пучка электронов и электромагнита, - коэффициент связи тока i в электромагните с напряженностью магнитного поля на равновесной орбите и ΔR - радиальная величина сечения пучка при инжекции, при этом суммарная напряженность магнитного поля электромагнитной системы и электронного пучка должна удовлетворять бетатронным условиям

где n_Σ - показатель спада суммарного магнитного поля, - средняя напряженность суммарного магнитного поля в области, ограниченной равновесной орбитой.

Как известно, классические бетатронные условия устойчивого движения электронов в осесимметричном переменном магнитном поле были получены в одночастичном приближении. При низковольтной инжекции влияние собственного внешнего магнитного поля слаботочного пучка на бетатронное поле и связанное с этим изменение условий устойчивости движения электронов не существенно. Однако с повышением напряжения инжекции и соответственно роста числа ускоряемых электронов статистические характеристики пучка, а именно собственное внешнее магнитное поле, его индуктивность и магнитный поток оказывают существенное влияние на величину предельного тока инжекции и последующее его ускорение.

Качественную картину изменения топографии бетатронного поля в области устойчивости и, как следствие, ограничение предельного тока инжекции легко получить, полагая, что пучок прямолинейный и его сечение имеет форму круга радиуса R_n и что плотность частиц постоянна как по сечению, так и по длине. В этом случае внешнее магнитное поле прямолинейного тока I на радиусе r_n описывается формулой

где H_п - Э, I - А, r_n - см.

С другой стороны, из формулы для показателя спада бетатронного поля n в области равновесной орбиты, где 0<n<1, следует

где ΔH_z - перепад напряженности магнитного поля при приращении r на ΔR в Э.

Суперпозиция бетатронного поля H_z и магнитного поля пучка H_nz, т.е. определяют топографию области устойчивости, при этом всегда на внутреннем радиусе пучка эти поля разного знака, а на внешнем одного. Вследствие этого с повышением тока инжекции происходит уменьшение ΔH_z и при достаточно больших токах ΔH_z меняет знак, при этом происходит нарушение вертикальной фокусировки. Необходимо отметить, что радиальная фокусировка электронного пучка усиливается.

Таким образом, существует взаимно однозначное соответствие между предельной величиной инжектированного тока и перепадом магнитного поля для каждого момента времени инжекции, т.е. предельный ток определяется временной зависимостью ΔH_z(t), которая совпадает с зависимостью бетатронного поля H_z(t) от времени, обусловленной электротехническими параметрами источника питания и обмотки.

В соответствии с изложенным для предельного тока инжекции с учетом удвоения H_п и, полагая, что

получим

Очевидно, что это выражение выполняется для любого момента времени ускорения, но не описывает временную зависимость тока ускорения из-за наличия известных нестационарных процессов, например поперечной неустойчивости пучка, возникающих в течении цикла ускорения.

Линейная зависимость тока инжекции и тока ускорения от показателя спада магнитного поля позволяет повысить число ускоряемых частиц, увеличивая показатель спада магнитного поля n до определенного предела, обусловленного параметрами электромагнита и источника питания. При этом вследствие суперпозиции исходного бетатронного поля H_z и магнитного поля пучка H_пz устойчивому движению электронов в исходном бетатронном поле с n>1 ничто не противоречит при соответствующем токе пучка и сохранении числа электронов в процессе ускорения и выполнении условий, аналогичных для слаботочных бетатронов, т.е.

Предельную величину тока инжекции, обусловленную параметрами электромагнита и источника питания, легко получить, рассматривая безжелезный бетатрон как воздушный трансформатор. Из системы уравнений эквивалентной схемы воздушного трансформатора (П.А.Калантаров и Л.П.Нейман. «Теоретические основы электротехники». Л. - М. Госэнергоиздат, 1951 г.) с использованием известного выражения для энергии ускорения электронов в зависимости от величины напряженности магнитного поля на равновесной орбите и радиуса равновесной орбиты для предельного тока инжекции получим

Сравнивая правые части в выражениях для предельных токов инжекции, обусловленных с одной стороны, параметрами электромагнита и источника питания, а с другой, характеристиками области устойчивости для максимальной величины показателя спада n, будем иметь

Основное преимущество данного способа перед известным обусловлено тем, что его реализация не требует ни увеличения габаритов электромагнита, ни повышения энергоемкости источников питания для существенного роста выходных параметров устройств на его основе.