CC BY
63
Сер. 10. 2010. Вып. 3
ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
УДК 621.384.63
Р. В. Максимов, В. П. Степанчук, В. И. Шведунов МАГНИТ МАЛОГАБАРИТНОГО МИКРОТРОНА*)
1. Введение. Работа является частью исследований, направленных на разработку малогабаритного микротрона путем создания магнитной системы классического микротрона на основе постоянных магнитов и объединения магнетрона с ускоряющим резонатором в единое устройство. Во всех существующих классических микротронах ведущее магнитное поле образуется электромагнитами броневого типа, как было предложено еще в [1]. Их главные недостатки - большой вес, затраты мощности для питания, необходимость стабилизации тока, охлаждения водой или сжатым воздухом. Постоянные магниты лишены указанных недостатков и выгодно отличаются высокой надежностью. В настоящее время существуют магнитные материалы на основе редкоземельных металлов, такие как Ne2-Fe 14-B и Sm-Cc>5. Они обладают высокими энергетическими показателями: остаточной индукцией (до 1,41 Тл) и значением энергетического произведения BHmax (до 360 кДж/м3). На основе таких материалов были созданы рециркуляторы разрезных микротронов [2, 3].
В настоящей работе представлены результаты расчета магнитной системы классического микротрона, работающего в режиме с приростом энергии 0.62 энергии покоя электрона на волне длиной 3.2 см. Проводится также сравнение ее основных параметров, в том числе и массогабаритных показателей с параметрами электромагнита микротрона [4].
2. Расчет магнитной системы. Основные параметры магнитной системы на постоянных магнитах соответствуют параметрам электромагнита микротрона, созданного в лаборатории ядерной физики НИИ ЕН СГУ [5]. Электромагнит состоит из двух симметричных относительно медианной плоскости частей и в поперечном сечении имеет форму буквы Н. Основными его элементами являются магнитопровод, полюса и обмотки возбуждения (рис. 1). Межполюсной зазор - 32 мм, диаметр полюса - 220 мм, рабочее значение индукции магнитного поля - 0.21 Тл. При расчетах контролировалась
Максимов Роман Вячеславович — аспирант кафедры радиотехники и электродинамики физического факультета Саратовского государственного университета. Научный руководитель: доктор технических наук, проф. В. П. Степанчук. Количество опубликованных работ: 2. Научные направления: ускорительная техника, электромагниты, постоянные магниты. E-mail: mrv333@rambler.ru.
Степанчук Виктор Петрович — доктор технических наук, профессор кафедры радиотехники и электродинамики физического факультета Саратовского государственного университета. Количество опубликованных работ: 152. Научные направления: физика пучков заряженных частиц, ускорительная техника. E-mail: stepanchukvp@ssu.ru.
Шведунов Василий Иванович — доктор физико-математических наук, профессор Научноисследовательского института ядерной физики Московского государственного университета. Количество опубликованных работ: 168. Научные направления: физика пучков заряженных частиц, ускорительная техника. E-mail: sved@depni.sinp.msu.ru.
+ ) Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №07-02-01288-a).
© Р. В. Максимов, В. П. Степанчук, В. И. Шведунов, 2010
неоднородность поля, приемлемой считалась величина, не превышающая 0.22%, полученная в [4]. Если принять, что полюса параллельны, то неоднородность поля в таком электромагните определяется в основном магнитным сопротивлением полюсов и рассеянием с краев [1]. Для уменьшения рассеяния и увеличения области однородного поля использованы кольцевые краевые шиммы. На первом этапе мы рассчитали подобную магнитную систему на основе постоянных магнитов, сохранив основные размеры и параметры.
1
г-
Рис. 1. Электромагнит броневого типа 1 - обмотка возбуждения магнитного поля; 2 - полюс с обратным магнитопроводом.
Размеры указаны в миллиметрах.
Для расчетов магнитной системы применялась программа POISSON 8иРЕИР18Н [6], которая позволяет также оценить величину неоднородности магнитного поля в рабочем зазоре. Геометрическая модель задачи построена в цилиндрической системе координат. Она имеет две плоскости симметрии - медианную и плоскость, проходящую через середину рабочего зазора и перпендикулярную к медианной. Данная программа вычисляет распределение полей методом конечных элементов, потому в начале расчета необходимо указать шаг сетки. Его величина уточняется при расчетах - начиная с выбранного значения, шаг нужно уменьшать до тех пор, пока распределение поля не перестанет изменяться. В рассматриваемом случае была выбрана величина шага 0.1 см.
На рис. 2 представлена конструкция магнитной системы на основе постоянного магнита. Здесь приняты следующие обозначения: а - толщина обратного магнитопровода,
Ь - половина высоты магнитной системы, с - толщина кольцевого магнита, 1 - диаметр полюса магнитной системы, г - толщина полюсного магнита, Б - диаметр магнитной системы, е - ширина кольцевого магнита, / - ширина шиммы, д - толщина шиммы,
Н - половина высоты рабочего зазора. На рис. 2 показана также намагниченность постоянных магнитов. В предлагаемой конструкции магнитной системы магнитный поток, созданный полюсным магнитом, усиливается кольцевым магнитом. Помимо усиления поля, кольцевой магнит предотвращает замыкание магнитных силовых линий с полюса на внутреннюю поверхность обратного магнитопровода. Выбор размера е менее 0.8 см ведет к сильному возрастанию неоднородности поля. Увеличение е до 1.0 см и более не приводит к значительному повышению однородности. При этом масса магнитной системы становится больше. Оптимальное значение размера е равно 1.25 см. При уменьшении величины е падает напряженность поля в рабочем зазоре и необходимо увеличение толщины полюсных магнитов (размер г). Зависимость массы магнитной
системы от ширины кольцевых магнитов представлена на рис. 3. При оптимальных параметрах системы получена неоднородность поля 5Бг, не превышающая 0.08%.
ш Ь0
Ж
/ 2 3 / ~ С л
! 7 Т У/^ЩЛ( % 1 »с>
// V.
%
в
Рис. 2. Магнитная система на постоянном магните 1 - кольцевой магнит; 2 - полюс; 3 - полюсной магнит; 4 - магнитопровод.
Рис. 3. Зависимость массы магнитной системы т (а) и неоднородности магнитного поля 5Bz(б) в рабочей области от ширины кольцевых магнитов е
Толщина полюсного магнита при этом составляет 0.55 см. Во избежание насыщения материала обратного магнитопровода при расчете контролировалась индукция поля в нем (она не должна превышать 1.2 Тл [7]). Необходимая напряженность магнитного поля в рабочем зазоре и его минимальная неоднородность достигаются варьированием параметров е, £ д и г (см. рис. 2). С помощью той же программы [6] рассчитано распределение индукции магнитного поля в электромагните микротрона [4]. Результаты приведены в таблице и представлены на рис. 4. Как из них видно, в электромагните поле возрастает к краю полюса, а в исследуемой системе медленно убывает. Такое распределение поля способствует увеличению захвата электронов в ускорение [1] и повышению эффективности микротрона.
Результаты расчетов магнитной системы
Вариант е, см /, см 9, см 6Вг, %
1 1 0.5 0.1 0.9
2 1 0.5 0.15 1
3 1 0.5 0.2 0.2
4 1 0.5 0.2 12
5 2 0.5 0.1 5
6 2 0.5 0.15 0.28
7 2 0.5 0.18 0.09
8 2 0.5 0.185 0.08
9 2 0.3 0.185 0.3
10 2 0.1 0.185 1
11 2 0.5 0.19 0.9
12 2 0.5 0.2 0.95
Электромагнит - - - 0.22
2110 2105 2100 2095 2090 2085 2080 2075 2070 2065 2060
0 2 4 6 8 10
Я, см
Рис. 4. Распределение индукции магнитного поля вдоль диаметра полюса 1 - магнитная система на постоянных магнитах; 2 - электромагнит микротрона [4].
На рис. 5, а показано двухмерное распределение поля в исследуемой системе, полученное при оптимальных значениях параметров (вариант 8, см. таблицу); на рис. 5, б распределение поля в электромагните. Главное отличие их - в том, что в электромагните поток индукции передается через полюс в радиальном направлении (на рисунке вдоль оси X). Это может привести к возникновению неоднородности поля. Для ее уменьшения необходимо понизить магнитное сопротивление полюса, что достигается увеличением толщины полюса (размера вдоль оси Z на рис. 5, б). В исследуемой системе поток в полюсе передается только в вертикальном направлении (вдоль оси Z на рис. 5, а). Это позволяет применять полюс меньшей толщины (размер вдоль оси Z), что уменьшает массу системы. Масса электромагнита микротрона [4] равна 38 кг, а неоднородность поля составляет 0.22%. Такая величина неоднородности вполне приемлема. Расчетное значение неоднородности поля в электромагните хорошо совпадает с измеренным.
Рис. 5. Двухмерная картина распределения магнитного поля а -на постоянных магнитах; б - на электромагните.
Наибольшее искажение поля как в исследуемой системе, так и в электромагните микротрона [4] происходит в краевых областях (см. рис. 4, 5). Система имеет лучшую (с точки зрения динамики электронов) форму поля у краев полюсов [1]. Ее наиболее существенный недостаток в том, что практически невозможно однородно намагнитить полюсные магниты (и кольцевые тоже) по всему объему. Таким образом, во всем объеме рабочей области будет создаваться неоднородное магнитное поле. Неоднородность намагничивания должна исправляться при наладке системы.
Из таблицы видно, что наиболее оптимальным является вариант 8, но шимма для него должна быть изготовлена с особой точностью. Варианту 4 (нулевая намагниченность кольцевого магнита) соответствует самая высокая неоднородность поля и достаточно большая масса системы, что говорит о необходимости применения кольцевого магнита. В результате расчета были получены следующие размеры магнитной системы (см. рис. 2): a =10 мм, b =35 мм, с =5 мм, d = 220 мм, D = 280 мм, e = 20 мм, f =5 мм, g = 1.85 мм, h =16 мм. При этом масса магнитной системы равна 20 кг. Расчетные данные свидетельствуют о целесообразности использования в малогабаритном микротроне магнитной системы на основе постоянных магнитов.
3. Заключение. Применение магнитной системы на постоянных магнитах позволит сократить массу в 1.9 раза и величину неоднородности поля более чем в 2 раза, по сравнению с электромагнитом. Постоянные магниты не требуют источников питания, что также улучшит массогабаритные показатели микротрона. Для проектирования макета магнитной системы микротрона на постоянных магнитах необходимо проведение более детальных расчетов.
Литература
1. Капица С. П., Мелёхин В. Н. Микротрон. М.: Наука, 1969. 210 с.
2. Shvedunov V. I., Barday R. A., Gorbachev V. P. et al. A Race-Track Microtron with High Brightness Beams // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2004. 1 October. Vol. 531, N 3. P. 346-366.
3. Shvedunov V. I., Ermakov A. N., Gribov I. V. et al. A 70 MeV Race-Track Microtron // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2005. 11 September. Vol. 550, N 1-2. P. 39-53.
4. Бондусь А. А., Горбачев В. П., Степанчук В. П. Малогабаритный микротрон трехсантиметрового диапазона для дефектоскопии // Сб. докл. 11-го Междунар. совещания по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та. 2005. С. 19-22.
5. Алексеев И. В., Балаев А. Ю., Горбачёв В. П., Степанчук В. П. Развитие микротронного направления в Саратовском университете // Проблемы современной физики. Дубна: ОИЯИ, 2000. С. 22-31.
6. Billen I. H., Young L. M. POISSON SUPERFISH Documentation, LA-UR-96-1834. Los-Alamos, 1996. 60 р.
7. Мельников Ю. А. Постоянные магниты электровакуумных СВЧ приборов. М.: Сов. радио, 1967. 184 с.
Статья рекомендована к печати проф. Д. А. Овсянниковым.
Статья принята к печати 1 апреля 2010 г.
