CC BY
20
ИЗВ ЕСТ ИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том «7 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1957 г.
БЕТАТРОН БЕЗ ЖЕЛЕЗНОГО ЯРМА И ПОЛЮСОВ
Г. И. ДИМОВ и Д. А. носков • Представлено научным семинаром физико-технического факультета)
Отказ от громоздкого железного электромагнита является одним из путей создания малогабаритного подвижного бетатрона. С отказом от железного электромагнита открывается возможность получения больших ¡¡апряженностей магнитного поля, не ограниченных насыщением железа, и, следовательно, возможность создания ускорителя с небольшими радиальными размерами. Кроме этого, магнитное поле, создаваемое электромагнитом без железа, имеет хорошую фазовую структуру и большую статическую однородность, что также является большим достоинством электромагнита такого типа.
Эти заманчивые возможности и привлекли внимание исследователей различных стран. В Советском Союзе, Швеции и Англии делали попытки построить и запустить бетатрон с полным отсутствием железа.
В результате этих работ доказано, что электромагниты такого типа обладают двумя крупными недостатками. Во-первых, для создания магнитного поля с помощью таких электромагнитов затрачивается в десятки раз больше реактивной энергии по сравнению с электромагнитами с железом, т. е. они требуют громоздкой схемы питания; во-вторых, для создания больших напряженностей магнитного поля требуется большая плотность тока в катушках, вследствие чего возможна только импульсная работа.
Для уменьшения потребляемой бетатроном мощности, сокращения плотности тока в катушках и упрощения конструкции электромагнита целесообразно делать электромагниты с центральными железными сердечниками. Введение железных сердечников в сотни раз сокращает энергию, идущую на создание ускоряющего потока, которая составляет большую часть всей энергии, потребляемой бетатроном без железа. Габариты и вес электромагнита бетатрона такого типа, как и с полным отсутствием железа, получаются незначительными. Однако здесь сокращение габаритов электромагнита уже ограничено насыщением сердечников. Уменьшение габаритов и веса достигается только за счет отсутствия железных полюсов и магнитопровода.
Бетатрон с электромагнитом такого типа (с железными сердечниками) был сконструирован в 1949 г. в Голландии в Эйнговенской лаборатории на энергию 8 Мэв [1]. Электромагнит бетатрона состоит из двух катушек с двумя железными сердечниками. Его вес почти в 7 раз меньше веса соответствующего по энергии бетатрона с железом. Однако затраты энергии на создание магнитного поля в этом бетатроне все еще очень велики, велика и плотность тока в катушках.
Данных о расчете, запуске и особенностях работы таких бетатронов не опубликовано. Поэтому в лаборатории Томского политехнического института была поставлена работа с целью изучения электромагнита с железными сердечниками и нахождения наиболее рациональной его конструкции, а также с целью изучения особенностей работы безжеле бетатронов.
а.
Авторами был рассчитан, сконструирован и построен бетатрон железного ярма и полюсов па энергию до 10 Мэв с радиусом равновесно;: орбиты 9/> см. Бетатрон состоит из электромагнита, создающего магнитное поле необходимой для ускорения электронов конфигурации, вакуумной камеры, схемы питания электромагнита, схем инжекции и сброса электронов и других вспомогательных схем.
Электромагнит бетатрона состоит из двух коаксиальных катушек прямоугольного сечения с двумя центральными сердечниками (рис. 1). Каждая катушка имеет по 34 витка сечением 56 мм1 (шесть параллельных ветвей). Центральные сердечники набраны из радиальных пластин и кре-
иятся б центре катушек в гетинаксовой трубе посредством винта, с помощью которого можно плавно регулировать зазор между сердечниками. Магнитное управляющее поле необходимой конфигурации создается между катушками, где и помещается стеклянная ускорительная камера с сечением 7 сму^Ь см.
Достоинством данной конструкции электромагнита является простота изготовления, удобство в обращении и возможность легко изменять некоторые параметры и характеристики магнитного поля. Радиус равновесной орбиты легко меняется с изменением зазора между центральными сердечниками и с изменением расстояния между катушками, при этом показатель спадания напряженности магнитного поля „я" изменяется незначительно. Изменение длины сердечников влечет за собой как изменение радиуса равновесной орбиты, так и изменение показателя Яяц (при этом характер зависимости показателя „я" от радиуса изменяется незначительно).
Хотя бетатрон, изготовленный в Томском политехническом институте имеет мощность питания в шесть раз меньше, чем голландский бетатрон, но эта мощность остается значительно большей, чем у бетатрона с железным мягнитопроводом на соответствующую энергию.
Электрическая схема питания состоит из выпрямителя на газотроне, через который заряжается конденсаторная батарея емкостью 90 мкф9 разряжающаяся через игнитрон на катушки электромагнита. Напряжение на конденсаторной батарее 8500 в, амплитуда тока через катушки электромагнита 2400 а, длительность импульсов тока 0,001 сек, частота повторения 2 импульса в секунду.
Отсутствие мощного коммутирующего прибора не позволило запустить бетатрон на расчетную энергию. Используя игнитрон И-100/ 100М и применяя гашение обратного напряжения, мы запустили бетатрон на энергию около 2,5 Мэв (пониженный режим: напряжение 2000 в при токе около 600 а, частота повторения около 20 импульсов в секунду).
Для работы в импульсном режиме была применена упрощенная схема инжекции, состоящая из емкости, переменного сопротивления и импульсного трансформатора, соединенных последовательно и подключенных параллельно катушкам электромагнита.
Характеристики магнитного поля бетатрона без железною ярма и полюсов несколько отличаются от характеристик поля, создаваемого в междуполюсном пространстве обычного бетатрона. Например, при отклонении от центральной плоскости величина „я" в безжелезном варианте уменьшается, а в обычном—почти не изменяется. Фазовая и статическая неоднородности магнитного поля значительно меньше, чем у бетатронов с железным магнитопроводом.
В процессе исследования особенностей работы бетатрона безжелезного ярма и полюсов установлены некоторые зависимости, имеющие значение для бетатронов любых конструкций.
Так, например, установлено, что внутри ускорительной камеры существует диапазон значений радиуса равновесной орбиты, в границах которого его изменение не влияет на интенсивность излучения. Показано, что с помощью потенциальной функции можно предварительно установить оптимальный радиус равновесной орбиты. Экспериментальный оптимум отличается от теоретического на 3 мм.
При исследованиях зависимости интенсивности излучения от конфигурации магнитного поля показано, что более наглядной характеристикой фокусирующих свойств этого поля является потенциальная функция его фокусирующих сил. При изменении показателя яп" на орбите от 0,5 до 0,72 высота потенциального барьера фокусирующих магнитных сил практически остается неизменной, не изменяется при этом и интенсивность излучения. При значениях „я" на орбите 0,25 и 0,36 высота потенциального
барьера значительно уменьшается, интенсивное^ь излучения в этих случаях также резко падает.
В процессе опытов установлено, что изменение положения электронной пушки в пределах 5—7 мм незначительно влияет на интенсивность излучения.
Исследования зависимости интенсивности излучения от длительности импульса при прочих равных условиях показали, что для данной конструкции бетатрона и данных схем интенсивность излучения изменяется незначительно при приведенных частотах импульса от 350 и 750 гц и значительно уменьшается при частоте 1000 гц и выше. Распространяя наши выводы на бетатроны с питанием переменным током, можно сказать, что каждая отдельная конструкция имеет диапазон частот, в пределах которого интенсивность излучения пропорциональна частоте. Вне границ этого диапазона пропорциональность нарушается.
Кроме бетатрона с двумя катушками, в лаборатории Томского политехнического института разработана ^олее экономичная конструкция электромагнита бетатрона безжелезного ярма и полюсов (разработка Димова Г. И., Ананьева Л. М., Хорошилова С. В.).
Особенность этой конструкции электромагнита бетатрона заключается в tum, что управляющее поле создается системой из пяти катушек (рис. 2). Введение средних катушек позволяет отказаться от значительного центрального зазора в сердечнике, приводит к более благоприятной конфигурации управляющего поля и увеличивает в аксиальном направлении область магнитного управляющего поля. Введение внутренней катушки с обратно направленным потоком позволяет увеличить длину сердечника и сократить расход реактивной энергии, что дает возможность увеличить частоту повторения до 50 импульсов в секунду.. Применение этой катушки
имеет и отрицательную сторону: увеличивается радиальный размер электромагнита.
Бетатрон на 5 Мэв с электромагнитом этого типа имеет радиус равновесной орбиты 10 см (сердечники из трансформаторной стали Э42). Вес электромагнита 60 кг.
Данная конструкция по мощности питания уже не уступает бетатрону с железным магнитопроводом при питании последнего током промышленной частоты. Электромагнит бетатрона на 5 Мэв потребляет ток 60 и при напряжении 3000 б и длительности импульсов 0,002 сек.
Однако и эта конструкция электромагнита не является совершенной. Уменьшая длительность импульсов и применяя сталь для сердечников с более высокой магнитной индукцией, можно сконструировать бетатрон такого типа на энергию до 10 Мэв с более высокими технико-экономическими показателями, не уступающий по средней интенсивности бетатрону с железным ярмом, работающему на промышленной частоте.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bleman und Oele, Phil. Tech. Pund. № 3., 1949.
