CC BY
25
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЖА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 87 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1957 г.
ВЫВОД ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА ИЗ КАМЕРЫ
БЕТАТРОНА
«г
Л. с. СОКОЛОВ
(Представлено научным семинаром физико-технического факультета)
В настоящей статье сообщается об экспериментальном осуществлении вывода пучка электронов с энергией 10 Мае из бетатрона. Предлагаемый метод вывода электронов из бетатрона не включает в себя наличие выводящего устройства, расположенного внутри вакуумной камеры бетатрона. Его можно рассматривать по существу, как предельный случай смещения равновесной орбиты электронов с ее исходных позиций. В известной нам-литературе этот метод не описан и осуществлен нами впервые.
Для вывода пучка электронов из "бетатрона мы применили керамическую вакуумную камеру, изготовленную на Ленинградском фарфоровое заводе им. М. В. Ломоносова по нашему чертежу (рис. 1).
В патрубок 1 помещен инжектор. Он располагается в плоскости ; 1 в('Сион орбиты на окружности, где показатель спадания хмлгнитн-мгч полк
п1. На тыльной стороне инжектора имеется вольфрамовая мишень: Вы. водное окно 2 закрыто медной фольгой толщиной 0,2 мм, которая припаяна к латунному фланцу. Б патрубки 3 и 5 помещены отдельные вольфрамовые мишени. Патрубок 4 использован для откачки вакуумной камеры.
Для удобства в проведении опытов смещающие обмотки выполнены в виде 24 катушек, по 4 витка в каждой катушке, которые прикреплены к двум тонким (толщиной 0,5 мм) текстолитовым дискам (рис. 2). Один* из дисков укладывается под вакуумной камерой, другой—над ней. Каждая пара противолежащих катушек образует смещающую обмотку, азимутальной протяженностью в,— 30 . Отдельные смещающие обмотки можно соединять последовательно в любых сочетаниях, получать различные углы и различные азимутальные положения обмотки в междуполюсном пространстве бетатрона. Имеются также обмотка (10 витков) на нейтральных вкладышах (галетах) и специальная обмотка (рис. 3), позволяющая изменять величину нарушения магнитного поля бетатрона по радиусу.
Рпс. 2. Обмотки для смещения равновесной орбиты.
Рис. 3. Специальная смещающая обмотк.
Первые эксперименты были проведены со смещающей обмоткой, тяженностью О^^Зб0, расположенной так, как показано на рис. 4. пульсный ток, протекающий по смещающей обмотке, производит своим магнитным полем ослабление управляющего магнитного поля бетатрона. Орбита электронов смещается наружу, в направлении патрубка 5 (рис. 4 и 1) до тех пор, пока электроны не освободятся из-под влияния фокусирующих сил к орбите.
Не менее, чем 1/г> часть пучка
попадает в выводное окно и через медную фольгу выходит из вакуумной камеры. Эффективность вывода получается в 2 раза выше эффективности, достигнутой Скагсом [1] при выводе электронов магнитным шунтом, и почти равна эффективности вывода электронов с помощью электрического конденсатора, достигнутой Гундом [2] без применения рассеивающей фольги.
яро-Им
Рис. 4. Общая схема вывода электрош-мучка с энергией 10Мэв из бетатрон иошшцмимые ь;аморы.
:): (.
1 I!
сг
На рис. 5 представлены фотографии пучка электронов, сделанные перпендикулярно оси пучка непосредственно у выходного окна (верхний снимок) и на расстоянии 10 см от него (нижний снимок). Горизонтальный размер пучка при выходе электронов из окна составляет 6 см и равен горизонтальному размеру выходного окна. С помощью наперстковой иони-
Рис. Г). Фотографии пучка.
зационнои камеры типа „Пион" мы измерили распределение ионизации по горизонтальному сечению пучка. Это распределение показано на рис. 5 лад фотографией пучка. В таблице приведены численные значения интенсивности ионизации.
Таблица
' {М
19
\т
20,ъ поо
22 920
б Ю
25 400
'Плотность электронов распределена но горизонтальному сечению ,учка неравномерно- Имеет место максимум плотности электронов.
На расстоянии 10 см от окна сечение пучка значительно больше. По равноншо с размерами пучка непосредственно у окна камеры радиальный размер пучка на расстоянии 10 см от окна увеличивается в 1,5 раза, 1 высота пучка—в о раз. Увеличение размеров пучка обусловлено рассеянием электронов при прохождении их через медную фольгу и в воздухе..
Для определения траектории освобожденного пучка внутри вакуумной камеры был поставлен следующий опыт. Ионизационная камера объемом 200 см* устанавливается в том месте, где производится максимальная ионизация (точка! на рис. 4). Вольфрамовая мишень, установленная в патрубке 3 (рис. 1). вдвигается постепенно внутрь вакуумной камеры. Для каждого .положения мишени отмечается излучение, регистрируемое камерой 200см* фис, Щ. При вдвижении мишени внутрь вакуумной камеры излучение
сначала не меняется. Это значит, что электроны выходят из вакуумной камеры, не задевая мишень. Затем интенсивность несколько увеличивается (на 5%). Увеличение интенсивности обусловлено тем, что часть электронов рассеивается на краю мишени. Угол выхода их наружу увеличивается. Наконец, наступает резкое уменьшение интенсивности излучения. Мишень перехватывает выходящий электронный пучок. Интервал перемещения ми- 7/ шени; соответствующий полному ' преграждению выхода электронов мишенью, можно принять равным радиальному размеру пучка на азимуте мишени.
Теперь мы можем представить себе общую схему вывода (рис. 4), откуда нетрудно определить средний угол срср выхода пучка наружу и угол ф расходимости пучка внутри вакуумной камеры, если расстояние по оси пучка от мишени 3 (рис. 1) до фольги окна 2 (рис. 1) составляет 32 см
Расхождение пучка в воздухе составляет приблизительно 17 по
горизонтали. рис ^ Изменение интенсивности ионизации
Величина тока ускоренных элек- в точке 1 (рис. 4) при изменении радиальной тронов, измеренная цилиндром Фа- координаты мишени 3 (рис. 1)
радея на расстоянии 3 см от выводного окна, равна 2* 10~10 а. Эффективность вывода составляет не менее 22%.
В соответствии с полученными результатами целесообразно ввести понятие о наружных и внутренних потерях электронов, при этом электроны, составляющие внутреннюю часть выходящего пучка и не попавшие в выводное окно из-за столкновения со стенками вакуумной камеры, определяют внутренние потери, а электроны, теряющиеся снаружи от оси выходящего пучка, определяют наружные потери. Относительную величину наружных потерь мы измеряли с помощью ионизационной камеры 2 (рис. 4).
Работы по повышению эффективности вывода целесообразно начать с изучения воздействий на процессы смещения орбиты и освобождения электронов из-под влияния фокусирующих сил при изменениях размеров, формы и положения смещающей обмотки. Выясним значение составляющих вынужденного движения электронов под действием неоднородности в управляющем магнитном поле бетатрона. Относительная величина ет составляющих вынужденного движения зависит от порядка гармоники т и азимутальной протяженности неоднородности в управляющем магнитном поле бетатрона.
В линейном приближении [3]
3__
«Л —---У
2 (я — ])
to
При изменении в, изменяются е0 и гт в соответствии с формулами (I).
Например, когда первая гармоника имеет максимальную вели-
чину. а вторая гармоника отсутствует. Когда Н? — , вторая гар-
моника имеет максимальные положительное или отрицательное значения, а первая гармоника значительно меньше своего максимального значения (при 6| ^ тс) И Т. д.
Возникает вопрос, как будет изменяться эффективность вывода электронов из камеры ускорителя при изменении азимутальной протяженности обмотки в,?
Опыт проведен следующим образом.
Смещающая обмотка и ионизационная камера I, регистрирующая интенсивность выходящего из вакуумной камеры пучка ускоренных электронов, были установлены гак, как показано на рис. 4.
Не меняя азимутального поло-•'з жения средины смещающей обмот-
ки, мы изменяли азимутальную протяженность обмотки в^ Всего было испытано 5 обмоток: 90, 150, 210, 270, 330°. Для каждой обмотки измеряли интенсивность выходящего из камеры электронного пучка. Результатом опыта является график рис. 7, из которого следует, что изменение азимутальной протяженности смещающей обмотки в пределах 90—270° и соответствующее изменение относительной величины составляющих вынужденного движения не приводит к изменению эффективности вывода. При И, —270° выход электронов прекращается, поскольку первая гармоника вынужденных колебаний сильно уменьшается и смещение
4
О L
г 1 1
1 1 Д
\
j \
1 ! 1 \ 9
О
90
150
зго в;
7. Влияние азимутальной протяженности смещающей обмотки в, на эффективность вывода (J).
(ты становится симметричным.
11ри изменении И. остаются также неизменными средний угол ъСр выхода электронного пучка наружу и угол Ъ расходимости пучка внутри вакуумной камеры.
Эксперимент показывает, что перед освобождением электронов из-под влияния фокусирующих сил возникает такой режим вынужденных колебаний, который не зависит от азимутальной протяженности смещающей обмотки. Отсюда слеаует, что какие-бы комбинации смещающих обмоток мы ни создавали, лишь бы относительная величина в, первой гармоники вынужденных колебаний не получалась меньше некоторой критической величины, эффективность вывода электронов из ускорителя изменить не удается.
Азимутальную протяженность смещающей обмотки можно принять такой, при которой требуется минимальная реактивная энергия для пол-нош удаления ускоренных электронов из рабочей зоны бетатрона [4].
Обратимся снова к рис. 4. Возьмем в! — 90° и будем считать, что средина смещающей обм -тки находится на азимуте, равном нулю.
Как будет изменяться эффективность вывода ускоренных электронов уул вакуумной камеры, если ту же самую смещающую обмотку помещать : различных азимутальных положениях относительно выводного окна?
-------- с
/
- 90
+ 30 +
Рис. 8. Влияние азимутального расположения смещающей обмотки относительно выводного окна на эффективность вывода
Ответ на этот вопрос дает график рис. 8, который представляет собой зависимость интенсивности выходящего из камеры электронного пучка от азимутального положения средины смещающей обмотки протяженностью 90°. Из рис. 8 видно, что для получения максимальной эффективности вывода надо подобрать оптимальное положение смещающей обмотки отно- у сительно выводного окна камеры.
Рассмотрим ряд опытов с изменением формы смещающей обмотки.
При последовательном соединении обмоток 1, 2 и 3 (рис. 3) получаем секторную обмотку. При соединении обмоток 2 и 3 (с отключением обмотки 1) получаем заорбитную обмотку, а соединяя обмотки 1 и 2 (с отключением обмотки 3),—внутри-орбитную смещающую обмотку. Обмотки секторная и заорбитная действуют одинаково, а секторная обмотка нами уже рассмотрена. Исследуем внутриорбитную обмотку в процессе ее превращения в секторную.
Процесс превращения одной обмотки в другую можно представить себе следующим образам. Пусть обмотки 1 и 2 соединены последовательно и образуют внутриорбитную смещающую обмотку. При действии такой обмотки интенсивность выходящего из камеры электронного пучка составляет примерно 2/3 интенсивности, получаемой с использованием секторной смещающей обмотки. Подключим обмотку 3 к дополнительной импульсной схеме, которая действует синхронно с основной схемой смещения и выдает импульс тока с регулируемой амплитудой и длительностью, раиной длительности основного смещающего
импульса. Постепенно увеличивая амплитуду дополнительного импульса тока (в обмотке 3), можно в некоторый момент времени осуществить действие на электроны, эквивалентное действию секторной обмотки.
Интересно проследить изменение эффективности вывода электронов из камеры при изменении амплитуды тока в обмотке 3 (кривая 1 на рис. 9). Зависимость 1 имеет сложный характер и не поддается полному объяснению. Сравним ее с зависимостью 4 (рис. 9), которая характеризует изменение эффективности вывода электронов при изменении амплитуды смещающего тока в секторной обмотке. Изменением формы обмотки, приводящим к изменению величины нарушающего
/г г
Рис. 9. Изменение эффективности вывода электронов из камеры (/) в зависимости от изменения амплитуды тока (/) 1 - в обмотке 3 (рис. 3), 2 — в центральной обмотке, 3- изменение наружных потерь электронов, 4 — в обмотках 1, 2 и 3.
магнитного поля по радиусу, можно добиться увеличения эффективности вывода электронов из камеры в 1,15 раза. Такое повышение эффективности
вывода нельзя считать приемлемым, поэтому необходимо искать новые способы воздействия на процесс освобождения электронов из-под влияни е фокусирующих сил.
Смещающую обмотку можно выполнять в виде обычной секторной обмотки с радиальным размером, равным радиальному размеру междуполюсного пространства бетатрона.
Известно, что действие смещающей обмотки, расположенной на центральных вкладышах („галетах44)*) приводит не только к увеличению радиуса равновесной орбиты, но и к одновременному уменьшению радиус.;! окружности освобождения (наружной неустойчивой орбиты). Применением такой обмотки совместно с секторной смещающей обмоткой можно добиться ограничения колебаний и одновременного перемещения точки освобождения электронов внутрь вакуумной камеры.
Совместное синхронное действие двух смещающих обмоток на электронный пучок было нами осуществлено. Применение двух смещающие обмоток, питаемых от отдельных импульсных схем, привело к очень хорошим результатам.
На рис. 9 зависимость 2 характеризует изменение эффективности вывода электронов из камеры при изменении амплитуды тока в центральной обмотке. При этом в секторной обмотке протекает ток с неизменной амплитудой. По сравнению с величиной эффективности вывода, достигнутой при использовании одной секторной обмотки, эффективность вывода при совместном использовании секторной и центральной смещающих обмоток увеличивается в 1,5 раза.
Практически увеличение эффективности вывода обусловлено главным образом уменьшением наружных потерь, изменение которых при увеличении тока в центральной обмотке характеризует зависимость 3 (рис. 9).
Опыты, описанные выше, были проведены при скоростях смещения равновесной орбиты (1-^-3 мм¡мксен). Чтобы повысить скорость смещения орбиты, надо увеличивать скорость нарастания смещающего магнитного поля во времени.
С технической стороны задача по увеличению скорости смещения орбиты встречает ряд трудностей. Эта задача была решена в Томском политехническом институте студентом-дипломником Бизенковым под руководством кандидата технических наук В. М. Разина. Скорость смещения орбиты удалось довести до 30 мм'мксек.
Увеличение скорости смещения орбиты электронов от 2 до 30 мм/мксек приводит к увеличению эффективности вывода ускоренных электронов и; вакуумной камеры в 2 раза за счет уменьшения внутренних потерь электронов.
Применяя синхронное действие секторной и центральной обмоток в том случае, когда под действием секторной обмотки орбита смещается со скоростью 30 мм'мксек, мы все равно получаем увеличение эффективности вывода еще в 1,5 раза.
В итоге мы добились повышения эффективности вывода до 75%.
Максимальная величина тока ускоренных электронов, измерении;: цилиндром Фарадея на расстоянии 3 см от выводного окна, равна 6"Ю 10 о.
Форма поперечного сечения пучка остается без изменения. Она показана на рис. 5.
Из всех известных нам методов вывода пучка заряженных частиц из циклических ускорителей, предлагаемый метод наиболее эффективен и наиболее прост. Его недостатком является неудовлетвсрительная фокусировка выходящего пучка частиц.
*) В дальнейшем мы будем называть центральной обмоткой.
ЛИТЕРАТУРА
!. L. S. Skaggs, G. M. Ahny, D. W. Kerst, L. H. Lanzl. Radiology, 50, 167-: 173, 1948,
2. K. Gund, W. Paul, Nucleonics, 7, 36-И6, 1950.
3. F. K. Goward, Proc. Phys. Soc, 61B, 284, 1948.
4. F. K. Goward, J. Dain, Nature, 159, 636, 1947.
