Научная статья на тему 'Малогабаритные бетатроны с азимутальной вариацией управляющего магнитного поля'

Малогабаритные бетатроны с азимутальной вариацией управляющего магнитного поля Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
51
4
Поделиться

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Чахлов В. Л., Звонцов А. А.

Малогабаритные бетатроны с азимутальной вариацией управляющего магнитного поля выпускаются в НИИ интроскопии ТПУ уже около 20 лет. В обзоре обсуждается состояние и перспективы дальнейших исследований, направленных на повышение технико-экономических показателей бетатронов

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Чахлов В. Л., Звонцов А. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Малогабаритные бетатроны с азимутальной вариацией управляющего магнитного поля»

10

В. Л. Чахлое, А. А. Звонцов

До открытия специальности 190200, в соответствии с приказом Минвуза СССР № 614 от 2 июня 1978 г. был организован факультет по переподготовке кадров для нового перспективного направления науки и техники "Неразрушающие физические методы контроля" на базе НИИ интроскопии. За время 1978-1996 гг. было подготовлено 225 специалистов по неразрушающему контролю.

В 1991 г. на основе НИИ интроскопии и кафедры ФМПКК открыт аттестационный региональный центр специалистов по неразрушающему контролю. В соответствии с лицензией Госгортехнадзо-ра России № 12К-2001/4798 от 28.08.96 г. центру предоставлено право осуществлять деятельность по обучению и аттестации специалистов НК первого и второго уровней квалификации по радиационному, магнитному, вихретоковому и капиллярному методам контроля.

Институт выполняет работы по экспедиционному (наземному) обследованию технического состояния промысловых и магистральных трубопроводов в соответствии с требованиями РД-39-132-94. Измерения проводятся аттестованными приборами и по утвержденным методикам.

На базе кафедры оборудования и технологии сварочного производства в НИИ интроскопии работает центр по подготовке и аттестации специалистов сварочного производства (рабочих).

В заключение можно сделать следующие выводы. НИИ интроскопии ТПУ на данном этапе является достаточно стабильной организацией и имеет положительную динамику развития как в экономическом, так и в научно-техническом аспектах. У него есть все возможности для дальнейшего роста, а именно: научный задел, кадровый потенциал, производственные мощности, материальные и финансовые ресурсы. Все это позволяет ему играть важную роль в едином научно-образовательном комплексе Томского политехнического университета.

УДК 621.384.6

В. Л. ЧАХЛОВ, А. А. ЗВОНЦОВ

МАЛОГАБАРИТНЫЕ БЕТАТРОНЫ С АЗИМУТАЛЬНОЙ ВАРИАЦИЕЙ УПРАВЛЯЮЩЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Малогабаритные бетатроны с азимутальной вариацией управляющего магнитного поля выпускаются в НИИ интроскопии ТПУ уже около 20 лет. В обзоре обсуждается состояние и перспективы дальнейших исследований, направленных на повышение технико-экономических показателей бетатронов.

В выпускаемых в настоящее время малогабаритных бетатронах применяется два вида управляющих магнитных полей: азимутально-однородное (классическое) и азимутально-периодическое, которое часто называют полем с азимутальной вариацией. Возможности бетатронов с классическим управляющим полем достаточно хорошо исследованы.

Рассмотрим особенности бетатронного режима ускорения с применением для целей фокусировки управляющих магнитных полей с азимутальной вариацией, которые наиболее просто реализуются в бетатронах [1-4]. Такие поля давно применяются в изохронных циклотронах [5]. Фокусирующие свойства полей изохронных циклотронов достаточно хорошо исследованы [5-9]. Взяв за основу эти исследования, рассмотрим особенности фокусировки частиц таким полем в бетатронах.

Основные отличия бетатронного режима ускорения от циклотронного заключаются в том, что в процессе ускорения в поле с азимутальной вариацией должно быть обеспечено стабильное положение равновесной орбиты со средним по азимуту радиусом К (/г=со1Ш). Считая в некоторый момент времени магнитное поле постоянным, его периодическое изменение по азимуту можно для средней плоскости зазора записать в виде ряда Фурье [6]:

#.(г,е)=яГ(г)|1+£д

где N - число элементов периодичности; к - номер высшей гармоники; Ат, флч, - амплитуда и фаза Ык- й гармоники поля. АЫк обычно измеряется в единицах Я, (г); Я. (г) - усредненное по азимуту 0 поле на некотором радиусе /\

Параметры поля (1) могут быть вычислены по данным магнитных измерений распределения поля Я-(г,9) с использованием стандартной программы разложения функций в ряд Фурье.

(/•)cosyv/i[e-cpM. (/■)],

Малогабаритные бетатроны с азимутальной вариацией управляющего магнитного поля

Между импульсом частицы р - тр и усредненным по в радиусом Я орбиты существует соотношение такое же, как и в азимутально-однородном поле :

Л-т£'с/(е#7(д)). (2)

Но при наличии азимутальной вариации равновесная орбита отличается от окружности радиуса Л на величину [5,6]:

аКНаъ+а\)К- (3)

Положение равновесной орбиты ищется методом итераций, поэтому приведем только приближенные значения для а0 и а, [6]:

ч «-Х

к=\

(Ат )г 3(Мс)2'2 ,

4[(Мс)2-1]2 2\{Ык)2-А-т- ,г./„ \ АЛ

(4)

, , МН

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

где а2= 1 - и; п

ах „ X ; № С08 Мс(е - фд,;.) ~ -Ц^со^т - Фд,), к=\(ык) -о N

- показатель среднего поля; А'Ык =

Н(к)с1г

Таким образом, равновесная орбита кроме периодической составляющей я, имеет постоянную составляющую ай со знаком "минус". Знак "минус" говорит о том, что радиус равновесной орбиты в периодическом поле сокращается по сравнению с радиусом орбиты в однородном поле при равных значениях Я, компоненты поля. Это сокращение зависит от амплитуды гармоник, показателя спадания среднего поля и их производных. Сокращение радиуса увеличивается при снижении числа элементов периодичности поля N. Характер равновесной траектории, определяемый аь совпадает с законом (1) вариации магнитного поля. В малогабаритных установках а0 и а, при N>3 составляет по данным расчетов доли миллиметра, так что бетатронное соотношение (2:1), рассчитанное для среднего поля Н. (г), практически мало меняется.

Колебания частиц относительно замкнутой орбиты в линейном приближении описывается уравнениями Хилла [5,6]. Частоты бетатронных колебаний V,. и V-, которые характеризуют фокусирующие свойства поля, можно записать следующим образом:

у2г = 1-п + А\г,

(5)

у^Л + О^К^+АУ..,

/с=1

где А\г - добавка частоты радиальных колебаний за счет вариации магнитного поля, производных от амплитуд гармоник и показателя спадания среднего поля по радиусу, а также за счет спиральности поля; Ду. - добавка частоты вертикальных колебаний за счет "спиральности" поля, а также учитывающая изменение по радиусу амплитуд гармоник поля и показателя,спадания среднего поля и; Ауп Ау: - из-за их громоздкости не приводятся.

Из выражения (5) следует, что азимутальная вариация управляющего поля в бетатронах расширяет область устойчивого движения пучка. Прежде всего в бетатронах с азимутально-периодическим управляющим полем можно применять поле с показателем спадания и близким к нулю. Кроме того, на радиусах, близких к наружному краю полюса, т.е. там где п ~ 1, азимутальная вариация обеспечивает дополнительную фокусировку. Вследствие этого граница области устойчивого движения пучка расширяется за указанную точку, возможно и за пределы полюса. Это объясняется тем, что азимутальная вариация наблюдается и в полях рассеяния. Вариация в полях рассеяния обеспечивается "гребневой" конструкцией полюсов [1-4].

Спиральная структура поля с вариацией вызывает большую добавку радиально-фокусирующих сил и, как следствие этого, большее расширение области устойчивости в радиальном направлении. Для оценочных расчетов можно воспользоваться приближенным выражением

ы2

гдеГ| -угол "спиральности" поля.

12

В. 11. Чахло«, А. А. Звонцов

В настоящее время этот эффект в ускорительной технике практически не используется. Использование его в бетатронах может привести к сокращению наружного радиуса полюсов.

Повышенные фокусирующие свойства поля обеспечивают соответствующую плотность ускоряемого пучка и влияют на "захват" частиц в режим ускорения, процесс смещения частиц на мишень и вывод ускоренных частиц за пределы излучателя. В оценке этих процессов важное значение имеет коэффициент уплотнения равновесных орбит а, который позволяет оценить относительное изменение длины орбиты при изменении импульса частицы р. Для азимутально-периодических магнитных полей а определяется следующим образом [7]:

а~1/уг2. (7)

Фактически а определяет набор частиц с определенным энергетическим разбросом, которые могут "пойти" в режим ускорения, либо шаг орбиты в процессе "смещения" частиц на мишень.

Для поля с азимутальной вариацией и с учетом только основной гармоники коэффициент уплотнения орбит равен [8,9]

где £д, • с - Г(1Нн ■ л - '

Н- Н: с1г Н:с1г2

Согласно (8), влияние вариации поля на коэффициент а особенно сильно вблизи границы области устойчивости в радиальном направлении, т.е. при. л—»1. Так, если в азимутально-однородном поле при л—й а-*», что соответствует веерообразному рассыпанию ускоряемых частиц при их смещении к этой точке, то в поле с вариацией в точке, где п-1, имеем

а « -. (9)

5 +£д,£/

Подробные исследования, проведенные для изохронных циклотронов, показывают, что градиент вариации вызывает сжатие орбит, а вторая производная - расширение [8,9]. Этими эффектами можно пользоваться для организации эффективного смещения (вывода) ускоренных частиц и в бетатронах. Так, шаг орбиты в процессе смещения частиц на мишень определяется следующим образом:

дг = аг^к, (10)

Е

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

где А1¥оБ - прирост энергии за оборот; г - мгновенный равновесный радиус.

Согласно (8), (9), (10), шаг орбиты увеличивается по мере ее приближения к границе области устойчивости, но в точке, где л=1, Аг имеет конечное значение, определяемое величиной а.

Считая радиус равновесной орбиты неизменным во времени, из (10) и (7) получаем величину энергетического разброса для частиц, которые можно "захватить" в режим ускорения:

AE = EvrЦAR/R). (11)

В данном случае АЯ - ширина области устойчивого движения частиц, охватываемая ускорительной камерой.

Следует заметить, что в периодическом поле размеры пучка зависят от азимута, причем по мере приближения "рабочей точки" к радиальной границе области устойчивого движения, огибающая пучка искажается все больше [7]. При этом поперечные размеры пучка будут резче зависеть от азимута. Это обстоятельство может влиять на эффективность "захвата" частиц в режим ускорения, связанное с положением инжектора в рабочем пространстве, и на этап формирования устойчивого движения пучка, т.е. в конечном итоге на мощность дозы излучения.

Азимутальная вариация управляющего поля приводит к изменению конструкции полюсов и маг-нитопровода. В настоящее время большое распространение получили шестигребневые полюса с шестью или тремя стойками. Шестистоечный магнитопровод применяется в бетатроне МИБ-4 [10] и в бетатроне МИБ-6Э. В разработанном в последнее время бетатроне МИБ-10 применяется трехстоечный магнитопровод с шестьюгребневым полюсом [4]. Применение трехстоечного магнитопровода позволило увеличить азимутальную протяженность выводного окна более чем в 1,5 раза и увеличить сечение вентиляционных окон для обдува намагничивающей катушки. В малогабаритных бетатронах на энергию 2-3 МэВ применялись четырехгребневые полюса с четырехстоечным [11] или Ш-образным [12] магнитопроводом. Основное преимущество электромагнитов с вариацией поля заключается в том, что

Oójop исследований ч области теплового неразрушающего контроля

13

промежутки между гребнями позволяют разместить инжектор над средней плоскостью рабочего зазора. При такой установке инжектора существенно снижаются потери частиц от соударения с ним в процессе их вывода за пределы ускорителя. Кроме того, массу ферромагнитного материала магнитопро-вода можно снизить на 20% за счет его более равномерной загрузки.

Таким образом, для повышения технико-экономических характеристик малогабаритных бетатронов необходимо :

1) разработать методы повышения фокусирующих свойств азимутально-периодических полей в условиях ограниченных габаритов установок;

2) более подробно исследовать процесс инжекции и "захвата" частиц в режим ускорения, а также процесс смещения частиц на мишень или вывода их за пределы ускорителя;

3) разработать конструкции электромагнита, позволяющие формировать периодические поля с повышенными фокусирующими свойствами.

Одним из способов повышения фокусирующих свойств управляющего поля может быть дополнительная модуляция поля по азимуту

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. A.c. 360008 СССР МКИ Н 05 Н 11/00. Электромагнит бетатрона / В.Л.Чах лов, А.А.Звонцов, А.А.Филимонов. - Опубл. в Б.И., 1984, № 6, с.216.

2. Звонцов A.A., Чахлов В.Л., Филимонов A.A. Бетатрон с азимутальной вариацией управляющего поля // Известия ТПИ. - 1974. - Т.279. - С.32.

3. Звонцов A.A., Чахлов В.Л., Филимонов A.A. Электромагнит бетатрона с азимутальной вариацией управляющего поля // ПТЭ. - 1975. - № 2. - С.40-42.

4. Патент России N1568877 МКИ Н 05 Н 11/00. Магнитопровод бетатрона / A.A. Звонцов, В.П.Казьмин,

A.A. Филимонов,- Опубл. в Б.И., 1993, № 47-48, с. 191-192.

5. Джелепов В.П., Дмитриевский В.П., За молодчиков Б.И., Кольга ВВ. Сильноточные ускорители частиц высоких энергий - "фабрики мезонов" // УФН. - 1965. - Т.85. - Вып.4. - C.65I.

6. Басаргин Ю.Г., Белов В.П. Некоторые вопросы динамики движения частиц в циклотроне с пространственной вариацией магнитного поля // Сб.: Электрофизическая аппаратура. - 1965. - № 3. - С.3-23.

7. Коломенский A.A., Лебедев А . Н . Теория циклических ускорителей. - М : ГИФМЛ, 1962. - 352 с.

8. Дмитриевский В.П., Кольга В.В., Полу Мордвинова Н . И . Высокоэффективный вывод пучка для кольцевого циклотрона высокой интенсивности. Дубна, 1981 / Препринт ОИЯИ Д 9-81-280.

9. Борисов О.Н., Заплатим Н.П.идр. О возможности использования краевого магнитного поля секторного циклотрона для вывода частиц //Труды XI Всес. сов. по ускор. заряж. частиц. Дубна, 1989. - Т.П. — С. 196—199.

10. Модернизированный малогабаритный бетатрон типа МИБ-4 для дефектоскопии / Г.И.Буров, В.П.Зворыгин,

B.C. Логинов и др. //Докл. IV Всес. сов. по применению ускор. заряж. частиц в народ, хоз. Ленинград, 28-30 сентября 1982. - Л : НИИ ЭФА, 1982. -T.I. - С.23.

П. Чахлов В.Л., Пушин B.C., Буров Г.И.и др. Малогабаритный бетатрон с четырьмя элементами периодичности управляющего магнитного поля // ПТЭ. - 1986. - № 4. - С.23. 12. Звонцов A.A., Зрелов Ю.Д., Касьянов В . А . и др. Малогабаритный импульсный бетатрон на 2,5 МэВ // Ускорители-92: Тез. докл. 7-го совещания по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве. - М.: ЦНИИ атоминформ., 1992. - С. 105-106.

УДК 620.179.13

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В. П. ВАВИЛОВ, А. И. ИВАНОВ. В. В. ШИРЯЕВ, В. А. ПУШНЫХ, Д. Г. КУРТЕНКОВ, К. Д. ТРОФИМОВ, И. А. АНОШКИН, О. Г. СЛЕСАРЕНКО

ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ТЕПЛОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ В

ТОМСКОМ НИИ ИНТРОСКОПИИ

В статье выполнен обзор исследований Томского НИИ интроскопии в области разработки алгоритмического и программного обеспечения теплового неразрушающего контроля, создания тепловых дефектоскопов и практических инфракрасных съемок в целях технической диагностики.

Введение

В начале 70-х гг. в бывшем СССР Н.А.Бекешко, Ю.А.Попов, А.Е.Карпельсон, А.Б.Упадышев из Московского НИИ интроскопии начали работы в области активного теплового неразрушающего контроля (HPK). Одновременно, усилиями М.М.Мирошникова (ГОИ им. С.И.Вавилова, Ленинград) и А.Г.Жукова (НПО "Исток", Фрязино) были созданы образцы отечественных тепловизоров, которые