ČESKOSLOVENSKA SOCIALISTICKÁ REPUBLIKA ( 1S ) POPIS VYNÁLEZU K AUTORSKÉMU OSVĚDČENÍ 262470 (И) (Bl) (22) přihláženo 25 04 87 (21) PV 2926-87.V (SI) Int Cl* G 21 G 4/08 ÚFTAD PRO VYNÁLEZY A OBJEVY (40) zveřejněno 16 08 88 (45) Vydáno 14 07 89 (75) Autor vynálezu PIKULÍK ĽUBOMÍR ing., PRAHA (54) Způsob změny magnetického pole v urychlovači elektronů a zařízení k provádění tohoto způsobu Podstatou řešení je časově omezená změna magnetického pole urychlovače, čímž se dosáhne vyšší expoziční rychlosti záření, než bylo dříve u těchto typů urychlovačů možné. Při zavádění elektronů do urychlovací komory se na tyto elektrony působí rotačně symetrickým magnetickým polem, jehož index od poloměru hlavní rovnovážné kružnice na poloměrech menších monotónně klesá. Změny magnetického pole urychlovače je možné dosáhnout navinutím nejméně jedné cívky kolem jádra magnetu. Cívky mohou být se stejnými účinky nahrazeny feromagnetickým prstencem. 0Ĺ CD O 262470
262470 2 Vynález se týká způsobu změny magnetického pole v urychlovači elektronů typu betatron, využívaného pro lékařské a průmyslové účely a zařízení к provádění způsobu. Jak u lékařských, tak zejména u průmyslových betatronů vzniká potřeba vyšších hodnot expoziční rychlosti záření. Zvyšování expoziční rychlosti záření klasickými způsoby, tj. zvětšováním rozměrů urychlovací komory nebo zvyšováním energie vstřiku elektronů, je obtížné a naráží na řadu technických problémů. Kromě toho tato řešení nejsou použitelná u stávajících betatronů. Výše uvedené nedostatky odstraňuje způsob změny magnetického pole v urychlovači elektronů podle vynálezu. Podstata spočívá v tom, že nejméně při zavádění elektronů do urychlovací komory se na tyto elektrony působí rotačně symetrickým magnetickým polem, jehož index od poloměru hlavní rovnovážné kružnice na poloměrech menších monotónně klesá. Magnetický obvod betatronů je upraven tak, že kolem jádra magnetu je navinuta nejméně jedna cívka nebo uložen feromagnetický prstenec, jejichž poloměr je menší nežli poloměr hlavní rovnovážné kružnice. Výhodou betatronů podle vynálezu je zvýšení jeho expoziční rychlosti záření v průměru o 20 až 30 t, přičemž toto řešeni lze realizovat jednoduchou úpravou magnetického obvodu betatronů. Důsledkem zvýšeni expoziční rychlosti zářeni je pak zlepšení ekonomiky provozu betatronů. Zařízení к provádění způsobu je znázorněno na přiloženém výkresu, kde na obraze 1 je uveden magnetický obvod betatronů s jednou přídavnou cívkou, na obraze 2 s dvěma cívkami a na obraze 3 s feromagnetickým prstencem. Magnetický obvod betatronů je tvořen válcovým magnetickým jádrem 2, složeným z kruhových transformátorových plechů, ke kterému jsou připevněny pólové nástavce.1. Mezi nimi, v magnetickém poli betatronů, je umístěna kruhová urychlovací komora 2, 8 definovanou hlavní rovnovážnou kružnicí 4,. Kolem magnetického jádra 2 je navinuta cívka 5 nebp dvě cívky 5 spojené do série tak, aby se jejich magnetická pole sčítala. Podobného účinku se dosáhne také feromagnetickým prstencem 6 uloženým kolem magnetického jádra 2. Jedním z hlavních parametrů betatronů je expoziční rychlost záření, která je úměrná náboji urychlených elektronů. O velikosti náboje se rozhoduje při vstřiku elektronů do urychlovací komory, kdy v tak zvaném zachycovacím procesu je část vstřikovaných elektronů zachycena na stabilní dráhy a může být urychlena betatronovým způsobem na požadovanou energii. významnou roli v tomto procesu má magnetické pole betatronů, působící v prostoru urychlovací komory 2. Radiální funkční závislost indukce magnetického pole vyjadřuje index "n", pro který platí: Bz n - ^ r " Tŕ 55 Bz... axiálni složka magnetické indukce г... poloměr Zmíněné magnetické pole působí na rotující elektrony silovými účinky v radiálním a axiálním směru. Pokud platí nerovnost o<n<l, vytváří magnetické pole sily fokusační. Vně tohoto rozmezí vznikají síly defokusační. Hodnota indexu "n" určuje poměr axiálních a radiálních sil. Platí: F R ~/l-n/ F,... axiální sila A F... radiální síla
3 262470 Pro n «1/2 jsou radiálni a axiální síly stejné. Pro n < 1/2 klesá axiální a roste radiální síla. Pro n > 1/2 je tomu naopak. Hodnota indexu pole se voli s ohledem na maximální zachycený náboj a stabilní pohyb elektronů v průběhu celého urychlovacího cyklu..index magnetického pole se definuje v nejdůležitější funkční oblasti magnetického pole, tj. v oblasti tav. hlavní rovnovážné kružnice 4 v rovině symetrie magnetu. V ostatních oblastech apertury urychlovací komory 3 jsou odchylky indexu od definované hodnoty nežádoucí. Index magnetického pole se v průběhu funkčního cyklu nemění, pokud neuvažujeme nežádoucí malé odchylky způsobené vířivými proudy nelinearitami magnetického obvodu. Vyšších hodnot zachyceného náboje se dosáhne způsobem podle vynálezu, kdy radiální průběh indexu magnetického pole je při vstřiku a v počáteční fázi urychlování výrazně nelineární. Tato nelinearita je charakteristická tím, že v oblasti poloměrů menších nežli je poloměr hlavní rovnovážné kružnice 4 hodnota indexu výrazně monotónně klesá, přičemž může na vnitřní okrajové hranici apertury urychlovací komory 2 dosáhnout i hodnoty n< 0. Při vstřiku elektronů do magnetického pole betatronu vykonávají elektrony nestacionárního rotujícího svazku příčný pohyb s velkou amplitudou radiálních kmitů a výrazně menší amplitudou axiálních kmitů. V důsledku vytvořené radiální nelinearity indexu pole dochází ke vzrůstu amplitud axiálních kmitů. Energie k tomu potřebná se odebere z radiálních kmitů, jejichž amplituda poklesne. Tímto poklesem se uchová část elektronů, které by srážkou s tělesem trysky, zasahujícím do vnitřního prostoru urychlovací komory, byly pro další urychování ztraceny. Dominantní účinek uvedené nelinearity indexu pole "n" se projevuje při vstřiku elektronového svazku a několik desítek mikrosekund po vstřiku, kdy se ještě mohou projevit defokusační síly vlastního zachyceného elektronového svazku. V pozdějším průběhu urychlování je nelinearita indexu nežádoucí, nebot může vést ke ztrátě zachycených elektronů příliš velkým vzrůstem amplitud axiálních kmitů, podmíněných zejména resonančními efekty. Vzrůst amplitud axiálních kmitů potřebný pro zvýšení zachyceného náboje je však možný jen tehdy, pokud je geometrie nestacionárního svazku taková, že axiální rozkmit elektronů ve svazku bez vytvořené indexové nelinearity je menší nežli je axiální rozměr apertury urychlovací komory. Jinak by elektrony při zvětšení amplitud axiálních kmitů dopadaly na stěny urychlovací komory 3. a došlo by к celkovému poklesu zachycených elektronů. Změny magnetického pole betatronu, charakterizované radiální nelinearitou indexu pole "n", se dosáhne přídavným magnetickým polem nebo feromagnetickým bočníkem. Přídavné magnetické pole je vyvoláno proudem protékajícím nejméně jednou cívkou 5, umístěnou v blízkosti jádra magnetu 2. Pokud jso-i cívky 5 dvě, musí být spojeny do série tak, aby se jejich magnetická pole sčítala. P ř í k l a d V době vstřiku elektronů protéká jednou nebo dvěma cívkami 5 proud takového směru, že jím vyvolané rotačně symetrické magnetické pole působí proti poli magnetického obvodu betatronu. Velikost proudu je optimalizována na maximální hodnotu expoziční rychlosti zářeni. Proud může být stejnosměrný, střídavý s fází posunutou o 90 proti betatronovému poli a nebo pulzní. K časovému omezení vytvořené nelinearity indexu pole "n" dojde tím, že velikost magnetického pole betatronu po vstřiku rychle roste a vliv přídavného pole se přestává uplatňovat.
262470 2 Žádané změny magnetického pole betatronů se dosáhne také magnetickým bočníkem tvaru prstence z feromagnetického materiálu. P Ř E D M Ě T V Y N Á L E Z U ' 1. Způsob změny magnetického pole v urychlovači elektronů, vyznačený tím, že alespoň při zavádění elektronů do urychlovací komory se na tyto elektrony působí rotačně symetrickým magnetickým polem, jehož index od poloměru hlavni rovnovážné kružnice na poloměrech menších monotónně klesá. 2. Zařízení к provádění způsobu podle bodu 1, tvořené jádrem magnetu, kolem kterého je mezi pólovými nástavci uložena kruhová urychlovací komora, vyznačené tím, že kolem jádra /2/ magnetu je upravena nejméně jedna cívka /5/, jejíž poloměr je menší nežli poloměr hlavni rovnovážné kružnice 141. 3. Zařízení к provádění způsobu podle bodu 1, vyznačené tím, že po obvodu jádra /2/ magnetu na poloměru menším nežli je poloměr hlavní rovnovážné kružnice /4/ je uložen nejméně jeden feromagnetický prstenec /6/. 1 výkres
262470 2 5 О \ ľ OBR. t ŕ OBR. 2 О OBR. 3