|
|
Расчет аксиальной линзы. ргз. Транспортировка пучков заряженных частиц
Липецкий государственный технический университет
Физико-технологический факультет
Кафедра физики и биомедицинской техники
ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
по основам конструирования приборов и изделий медицинского назначения
ТРАНСПОРТИРОВКА ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
Студент
подпись, дата фамилия, инициалы
Группа БМ-18-1
Руководитель
к. т. н. Пономарев А. С.
ученая степень, ученое звание подпись, дата
Липецк 2021 г.
Назначение магнитных линз[1]
Магнитная линза — устройство электронной оптики, линза для фокусировки электронов. Представляет собой цилиндрически симметричный электромагнит с очень острыми кольцевыми наконечниками полюсов, который создаёт в малой области сильное неоднородное магнитное поле, которое и отклоняет летящие через эту область электрон. Сила фокусировки электронного пучка осуществляется регулировкой постоянного тока питающей катушки. С точки зрения конфигурации магнитных полей, магнитная линза — это очень короткий соленоид, который, в свою очередь, широко используется для фокусировки пучков частиц в области относительно низких энергий.
Электроны, покидающие источник под некоторым углом по отношению к оси достигают начала электромагнитного поля. Горизонтальная компонента поля отклоняет их, за счёт чего они приобретают боковую скорость и, пролетая через сильное вертикальное поле, получают импульс в направлении к оси.
Боковое же движение убирается магнитной силой, когда электроны покидают поле, так что окончательным эффектом будет импульс, направленный к оси, плюс «вращение» относительно неё. Расходящиеся электроны собираются в параллельный пучок. Действие такого устройства подобно действию обычной оптической линзы на расходящиеся лучи света от находящегося в её фокусе объекта. Если поставить ещё одну такую же линзу, то она сфокусирует электроны снова в одну точку и получится изображение источника.
Магнитная фокусировка позволяет достичь большего тока пучка. Это связано с тем, что для формирования пучка используется весь ток катода, а не его часть, как в пушках с электростатической фокусировкой, электроды которых притягивают к себе значительную часть электронов.
Техническое задание
Требуется разработать магнитную аксиальную линзу, имеющую следующие параметры:
Энергия электронов: W=2 МэВ;
Ширина пучкового тракта: D=30 см;
Ширина экрана: DЭ=40 см;
Допустимая сила тока в проводе: I=4 А;
Напряжение источника питания: U=40 В;
Требуемое фокусное положение: SF=41,5 см;
Длина линзы: L=17,5 см;
Длина свободного промежутка между линзами: d=10 см.
Классификация магнитных линз ОКПД 2
ОКПД 2
С – Продукция обрабатывающих производств
26 – Оборудование компьютерное, электронное и оптическое
26.6 - Оборудование для облучения, электрическое диагностическое и терапевтическое, применяемые в медицинских целях
26.60 - Оборудование для облучения, электрическое диагностическое и терапевтическое, применяемые в медицинских целях
26.60.1 - Оборудование и приборы для облучения, реабилитации, электрическое диагностическое и терапевтическое, применяемые в медицинских целях
26.60.11 - Аппараты, основанные на использовании рентгеновского или альфа-, бета- или гамма-излучений, применяемые в медицинских целях
26.60.11.130 - Части и принадлежности аппаратов, основанных на использовании рентгеновского или альфа-, бета- или гамма-излучений, применяемых в медицинских целях, включая хирургию, стоматологию, ветеринарию
С
Контроль оператора за положением линз с помощью датчиков угла поворота модели E100H35-1000-6-L-5 с точностью до 0,001°
хема взаимодействия с окружающей средой
Внешние воздействия:
- температура окружающей среды 20 – 25 °C
- влажность воздуха 40 – 50 %
-водяное охлаждение не требуется при ∆t≤100 К
Постоянное плановое сервисное обслуживание и обслуживание по необходимости 18205 4 20 7242 «Сборщик-настройщик магнитных систем»
  
W=2 МэВ
D=30 см
Dэ=40 см
L=17,5 см
SF=41,5 см
I=4 А
U=50 В
d=10 см
U=4500 В
L*=9 см
График траектории частицы в дуплете и триплете
Аксиальная магнитная линза
  
Бесперебойное питание электрической сети с напряжением 380 В и током питания 50 А
Экранирование от внешних магнитных полей с помощью пермаллоя 79НМ
Наличие вакуума глубиной 106105 мбар в канале пролета частицы
Описание схемы взаимодействия линзы с окружающей средой 1. Согласно СанПиН 2.6.1.2573-2010 "Гигиенические требования к размещению и эксплуатации ускорителей электронов с энергией до 100 МэВ» работа с устройствами, использующих пучки заряженных частиц требует выполнения ряда климатических условий: температура по сухому термометру от 20ºС до 25ºС; относительная влажность от 40% до 50%; точка росы не выше 21ºС; скорость изменения: не более 5ºС в час. 2. Контроль за положением линзы осуществляется с помощью датчиков угла поворота – энкодеров. Энкодеры используются для преобразования линейного или вращательного движения в двоичный цифровой сигнал. Оптические ДУП имеют жёстко закреплённый на валу стеклянный диск с оптическим растром. При вращении вала растр перемещается относительно неподвижного растра, при этом модулируется световой поток, принимаемый фотодатчиком. Абсолютные оптические датчики угла — это датчики угла поворота, в которых каждому положению вала соответствует цифровой выходной код, который наряду с числом оборотов является основным рабочим параметром датчика. Для контроля используется энкодер модели E100H35-1000-6-L-5. Точность угла настройки линзы должна составлять 0,001°.
3. Сервисное обслуживание точных электромагнитных приборов проводится каждый месяц в соответствии с договором обслуживания мастером – наладчиком согласно нормативному документу МАГАТЭ «Основное содержание радиотерапевтических программ: клинические, медико-физические аспекты, радиационная безопасность и защита». Код профессии специалиста: 18205 4 20 7242 «Сборщик-настройщик магнитных систем».
4. Для свободного пролета электронов требуется наличие вакуума в канале ускорителя. Техническим вакуумом называют сильно разреженный газ. В макроскопических объёмах идеальный вакуум недостижим на практике, поскольку при конечной температуре все материалы обладают ненулевым давлением насыщенных паров. Степень глубины вакуума 106105 мбар, как для небольших линейных и электростатических ускорителей[2].
5. На прохождение заряженных частиц по укорительному каналу могут иметь воздействие как внешние электромагнитные поля электрооборудования в помещении, так и собственное магнитное поле Земли. Для предотвращения влияния со стороны внешних полей необходимо дополнительно экранировать канал с помощью стеки из ферромагнитных материалов, таких как железо – никелевый сплав пермаллой марки 79НМ с максимальной относительная магнитная проницаемость μ 100 000, малой коэрцитивной силой, почти нулевой магнитострикцией и значительным магниторезистивным эффектом[3].
6. Аппаратура, использующая заряженные частицы, требует постоянного высокочастотного питания от электрической сети переменного напряжения 380 В, согласно руководству по технике безопасности компании Varian[4]. Для обеспечения бесперебойного питания необходимо дополнительно снабдить установку источником бесперебойного питания, таким как Custos 9X+ 10K.
Расчет аксиальной магнитной линзы[5]
С помощью формулы (1) определяется магнитная жесткость пучка.
 (1)
Приняв, что линза является тонкой, предварительно получается требуемое количество ампер-витков по формуле (2).
 (2)
Находится максимальное значение индукции поля в катушке по формуле (3).
 (3)
По формуле (4) находится ларморовский радиус электрона.
 (4)
С помощью выражения (5) проверяется, является ли линза тонкой.
 (5)
 ; 
Так как параметры линзы не удовлетворяют условию, то она не является тонкой. В этом случае положение фокуса толстой линзы задается формулой (6), из которой значение ларморовского радиуса электронанаходится подбором.
 (6)
 ;  42,76
 см; 
 см; 
 см; 
 см; 
 см; 
Последнее значение ларморовского радиуса обращает выражение к наиболее подходящему для решения поставленной задачи значению. С учетом этой величины по формуле (7) определяется новое значение количества ампер-витков, но уже для толстой линзы.
 (7)
Максимальное количество витков в проводе находится по формуле (8) с учетом того, что сила тока берется в рамках допустимого значения как I=3А.
 (8)
Требуется выяснить, нуждается ли устройство в водяном охлаждении. Для этого по формуле (9) рассчитывается поверхность теплоотвода, а по формуле (10) оценивается величина нагрева корпуса.
 (9)
 (10)
Так как ∆t≤100 K, то водяное охлаждение для установки не требуется.
Данные всех расчетов заносятся в таблицу 1.
Таблица 1 – Расчет аксиальной магнитной линзы
Исходные данные
|
Результаты расчета
|
W, эВ
|
2
|
(B·ρ), Гс·см
|
8198
|
DЭ, см
|
40
|
N·I, А – предварительное значение
|
6471
|
D, см
|
30
|
ρL, см
|
17,65
|
L, см
|
17,5
|
Вид линзы
|
Толстая
|
S, см2
|
2749
|
(ρL)’, см
|
14,4
|
I, А
|
3
|
N·I, А
|
7923
|
U, В
|
50
|
N
|
2641
|
|
|
Требуется ли водяное охлаждение
|
Нет
|
Список источников
Фейнман, Р. Фейнмановские лекции по физике. – В 12 томах. - Том 6: Электродинамика: перевод с английского - 3 издание [Текст] / Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. — Эдиториал УРСС. — ISBN 5-354-00704-6
Филиппов, А. В. Вакуум в ускорителях и накопителях [Текст] / А. В. Лукаш. – Дубна, 2011.
Школа-семинар, ЛФВЭ им. В.И. Векслера и А.М. Балдина, УНЦ ОИЯИ, «Современные ускорительные технологии в релятивистской ядерной физике», г. Дубна, 21–22 апреля 2011 г.
3. Википедия: свободная электронная энциклопедия: на русском языке [Электронный ресурс] // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Пермаллой (дата обращения: 21.10.2021)
4. руководство по технике безопасности системы truebean
5. Кащенко А. П., Строковскийи Г. С., Строковская С. Е., Пономарёв А. С. Транспортировка пучков заряженных частиц [Текст] : методические указания к расчетно-графическому заданию / А. П. Кащенко [и др.] – Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета, 2017. – 22 с. |
|
|
Скачать 51.74 Kb.