Ускоритель заряженных частиц

 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для получения сильноточных потоков ускоренных частиц с энергией более 1 мэВ. Цель изобретения - увеличение ускоряющего напряжения и КПД ускорителя - достигается за счет того, что в ускорителе заряженных частиц, содержащем последовательно соединенные источник 1 питания, индуктивный накопитель 2, плазменный прерыватель тока, включающий в себя два коаксиальных электрода - катод и анод, плазменные пушки 6 и соосную с электродами спираль 5, спираль 5 включена между плазменными пушками 6 и внешним электродом плазменного прерывателя и выполнена из полного проводника, внутри которого размещены кабели питания плазменных пушек, при этом средний радиус спирали r_ср, м, число витков N и число заходов n выбраны согласно выражениям где r_к - радиус катода, м. На чертеже обозначены накопитель 2, изолятор 3, наружный электрод - вакуумная камера 4. 2 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для получения сильноточных потоков ускоренных частиц с энергией более 1 МэВ. Целью изобретения является увеличение ускоряющего напряжения и КПД ускорителя. На фиг.1 и 2 представлена схема ускорителя в двух проекциях. Ускоритель содержит источник 1 питания, индуктивный накопитель 2, изолятор 3, наружный электрод - вакуумную камеру 4, спираль 5, плазменные пушки 6, высоковольтный электрод 7. Источник 1, накопитель 2, высоковольтный электрод 7, заполняемый плазмой зазор между электродом 7 и плазменными пушками 6, т.е. плазменными прерывателями тока (ППТ), спираль 5 и наружный электрод 4 образуют замкнутый электрический контур. Плазменные пушки 6 и электрод 7 являются катодом и анодом ППТ. Изолятор 3 служит опорой электрода 7. Плазменные пушки 6 сдвинуты по оси относительно спирали 5 на длину, примерно равную катод-анодному зазору ППТ. Питание плазменных пушек 6 осуществляется через кабели, проложенные внутри полого проводника (трубки), из которого изготовлена спираль 5. Ускоритель работает следующим образом. С помощью плазменных пушек 6 заполняют вакуумный зазор ППТ плазмой и после этого включают источник 1 питания. В контуре начинает протекать ток I_о, и в индуктивном накопителе 2 запасается энергия магнитного поля. Осуществляется режим зарядки, сопротивление ППТ мало. Одновременно создается азимутальное магнитное поле H_ϕ вокруг высоковольтного электрода 7 и продольное поле Н_z внутри спирали. При достижении током критической величины у катода образуется двойной слой - разрыв плазмы, который в результате ее эрозии расширяется в сторону анода. Сопротивление ППТ резко возрастает - осуществляется режим ускорения. Азимутальное поле приводит к дрейфу электронов вдоль оси в скрещенных Е х Н полях и выносу плазмы в этом направлении на длину, примерно равную катод-анодному зазору ППТ. Чтобы разрыв плазмы происходит в области продольного поля Н₂ (под спираль), плазменные пушки 6 сдвинуты относительно спирали 5 в сторону источника 1 питания. С этой же целью спираль может быть сделана протяженной по оси. Наличие спирали приведет к существенному увеличению скорости эрозии плазмы, т.е. к увеличению эффективности работы ускорителя, если создаваемое ею продольное поле Н_z на катоде превышает азимутальное поле H_ϕ, т.е., если вблизи катода, где образуется двойной слой, выполнено условие Н_z > H_ϕ (1) Величину получаемого при этом напряжения можно оценить из условия H_Z H_кр= (γ²-1)^1/2 (2) где Н_кр - критическая величина магнитного поля, определяемая эффективным зазором катод-анод d_эф и напряжением на зазоре, точнее, соответствующим ему релятивистским фактором γ . Условие (1) приводит к следующей связи между числом витков спирали N, ее средним радиусом r_ср и радиусом катода r_к: если r_к << r_ср, то H H_ϕ= (3) если r_к r_cp , то H_z= (4) Таким образом, как следует из (3) и (4), условие (1) требует выполнения одного (более слабого из неравенств): N мин ; - 1 (5)
При этом отпадают трудности с заполнением зазора ППТ плазмой, поскольку продольное поле Н_z возникает после того, как зазор ППТ уже заполнен плазмой. Это позволяет оптимизировать параметры плазменных пушек (т.е. параметры плазмы в ППТ) и таким образом увеличить эффективность работы ППТ. Число витков N определяется как отношение длины проводника спирали к длине окружности. При N <1 для получения однородного по азимуту поля Н_z спираль выполняется многозаходной, число заходов n > 1/N. Таким образом, такое конструктивное выполнение ускорителя позволяет не только создать в межэлектродном зазоре ППТ необходимое для отсечки электронов и увеличения напряжения магнитное поле, но и обеспечить возможность оптимизации параметров плазмы в ППТ и таким образом повысить эффективность работы ускорителя. Сильноточные ускорители на основе ППТ ввиду ограничений на плотность разрываемого тока имеют большие габариты, поэтому создание в межэлектродном зазоре магнитного поля от внешнего источника требует больших энергозатрат, превышающих энергозатраты на зарядку индуктивного накопителя, что делает применение спирали целесообразным и с экономической точки зрения. Данная схема позволяет увеличить напряжение и КПД ускорителя более чем в 1.,5 раза.

Формула изобретения

УСКОРИТЕЛЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий последовательно соединенные источник питания, индуктивный накопитель и плазменный прерыватель тока, включающий в себя два коаксиальных электрода - катод и анод, плазменные пушки и соосную с электродами спираль, отличающийся тем, что, с целью увеличения ускоряющего напряжения и КПД ускорителя, спираль включена между плазменными пушками и внешним электродом плазменного прерывателя и выполнена из полого проводника, внутри которого размещены кабели питания плазменных пушек, при этом средний радиус спирали r_ср, м, число витков N и число заходов n выбраны согласно выражениям

где r_к - радиус катода, м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 8-2000

Извещение опубликовано: 20.03.2000        

---