Способ ускорения заряженных частиц и устройство для его осуществления

 

Сущность изобретения: способ ускорения заряженных частиц, в соответствии с которым синхронно с дрейфом основного потока частиц изменяют потенциал последовательности пролетных трубок и обеспечивают снятие потенциала с них, из вводимого в трубку пучка частиц формируют два самостоятельных потока в виде основного и вспомогательного, направляют вспомогательный поток в отборник частиц, где синхронно с основным потоком экранируют его от поля пролетной трубки и поглощают, электрически соединенный с пролетной трубкой, а снятие потенциала с трубкой производят после прохождения частицами одной или нескольких пролетных трубок. После каждого из актов ускорения отдельной трубки корректируют поток частиц для согласования его с герметическими параметрами последующей из секций. Корректировку потока частиц производят путем его расфокусировки. Устройство для осуществления способа содержит пролетную трубку и связанное с ней разрядное устройство, снабженное отборником-разделителем частиц, электрически связанным с трубкой. Отборник-разделитель частиц выполнен в виде цилиндра, в торце которого расположена приемная стенка концентрично с пролетной трубкой. Перед каждой из секций, состоящей из трубки с отборником-разделителем, расположено корректирующее приспособление для расфокусировки пучка. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к физике ускорителей, а точнее к резонансным способам ускорения заряженных частиц.

Известны способы ускорения заряженных частиц, заключающиеся в том, что процессы изменения потенциала (разрядки) пролетных трубок и дрейфа частиц синхронизируют путем согласования частоты и длительности питающих импульсов, сформированных LC-генератором с параллельным или последовательным включением линий задержки импульса, длин трубок, с частотой и длительностью импульсного пучка.

Известен также способ ускорения частиц, заключающийся в том, что процессы изменения потенциала (перезарядки) пролетных трубок и дрейфа частиц синхронизируют путем согласования частоты перезарядки трубок ВЧ-генератором, длин трубок с частотой и длительностью импульсного пучка.

Однако в известных способах невозможно обеспечить процесс ускорения для различных энергий частиц без использования внешнего источника питания трубок, а также обеспечить равноэффективное ускорение при различных энергиях инжекции частиц.

Известен также способ, где питание сеточных ускоряющих электродов осуществляется без применения внешних источников за счет частичного отбора заряда пучка. Часть потенциальной энергии (часть энергии электрического поля пучка) переходит в кинетическую энергию заряженных частиц. Соответствующая часть кинетической энергии пучка переходит в тепло и излучение при поглощении сеточным электродом. Однако указанный способ низкоэффективен из-за торможения пучка частиц полем поглощающих электродов на входе. При малых энергиях инжекции КПД такого ускорителя стремится к нулю, так как малый потенциал сетки способен остановить большую часть пучка.

Таким образом, в этом способе с одной стороны отсутствует внешний источник питания трубок, а с другой имеется низкоэффективная ускорительная структура сеточных электродов.

В указанных областях применения предлагаемого способа главное значение имеет величина прироста кинетической энергии пучка, т.е. суммарная кинетическая энергия частиц. Целесообразность способа имеет место тогда, когда кинетическая энергия пучка на выходе, т.е. за вычетом поглощенных частиц, будет больше, чем на входе. С этой точки зрения способ нецелесообразен при низких энергиях инжекции, что сужает область его применения и делает его непригодным для указанных ранее объектов техники.

Входящий пучок частиц разделяют на два потока, один из которых поглощают, обеспечивая питание пролетной трубки, и которые синхронно экранируют, обеспечивая тем самым постоянную величину зарядного потенциала пролетной трубки независимо от энергии инжекции.

В отличие от известного способа в предлагаемом способе разделенные потоки синхронно экранируют, что исключает процесс отталкивания их полем заряжающихся электродов и обеспечивает эффективное ускорение при любых энергиях инжекции.

В отличие от известных способов в предлагаемом способе осуществляют дрейф двух потоков одновременно, т.е. разделенный импульсный пучок частиц целиком или большую часть по длине экранируют от поля трубки, а затем один из потоков поглощают, т.е. процесс изменения потенциала трубки начинается после ввода всего или большей части пучка.

Таким образом в известных способах не производят экранирования одновременно двух потоков, один из которых отбирают для питания трубки. Кроме того, в известном способе синусоидальный процесс перезарядки трубок ВЧ-генератором не обеспечивает синхронный по длине пучка дрейф входящих частиц, что ухудшает энергетические характеристики ускоренного пучка, т.е. формируется расплывчатый неодномодальный спектр энергий частиц.

Из известных способов наиболее близким по технической сущности является способ, заключающийся в том, что процессы изменения потенциала пролетных трубок и дрейфа частиц синхронизируют путем согласования частоты и длительности питающих импульсов, сформированных LC-генератором с последовательным включением линий задержки импульса, длин трубок, с частотой и длительностью импульсного пучка.

Недостатками этого способа являются необходимость питания трубок от внешнего источника при различных энергиях ускорения частиц; невозможность обеспечения равноэффективного ускорения при различных энергиях инжекции частиц в пролетную трубку из-за рассогласования процессов дрейфа и изменения потенциала трубки при фиксированных параметрах источника питания (LC-генератора).

Цель изобретения устранение указанных недостатков.

С учетом ранее сказанного необходимо отметить некоторые технические требования к предлагаемому способу: наличие эффективной ускорительной структуры при отсутствии источника питания ускорительных трубок и возможность регулирования выходных параметров пучка в широком диапазоне.

Цель изобретения можно сформулировать следующим образом.

Дан источник частиц с регулируемыми параметрами инжекции (энергией инжекции, плотностью пучка, длительностью пучка). Например, в случае термоэмиссионного катода это означает простую регулировку напряжений катод-анод и тока накала по величине и длительности. Необходимо увеличить кинетическую энергию пучка без использования внешних источников и регулировать энергию ускоренного пучка в широком диапазоне при различных энергиях инжекции.

Учитывая, что ускорительная структура фиксирована по геометрии, регулировка энергии ускоренных частиц должна осуществляться только регулированием параметров инжекции частиц с сохранением высокой эффективности ускорительной структуры. Для резонансного способа это означает обеспечение синхронности процессов дрейфа и изменения потенциала пролетной трубки при различных параметрах инжекции.

Очевидно, что в прототипе невозможно решить эту задачу, так как в нем невозможно обеспечить синхронность указанных процессов при различных параметрах инжекции, а также принципиально невозможно увеличить кинетическую энергию пучка для данного источника частиц без дополнительных энергозатрат на внешние источники питания трубок. В предлагаемом способе энергию пучка увеличивают без дополнительных энергозатрат, т.е. кинетическая энергия пучка на входе (до разделения) будет ниже кинетической энергии непоглощенной части пучка на выходе. Это происходит потому, что при отборе часть потенциальной энергии электрического поля в системе трубка-пучок на выходе переходит в кинетическую энергию пучка, т.е. используется как бы внутренний резерв в виде потенциальной энергии электрического поля пучка, но с уменьшением числа ускоренных частиц, с увеличением кинетической энергии оставшейся части пучка, т. е. суммарной кинетической энергии отдельных частиц на выходе по сравнению с кинетической энергией неразделенного пучка на входе. Для сравнения, в известных способах потенциальный "резерв" не используется и как бы транзитом проходит через ускорительную структуру и даже, наоборот, требует определенных энергозатрат на фокусировку частиц, корректировку геометрии пучка в фазовом объеме при совершении работы этим полем на кулоновское расталкивание частиц в пучке. Уменьшение электропотенциальности пучка при той же суммарной кинетической энергии на выходе уменьшило бы указанные энергозатраты и, кроме того, затраты на внешний источник и, соответственно, общие затраты.

Цель достигается тем, что из вводимого в трубку пучка частиц формируют два самостоятельных потока в виде основного и вспомогательного, направляют вспомогательный поток в отборник частиц, где синхронно с основным потоком экранируют его от поля пролетной трубки и поглощают, электрически соединенный с пролетной трубкой, а снятие потенциала с трубки производят после прохождения частицами одной или нескольких пролетных трубок.

На фиг. 1 приведен вариант схемы устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 показана ось расчетной поверхности; на фиг. 3 сумма потенциалов от кольцевых зарядов.

Устройство содержит пролетную трубку 1, связанное с ней разрядное устройство 5, снабженное отборником-разделителем 2 частиц, электрически связанным с трубкой.

Отборник выполнен в виде цилиндра, в торцовой части которого расположена приемная стенка 3 концентрично с пролетной трубкой.

Перед каждой из секций, состоящей из трубки с отборником, расположено корректирующее приспособление 4 для расфокусировки пучка.

Устройство работает следующим образом.

Синхронно с дрейфом основного потока частиц изменяют потенциал последовательности пролетных трубок и обеспечивают снятие потенциала с них. Из вводимого в трубку пучка частиц формируют два самостоятельных потока в виде основного и вспомогательного, направляют вспомогательный поток в отборник частиц, где синхронно с основным потоком экранируют его от поля пролетной трубки и поглощают, электрически соединенный с пролетной трубкой, а снятие потенциала с трубок производят после прохождения частицами одной или нескольких пролетных трубок. После каждого из актов ускорения отдельной трубки корректируют поток частиц для согласования его с геометрическими параметрами последующей из секций. Корректировку потока частиц производят путем его расфокусировки.

Ниже приведен пример расчета трубки для некоторых реальных параметров пучка.

Дано: диаметр пучка (наружный диаметр трубки) на входе D₁ 5 см. Внутренний диаметр трубки D₂ 3 см; длина трубки l 5 cм; плотность тока в импульсе (губчато-оксидно-никелевый катод) J 100 А/см²; ток пучка I J· 1963,5 A.

Длительность плоской части импульса τ= 50 нс; длина отборника l/2 2,5 см; скорость инжекции частиц v l/2τ 2,5 х 10⁶ м/с; суммарный заряд пучка Q I τ= 9,82 х x10^-5 Кл; заряд электрона e 1,6 х 10^-19Кл, масса его m_e 9,11 х 10^-31 кг; энергия инжекции пучка T_o 174,7 х 10^-5 Дж.

Емкость трубки длиной l 5 см, внутренним радиусом r D₂/2 1,5 см, радиусом отборника R D₁/2 2,5 см с установленной посередине трубки приемной стенкой найдем методом среднего потенциала, по Хоу. Допустим, что заряды на поверхности изолированной трубки распределены равномерно, т.е. если q линейная плотность на поверхности трубки (кольцевой заряд на единицу длины) с радиусом R, то линейная плотность на радиусе r/R определится как q ˙r/R.

Потенциал в точке А на оси расчетной поверхности (фиг.2) находится как сумма потенциалов от кольцевых зарядов (фиг.3), что запишется в интегральной форме: = + Тогда осредненный по длине потенциал (по Хоу) предполагается равным потенциалу трубки: U_cp= U_AdZ_o Емкость трубки после преобразований: C 2πε_o·(l+ + l)/ln · - ++ + _ _ + ln Для проверки при r R: C 2πε_ol/1/2ln- + Учитывая, что ln Arsh, имеем: C Эта формула полностью совпадает с формулой для емкости уединенного цилиндра.

Рассчитанная для данного примера емкость трубки: с 3,09 ˙10^-11 Ф. Доля отобранного заряда у однородного по сечению пучка (заряда вспомогательного потока) в момент выхода фронта пучка из трубки длиной l:
ΔQ K· Q 6,28·10^-5Кл. Величина K характеризует эффективность использования заряда пучка, где L длина пучка. В приведенном примере для заданной скорости инжекции К 1, L v˙τ=l/2.

При K ≥1 эффективность ускорения снижается, так как незаэкранированная хвостовая часть пучка будет тормозиться полем трубки. Минимальное значение этой величины при заданной длительности можно определить как K_min= 1,66×10^-3, где С 3˙ 10⁸ м/с скорость света. В этом случае эффективно ускоряться будет 1,66 х 10^-3 часть пучка при длине пучка L c˙τ≈15 м. Таким образом, для того, чтобы К ≥1, необходимо увеличивать длину трубок с увеличением энергии инжекции при заданной длине импульса.

Потенциал трубки:
U 2,03 МэВ Следовательно, имеем прирост энергии основного потока 2,03 МэВ. Этот прирост сохраняется постоянным в широком диапазоне энергии инжекции от нуля до Т_о, так как в этом случае К≥ 1.

Суммарная кинетическая энергия пучка на выходе:
T_в= T + (Q-ΔQ)·UK 71,8 Дж.

Таким образом кинетическая энергия пучка по сравнению с энергией инжекции увеличилась более чем в 10⁴ раз, без энергозатрат на внешний источник, за счет изменения потенциальной энергии электрического поля пучка. Энергия отдельной частицы увеличилась в 1,14×10⁵ раз, более чем в 10⁵ раз.

Из выражения для кинетической энергии на выходе, пренебрегая первым членом, получим Т_в ≈Q². Из этого видно, что, осуществляя простую регулировку термоэмиссионного тока катода, можно эффективно регулировать выходные параметры пучка, без дополнительных энергозатрат.

Рассмотренный пример показывает, что применение изобретения позволит расширить диапазон входных параметров пучка, исключить дополнительные энергозатраты на питание трубок, осуществить простую и эффективную регулировку выходных параметров пучка.

Формула изобретения

1. Способ ускорения заряженных частиц, в соответствии с которым направляют основной поток частиц в последовательность пролетных трубок, синхронно с дрейфом потока частиц изменяют потенциал последовательности пролетных трубок и обеспечивают снятие потенциала с них, отличающийся тем, что из вводимого в пролетную трубку пучка частиц отбирают часть и формируют вспомогательный поток, изменение потенциала пролетной трубки обеспечивают путем поглощения вспомогательного потока в отборнике-разделителе частиц, электрически соединенном с пролетной трубкой и экранированном от поля основного потока частиц, а снятие потенциала с трубок производят после прохождения частицами одной или нескольких пролетных трубок.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после прохождения основным потоком частиц пролетной трубки производят корректировку его параметров для согласования с геометрическими размерами последующей из секций.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что корректировку параметров потока частиц производят путем его расфокусировки.

4. Устройство для ускорения заряженных частиц, содержащее источник заряженных частиц, расположенные на одной оси пролетные трубки и связанное с пролетными трубками разрядное устройство, отличающееся тем, что каждая пролетная трубка снабжена отборником-разделителем частиц, расположенным снаружи пролетной трубки и электрически связанным с ней.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что отборник-разделитель частиц выполнен в виде полого цилиндра, расположенного концентрично с пролетной трубкой, в торце которого выполнена приемная стенка.

6. Устройство по пп. 4 и 5, отличающееся тем, что перед каждой из секций, состоящей из трубки с отборником-разделителем частиц, расположено дополнительно введенное корректирующее приспособление для расфокусировки пучка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3