Способ и устройство вывода электронов и фотонов из газовой среды

Заявленное изобретение может найти применение в лабораторных исследованиях, а также при разработке новых приборов для медицины и техники, где имеется потребность вывода электронных или лазерных лучей в импульсном режиме. Сущность способа заключается в использовании различия в скоростях распространения газа и электронов. Выводной канал открывают на время, достаточное для пролета электронов, но недостаточное для прохождения молекул газа. Это дает возможность вывода коротких электронных пучков любой мощности без потери их энергии при минимальном перетекании газа в направлении меньшего давления. Заявленное устройство, реализующее способ, не исчерпывает всех его возможностей. Оно рассчитано на вывод электронов из среды радиоактивного газа с давлением порядка 1 Па в вакуум с давлением 10^-5-10^-6 Па. Особенностью способа является то, что на его основе могут быть созданы устройства вывода электронных и лазерных пучков без ограничения энергии и искажения их спектра. Способ позволяет разработать устройства, которые в зависимости от условий работы в сочетании с различными методами и средствами вакуумной и компрессорной техники обеспечат вывод электронных и лазерных пучков любой энергии в пространство с любым давлением. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области лабораторной техники и может быть использовано при создании новых приборов в технике и медицине.

Существуют способы вывода электронов из газовой среды в вакуум [Кондратьев В.И., Крайнев Г.С., Колмогоров В.В. Устройство выпуска пучка электронов в атмосферу. Патент №2109416 МКИ Н05Н 5/02 от 20.04.98. - далее [1]], в атмосферу или в объем с другим давлением и составом газа [Ю.И.Голубенке и др. Ускорители электронов серии ЭЛВ: состояние, применение, развитие. Яд. физ. т.60. №12. 1997 - далее [2]], [Абдуллин Э.Н., Баженов Г.Л., Балбоненко Е.Ф., Кунц С.Э. Получение сильноточных электронных пучков во взрывоэмиссионном диоде при давлении газа ˜10^-2-10^-1 Torr. Письма в ЖТФ, 1998, т. 24, №2 - далее [3]], позволяющие осуществлять вывод электронов, при этом исключающие проникновение газа из объема источника электронов в объем приемника и обратно.

В [1] и [2] приведены описания устройств с разделением объемов источника и приемника электронов твердотельной перегородкой прозрачной для электронов, но непрозрачной для газов. Недостатком этого способа и устройств является наличие взаимодействия электронов с материалом перегородки, приводящее к изменению их энергетического состояния, т.е. искажается спектр выводимого пучка, что недопустимо при анализе спектра. Другой недостаток этого способа: в случае вывода электронных пучков высокой энергии - перегрев твердотельной перегородки, ограничивающий энергию выводимого пучка [3]. Эти же недостатки проявляются и при выводе фотонов через твердотельную перегородку.

Существует способ и устройства, не использующие твердотельную перегородку (аэродинамические или газодинамические окна). Принцип работы аэродинамических окон состоит в создании специально организованного неоднородного сверхзвукового газового потока с градиентом статического давления в направлении распространения излучения. Вывод электронов или фотонов осуществляется через отверстия в диафрагмах, на которых создается и поддерживается путем непрерывной откачки критический перепад давления, препятствующий проникновению газа в сосуд - источник электронов или лазерного луча.

В устройстве [Л.Н.Орликов, Н.Л.Орликов. Способы повышения эффективности вывода электронного пучка через газодинамическое окно, приборы и ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, Номер 6, 2002. ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА] диафрагмы в исходном состоянии не имеют отверстий. Отверстия для прохода пучка прожигаются самим электронным пучком в начале работы, что требует частой смены диафрагм. Промышленностью выпускаются устройства с отверстиями в диафрагмах, с заслонками, перекрывающими отверстия на время отсутствия вывода электронов [www.sonbi.ru/research/CONV/CONV_4.htm (14 КБ) 08.04.2004 Информационный материал Центрального Института Авиационного Моторостроения имени П.И.Баранова].

Приведенным устройствам присущи недостатки, обусловленные способом:

- невозможность вывода электронов в глубокий вакуум;

- влияние процесса вывода на спектр выводимых электронов полностью не исключается [Л.Н.Орликов, Н.Л.Орликов. Влияние электронного пучка, выводимого через газодинамическое окно в газ, на создаваемый перепад давления. ПЖТФ, 2000, т. 26, выпуск 24].

Предлагаемый способ свободен от указанных недостатков. Его применение позволит выводить электронные и лазерные пучки любой энергии в виде импульсов без потери энергии без искажения и ограничения их спектра.

Сущность способа состоит в ограничении времени открытия канала прохождения электронов или фотонов с учетом разности скоростей движения электронов и молекул газа. В дальнейшем описании будем рассматривать только электроны, помня, что у фотонов скорость предельно большая и применение способа к ним упрощается. Время открытия канала выбирается достаточным для прохождения электронов, но недостаточным для прохождения молекул газа, т.е. в пределах

где t - время открытия канала, L - длина канала, v - скорость электронов; V - скорость молекул газа.

Скорость электрона v при малых энергиях определяется через энергию электрона Е и его массу покоя m по формуле (2)

Скорость молекул газа V определяется через Т - абсолютную температуру газа; M - массу его молекулы и постоянную Больцмана k=1.38·10^-23 по формуле (3)

При энергии электронов порядка 1 эВ (1 эВ=1.6·10^-19 Дж) масса электрона равна его массе покоя (9·10'³¹ кг), скорость, вычисленная по формуле (2), равна 5.5·10⁵ м/с. Скорость молекул самого легкого газа (водорода М=3.32·10"²⁷ кг) при температуре 300К составляет 1700 м/с (у всех других газов она меньше: у воздуха 460 м/с). При длине канала 0,15 м для реализации способа t следует выбрать согласно формулы (1) в пределах от 1 до 100 мкс, при этом чем меньше t, тем меньше молекул газа попадет в канал. В приведенном примере выбраны крайние значения V и v, практически во всех других случаях пределы применения способа шире. Для снижения проникновения молекул газа в вакуум целесообразно применять канал, состоящий из нескольких диафрагм с отверстиями, перекрываемыми заслонками, при этом каждый из промежутков между диафрагмами откачивают для удаления проникших молекул газа методами вакуумной техники, соответствующими давлению в этом промежутке [Розанов Н.Л. Вакуумная техника. М.: Высшая шк. 1990. С.320].

Реализация предлагаемого способа затруднена ввиду сложности создания окон с заслонками, имеющими время открытия порядка 10-100 мкс. Заслонки должны открываться и закрываться одновременно.

В связи с этим предлагается устройство для реализации способа. Схема устройства приведена на чертеже. Устройство состоит из герметичного корпуса 1, имеющего форму цилиндра с двумя торцевыми стенками, клапана 2, патрубка 3, вала 4, выведенного через торцевую стенку посредством вакуумного уплотнения, подвижных (вращающихся) 5 и неподвижных 6 дисков. Подвижные диски жестко скреплены с валом 4, неподвижные прикреплены к внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1. Корпус имеет фланец 7 для соединения с приемником электронов (например, с вакуумной камерой, в которой находится входное устройство анализирующего прибора - щель спектрометра). Центр фланца 7 и ось патрубка 3 расположены на линии АВ, проходящей вблизи боковой поверхности корпуса параллельно оси вала 4. Фланец 8 расположен вблизи патрубка 3. Диски 5 и 6 имеют отверстия и сквозные пазы, идущие от центра к краям дисков. Центры отверстий в неподвижных дисках 6 расположены на линии АВ, являющейся продолжением оси патрубка 3 и проходящей через центр фланца 7. Центры отверстий в подвижных дисках расположены на линии, параллельной линии АВ на том же расстоянии от оси вала, что и в неподвижных, таким образом неподвижные диски выполняют роль диафрагмами с отверстиями на пути электронного пучка, а подвижные - роль заслонок. Через клапан 2 устройство соединено с источником электронов (S), например с резервуаром, содержащим тритий.

Вал 4 соединен с высокоскоростным двигателем (на чертеже двигатель не показан).

Устройство работает следующим образом: через фланец 8 производится откачка корпуса 1 до давления порядка 1 Па. Вал 4 с дисками 5 приводится во вращение. После достижения дисками 5 окружной скорости 300 м/с открывается клапан 2, электроны и молекулы газа через патрубок 3 подходят к диску 5. При совпадении отверстий подвижных и неподвижных дисков электроны беспрепятственно проходят в приемную вакуумную камеру. Молекулы газа, имеющие значительно меньшую скорость, столкнутся с дисками и будут откачаны через пазы в дисках и фланец 8. Размеры отверстий в дисках выбирают в соответствии с формулой 1. Например: при диаметре отверстий 5 мм время совпадения отверстий подвижных и неподвижных дисков составит около 10 мкс (выполнено условие формулы 1). За это время электроны, имеющие скорость около 550000 м/с, успеют пролететь до входа в приемную вакуумную камеру. Молекулы газа, имеющие скорость около 1700 м/с, пройдут за это время путь около 1,7 см и после столкновений с дисками будут удалены путем откачки через пазы в дисках и фланец 8. Таким образом, устройство реализует предложенный способ.

Наличие в устройстве чередующихся неподвижных и вращающихся с большой скоростью дисков может быть использовано для дополнительного снижения попадания газа в приемную камеру, для чего следует пазы подвижных дисков выполнить так, чтобы нормаль их поверхности составляла с вектором окружной скорости диска острый угол. Расчет оптимальных значений этого угла в зависимости от параметров газовой среды производится по методике расчета рабочих колес турбомолекулярных насосов. При этом неподвижные диски должны иметь пазы, являющиеся зеркальным отображением пазов подвижных дисков.

Благодаря такой конструкции система дисков является для газа турбомолекулярным насосом [Фролов Е.С. Турбомолекулярные вакуум-насосы. - М.: Машиностроение, 1980, с.109 - далее [8]], а для электронов - периодически открывающимся каналом. Этот канал электроны проходят без каких-либо столкновений и попадают в вакуумную камеру (R) и на вход анализирующего прибора в том энергетическом состоянии, в котором они возникли (например, при радиоактивном распаде газа).

Недостаткам способа и устройства является то, что при выводе электронов из среды непрерывно излучающей (например, из сосуда с радиоактивным газом) в вакуумную камеру анализирующего прибора приходит только часть электронов в виде периодически следующих пучков. Для увеличения доли выводимых электронов нужно умножать число отверстий в подвижных дисках или увеличивать размеры отверстий, при этом может расти перетекание газа в вакуумную камеру. Указанный недостаток не имеет места при выводе электронных пучков высокой энергии, имеющих длительность существенно меньше времени открытия канала (в работе [3] используются электронные пучки длительностью всего 10^-8 с, в этом случае пройдут все электроны).

Реализуемость предлагаемого способа и устройства доказывается тем, что задачи уплотнения, подвески, вывода вала, центровки системы дисков при высокой скорости вращения, расчета поверхности паза и др. имеют различные варианты успешных технических решений в конструкциях турбомолекулярных вакуумных насосов [8]. Эти решения могут быть использованы в предлагаемом устройстве.

1. Способ вывода электронов и фотонов из газовой среды сосуда-источника в сосуд-приемник, ограничивающий перетекание газа в сосуд с меньшим давлением путем пропускания электронов через отверстия ряда диафрагм и откачки газа из объемов между диафрагмами, отличающийся тем, что одновременно открывают отверстия всех диафрагм на время, меньшее времени прохождения газа в сосуд-приемник, но достаточное для прохождения электронов, все остальное время удерживают отверстия в закрытом состоянии.

2. Устройство вывода электронов и фотонов из газовой среды сосуда-источника в сосуд-приемник, содержащее диафрагмы с расположенными на пути электронного луча отверстиями и заслонки, отличающееся тем, что заслонки выполнены в виде вращающихся дисков с пазами и с отверстиями, расположенными на том же расстоянии от оси вращения, что и отверстия диафрагм.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что нормаль поверхности пазов в дисках заслонок образует острый угол с вектором окружной скорости диска, а диафрагмы выполнены в виде неподвижных дисков, являющихся зеркальным отображением дисков заслонок.