Способ аккумуляции энергии потока заряженных частиц

Изобретение относится к области энергетики, а именно к технологии получения заряженных частиц больших энергий, и предназначено для применения в области ядерной физики и технологии. Технический результат - повышение плотности энергии потока заряженных частиц. Способ осуществляется путем выполнения во времени последовательности процессов: генерации потока заряженных частиц, ускорения, фокусировки, замедления и дефокусировки, причем процессы в указанном порядке осуществляются периодически с частотой изменения величины магнитного поля, а вывод потока частиц на мишень происходит за счет изменения индукции магнитного поля на стационарной траектории в сторону увеличения или уменьшения. Все перечисленные процессы осуществляются под действием одного и того же переменного аксиально-симметричного магнитного поля бетатронного типа, параметры которого позволяют проводить процессы в согласованном режиме и определяются следующим образом: индукция магнитного поля в области стационарной траектории уменьшается пропорционально расстоянию ρ от оси симметрии по закону В ~ ρ^-α, где α=0,5, индукция магнитного поля В₀ на стационарной траектории, окружности радиуса ρ₀, составляет половину среднего значения магнитного поля B_cp внутри этой окружности B₀=0,5·B_cp; частота изменения В₀, в зависимости от вида ускоряемых частиц - электронов или ионов, составляет ν=10⁵-10⁹; изменение B₀ во времени подчинено условию периодичности

B(t+2T)=B(t), B(t+T)=-B(t),

где T=ν^-1 - полупериод изменения величины индукции магнитного поля. 3 ил.

 

Изобретение относится к области энергетики, а именно к технологии получения заряженных частиц больших энергий, и предназначено для применения в области ядерной физики и технологии.

В качестве аналога заявляемого способа использована технология прецизионной фокусировки электронов (бета-частиц) в электронном магнитном спектрометре [Патент РФ №2338295. Электронный магнитный спектрометр, 2008 г.]. В способе-аналоге генерируемые источником электроны движутся в условиях вакуума в постоянном аксиально-симметричном магнитном поле, индукция которого спадает пропорционально расстоянию ρ от аксиальной оси по закону В ~ ρ^-α, где α=0,5. Магнитное поле указанной конфигурации удерживает электроны вблизи стационарной траектории - окружности радиуса ρ₀ и осуществляет их прецизионную фокусировку на мишени, расположенной под аксиальным углом $$\pi \sqrt{2}$$ к источнику. Основным недостатком указанной технологии является непрерывность процесса движения и фокусировки электронов, что не позволяет использовать ее для аккумуляции энергии потока.

В качестве прототипа взята технология ускорения электронов (бета-частиц) в бетатроне [БСЭ, т.27, третье издание, М.: Изд. «Советская энциклопедия», 1977, с.110], которая заключается в следующем. Электроны, генерируемые электронной пушкой, движутся в условиях вакуума в переменном аксиально-симметричном магнитном поле бетатронного типа, которое характеризуется следующими параметрами.

Индукция магнитного поля спадает пропорционально расстоянию ρ от аксиальной оси по закону В ~ ρ^-α, где α=0,6, при этом значение индукции магнитного поля В₀ на стационарной траектории - окружности радиуса ρ₀, составляет половину среднего значения индукции магнитного поля В_ср внутри этой окружности В₀=0,5·В_ср. Частота изменения индукции магнитного поля составляет 10-10³ Гц.

В условиях действия магнитного поля с указанными параметрами электроны движутся вблизи стационарной траектории, многократно пересекая ее. Одновременно происходит ускорение электронов под действием возникающего индукционного электрического поля. Процесс носит периодический характер и осуществляется во временные интервалы, соответствующие возрастанию магнитного поля в фиксированном направлении. В процессе ускорения электроны совершают порядка 10⁵-10⁶ оборотов и после достижения необходимой энергии 1-150 МэВ выводятся из области стационарной траектории на мишень. Вывод электронов на мишень осуществляется созданием в конце периода ускорения дополнительного импульсного поля, нарушающего бетатронное условие.

Укажем следующие недостатки прототипа.

1. Технология ускорения электронов в бетатроне не позволяет аккумулировать энергию за счет накопления электронов в течение нескольких периодов процесса из-за однонаправленного характера движения электронов вдоль стационарной траектории-окружности.

2. Наличие электронной пушки бетатрона подразумевает использование различных видов полей для получения и ускорения электронов, что приводит к сложности согласования обоих процессов.

3. Технология вывода электронов из области ускорения посредством создания дополнительного магнитного поля затрудняет его согласование с магнитным полем бетатрона.

4. Применяемая технология получения электронов в электронной пушке бетатрона не позволяет достичь высоких значений силы тока электронов вследствие малой площади эмитируемой поверхности в электронной пушке.

5. Технология, реализуемая в прототипе, не позволяет осуществить прецизионную фокусировку электронов на мишени из-за большого количества оборотов, совершаемых электронами во время ускорения. Радиус фокусного пятна оказывается равным амплитуде колебаний электронов относительно стационарной траектории, следствием чего является невозможность получения большой поверхностной плотности мощности на мишени.

6. Эффективное использование процесса ускорения электронов составляет только 25%, поскольку ускорение частиц в бетатроне осуществляется только на протяжении 1/4 периода изменения магнитного поля.

7. Используемая технология вывода потока ускоренных частиц из области ускорения делает невозможным их прецизионную фокусировку на мишени, как это имеет место в магнитных спектрометрах.

Задачей предлагаемого способа является получение большой плотности энергии потока заряженных частиц на мишени, что достигается увеличением количества электронов в потоке и их прецизионной фокусировкой.

Указанная задача решается за счет периодически повторяющейся во времени последовательности процессов: генерации потока заряженных частиц, ускорения, фокусировки замедления и дефокусировки, с частотой изменения величины магнитного поля 10⁵-10⁸ Гц, а вывод энергии потока происходит путем изменения величины индуктивности магнитного поля на стационарной траектории в сторону увеличения или уменьшения, при соблюдении аксиальной симметрии магнитного поля.

Все перечисленные процессы осуществляются под действием одного и того же переменного аксиально-симметричного магнитного поля бетатронного типа, что позволяет проводить их в согласованном режиме, при выполнении следующих условий, а именно:

- индукция магнитного поля в области стационарной траектории уменьшается пропорционально расстоянию ρ от оси симметрии по закону В ~ ρ^-α, где α ~ 0,5 для выполнения условия прецизионной фокусировки;

- индукция магнитного поля В₀ на стационарной траектории, окружности радиуса ρ₀, составляет половину среднего значения магнитного поля В внутри этой окружности В₀=0,5·В_ср;

- частота изменения индукции магнитного поля, в зависимости от вида ускоряемых частиц - электронов или ионов, составляет ν=10⁵-10⁸ Гц, причем для электронов ν=10⁷-10⁸ Гц, а ионов ν=10⁵-10⁶ Гц. В этом случае область движения заряженных частиц будет ограничена аксиальным углом, меньшим 2π, и, следовательно, траектории заряженных частиц не будут пересекать источник;

- изменение индукции магнитного поля во времени подчинено следующему условию периодичности

B(t+2T)=B(t), B(t+T)=-B(t)

где Т=ν^-1 - полупериод изменения индукции магнитного поля;

- источник заряженных частиц представляет собой систему соосно-расположенных заземленных цилиндров, торцы которых имеют радиус закругления кромок ~ 10^-6 м и выполняют функции электродов-эмиттеров и позволяют увеличить линейную протяженность поверхности источника без существенного снижения плотности напряженности индукционного поля;

- генерируемыми частицами могут быть как электроны, так и ионы металлов в случае использования жидкометаллического ионного источника.

Положительный технический результат, обеспечиваемый указанной совокупностью признаков, состоит в повышении плотности мощности потока заряженных частиц на мишени, которая обусловлена:

- циклическим характером движения потока электронов;

- генерированием и накоплением электронов в потоке от цикла к циклу;

- удержанием потока;

- отсутствием пересечения потоком источника;

- торможением потока силами радиационного трения, и которая достигается:

- прецизионной фокусировкой потока электронов на мишени.

Способ аккумуляции энергии потока заряженных частиц поясняется схемой фиг. 1, которая состоит из вакуумной камеры (не указана) с расположенным в ней источником А в виде системы соосных цилиндров (электродов эмиттеров), точки фокусировки потока F и смещенной мишени F₁. Плоскости С и А₁ ограничивают движение заряженных частиц вдоль стационарной траектории окружности радиуса ρ₀.

На фиг. 2 показано изменение индукции магнитного поля В во времени.

На фиг. 3 показаны технологические процессы и их порядок выполнения: 1 - генерация заряженных частиц, 2 - ускорение, 3 - замедление, 4 - фокусировка, 5 - дефокусировка, 6 - радиационное трение, 7 - вывод аккумулированной энергии потока заряженных частиц.

Рассмотрим порядок выполнения технологических процессов в способе аккумуляции энергии потока заряженных частиц (фиг. 3).

1. При возрастании во времени переменного магнитного поля в положительном направлении (фиг. 1), (фиг. 2) вдоль стационарной траектории D - окружности радиуса ρ₀, возникает индукционное электрическое поле, величина которого при указанной выше частоте изменения магнитного поля оказывается достаточной для возникновения эффекта автоэмиссии заряженных частиц с кромок электродов-эмиттеров источника А.

2. Генерируемые заряженные частицы в условиях действия индукционного электрического поля движутся ускоренно и под действием магнитного поля фокусируются в точке F.

3. При прохождении точки фокусировки F магнитное поле изменяет направление и становится отрицательным (фиг. 2), в соответствии с этим индукционное электрическое поле изменяет знак ускорения и далее частицы движутся замедленно к плоскости С.

4. При достижении плоскости С магнитное поле обращается в ноль и вновь начинает возрастать в отрицательном направлении. Частицы останавливаются и под действием возникающего индукционного поля вновь начинают ускоряться, двигаясь в противоположном направлении, после чего процессы ускорения, фокусировки и замедления, дефокусировки повторяются в обратном направлении. При этом вследствие действия сил радиационного трения частицы изменяют движение на противоположное в плоскости А₁, не достигая источника А.

5. По достижении частицами плоскости A₁ весь цикл процессов повторяется вновь.

6. После осуществления количества циклов, обеспечивающего требуемую плотность потока, необходимо увеличить или уменьшить среднее значение индукции магнитного поля внутри окружности стационарной траектории. Вследствие этого происходит сдвиг потока частиц относительно исходной стационарной траектории радиуса ρ₀ и их прецизионная фокусировка в точке F₁, соответствующий новому радиусу равновесной траектории ρ₁.

На фиг. 1 показан вариант фокусировки, при котором среднее поле уменьшается B_cp1<B_cp и радиус равновесной траектории увеличивается ρ₁>ρ₀.

Заявителю не известен способ аккумуляции энергии потока заряженных частиц подобного изложенному, вследствие этого предлагаемый способ соответствует критерию «новизна».

Способ аккумуляции энергии потока заряженных частиц, состоящий из процессов их генерации и ускорения, под действием переменного аксиально симметричного магнитного поля бетатронного типа, индукция которого в области стационарной траектории В уменьшается, относительно оси, по закону В~ρ^-α, где показатель степени α=0,6, при этом индукция магнитного поля B₀ на стационарной траектории, окружности радиуса ρ₀, составляет половину среднего значения B_cp внутри этой окружности B₀=0,5·B_cp, отличающийся тем, что представляет периодическую последовательность процессов генерации заряженных частиц, ускорения и прецизионной фокусировки, замедления и дефокусировки, которую осуществляют одним и тем же переменным аксиально-симметричным магнитным полем бетатронного типа, с частотой изменения магнитного поля ν, где ν=10⁵-10⁸ Гц, с показателем степени α=0,5 в выражении для индукции магнитного поля В, изменяющейся по периодическому закону B(t+2T)=B(t), B(t+T)=-B(t), где Т=ν^-1, а вывод энергии потока заряженных частиц на мишень осуществляют изменением индукции магнитного поля В₀ на стационарной траектории.