Ускоритель высокоскоростных твердых частиц с коррекцией вектора скорости частиц

Авторы патента:

Семкин Николай Данилович (RU)

Пияков Алексей Владимирович (RU)

Телегин Алексей Михайлович (RU)

Дорофеев Александр Сергеевич (RU)

H05H5/00 - Ускорители на постоянном напряжении; моноимпульсные ускорители (H05H 3/06 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2593594:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) (RU)

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц. Ускоритель высокоскоростных твердых частиц содержит инжектор, индукционные датчики, усилители, линейный ускоритель, источник фиксированного высокого напряжения, цилиндрические электроды, селектор скоростей, селектор удельных зарядов, блок подачи напряжения на электроды, цилиндрические электроды, генератор изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке, блок сопряжения, электронно-вычислительную машину, усилитель пачки импульсов переменной длительности, каскадный генератор, мишень, согласно изобретению в ускоритель введен блок контроля и селектор координат, при этом блок контроля соединен к селектору координат, который подсоединен к генератору изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке. Технический результат - возможность корректировать вектор скорости частицы в процессе ее полета. 2 ил.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц.

Известен ускоритель высокоскоростных твердых частиц, основанный на ускоряющей системе Слоуна-Лоуренса, состоящий из инжектора, линейного ускорителя, двух индукционных датчиков, цилиндрических электродов, источника фиксированного напряжения, усилителей, селектора скоростей, генератора управляемой частоты и мишени (Слеттери, Беккер, Хамерменш, Рой. Линейный ускоритель для моделирования микрометеоритов. (Приборы для научных исследований, 1973, т. 44, №6)

Наиболее близким аналогом является ускоритель высокоскоростных твердых частиц с автоподстройкой функции распределения частиц по радиусу (патент на изобретение №2451434, опубликован 20.05.2012). Ускоритель высокоскоростных твердых частиц содержит инжектор, индукционные датчики, усилители, линейный ускоритель, источник фиксированного высокого напряжения, цилиндрические электроды, селектор скоростей, согласно изобретению между второй парой индукционных датчиков и первым цилиндрическим электродом установлены четыре параллельных электрода, каждый из которых связан с блоком подачи напряжения на электроды, мишень выполнена из стекла, на поверхности которого нанесена пленка люминофора, а с обратной стороны его установлена ПЗС-матрица, соединенная с блоком обработки данных с ПЗС-матрицы, которое управляет блоком подачи напряжения на электроды

Недостатками данного изобретения являются невысокие функциональные возможности, то есть невозможность корректировать вектор скорости частицы в процессе ее полета.

Поставлена задача - корректировать вектор скорости частицы в процессе ее полета.

Поставленная задача достигается тем, что ускоритель высокоскоростных твердых частиц содержит инжектор, индукционные датчики, усилители, линейный ускоритель, источник фиксированного высокого напряжения, цилиндрические электроды, селектор скоростей, селектор удельных зарядов, блок подачи напряжения на электроды, цилиндрические электроды, генератор изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке, блок сопряжения, электронно-вычислительную машину, усилитель пачки импульсов переменной длительности, каскадный генератор, мишень, согласно изобретению в ускоритель введен блок контроля, который измеряет скорость и координаты частицы относительно оси цилиндрических электродов, и селектор координат, при этом блок контроля соединен с усилителем и селектором координат, который подсоединен к генератору изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

на фиг. 1 изображен общий вид ускорителя совместно с обслуживающей аппаратурой;

на фиг. 2 алгоритм программы построения траектории частицы, где координатная ось 0Z, совпадающая с осью ускорителя; V_Z0, V_ρ0 - продольная и радиальная составляющая начальной скорости частицы; V_Z, V_ρ - продольная и радиальная составляющая текущей скорости частицы; α₀ - угол вылета частицы; z, ρ - координаты частицы по истечении времени Δt; Q - заряд частиц; m - масса частиц; Е - напряженность электрического поля в тракте ускорителя; R_КАНАЛА, L_КАНАЛА- внутренний радиус и длина цилиндрических электродов; h - шаг поля решения; k - номер итерации; g - ускорение свободного падения.

Устройство содержит инжектор 1, индукционные датчики 2, усилители 3, линейный ускоритель 4, источник фиксированного высокого напряжения 5, четыре параллельных электрода 6, селектор скоростей 7, селектор удельных зарядов 8, блок подачи напряжения на электроды 9, цилиндрические электроды 10, генератор изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 11, блок сопряжения 12, электронно-вычислительную машину 13, усилитель пачки импульсов переменной длительности 14, каскадный генератор 15, блок обработки данных с ПЗС матрицы 16, мишень, состоящую из люминофора 17, нанесенного на стекло 18, ПЗС матрицы 19, блок контроля 20, селектор координат 21.

Первый индукционный датчик 2 соединен с входом соответствующего усилителя 3, выход первого усилителя 3 соединен с входом селектора скоростей 7 и входом селектора удельных зарядов 8, выход селектора скоростей 7 и выход селектора удельных зарядов 8 соединены с входами генератора изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 11, выход генератора изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 11 соединен с первым входом усилителя пачки импульсов переменной длительности 14, выходы которого соединены с цилиндрическими электродами 10, выход каскадного генератора 15 соединен со вторым входом усилителя пачки импульсов переменной длительности 14, выход третьего усилителя 3 соединен с входом блока сопряжения 12, который соединен с электронно-вычислительной машиной 13 и генератором изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 11. Блок контроля 20, соединен с усилителем 3 и селектора координат 21 выход селектора координат соединен с генератором изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 11.

Устройство работает следующим образом.

Инжектор 1 генерирует заряженные частицы в заданном диапазоне масс с частотой порядка 1 Гц. Заряженная частица последовательно проходит первый индукционный датчик 2, линейный ускоритель 4, блок контроля 20, цилиндрические электроды 10, третий индукционный датчик 2 и попадает на люминофор 17. Первая пара индукционных датчиков 2 и линейный ускоритель 4 предназначены для определения параметров частицы (удельного заряда Q/m и начальной скорости V₀). Пролетая внутри индукционного датчика, частица наводит на него потенциал обратного заряду частицы знака. Так как датчик изготовлен из металла, то его поверхность эквипотенциальна, а значит не имеет значения, с какой части снимать напряжение. По поступающим с индукционных датчиков сигналов селектор скоростей 7 и селектор удельных зарядов 8 формируют на своих выходах цифровой код начальной скорости частицы и код ее удельного заряда. В селекторе скоростей 7 измеряются временные интервалы пролета частицей центров датчиков для первого датчика и блока контроля 20. Измеренные временные интервалы прямо пропорциональны скорости движения частицы. Пройдя через линейный ускоритель 4, частица получает приращение скорости. Аналогично первому датчику работает второй. По поданным в генератор изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 11 кодам начальной скорости и удельного заряда на его выходе формируется пачка импульсов, которая создает ускоряющее поле между каждой парой электродов 10. Данное поле меняется во времени соответственно положению частицы в ускоряющем тракте. Параметры пачки выбираются из ряда данных для формирования импульсов, заранее заложенных в генератор изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 11 с ЭВМ 13. Усилитель пачки импульсов переменной длительности 10 усиливает сформированные генератором изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 11 импульсы. Усиленные импульсы поступают на цилиндрические электроды 10. Затем уже ускоренная частица попадает на мишень 17 и весь процесс повторяется. ЭВМ 13 производит статистику эксперимента и динамическое управление ускорителем. Удар по люминофору 17 вызывает свечение в месте удара, который регистрируется с помощью ПЗС матрицы 19. По информации, полученной с ПЗС, происходит выработка управляющих импульсов в блоке обработки данных с ПЗС 16 и происходит изменение напряжения на четырех электродах с помощью блока подачи напряжения на электроды 9, согласно формулам:

где U1, U2, U3, U4 - потенциалы, подаваемые на четыре электрода, k₁, k₂ - постоянные коэффициенты, U₀ - постоянное напряжение на электродах, ΔХ - отклонения по оси 0Х места попадания частицы по мишени от центральной оси ускорителя, выработанные блоком обработки данных с ПЗС матрицы 16, ΔY - отклонения по оси 0Y места попадания частицы по мишени от центральной оси ускорителя, выработанные блоком обработки данных с ПЗС матрицы 16, где оси 0Х и 0Y расположены взаимно перпендикулярно друг к другу и перпендикулярны центральной оси ускорителя.

Регулировка заканчивается, когда частицы начнут попадать точно в центр мишени.

Коррекция вектора скорости частицы во время ее полета происходит следующим образом. Блок контроля 20 измеряет скорость и координаты частицы относительно оси цилиндрических электродов 10 и передает полученную информацию в селектор координат 21, где на основе алгоритма, приведенного на Фиг. 2, вырабатывается управляющий импульс для генератора изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 11.

Ускоритель высокоскоростных твердых частиц, содержащий инжектор, индукционные датчики, усилители, линейный ускоритель, источник фиксированного высокого напряжения, цилиндрические электроды, селектор скоростей, селектор удельных зарядов, блок подачи напряжения на электроды, генератор изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке, блок сопряжения, электронно-вычислительную машину, усилитель пачки импульсов переменной длительности, каскадный генератор, мишень, отличающийся тем, что в ускоритель введен блок контроля, который измеряет скорость и координаты частицы относительно оси цилиндрических электродов, и селектор координат, при этом блок контроля соединен с усилителем и селектором координат, который подсоединен к генератору изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке.

Изобретение относится к технике ускорителей и может быть использовано при создании сильноточных импульсных ускорителей электронов, в частности вакуумных диодных узлов сильноточных ускорителя электронов с двойным катодом и механизмом оперативного изменения рабочего тока.

Устройство для исследования физических явлений при высокоскоростном ударе // 2592060

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц. Устройство для исследования физических явлений при высокоскоростном ударе состоит из ускорительного тракта, содержащего инжектор, индукционные датчики, линейный ускоритель, мишень, согласно изобретению в ускорительный тракт введены соосно расположенные квадруполь, установленный за индукционными датчиками, и блок разряда частиц, сетки заземления, расположенные на входе и выходе блока разряда частиц после линейного ускорителя, приемник ионов, установленный перед мишенью, дополнительно введен второй ускорительный тракт, расположенный под углом от 1° до 10° к первому ускорительному тракту, состоящий из инжектора, индукционных датчиков, линейного ускорителя, мишени, квадруполя, блока разряда частиц, сетки заземления, приемника ионов, а также дополнительно в устройство введен измерительный блок, соединенный с блоком датчиков, приемниками ионов обоих усилительных трактов и блоком сбора информации, а также веден блок управляющих сигналов, соединенный с индукционными датчиками, квадруполями, линейными ускорителями, блоками разряда частиц обоих усилительных трактов и блоком сбора информации.

Линейный индукционный ускоритель // 2583039

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для создания пучков заряженных частиц наносекундной длительности с высокой частотой следования импульсов.

Резонансный ускоритель пылевых частиц // 2551652

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц. Резонансный ускоритель пылевых частиц содержит инжектор, индукционные датчики, усилители, мишень.

Инжектор заряженных пылевых частиц // 2551129

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано в качестве инжектора пылевых частиц в стенде для проведения испытаний по воздействию разнонаправленных потоков ускоренных частиц на материалы и элементов конструкции космических аппаратов.

Сильноточный наносекундный ускоритель электронных пучков // 2544845

Изобретение относится к ускорительной технике наносекундного диапазона и предназначено для генерации мощных электронных пучков, используемых в СВЧ приборах, радиационных технологиях и научных исследованиях.

Блок излучателя нейтронов // 2541509

Изобретение относится к устройствам импульсных излучателей с получением разовых или многоразовых импульсов нейтронного и рентгеновского излучения. В заявленном блоке излучателя нейтронов нейтронная трубка (8) с металлическим корпусом (9) герметично закреплена на торце корпуса блока схемы питания, имеет с ним тепловой и электрический контакты с возможностью смены нейтронной трубки.

Ускоритель высокоскоростных твердых частиц // 2534227

Способ определения аномальной дисперсии // 2534219

Изобретение относится к способам регистрации аномальной дисперсии неоднородного протяженного плазменного столба и может быть использовано в спектроскопии в неоднородных газовых и плазменных средах, в лазерной спектроскопии и в спектральном анализе газообразных веществ.

Инжектор заряженных пылевых частиц // 2532688

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано в качестве инжектора пылевых частиц для последующей ускорительной системы. Инжектор заряженных пылевых частиц, содержащий корпус, зарядный электрод, зарядную камеру, внешний составной электрод зарядной камеры, иглу (или набор игл), бункерную камеру.

Ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией // 2610148

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть применено для получения пучков заряженных частиц для ионной имплантации, нейтронозахватной терапии рака или для обнаружения взрывчатых и наркотических веществ, а также калибровки детекторов слабовзаимодействующих частиц темной материи и других приложений. В заявленном ускорителе-тандеме между трактом транспортировки пучка отрицательных ионов водорода низкой энергии и ускорителем размещены металлическое кольцо, охлаждаемая металлическая диафрагма, покрытая со стороны ускорителя сеткой под отрицательным потенциалом, вакуумный насос, а также на выходе из ускорителя поверхность вакуумного бака покрыта сеткой под отрицательным потенциалом. Техническим результатом является уменьшение паразитных потоков заряженных частиц в ускорительном канале, улучшение устойчивости работы ускорителя к пробоям по полному напряжению и увеличение тока протонного пучка. 3 ил.

Способ ускорения ионов импульсным электронным потоком // 2619081

Изобретение относится к технике ускорения заряженных частиц в сильных электрических полях, конкретно к методам коллективного ускорения ионов импульсными электронными потоками. Технический результат - увеличение тока ускоренных дейтронов при сохранении или уменьшении размеров дрейфового пространства. Сущность изобретения заключается в том, что в способе ускорения ионов импульсным электронным потоком, при котором формируют высоковольтный импульс отрицательного напряжения на катоде диода с использованием двухэлектродного разрядника, образуют поток электронов взрывной эмиссии с катода, запирают электронный поток в цилиндрической трубе дрейфа с формированием потенциальной ямы для положительно заряженных частиц, фокусируют излучение импульсного лазера на твердую мишень, образуют сгусток лазерной плазмы, расширяющийся к оси диода, ионизируют электронным потоком нейтральные атомы лазерной плазмы, компенсируют отрицательный объемный заряд внутри потенциальной ямы и ускоряют полученные ионы вдоль трубы дрейфа, часть лазерного излучения, необходимую для стабильного пробоя разрядника, фокусируют на его электрод и через время задержки τз после лазерного импульса возбуждают нарастающий ток в конусообразной спиральной линии, создают с помощью спиральной линии в области потенциальной ямы быстронарастающее азимутально-симметричное магнитное поле, спадающее по величине вдоль трубы дрейфа, и воздействуют им на сгусток электронов и ионов.1 ил.

Устройство для облучения образцов материалов электронами // 2639767

Изобретение относится к устройству для облучения образцов материалов электронами. Заявленное устройство состоит из герметичной камеры, представляющей собой цилиндрический корпус с патрубками, разделенный изолятором на две части, внутри которой расположены держатель образца, соединенный со средствами охлаждения, термопар, соединенных с вакуумным токовводом, расположенным на торцевой крышке камеры. На входе камеры установлена диафрагма для точной подачи электронов на образец. Техническим результатом является возможность проведения облучения образцов материалов потоком электронов от внешнего источника (ускорителя электронов). 3 з.п. ф-лы, 1 ил.