Прискорювач іонів

Реферат: UA 94972 U UA 94972 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Корисна модель належить до прискорювальної техніки, а саме до потужнострумових прискорювачів імпульсної дії, та може бути використана для одержання потужнострумових потоків заряджених часток. Відомий прискорювач потужнострумових іонних потоків великої енергії, заснований на колективних методах прискорення [1], на прискоренні іонів при порушенні сильних електромагнітних полів у різних електродинамічних структурах і плазмі [2]. Недоліком таких пристроїв є більші енерговитрати при їхній реалізації. Відомий пристрій для одержання прискорених іонів шляхом використання електричних полів релятивістських електронних пучків [3]. Недоліком відомого пристрою є мала ефективність прискорення іонів. Відомі прискорювачі іонів, що містять релятивістський електронний інжектор і камеру з газом зниженої щільності [4]. У таких пристроях релятивістський електронний пучок при русі через залишковий газ виконує його іонізацію. Під дією поля просторового заряду електронного пучка частина іонів плазми захоплюється в процесі прискорення. Недоліком таких пристроїв є складність схемного рішення й порівняно більші енерговитрати. Відомий пристрій для прискорення іонів, у якому прискорювальне поле створюється компактними електронними утвореннями - електронними кільцями. Цей прискорювач складається з електронного інжектора, адгезатора та пристрою для введення в адгезатор вільних іонів. У цьому пристрої адгезатор призначений для одержання електронних кілець із лінійного електронного потоку з релятивістськими енергіями [3]. Недоліками такого пристрою є низький ККД прискорювача й мале число прискорених іонів 8 (менше 10 часток). Найбільш близьким до технічного рішення, що заявляється, є прискорювач іонів, описаний у препринті [5]. Основними елементами цього пристрою є інжектор релятивістських електронних пучків, система електричних ізольованих електродів (вона складається із двох порожнистих і коротких циліндрів, установлених один за одним безпосередньо за інжектором), двох діелектричних кілець, усередину яких по центру встановлені металеві електроди. Система з електродів і діелектричних кілець розміщена усередині заземленої металевої труби, співвісної з інжектором. На виході електронного інжектора встановлена металева фольга, покрита з боку електродів тонким шаром фторопласту. Ця металева фольга одночасно служить і анодом інжектора. Діелектричні кільця, усередину яких установлені електроди під плаваючим потенціалом, виконані із фторопласту. Робота відомого пристрою відбувається наступним чином. При додатку високовольтного імпульсу до інжектора утворюється релятивістський електронний пучок. Оскільки енергія електронів велика (більше 1 МеВ), то вони практично без втрат проходять через металеву фольгу, що розділяє інжектор від системи електродів під плаваючим потенціалом [6]. Товщина фторопластового покриття розділової фольги вибирається такою, щоб при заданій енергії електронів частина енергії пучка йшла на нагрівання й випар фторопласту (звичайно товщина покриття досягає десятків мікронів). Газ, що утворюється при цьому, іонізується електронним пучком, і іони із цієї плазми прискорюються просторовим зарядом пучка. Інжектований пучок електронів, що поширюється під дією теплового розширення й не скомпенсованої частини сил просторового заряду, розширюється в радіальному напрямку й осідає на поверхню порожнистих циліндричних електродів. При цьому навколо електрода виникає електростатичне поле [7], яке є прискорювальним для іонів. Максимальне значення електричного поля, зарядженого в такий спосіб, провідника оцінюється по формулі 1 на стор. 2 [5], де наведений опис прототипу:    ,  4m eI   1 де E E  4m eI   1  E  4m eI   1    1  V / C  ;  2 Em  4m0eI 0  0  1 m m 50 m 0 0 0 2 1/ 2 1/ 2 0 0 0 1/ 2 2 0 2 0 2 0  1/ 2 - заряд електрона; 1/ 2 1/ 2 1/ 2 1/ 2 - щільність струму нескомпенсованої частини пучка; - маса спокою електрона; 2 1 0 V - швидкість електронів; C - швидкість світла. 1 UA 94972 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Оскільки електронний пучок є просторово протяжним (тривалість імпульсу інжекції становить десятки нс), і є розкид часток по швидкостях, то будуть заряджатися обидва електроди. Якби їхні потенціали Em були однаковими, то між ними утворювалася б потенційна яма. У цьому випадку для іонів цикл прискорення від першого електрода перемінявся б циклом гальмування на виході із другого електрода [8]. Якщо поля будуть різні по величині, то прискорення іонів було б пропорційне різниці цих величин. Однак можна створити й умови, коли прискорення іонів буде мати місце від обох електродів, у результаті чого енергія іонів буде зростати. Для цього необхідно, щоб після проходження іонів відповідного електрода, потенціал на ньому ставав рівним нулю. Це досягається автоматично тим, що в розглянутому пристрої частина електронів (особливо у хвостовій частині електронного згустка) осідає й бомбардує кільцевий ізолятор із фторопласту. Це викликає електричний пробій на поверхні між електродом, що перебуває під плаваючим потенціалом, і заземленою металевою трубою [9]. Експериментальні дані, наведені в описі прототипу, показують, що такий прискорювач дозволяє при енергії електронів близько 3 МеВ одержати протони з енергією до 16 МеВ і імпульсним струмом до 12 кА. Недоліками пристрою, вибраного як прототип, є неможливість регулювання енергії іонів, нестабільність параметрів іонного пучка по енергії й струму від імпульсу, великий енергетичний розкид прискорених іонів. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалити прискорювач іонів шляхом забезпечення керованого електричного пробою на поверхні дискових ізоляторів з малим часом затримки пробою, що дозволяє регулювати енергію іонів, підвищувати стабільність і багатоенергетичність іонного пучка. Поставлена задача вирішується тим, що в прискорювачі іонів, що містить співвісно розташовані інжектор релятивістських електронів з суцільним вихідним металевим анодом, покритим шаром фторопласту, і порожнисті циліндричні електроди, установлені на дискових ізоляторах у металевій трубі, внутрішні поверхні його циліндричних електродів покриті поліетиленом товщиною порядку 0,1 мм, зазначена труба оснащена оптичними вікнами, через які на торцеві поверхні дискових ізоляторів наведені імпульсні лазери УФ-діапазону, установлені поза трубою й з'єднані з блоком синхронізації, який також підключений до інжектора, а дискові ізолятори виконані з гофрованою бічною поверхнею, Таким чином, покриття внутрішньої поверхні циліндричних електродів поліетиленом товщиною порядку 0,1 мм, забезпечення труби оптичними вікнами, через які на торцеві поверхні дискових ізоляторів, виконаних з гофрованою бічною поверхнею, наведені імпульсні лазери УФдіапазону, установлені поза трубою й з'єднані із блоком синхронізації, який також підключений до інжектора, дозволяє регулювати енергію іонів, підвищувати стабільність і багатоенергетичність іонного пучка. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де показана структурна схема запропонованого пристрою. Він складається з інжектора 1 із суцільним вихідним металевим анодом 2, покритим фторопластом 3, порожнистих циліндричних електродів 4, внутрішня поверхня яких покрита поліетиленом 5, дискових ізоляторів 6 з гофрованими бічними поверхнями, установлених у трубі 7. Труба 7 оснащена оптичними вікнами 8, через які на торцеві поверхні дискових ізоляторів 6 наведені імпульсні лазери 9 УФ-діапазону, установлені поза трубою й з'єднані із блоком синхронізації 10, який також підключено до інжектора 1. Прискорювач іонів працює наступним чином. При додатку високовольтного імпульсу до інжектора 1 утворюється релятивістський електронний пучок. Цей пучок проходить через суцільний анод 2, викликаючи випар часток фторопластового покриття 3 і їх іонізацію, і поширюється далі в міжелектродному просторі. Під дією сил просторового заряду частина іонів із плазми захоплюється в процесі прискорення. При тепловому розширенні пучка й під дією нескомпенсованого поля пучка електрони попадають на порожнисті циліндричні електроди 4, внутрішня поверхня яких покрита поліетиленом 5, і заряджають їх до потенціалу φm. При цьому навколо електродів виникає електростатичне поле [7], яке є прискорювальним для іонів. Утворені поля й використовуються для додаткового прискорення іонів. Щоб зняти поле із прискорювальних електродів 4 у момент проходження іонів, включаються імпульсні УФ-лазери 9, наведені через оптичні вікна 8 на торцеві поверхні дискових ізоляторів 6. Імпульсні УФ-лазери 9 з'єднано із синхронізатором 10, який регулює зміну енергії релятивістського пучка, створюваного інжектором 1. Кількість УФ-лазерів 9 дорівнює кількості електродів 4. Використання УФ-лазерів дозволяє забезпечити керований електричний пробій по поверхні з малим часом затримки пробою [10]. Можливість одержання короткохвильового випромінювання для ініційованого пробою показана в експериментальній роботі [11]. 2 UA 94972 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Діелектричне покриття поверхні металу зменшує коефіцієнт вторинної емісії [12] і підвищує прискорювальну напругу. Для системи мідь-поліетилен зниження коефіцієнта емісії при енергії близько 1 МеВ становить (60…70) %. Виконання дискових ізоляторів 6 з гофрованою бічною поверхнею (при глибині гофра, рівній товщині електрода) знижує ймовірність мимовільного пробою й практично не впливає на розряд із зовнішнім ініціюванням [13]. Проведені розрахунки параметрів прискорювача іонів показали, що в порівнянні із прототипом можна збільшити енергію в 1,5…1,8 разів, зменшити енергетичний розкид на (50…60) % і забезпечити регулювання енергії прискорювача іонів від 10 МеВ до 20 МеВ без сильного зменшення ККД прискорення. При цьому додаткові енерговитрати (на створення лазерного ініціювання) становлять не більше 10 % від енергії інжектора. Для розрахунків траєкторій руху електронів поза інжектором використовувалася методика роботи [14]. Розрахунки характеристик прискорення іонів проводилися за даними матеріалів, наведених у роботі [3, с. 219-225] і в роботі [15], де враховувався як механізм прискорення іонів у поле просторового заряду електронного потоку, так і в поле електрично заряджених електродів. Керована схема прискорення іонів дозволить використовувати імпульсні інжектори з більш тривалим режимом формування потоку, що збільшить і число прискорених часток [16]. Таким чином, використання запропонованого технічного рішення дозволяє в порівнянні із прототипом збільшити енергію потоку часток в 1,5…1,8 разу, зменшити енергетичний розкид на (50…60) % і забезпечити регулювання енергії прискорювача іонів від 10 МеВ до 20 МеВ без сильного зменшення ККД прискорення. При цьому додаткові енерговитрати (на створення лазерного ініціювання) становлять не більше 10 % від енергії інжектора. Джерела інформації:. 1. Коломенский А.А. / Труды II симпозиума по коллективным методам ускорения. - Дубна: ОИЯИ, 1977. - С. 130. 2. Файнберг Я.Б. / Сб. "Теория и расчет линейных ускорителей". - М: Госатомиздат, 1962. С. 333. 3. Диденко А.Н. и др. Мощные электронные пучки и их применение. - М: Атомиздат, 1977. С. 163, 206. 4. Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. - М.: Сов. Радио, 1974. - С. 233. 5. C.N. Bouer, H. Kim, G. Zorn "Investigation of ion acceleration in vacuum using a linear electron beam". - International Topical Conference on Electron Beam Research and Technology. - New Mexico, November, 1975, УДК 621384. (Бойер К., КимХ. - Препринт Международной конференции по исследованию и технологии электронных пучков. - Нью-Мексико, 1975. - С. 35). 6. Ткач Ю.В. идр. / Физикаплазмы, 1975. - Т. 1. - № 1. - С. 81. 7. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. - Электродинамика сплошных сред. - М: ФМ, 1957. - С. 43. 8. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. - Механика. - М.: ФМ, 1958. - Гл. 3. 9. Воробьев А.А., Воробьев Г.А. Электрический пробой и разрушение твердых диэлектриков. - М.: ФМ, 1966. 10. Бабалин А.И. / ЖТФ, 1971. - Т.41. - Вып. 8. 11. Ткач Ю.В. / Физика плазмы, 1976. - Т.2. - Вып.3. - С. 473. 12. Месси Г, Бархоп Е. Электронные и ионные столкновения. - М.: ИЛ, 1958. - С. 266, 269272. 13. Верещагин В.Л. / Теплофизика высоких температур. - М.: АН СССР, 1967. - № 6. 14. Ткач Ю.В. /ЖТФ, 1974. - Т.44. - Вып.5. - С. 956-963. 15. Воробьев А.А. Ускорители заряженных частиц. - М-Л.: Госэнергоиздат, 1949. 16. Ткач Ю.В. / Письма в ЖЭТФ, 1975. - Т.22. - Вып. 3. - С. 136. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Прискорювач іонів, що містить співвісно розташовані інжектор релятивістських електронів з суцільним вихідним металевим анодом, покритим шаром фторопласту, і порожнисті циліндричні електроди, установлені на дискових ізоляторах у металевій трубі, який відрізняється тим, що внутрішні поверхні його циліндричних електродів покриті поліетиленом товщиною порядку 0,1 мм, зазначена труба оснащена оптичними вікнами, через які на торцеві поверхні дискових ізоляторів наведені імпульсні лазери УФ-діапазону, установлені поза трубою й з'єднані з блоком синхронізації, який також підключений до інжектора, а дискові ізолятори виконані з гофрованою бічною поверхнею. 3 UA 94972 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4