Багатоканальний ондуляторний індукційний прискорювач

1. Багатоканальний ондуляторний індукційний прискорювач заряджених частинок, що містить інжекторний блок, джерело живлення, блок вихідних пристроїв для пучків заряджених частинок, прискорювальний блок, виконаний у формі не менше двох з'єднаних одноканальних прискорюваль 3 75710 4 економічно недоцільним в силу непомірного зроприскорювача виконано у формі не менше як двох стання їх великої вартості. електродинамічне зв'язаних прискорювальних У ряді практичних застосувань вимагається блоків ОЛІП (одноканальних блоків), кожен з формування пучків заряджених часток з багатовиходів парціальних прискорювальних каналів компонентною структурою. Наприклад, електронні яких (крім тих, які підключено до інжекторів і тих, пучки для двопотокових супергетеродинних лазечерез які прискорені пучки виводять із системи) рах на вільних електронах, комбіновані (електронз'єднано з входом іншого прискорювального канано-іонні) пучки для деяких технологічних систем і лу поворотними системами. Причому, їх з'єднано т.д. Пряме використання ОЛІП у таких ситуаціях є таким чином, що пучок заряджених часток прохонеможливим, оскільки вони, як відзначалось, дить парціальні прискорювальні по ондуляторній призначені для формування виключно моноенертраєкторії. До виходів одноканальних блоків гетичних та однокомпонентних релятивістських підключено вихідні пристрої для пучків заряджених пучків заряджених часток. часток. Особливістю відомої конструкції є те, що Відомий також індукційний прискорювач, здатповоротні системи виконано на основі двополюсний працювати як пристрій для формування них постійних магнітів чи електромагнітів. релятивістських пучків заряджених часток, який Достоїнством даного технічного вирішення названо багатоканальним лінійним індукційним являється компактність ЕН-прискорювачів і, як прискорювачем (БЛІП) [див., декл. патент України наслідок, їх суттєво менша вартість (у порівнянні з на винахід №42392А, 2001]. БЛІП містить в собі двома іншими аналогами). Наприклад, у випадку, інжекторний блок, прискорювальний блок, джереякщо ЕН-прискорювач побудовано на базі однокало живлення та блок вихідних пристроїв для пучків нальних прискорювальних блоків ОЛІП типу АТА, заряджених часток. Тут прискорювальний блок то у випадку конструкції з, скажімо, шістьма пововиконано у формі не менше як двох ротами, загальну довжину системи зменшують, електродинамічне зв'язаних парціальних присконаприклад, з 60м до 10м. рювальних блоків ОЛІП (тобто одноканальних Як і БЛІП, ЕН-прискорювачі здатні прискорюблоків), а інжекторний блок виконано у формі не вати одночасно кілька пучків заряджених часток, менше двох інжекторів запряжених часток, кожен з включно з пучками, що складаються із заряджених яких підключено до окремого одноканального блочасток різних сортів (електронів з різними ку. До виходів одноканальних блоків підключено енергіями, іонів однакових та різних знаків і т.д.). вихідні пристрої для пучків заряджених часток. Недоліками відомого технічного вирішення є Особливістю конструкції вихідних пристроїв є те, великі втрати струму пучка в процесі прискорення. що їх тут виконано згідно конструкції, яка Це, головним чином, обумовлено недосконалістю забезпечує виведення прискорених пучків зарядконструкції поворотних систем, які, як вже говорижених часток із прискорювальних каналів. Вихідні лось, тут виконані на основі двополюсних магнітів. пристрої також можуть бути виконаними у формі Цей недолік ЕН-прискорювачів проявляється у систем зведення прискорених пучків. У тому числі, формі значних втрат струму пучка в процесі приодночасно можна виводити як пучки з часток односкорення. Останнє, головним чином, обумовлено го сорту (електронів з різними енергіями чи додатефектом дисперсії пучка в магнітному полі но або від'ємно заряджених іонів), так пучки різних поворотної системи. Суть ефекту полягає у насортів. ступному. Реальні електронні пучки, які формують Дана конструкція дозволила подолати значну з допомогою інжекторів, завжди мають певний частину недоліків, притаманних ОЛІП. Головним є розкид за енергіями часток. Як наслідок, радіуси те, БЛІП характеризуються здатністю до різкого поворотів різних електронів в робочому проміжку збільшення сумарної сили струму пучків заряджеповоротних магнітів також мають розкид за велиних пучків. Крім того, БЛІП характеризуються багачиною. Це означає, що характерний розмір пучка то ширшим полем функціональних можливостей. У на виході кожного повороту виявляється більшим тому числі, вони здатні формувати, наприклад, за його розмір на вході в поворот. Як наслідок з двоі багатошвидкісні електронні пучки, кожним поворотом збільшується частка тих закомбіновані електрон-іонні та іон-іонні пучки (тобто ряджених часток, які в процесі прискорення "не пучки, що складаються з іонів різних сортів, навписуються" в геометрію прискорювального канаприклад, від'ємно і додатно заряджених). лу, осідаючи на його стінках. Використання фокуЯк і у випадку ОЛІП, основним недоліком БЛІП суючих магнітних лінз на входах і виходах каналів є його надмірні повздовжні габарити, що особливо у даному випадку кардинально не вирішує пропроявляється при роботі пучків з енергіями блеми, хоч і дозволяє її дещо зм'якшити. Справа у більших за (5-10)МеВ. тому, що при цьому з'являються додаткові Відомий також індукційний прискорювач, здатосциляції пучка у поперечній площини прискорюний працювати як пристрій для формування вального каналу, в результаті чого значна частина релятивістських пучків заряджених часток, який електронів (хоч і менша) остаточно все ж таки названо ондуляторним індукційним прискорюваосідає на стінках. чем, або ЕН-прискорювачем [V.V.Kulish, P.B.Kosel, Даний пристрій є найбільш близьким до заA.C.Melnyk, N.Kolcio. Induction Undulative EHпропонованого винаходу по технічній суті та реaccelerator. Patent No.: US 6,433,494 Bl, Date of зультату, що досягається, і прийнято за прототип. Patent: Aug. 13, 2002]. Він містить в собі Завданням винаходу є створення індукційного інжекторний блок, прискорювальний блок, джереприскорювача комерційного типу, який ло живлення та блок вихідних пристроїв для пучків характеризується малими втратами часток пучка в заряджених часток. Прискорювальний блок ЕН 5 75710 6 процесі прискорення та підвищеними значеннями систем підключено до протилежної (тильної) часККД. тини багатоканального прискорювального блоку 4, Поставлене завдання вирішується тим, що у блок 7 джерел електричного поля поворотних і багатоканальному ондуляторному індукційному вихідних систем підключено до блоку 6 поворотприскорювачі (БОІП), що містить в собі них та вихідних систем. Система 5 живлення інжекторний блок, прискорювальний блок, джерепідключена до блоків 1 - 4 та 6, 7, відповідно. ло живлення та блок вихідних пристроїв для пучків Приклад конструкційної версії БОІП, за схемою заряджених часток, прискорювальний блок виконаведеною на Фіг.1, подано на Фіг.2. Тут 8 нано у формі не менше як двох електродинамічне одноканальні лінійні прискорювальні блоки, 9 зв'язаних одноканальних лінійних прискорювальінжектор електронів, 10 - джерела електричного них індукційних блоків, кожен з виходів поля, 11 – електронний пучок, 12 - фокусуючі елепарціальних прискорювальних каналів прискорюменти, 13 - поворотні системи, 14 - системи вального блоку, окрім тих, що підключено до електродів для створення електричного поля в інжекторного блоку і тих, через які прискорені пучробочих об'ємах поворотних систем 13, 15 ки виводять із прискорювача, з'єднано з входом вихідна система. Інжектор електронів 9 підключено іншого прискорювального каналу поворотними до входу першого з одноканальних лінійних присистемами, згідно винаходу, поворотні системи скорювальних блоків 8. Вихід даного блоку виконані у формі двополюсних магнітів, у робочі з'єднано з входом наступного однією з поворотних об'єми яких введено системи електродів, систем 13. В свою чергу, вихід другого однокаприєднаних до джерел електричного поля. Окрім нального лінійного прискорювального блоку 8 того, джерело електричного поля може бути викоз'єднано аналогічною поворотною системою 13 з нано у формі індуктора або у формі високовольтнаступною і т.д. До виходу останнього з одноканого джерела напруги. нальних лінійних прискорювальних блоків 8 Виконання індукційного прискорювача зарядпідключено вихідну систему 15. У проміжках між жених часток у сукупності з усіма суттєвими ознаповоротними системами 13 розміщено джерела 10 ками дозволяє реалізувати ситуацію, коли пучок в електричного поля, які, в свою чергу, підключено робочому об'ємі поворотної системи, рухаючись у до електродів 14. Електроди 14 розміщено в робосхрещених електричному і магнітному полях, чих об'ємах поворотних систем 13. Неприскорений зменшує свій розкид за енергіями і, як наслідок, електронний пучок 11 направлено на вхід першого зменшує свій поперечний розмір на вході у наз одноканальних лінійних прискорювальних блоків ступний робочий канал. Відповідно, суттєво змен8. шуються і втрати електронів на стінках Приклад конструкційної версії поворотної сиспарціальних прискорювальних каналів. теми 13, в робочій області якої розміщено систему Рішення із схожими ознаками при патентному 19 електродів, наведено на Фіг.3. Тут 16 - повопошуку заявником не виявлені і також не виявлені ротний двополюсний магніт, 17 - вхідний елеквідомості про впливи, передбачені суттєвими озтронний пучок, 18-вхідна система поворотного наками винаходу, що заявляється, на досягнення двополюсного магніту 16, 19 - система електродів, вказаного технічного результату. Це дозволяє 20 - вихідний пучок, 21 - вихідна система поворотзробити висновок, що технічне вирішення, що ного двополюсного магніту 16. Систему 19 заявляється, відповідає критеріям електродів розміщено таким чином, що створювапатентоспроможності "новизна" та не нею електричне поле у робочому об'ємі магніту "винахідницький рівень". виявляється гальмуючим для електронного пучка Суть винаходу пояснюється кресленнями, де в процесі повороту. Вхідний електронний пучок 17 на Фіг.1 наведена структурна електрична схема введено в поворотну систему 13 через вхідну сисбагатоканального ондуляторного індукційного притему 18, яку виконано у формі магнітної лінзи. скорювача (БОІП), на Фіг.2 - конструкція ондуляВихідний пучок 20 виведено з поворотної системи торного індукційного прискорювача (однопучкова 13 через вихідну систему 21, яку також виконано у конструкційна версія), Фіг.3 конструкція формі магнітної лінзи. запропонованої поворотної системи, Фіг.4 - приПриклад конструкції джерела 10 електричного клад взаємної компоновки поворотних систем та поля, виконаного у формі магнітного індуктора, джерел електричного поля. показано на Фіг.4. Тут: 22 - осердя індуктора, 23 Багатоканальний ондуляторний індукційний котушка індуктора, 24 -електричний екран (втоприскорювач (БОІП - див. Фіг.1) містить ринний електричний контур). Котушка 23 індуктора інжекторний блок 1, блок 2 джерел електричного (один або кілька витків) охоплює осердя 22 поля поворотних та вхідних систем, блок 3 повоіндуктора. Блок "осердя + котушка", в свою чергу, ротних та вхідних систем, багатоканальний прирозміщено у проміжках між парами поворотних скорювальний блок 4, систему 5 живлення, блок 6 систем 13 і охоплено електричним екраном 24, поворотних та вихідних систем, блок 7 джерел який виконано таким чином, що він одночасно електричного поля поворотних та вихідних систем. функціонально виконує роль вторинної обмотки Інжекторний блок 1 підключено до фронтальної трансформатора. Цю вторинну обмотку електриччастини блоку 3 поворотних та вхідних систем, які, не підключено до систем 19 електродів кожної із у свою чергу, підключено до багатоканального сусідніх поворотних систем 13. прискорювального блоку 4. Блок 2 джерел елекПередбачені також і інші конструкційні версії тричного поля поворотних та вхідних систем джерела електричного поля, у тому числі, наприкпідключено до блоку 3 поворотних та вхідних сислад, у формі стандартного імпульсного джерела тем. Відповідно, блок 6 поворотних та вихідних 7 75710 8 високої напруги, який підключено до системи ряджених часток (електронів, наприклад) електродів 19. рухається у суперпозиції схрещених магнітного та Робота передбачуваного винаходу електричного полів. При цьому, як вже говорилось, пояснюється на Фіг.5 - Фіг.8. У тому числі, на Фіг.5 електричне поле створюють тут завдяки системі та Фіг.6, проілюстровано принцип дії запропонова19 електродів, до якої підключено джерело 10 них блоку 3 поворотних та вхідних систем і блоку 6 електричного поля. Розглянемо варіант конструкції поворотних та вихідних систем (приклад джерела 10 електричного поля, виконаного у конструкції яких наведено на фіг.4) у формі індукторів, які розміщено у проміжках між гіпотетичному випадку, коли системи 19 поворотними системами (див. Фіг.4). електродів та електричні екрани 24 знято. Тут на Котушка 23 індуктора із змінним у часі струФіг.5 показано фронтальну, а на Фіг.6 - горизонмом, що міститься у кожному такому джерелі, тальну проекцію однієї і тієї ж схеми циркуляції створює в осерді 22 магнітний потік 25. Оскільки магнітних потоків та електричних силових ліній, де струм є змінним, то навколо кожного осердя 22 25 -магнітні потоки в осердях 22, 26 та 27 - силові генерується вихрове електричне поле 26. В силу лінії вихрового електричного поля, що створюютьтого, що напрямки магнітних потоків 25 у всіх ся у робочому об'ємі поворотної системи осердяосердях є однаковий, то напрямки вихрових елекми 22, які розміщені справа і зліва від неї, тричних полів, що створюються в одній і тій же відповідно. поворотній системі 13 сусідніми джерелами 10 На Фіг.7 проілюстровано фізичну суть ефекту електричного поля, є взаємно протилежними. Завдисперсії релятивістських заряджених часток дяки цьому, як електрони вхідного електронного (електронів), що рухаються в магнітному полі пучка 17, що повертається, так і електрони поворотної системи 13 у випадку, коли джерело 10 вихідного електронного пучка 20, що також електричного поля вимкнено. Тут 28 - три повертається, увесь час рухаються під дією гальрелятивістські електрони з швидкостями у, муючих електричних полів (спочатку 26, а потім    27). Для того, щоб вихрове електричне поле не 1 2 3 , 29 - вектор індукції магнітного поля виходило за межі джерела 10 електричного поля, між полюсами магнітів поворотної системи 13, 30 у конструкції на Фіг.4 передбачено екран 24, який 32 - траєкторії електронів із швидкостями    підключено до системи 19 електродів. Силові лінії , 2 , 3 , відповідно. 1 вихрових електричних полів 26, 27 замикають екНа Фіг.8 проілюстровано фізичну суть явища раном 24 скрізь, крім проміжків між системою 19 пригнічення ефекту дисперсії електронів за рахуелектродів. нок впливу електричного поля, на базі якого Головний недолік прототипу, як відзначалось, працює передбачуваний винахід. Тут: 33 обумовлений дією ефекту дисперсії заряджених    траєкторії електронів із швидкостями 1, 2 , 3 на часток при русі у магнітному полі поворотної системи. Суть даного ефекту полягає у наступному. які, крім магнітного поля 29, впливає також і електричне поле між системою 19 електродів, 34 - точЯк відомо, радіус повороту частки R c під дією ка реверса цього електричного поля x 0 , 35 - намагнітного поля суттєво залежить від її швидкості,   або, що те ж саме, від її енергії: прямки дії електричної сили Лоренца F eE на mc електрони в області взаємодії, 36 - координата Rc (1) eB точки сходження траєкторій x1 x 2 x3 де m - маса частки, c - швидкість світла у електронів на виході системи, e - заряд електро ну, F -напруженість вихрового електричного поля. 1 1 2 c2 вакуумі, - швидкість частки, Робота передбачуваного винаходу полягає у релятивістський фактор, e - заряд частки, B наступному. Інжектори 9, що входять до складу індукція магнітного поля. Також відомо, що всі блоку 1 формують пучки заряджених часток. Пучки реальні пучки завжди характеризуються ненульодалі подають на входи прискорювальних каналів вим початковим розкидом часток за швидкостями. одноканальних лінійних прискорювальних блоків 8, Розглянемо, для прикладу, три частки з початкоякі входять до складу прискорювального блоку 4. вими швидкостями та 1, 2 , Введення пучків здійснюють через вхідні пристрої 3 блоку 3 поворотних та вхідних систем. Далі пучки ,, 2 див.фіг .8 і знайдемо, якою 1,3 2 прискорюють в прискорювальних каналах і подабуде різниця радіусів їх поворотів R c R c1 R c3 ють на входи поворотних систем 13. Кожна з поворотних систем 13, у свою чергу, є підключеною до 1 , а також (розрахунок проводився при входів інших (паралельних першим) одноканаль2 2 ~ c тобто них лінійних прискорювальних блоків 8. Тут пучки вважалось, що 1 ): знову прискорюють і направляють на входи пово3 2mc (2) ротних систем 13 і т.д. Прискорені пучки знімають Rc eB із виходів 15 системи 6. Подібним чином працюють Таким чином, як витікає з формули (2) частки з як електронні прискорювачі, так і прискорювачі більшою швидкість повертаються з більшим іонних пучків, а також комбіновані електрон-іонні радіусом і навпаки. А це автоматично означає, що прискорювачі. частки, яки вийшли з однієї і тої ж точки входу в Головною відмінністю передбачуваного винаповоротну систему, приходять в різні точки її виходу є, як відзначалось, конструкція поворотних систем 13-А саме, їх виконано таким чином, що у ходу. При чому, оскільки R c ~ 3 , то цей ефект робочій області поворотної системи 13 пучок за 9 проявляється тим сильніше, 75710 10 початковою швидкістю - відповідно, найменше. На другій половині повороту напрямок руху частки по енергія часток mc 2 . осі y змінюється на протилежний (див. фіг 8). Але Запропонований прискорювач, як при цьому змінюється також і напрямок електричвідзначалось, відрізняється від прототипу ного поля. Тобто, тут також має місце процес конструкцією поворотної системи 13. А саме, погальмування часток пучка таким чином, що гальворотну систему виконано таким чином, що тут мування відбувається тим сильніше, чим більшою частка в процесі повороту рухається у схрещених є початкова енергія часток. Це веде до того, що в магнітному і електричному полях (див. Фіг.8). процесі повороту швидкості усіх часток пучка поРозглянемо спочатку рух частки на першій ступово зближуються,тобто, відбувається половині повороту, тобто, на повороті на кут 90°. У своєрідний процес його "квазіохолодження". Як процесі повороту частка одночасно здійснює рух наслідок реалізації даного ефекту пригнічення по координатах x та y . Причому, при русі по процесу дисперсії, різниця між координатами координаті у на неї крім магнітної сили Лоренца, x1, x 2 , x3 , прильоту часток з різними енергіями на діє також і електрична сила Лоренца. У випадку, вихід системи тут, на відміну від прототипу (див. коли прискорюється електронний пучок вона може Фіг.7), є багато меншою. В принципі, за рахунок бути представлена у формі відповідної настройки електричного поля можна F eE (3) досягти того, що всі частки, які вийшли з однієї і Ця сила здійснює роботу над електроном тої точки входу в поворот і на виході повороту таA F y (4) кож прийдуть в одну і ту ж точку (див. Фіг.8). яка залежить, як бачимо з формули 4, від шляху Винахід дозволяє використання його як комy пройденому нею вздовж координати y . Я попактного прискорювача комерційного типу для казано на Фіг.8, шлях y1 пройдений по осі y частприскорення заряджених часток, в тому числі, для формування одиночних та багатьох кою з найбільшою початковою швидкістю 1 є релятивістських пучків заряджених часток. найбільшим. Це означає, що сила (3) виконує над Таким чином, заявлений багатоканальний онтакими частками найбільшу роботу і навпаки. У дуляторний прискорювач відповідає критерію випадку, коли сила (3) є гальмуючою, це означає, патентоспроможності "Промислова придатність". що частки з найбільшою початковою швидкістю загальмуються найбільше, а частки з найменшою чим більшою є 11 75710 12 13 Комп’ютерна верстка М. Клюкін 75710 Підписне 14 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601