СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 1994 года по МПК H05H15/00 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для создания ускорителей заряженных частиц.

Известно, что в последние годы интенсивно разрабатываются новые способы ускорения заряженных частиц с большим приростом энергии на единицу длины ускорителя, так как традиционные способы ускорения достигли практического и теоретического предела и попытка увеличить энергию ускоренных частиц без существенного увеличения размеров ускорителя требует создания электрических полей свыше 1 + 2˙ 10⁷ В/см. Такие поля сравнимы с внутриатомными полями, и поэтому изоляционные материалы конструкции ускорителя переходят в плазменное состояние и разрушаются.

В связи с этим в настоящее время стали разрабатываться способы создания сильных электрических полей в плазме с целью их использования для ускорения частиц.

Наиболее известен способ создания сильных электрических полей, пригодных для ускорения электронов, с помощью резонансного возбуждения Ленгмюровских волн в плазме. Для возбуждения таких волн в однородной плазме используются лазеры. Напряженность поля в Ленгмюровской волне может достигать значения
E= , где n - электронная плотность плазмы; ε- величина, характеризующая степень разделения зарядов в Ленгмюровской волне.

ε = , где dn - возмущенная электронная плотность плазмы в максимуме Ленгмюровской волны. В лучшем случае ε≈20%.

Напряженность электрического поля при использовании этого способа может достигать значения ≈10⁹ В/см. Однако осуществление этого метода связано со значительными техническими трудностями, среди которых такие, как необходимость использования лазеров большой мощности, работающих на двух частотах; предварительное формирование электронного пучка с энергией свыше 100 МэВ для последующего ускорения, так как скорость Ленгмюровских волн близка к скорости света; необходимость синхронизации процессов формирования плазмы с импульсом лазерного излучения и с вводом предварительного ускоренного пучка электронов. Еще одним недостатком этого способа является то, что он позволяет ускорять только электроны.

Для ускорения ионов необходимо использовать более медленные волны в плазме, например бесстолкновительные магнитозвуковые ударные волны. Возможно, именно этот механизм ускорения заряженных частиц реализуется в космическом пространстве [1].

В настоящее время выполнен эксперимент, подтвердивший возможность такого механизма ускорения, в котором зарегистрированы протоны с энергией около 1,5 кэВ [2].

Этот механизм ускорения может считаться прототипом предлагаемого способа, так как в нем используются бесстолкновительные магнитозвуковые ударные волны. Появление ускоренных заряженных частиц на фронте ударной волны объясняется следующим образом. Возникновение ударной волны в плазме приводит к повышению плотности заряженных частиц на фронте ударной волны, что приводит к возникновению электрического потенциала ϕ. Согласно теории, потенциал на фронте ударной волны будет определяться выражением
ϕ ≃ (m_i/e )˙V_A²·(c/W_p)^-1˙ (M_A - 1)^3/2, где m_i - масса иона газа, в котором создается плазма; е - заряд электрона; V_A - Альфвеновская скорость; с - скорость света; W_p - плазменная частота; М_А - Альфвеновское число Маха. Если скорость движения некоторой части ионов плазмы близка к скорости движения фронта ударной волны, то такие ионы, отразившись от "горба" потенциала ударной волны, могут быть вновь возвращены магнитным полем к фронту ударной волны и вновь отразятся от "горба" потенциала, увеличивая свою энергию. В результате многократных отражений ионы как бы скользят вдоль фронта ударной волны и, когда их скорость достигнет значения
V = V_A (m_i/m_e)^1/2 (M_A - 1)^3/2, переваливают через "горб" потенциала и выходят из ускорения.

Однако для практического использования вышеприведенного способа требуются дополнительные технические решения для формирования пучка заряженных частиц, так как при ускорении заряженная частица смещается вдоль фронта ударной волны в направлении y и одновременно движется с самим фронтом в направлении х, то есть величина Δy/Δ x будет определять размеры области ускорения, а так как Δ y > Δx, то она очень значительна.

Таким образом вся поверхность фронта ударной волны испускает ускоренные частицы под различными углами. Однако не только большая поверхность эмиссии ускоренных ионов является недостатком данного способа, но и то, что энергия от фронта ударной волны отбирается очень медленно. Ион должен приблизительно описать полуокружность с Ларморовским радиусом, прежде чем он вновь получит очередную порцию энергии от потенциала ударной волны, то есть темп ускорения ионов очень низок.

Поэтому, с целью получения пучка заряженных частиц с высоким темпом ускорения, предлагается данный способ. Для достижения цели в предлагаемом способе, как и в прототипе, ускоряющее электрическое поле формируется в замагниченной плазме при помощи бесстолкновительной магнитозвуковой ударной волны, но в отличие от прототипа в замагниченной плазме создаются не одна, а две сходящиеся бесстолкновительные магнитозвуковые ударные волны. При этом ударные волны формируются так, что между плоскостью одной ударной волны и вектором напряженности магнитного поля образуется угол θ, в то время как другая волна формируется так, что угол между плоскостью ее фронта и напряженностью магнитного поля равен θ. Тогда область схождения волн будет двигаться вдоль магнитного поля со скоростью
V_s = .

Для того, чтобы V_s изменялась так же, как и скорость ускорения частиц, необходимо изменять угол θ , так как V_ф - постоянна и определяется только плотностью плазмы и напряженностью магнитного поля.

Угол θ, как показали наши расчеты, необходимо менять по закону
θ = arcsin , где q - заряд ускоряемой частиц;
Е - напряженность электрического поля области схождения;
М_А - Альфвеновское число Маха;
Z - координата вдоль магнитного поля;
V_so - начальная скорость захваченной в ускорение заряженной частицы;
V_ф - скорость фронта ударной волны.

Таким образом, в отличие от прототипа, вместо одной ударной волны формируются две сходящиеся магнитозвуковые ударные волны. При этом для ускорения используется составляющая электрического поля, связанная с областью схождения, направленная вдоль магнитного поля, а не перпендикулярная, как в прототипе. Для обеспечения эффективности взаимодействия ускоряемых частиц с ускоряемым потенциалом добиваются синхронного движения ускоряющего потенциала с ускоряемыми частицами, скорость которых увеличивается в процессе ускорения. В прототипе эффективность взаимодействия обеспечивается магнитным полем, возвращающим частицу вновь к ускоряющему потенциалу, а так как такое взаимодействие дискретно, то оно уступает по эффективности непрерывному взаимодействию ускоряющего потенциала с заряженными частицами в предлагаемом способе. Для обеспечения синхронизма области схождения с заряженными частицами, захваченными в ускорение, скорость которых увеличивается под воздействием ускоряющего потенциала, угол θ изменяется по закону
θ = arcsin .

Темп ускорения в предлагаемом способе выше за счет непрерывного воздействия ускоряющего потенциала на захваченные в ускорение заряженные частицы. Кроме того, в прототипе есть ограничение на энергию, приобретенную ускоренными частицами, так как, когда сила Лоренца, возвращающая частицу в ускорение, превосходит силу электрического потенциала фронта ударной волны, то такая частица выходит из ускорения, а в предлагаемом способе взаимодействие "бегущего" потенциала с ускоряемыми частицами непрерывно, пока есть синхронизм движения.

Способ осуществляется следующим образом. В разрядной цилиндрической камере, заполненной газом (водородом), предварительно создается магнитное поле, направленное по оси этой камеры. В камере размещают две пары разрядных электродов, кривизна передней и задней кромок которых вдоль направления магнитного поля меняется так, чтобы получить требуемую кривизну фронтов встречных ударных волн. В этом случае на длине ускорения выполняется условие V_s = V_ф/sinθ (Z), где V_s - скорость ускоряемой частицы; V_ф - скорость фронта ударной волны; θ (Z)- изменяющийся вдоль базы ускорения половинный угол столкновения двух БУВ. При этом направление электрического поля в каждой паре разрядных электродов перпендикулярно направлению магнитного поля и встречно относительно электрического поля в другой паре электродов, образующих разрядный промежуток.

По мере увеличения электрического поля в каждом разрядном промежутке происходит пробой. Газ в них становится плазмой и в результате взаимодействия тока, протекающего через плазму разрядных промежутков с магнитным полем, плазма начинает дрейфовать со скоростью
V_др = , где Е - напряженность электрического поля в разряде;
Н - напряженность магнитного поля в разрядной камере. Так как электрические поля в разрядных промежутках направлены встречно, то потоки дрейфующей плазмы будут встречными. Согласно теории плазменных ускорителей, скорость дрейфа плазмы путем увеличения тока разряда может быть доведена до значения
V_max= V , где V_Ao- Альфвеновская скорость при начальной напряженности магнитного поля.

Два встречных потока плазмы с такими скоростями вызывают появление двух встречных ударных волн, так как
= M_A = 1,43 . где М_А - Альфвеновское число Маха.

При схождении ударных волн в области их схождения образуется электрический потенциал ϕ, равный
ϕ = . Напряженность электрического поля в области схождения определится как Е = ϕ /Δ , где Δ - ширина фронта
Δ ≃ (W_ре - плазменная частота).

Частный случай предлагаемого способа, когда угол столкновения двух БУВ постоянен на конечной базе ускорения, проверен экспериментально на лабораторной установке, состоящей из цилиндрической камеры с внутренним диаметром 180 мм и длиной 1400 мм, на которой расположены катушки, создающие магнитное поле, направленное параллельно оси цилиндрической камеры, напряженностью от 1 до 2,5 Тл. В камере располагались две пары плоских электродов длиной 600 мм. Каждая пара, образующая свой электроразрядный промежуток, располагалась так, что ось одного разрядного промежутка составляла угол 6^о с направлением магнитного поля, а ось другого промежутка составляла угол -6^о. От внешних источников на разрядные электроды прикладывались потенциалы так, что в разрядных промежутках создавались встречные потоки плазмы. Путем увеличения мощности, вводимой в разряды, плазменные потоки образовывали две сходящиеся магнитозвуковые ударные волны, которые регистрировались магнитными зондами. Двойным электрическим зондом регистрировался электрический потенциал вдоль магнитного поля при схождении ударных волн. Наличие ускоренных частиц, дейтонов (разряды проводились в дейтериевой плазме) определялось активационным методом с помощью реакции
¹⁴N (d,n)¹⁵O (T_1/2 = 122,24 c,β⁺) E_γ= 511 кэВ
Наведенная β⁺- активность регистрировалась по аннигиляционным γ-квантам двумя гамма-спектрометрами типа NaI, включенными в совпадения. Измерения выхода реакции ¹⁴N(d,n)¹⁵O позволили оценить энергию ускоренных частиц порядка Ed = =1,4±0,7 МэВ при общем потоке 5,4˙ 10¹⁰частиц/импульс. Так как в процессе эксперимента угол θ между фронтами ударных волн был фиксированным, то синхронизм между ускоренными частицами и потенциалом области схождения быстро нарушался, что не позволило получить максимальную для установки энергии и захватить в ускорение большее число частиц. В дальнейших экспериментах будет проводиться синхронизация захваченных в ускорение частиц с бегущим ускоряющим потенциалом. В целом, эксперимент подтвердил работоспособность предлагаемого способа ускорения заряженных частиц в плазме и зарегистрировал частицы с энергией 1,4±0,7 МэВ, в то время как в лабораторном эксперименте, в котором проверялся способ, являющийся прототипом, зарегистрированы протоны с максимальной энергией 1,5 кэВ.

Использование: в ускорителях заряженных частиц. Сущность: в замагнитченной плазме сильных электрических полей создают две бесстолкновительные магнитозвуковые ударные волны. В области схождения волн возникает электрическое поле, суммарный вектор напряженности которого параллелен внешнему магнитному полю. Угол между фронтами ударных волн подбирается таким, что область схождения ударных волн движется синхронно с ускоряемыми частицами в течение всего цикла ускорения.

СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, заключающийся в создании в плазме, замагниченной внешним магнитным полем, бесстолкновительной магнитозвуковой ударной волны, отличающийся тем, что в плазме дополнительно создают бесстолкновительную магнитозвуковую ударную волну, сходящуюся с первой волной, при этом скорость фронтов ударных волн и угол схождения волновых фронтов выбирают исходя из условия формирования в области схождения ударных волн бегущего синхронно с ускоряемыми частицами электрического поля, суммарный вектор напряженности которого параллелен внешнему магнитному полю.