СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ИОНОВ Российский патент 2002 года по МПК H05H15/00 G21B1/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и к ядерной энергетике на основе управляемого термоядерного синтеза.

Если ускорители протонов и электронов используются для изучения внутренней структуры элементарных частиц и основных взаимодействий, то ускорители многозарядных ионов относятся к другому классу с другими задачами.

Из обзора [1] видно, что разработчики линейных ускорителей тяжелых ионов с высокими массовыми числами встретились с проблемой ускорения ионов на основе высокочастотного способа ускорения, когда признак малогабаритности является главным. В 1993г. в Дубне введен в действие жесткофокусирующий ускоритель релятивистских ядер - нуклотрон, который позволяет ускорять протоны до 12 ГэВ, а ионы тяжелых элементов до энергий 6 ГэВ на нуклон. Разработчики ускорителей многозарядных ионов повторили принципиальные недостатки обычных ускорителей заряженных частиц.

В 1994г. Церн приступил к ускорению ядер свинца на ускорителе [2] для обнаружения кварк - глюонной плазмы при энергии 33 ГэВ в режиме работы на неподвижную мишень, т.е. при энергии в центре масс 3,5 ТэВ.

В Брукхевенской Национальной Лаборатории (BNL), где 8 лет шло строительство релятивистского ускорителя - столкновителя тяжелых ионов, создана установка RHIC, которая содержит два кольца с периметром 2,4 мили. Коллайдер RHIC способен ускорять ионы золота до энергии 100 ГэВ на нуклон. Предложенный БНЛ эксперимент "золото по золоту" направлен на создание условий, соответствующих зарождению нашей Вселенной при "Большом Взрыве ".

И здесь техника ускорения сохранила все принципиальные недостатки современной ускорительной техники заряженных частиц:
1. Задача увеличения энергии - главная в ускорительной технике - практически решается за счет увеличения геометрических размеров ускорителя.

2. С увеличением периметра кольцевой структуры ускорителя возрастают:
- инерционность ускорителя,
- пассивное потребление энергии от промышленной сети;
- трудности управления выходными координатами главных технических систем ускорителя.

3. Жесткая фокусировка в структуре синхрофазотрона только увеличивает перечень недостатков ионного ускорителя, она является результатом недостаточного владения процессами управления ускорителя.

4. Синхротронное излучение ограничивает предельные возможности ускорителя по величине достигаемой энергии.

5. Востребована многокаскадная структура ускорительного процесса.

6. Практика встречных пучков, основанная на использовании двух ускорительных колец в BNL, лишь в какой-то степени ослабляет остроту ситуации безвыходности.

Принципы работы традиционных ускорителей как автономно, так и в связке с накопительными кольцами основаны на удержании пучка заряженных частиц на круговой орбите в поперечном магнитном поле, что определило все принципиальные недостатки современной ускорительной науки и техники.

Рассмотрим [3] как прототип, который содержит замкнутый контур в виде многоугольника для пролета заряженных частиц, в каждой стороне которого установлены диполь, уплотняющее устройство, при этом диполи и уплотняющие устройства выполнены с продольным магнитным полем. Прототип является генератором заряженных частиц с энергией Е > 10¹⁵ эВ.

Недостаток прототипа состоит в том, что он изначально не был ориентирован на ускорение многозарядных ионов.

В предлагаемой схеме лабораторного образца управление движением ионов осуществляют в замкнутом объеме в продольном магнитном поле по сторонам многоугольника, причем предварительно выбирают орбиты с разными массовыми числами исходя из условия
А₁Z₂ = А₂Z₁,
где А₁, А₂ - массовые числа,
Z₁, Z₂ - кратности зарядов,
при этом после инжекции ионов в углы многоугольника их ускоряют и уплотняют за счет уплотняющих устройств с продольным магнитным полем и действия силы магнитного притяжения в процессе ускорения ионов до достижения заданного уровня энергии.

Источники питания магнитной системы позволяют удерживать орбиты ионов, регулируя величину тока источников тока, и дополнительно управлять положением орбит ионов.

Будем исходить из того, что произведена многовходовая инжекция с массовыми числами А₁, А₂ и кратностями зарядов Z₁, Z₂. Отклоняющий диполь изменяет направление орбиты ионов на угол α градусов между вектором скорости иона и направлением магнитной индукции В диполя, при этом ионы движутся в отклоняющем диполе по винтовой линии с радиусом r и шагом винта h.

γ₁, γ₂ - отношение полной энергии иона к энергии покоя,
В - индукция магнитного поля диполя в теслах.

При необходимости в процесс ускорения могут быть дополнительно включены другие группы ионов, причем с разными знаками их зарядов.

Отклоняющий диполь изменяет направление орбиты на угол α в каждой стороне многоугольника. Из формул (1) и (2) видно, что радиусы r₁, r₂ вращающихся ионов в процессе ускорения изменяются от нуля до значения, асимптотически приближающегося при энергии иона E→∞ к конечным величинам. Ограниченный размер радиусов витков выражает и обеспечивает устойчивость процесса неограниченного увеличения энергии коллектива ионов.

Шаг винта определяется по формуле

Смещение орбит ускоряемых ионов
Δr = r₂-r₁
в интервале энергий E→∞ может быть определено формулой

При А₁Z₂ = А₂Z₁
Δr = 0.
Например, для термоядерной реакции
₃Li⁶ + ₁D² --> 2₂He⁴ + 22,4 МэВ,
Δr = 0.
Эффект совпадения орбит с разными массовыми числами дополнительно может усиливаться силой магнитного притяжения при движении ионов в одном направлении. Кроме указанного выше можно показать другие примеры совпадения орбит из таблицы Менделеева.

Предлагаемый способ обеспечивает многовходовую структуру с числом инжектированных входов, равных количеству сторон орбиты многоугольника. Все инжектированные ионы будут располагаться в процессе ускорения по своим орбитам в соответствии с их массовыми числами и кратностями зарядов по формулам (1),(2)...и двигаться в направлениях по орбитам в соответствии со знаком их зарядов. При движении коллектива ионов с параметром Z по орбите их энергия увеличивается в соответствии с формулой:

U - ускоряющее напряжение орбиты, т.е. суммарное напряжение всех ускоряющих устройств в многоугольнике центральной орбиты в вольтах,
Т_у - время ускорения в секундах,
П - длина центральной орбиты в метрах.

Радиационные потери сверхмощного генератора ионов для одной компоненты термоядерного топлива равны:

n - число ионов,
В - магнитная индукция в теслах.

На фиг. 1 показана схема генератора ионов, где цифрой 1 обозначен блок в комплектации по фиг. 2,
2 - отклоняющий диполь с продольным магнитным полем,
3 - уплотняющее устройство с продольным магнитным полем,
4, 5, 6 - источники тока на основе эффектов бесконечного усиления,
7 - ускоряющее устройство,
8 - тепловыделяющий элемент,
9 - отверстия для пролета ионов,
10 - центральная орбита,
11 - управляемый источник высокого напряжения,
12 - управляемый вход источника высокого напряжения поз. 11.

Из представленных формул хорошо видны предложения, которые оптимизируют генератор ионов, в частности, определяют оптимальное число сторон многоугольника и число инжекционных входов. Генератор является малогабаритным ускорителем, здесь нет проблемы фокусировки и поэтому устройства поз. 3 названы уплотняющими.

Параметры площадки ускорения обеспечиваются управляемыми источниками питания на основе эффектов бесконечного усиления, способными точно выдерживать и повторять заданное магнитное поле в диполях и уплотняющих устройствах и точно поддерживать заданное напряжение в поз. 11 в соответствии с заданной программой.

В генераторе ионов показано максимальное количество источников питания, их количество можно уменьшить за счет последовательного включения устройств магнитной системы и параллельного питания ускоряющих устройств.

На фиг. 3 ускоряющие электроды имеют форму полусфер, но они могут быть выполнены в виде пластин или колец с отверстиям для пролета ионов. При выборе конкретной конструкции электродов следует исходить из ее эффективности, т.е. из максимального прироста энергии на единицу длины комплекта ускоряющих электродов. Симметричная форма ускоряющих электродов и симметричное размещение их относительно центральной орбиты позволяет по законам электростатики подавить тормозящие электрические поля при пролете ионов.

Предложенная схема генератора ионов, являясь быстродействующим ускорителем, обусловливает принципиально новые возможности ускорительной техники и физики высоких энергий по всем направлениям. Структура генератора позволяет осуществить его работу в любом из двух вариантов управления движением пучков ионов в продольном магнитном поле:
1. в варианте однополярных пучков ионов,
2. в варианте встречных пучков ионов.

Экспериментальные исследования генератора ионов позволят:
1. проверить теоретически сформулированные требования для осуществления термоядерной реакции синтеза,
2. определить основные физические, конструктивные и технологические параметры первого образца термоядерного реактора синтеза.

Литература
1. Бомко В. А. , Дьяченко А. Ф., Кобец А.Ф., Рудяк Б.И. Исследования структур для ускорения тяжелых ионов. - М.: ЦНИИатоминформ, 1988.

2. Ширшов Л. С. Новое состояние вещества. Ускоритель. Газета Института физики высоких энергий, 11 августа 2000г. г. Протвино Московской области.

3. Патент RU 216684 С1, Н 05 Н 13/04, 10.05.2001.

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к способам ускорения ионов. Способ ускорения ионов включает ускорение в генераторе заряженных частиц, содержащем замкнутый контур с центральной орбитой в виде многоугольника, в каждой стороне которого устанавливают диполь и уплотняющее устройство, при этом диполи и уплотняющие устройства выполняют с продольным магнитным полем. Управление движением ионов осуществляют в замкнутом объеме в продольном магнитном поле по сторонам многоугольника, причем предварительно выбирают орбиты ионов, исходя из условия А₁Z₂ = A₂Z₁, где А₁ , А₂ - массовые числа, Z₁, Z₂ - кратности зарядов, при этом после инжекции в углы многоугольника ионы ускоряют и уплотняют уплотняющими устройствами с продольным магнитным полем и действием силы магнитного притяжения в процессе их ускорения и совмещают участки орбит путем регулирования величины тока источников тока магнитной системы на основе эффектов бесконечного усиления до достижения ионами заданного уровня энергии. Технический результат - обеспечение ускорения в многовходовой структуре с числом инжектированных входов, равных количеству сторон орбиты многоугольника. 3 ил.

Способ ускорения ионов, включающий ускорение в генераторе заряженных частиц, содержащем замкнутый контур с центральной орбитой в виде многоугольника, в каждой стороне которого устанавливают диполь и уплотняющее устройство, при этом диполи и уплотняющие устройства выполняют с продольным магнитным полем, отличающийся тем, что управление движением ионов осуществляют в замкнутом объеме в продольном магнитном поле по сторонам многоугольника, причем предварительно выбирают орбиты ионов, исходя из условия А₁Z₂ = A₂Z₁, где А₁А₂ - массовые числа, Z₁ Z₂ - кратности зарядов, при этом после инжекции в углы многоугольника ионы ускоряют и уплотняют уплотняющими устройствами с продольным магнитным полем и действием силы магнитного притяжения в процессе их ускорения и совмещают участки орбит путем регулирования величины тока источников тока магнитной системы на основе эффектов бесконечного усиления до достижения ионами заданного уровня энергии.