УСКОРИТЕЛЬ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2003 года по МПК H05H5/00 

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, генератора Ван-де-Граафа, цилиндрических электродов, каждый последующий из которых имеет больший по сравнению с предыдущим продольный размер, генератора высоковольтного синусоидального напряжения постоянной частоты и мишени (D.B.Becker, J.F.Friichtenicht. Measurement and interpretation of the luminous efficiencies of iron and copper simulated micrometeors. /Nuclear science, 1965, 6).

Наиболее близким является линейный ускоритель для моделирования микрометеоритов, 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).

Однако он обладает рядом недостатков:
- ускоритель имеет большую массу и большие габариты, что обусловлено тем, что каждый последующий цилиндрический электрод имеет больший продольный размер по сравнению с предыдущим;
- узкий диапазон ускоряемых частиц и небольшое число ускоряющих секций, что обусловлено тем, что данная система не позволяет ускорять частицы в широком диапазоне масс без предварительной перенастройки геометрии ускоряющего тракта. Это связано с тем, что частицы одной массы могут в одном и том же инжекторе получать разный заряд. Так как проходя ускоряющий промежуток, частица приобретает приращение кинетической энергии Е•q_Ч, a соответственно и скорости, равное где имеет место нелинейная зависимость приращения скорости от удельного заряда частицы. В прототипе пачка управляющих импульсов содержит импульсы одинаковой длительности и частоты для всех импульсов. Причем длительность импульсов есть функция от начальной скорости V₀ частицы, а синхронизация управляющих импульсов с положением частицы (переключение происходит в момент времени нахождения частицы в середине каждого цилиндрического электрода) достигается путем увеличения продольного размера каждого последующего электрода по сравнению с предыдущим
Поставлена задача разработать ускоритель с улучшенными габаритно-весовыми характеристиками и более широким диапазоном ускоряемых частиц.

Поставленная задача достигается тем, что в ускорителе высокоскоростных твердых частиц, содержащем инжектор, индукционные датчики, усилители, линейный ускоритель, источник фиксированного высокого напряжения, цилиндрические электроды, селектор скоростей и мишень, согласно изобретению в промежутке между инжектором и линейным ускорителем соосно с ними установлен дополнительный индукционный датчик, который соединен с селектором удельных зарядов, соединенным с генератором изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке, а его выходы соединены с блоком сопряжения, который соединен с ЭВМ, и усилителем пачки импульсов переменной длительности, выход которого соединен с цилиндрическими электродами, а вход - с каскадным генератором.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид ускорителя совместно с обслуживающей аппаратурой; на фиг.2 приведен пример генерируемого высоковольтного напряжения.

Устройство содержит инжектор 1, индукционные датчики 2, усилители 3, линейный ускоритель 4, источник фиксированного высокого напряжения 5, цилиндрические электроды 6, селектор скоростей 7, селектор удельных зарядов 8, генератор изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 9, блок сопряжения 10, электронно-вычислительную машину 11, усилитель пачки импульсов переменной длительности 12, каскадный генератор 13, мишень 14. Каждый из индукционных датчиков 2 соединен с входом соответствующего усилителя 3, выход первого усилителя 3 соединен с первым входом селектора удельных зарядов 8, выход второго усилителя 3 соединен с входом селектора скоростей 7 и вторым 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 9, выход генератора изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 9 соединен с первым входом усилителя пачки импульсов переменной длительности 12, выходы которого соединены с цилиндрическими электродами 6, выход каскадного генератора 13 соединен со вторым входом усилителя пачки импульсов переменной длительности 12, выход третьего усилителя 3 соединен с входом блока сопряжения 10, который соединен с электронно-вычислительной машиной 11 и генератором изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 9.

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, второй индукционный датчик 2, цилиндрические электроды 6, третий индукционный датчик 2 и попадает на мишень 14. 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 частице 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 и второго индукционных датчиков 2. 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 9 кодам начальной скорости и удельного заряда на его выходе формируется пачка импульсов, которая создает ускоряющее поле между каждой парой электродов 6. 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 9 с ЭВМ 11. Усилитель пачки импульсов переменной длительности 12 усиливает сформированные генератором изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 9 импульсы. Усиленные импульсы поступают на цилиндрические электроды 6. Третий индукционный датчик 2 подключен к блоку сопряжения 10 и служит для получения выходных данных. Затем уже ускоренная частица попадает на мишень 14 и весь процесс повторяется. ЭВМ 11 производит статистику эксперимента и динамическое управление ускорителем.

Для известных геометрических параметров ускорительного тракта всегда можно определить поле в любой точке тракта

где ε₀- диэлектрическая постоянная (ε₀ = 8,85•10^-12Ф/м);
dq - малый заряд поверхности dS;
r - расстояние от поверхности dS до точки, в которой определяется поле.

Таким образом определив вектор поля в точке и зная вектор скорости и удельный заряд частицы, можно записать

где q_Ч - заряд ускоряемой частицы.

Зная силу, действующую на частицу, получаем уравнение движения:

где


Следовательно, уравнение движения можно записать как

Тогда становится возможным, задавая зависимость напряжения на электродах от времени и меняя тем самым вектор поля, задать нужную траекторию движения частицы.

Как видно из (4), изменение вектора перемещения зависит не только от начальной скорости частицы, но и от ее удельного заряда q_Ч/m_Ч. Причем данная зависимость (R= f(q_Ч/m_Ч)) не является линейной, а следовательно, для того чтобы избежать фазового набега в ускорителях, построенных по типу ускорителя Слоуна - Лоуренса, необходимо измерять удельный заряд частицы и по мере движения частицы по ускорительному тракту менять длительность импульсов ускоряющего напряжения. Однако ускорители, построенные по типу ускоряющей системы Слоуна - Лоуренса, как раз и ставят задачу упрощения системы управления, т. е. предполагают неизменность частоты пачки импульсов. Так как предлагаемый ускоритель имеет в своем составе селектор удельных зарядов и предполагает изменение длительности импульсов в пачке, то отпадает надобность применять цилиндрические электроды разной длины, так как длительность каждого импульса в пачке вычисляется и является функцией начальной скорости, удельного заряда частицы, номера импульса, а также геометрии ускорительного тракта. Использование селектора удельного заряда в совокупности с селектором скоростей позволяет вычислять и формировать требуемую пачку импульсов для любой частицы, что позволяет уменьшить фазовый набег (в данном случае фазовый набег возникает из-за погрешности измерения скорости и удельного заряда частицы), а следовательно, существенно увеличить диапазон ускоряемых частиц и число ускоряющих секций.

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 и мишень. В промежутке между инжектором и линейным ускорителем соосно с ними установлен дополнительный индукционный датчик, который соединен с селектором удельных зарядов, соединенным с генератором изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке, а его выходы соединены с блоком сопряжения, который соединен с ЭВМ, и усилителем пачки импульсов переменной длительности, выход которого соединен с цилиндрическими электродами, а вход - с каскадным генератором. Технический результат: ускоритель позволяет существенно увеличить диапазон ускоряемых частиц и число ускоряющих секций. Так как ускоритель имеет в своем составе селектор удельных зарядов и предполагает изменение длительности импульсов в пачке, то отпадает надобность применять цилиндрические электроды разной длины, поскольку длительность каждого импульса в пачке вычисляется и является функцией начальной скорости, удельного заряда частицы, номера импульса, а также геометрии ускорительного тракта. Использование селектора удельного заряда в совокупности с селектором скоростей позволяет вычислять и формировать требуемую пачку импульсов для любой частицы, что позволяет уменьшить фазовый набег, а следовательно, существенно увеличить диапазон ускоряемых частиц и число ускоряющих секций. 2 ил.

Ускоритель высокоскоростных твердых частиц, содержащий инжектор, индукционные датчики, усилители, линейный ускоритель, источник фиксированного высокого напряжения, цилиндрические электроды, селектор скоростей, каскадный генератор и мишень, отличающийся тем, что в промежутке между инжектором и линейным ускорителем соосно с ними установлен дополнительный индукционный датчик, который соединен с дополнительно установленным усилителем, выход первого усилителя соединен с первым входом селектора удельных зарядов, выход второго усилителя соединен со вторым входом селектора удельного заряда и входом селектора скоростей, соединенного с формирователем пачки импульсов переменной длительности, а его выходы соединены с блоком сопряжения, который соединен с ЭВМ и усилителем пачки импульсов переменной длительности, выход которого соединен с цилиндрическими электродами, а вход - с каскадным генератором.