СИСТЕМА КОРРЕКТИРОВКИ ТРАЕКТОРИЙ ПОТОКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2018 года по МПК H05H11/00 

Изобретение относится к области ускорительной техники, физике плазмы, а именно к устройствам корректировки траекторий потоков заряженных частиц, и может быть использовано в атомной физике, медицине, химии, физике твердого тела, где важным является получение пучков заряженных частиц с необходимыми энергетическими параметрами и регулируемой длительностью.

Известно устройство (В.А. Москаев, В.Л. Чахлов. Бетатроны. Томский политехнический университет, 2009 г., стр. 22 [1]), предназначенное для отклонения электронного пучка (потока заряженных частиц) посредством воздействия на него электрического поля, создаваемого специальным приспособлением, называемым дефлектором. Дефлектор представляет собой цилиндрический конденсатор, который размещается на пути распространения электронного потока. Параметры дефлектора определяются из условия движения электронов по круговым орбитам в электрическом поле цилиндрического конденсатора.

Недостатком такого дефлектора является то, что при движении по круговой орбите в цилиндрическом конденсаторе центростремительной силой является сила электростатического взаимодействия, определяемая из уравнения: , где r - радиус круговой орбиты, - скорость электронов, - напряженность электрического поля цилиндрического конденсатора, eU₁ - энергия электронов, - напряжение на дефлекторе, R₁ и R₂ - радиусы цилиндрического конденсатора.

Отсюда следует, что ,

Значит, напряжение на дефлекторе должно быть того же порядка, что и напряжение на ускоряющем зазоре ускорителя, создающего поток электронов, а это, как правило, большие величины, что приводит к очень большим размерам цилиндрического конденсатора.

Наиболее близким к заявленному устройству является дефлектор (В.А. Москаев, В.Л. Чахлов. Бетатроны. Томский политехнический университет, 2009 г., стр. 90-95 [2]). Он состоит из двух автономных верхней и нижней пары короткозамкнутых линий; линии разделены изолятором и электрически соединены между собой. Дефлектор расположен на пути движения электронного пучка (потока заряженных частиц). То есть короткозамкнутые линии обеспечивают формирование магнитного поля на пути потока частиц. Создаваемое дефлектором магнитное поле сообщает заряженным частицам поперечный импульс, под действием которого происходит отклонение потока электронов. Для питания дефлектора используется генератор высоковольтных импульсов с амплитудой 100 кВ и длительностью 10 нс. В качестве средства передачи высоковольтного импульса от генератора к короткозамкнутым линиям использованы шины линий дефлектора.

Основными недостатками данной системы являются:

1. Использование изолятора большой толщины, поскольку для создания магнитного поля используется высоковольтный импульс, а в присутствии рассеянных электронов пучка резко понижается электропрочность изолирующей поверхности, что приводит к увеличению размеров самого изолятора, следствием чего является существенное увеличение габаритов системы.

2. Дефлектор запитывается от специального высоковольтного генератора (генератор высоковольтных импульсов с амплитудой 100 кВ и длительностью 10 нс - довольно сложное устройство больших размеров), что усложняет систему.

3. Между проводниками дефлектора при движении электромагнитной волны возникает достаточно длительный импульс высокого напряжения , где l - длина линий, что вносит искажения в спектральные свойства электронного потока.

Техническая проблема состоит в создании малогабаритной системы, позволяющей изменять траектории потока заряженных частиц без изменения его энергии.

Технический результат заключается в обеспечении компактности устройства при простоте исполнения и, кроме того, исключении внесения искажений в энергетический спектр потока заряженных частиц.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известной системы корректировки траекторий потока заряженных частиц, включающей электрически связанные между собой генератор высоковольтных импульсов, линии, обеспечивающие формирование магнитного поля на пути потока частиц, средство передачи высоковольтного импульса от генератора высоковольтных импульсов к линиям, обеспечивающим формирование магнитного поля на пути потока частиц, в предложенной системе линии, обеспечивающие формирование магнитного поля на пути потока частиц, образуют токовую петлю с волновым сопротивлением ρ, средство передачи высоковольтного импульса от генератора высоковольтных импульсов выполнено в виде передающих линий, каждая из которых имеет волновое сопротивление ρ, равное волновому сопротивлению токовой петли, генератор высоковольтных импульсов построен на формирующих линиях с общим волновым сопротивлением и образован соединенными с внешним статическим источником питания n формирующими линиями, причем волновое сопротивление каждой формирующей линии равно , при этом формирующие линии электрически связаны с управляемым разрядником, соединенным с передающими линиями и далее с токовой петлей.

В основе технического решения лежит идея передачи в системе заявляемого типа электрического импульса от генератора высоковольтных импульсов к токовой петле без отражений, при этом токовая петля не оказывается под высоким напряжением. А это в свою очередь позволяет размещать ее вблизи проводящих элементов соответствующей электрофизической установки, следствием чего является упрощение конструкции системы и обеспечение ее компактности, что, кроме того, исключает внесение искажений в энергетический спектр потока заряженных частиц.

Использование в составе системы генератора высоковольтных импульсов на формирующих линиях с общим волновым сопротивлением , при выполнении его в виде соединенных с внешним статическим источником питания n формирующих линий, каждая с волновым сопротивлением , в сочетании с тем, что линии, обеспечивающие формирование магнитного поля на пути потока частиц, образуют токовую петлю с волновым сопротивлением ρ и обеспечена электрическая связь формирующих линий с управляемым разрядником, соединенным с передающими линиями и далее с токовой петлей с тем же волновым сопротивлением ρ (однородные линии) - все это позволяет отказаться от имеющих место в прототипе специального сложного и громоздкого генератора и изолятора, габаритных автономных короткозамкнутых линий, обеспечивающих формирование магнитного поля на пути потока частиц, и шин в качестве средства передачи высоковольтного импульса, следствием чего является упрощение системы и ее компактность. При этом, так как электроды токовой петли, выполненные из проводников, большую часть длительности импульса оказываются под одним потенциалом, отсутствует влияние искажений на энергетические характеристики заряженных частиц.

Таким образом, исполнение системы корректировки потока заряженных частиц на однородных линиях и с соответствующими волновыми сопротивлениями приводит к достижению технического результата, заключающегося в обеспечении компактности устройства при простоте исполнения и, кроме того, исключении внесения искажений в энергетический спектр потока заряженных частиц.

На фиг. представлена система корректировки траекторий потока заряженных частиц ускорительной установки, где

1 - формирующая линия;

2 - управляемый разрядник;

3 - передающие линии;

4 - токовая петля;

5 - внешний статический источник питания.

В реализованной системе корректировки траекторий, в частности, электронного пучка, пара формирующих линий 1 (n=2), подключенных к внешнему источнику статического напряжения, электрически связана с управляемым разрядником 2, составляя генератор высоковольтных импульсов; две передающие линии 3 с одной стороны подсоединены к паре формирующих линий генератора высоковольтных импульсов, а с другой стороны к токовой петле 4.

Устройство работает следующим образом.

Однородная формирующая линия 1 с волновым сопротивлением и электрической длиной l, равной длительности отклоняемого электронного пучка, заряжается от внешнего статического источника питания 5 до напряжения U₀. В определенное время срабатывает управляемый разрядник 2, запуск которого синхронизован с началом генерации электронного потока, и по передающим линиям 3, каждая из которых имеет волновое сопротивление ρ, распространяется импульс напряжения величиной , где U₀ – напряжение, до которого генератор заряжает формирующую линию, с длительностью , где l - длина формирующей линии, v - скорость волны в формирующих и передающих линиях. Когда импульсы с двух передающих линии 3, имеющие противоположные величины напряжения, достигают токовой петли 4 с волновым сопротивлением ρ, между проводниками, образующими петлю 4, возникает напряжение, равное . Когда импульсы напряжения противоположных знаков встречаются на середине токовой петли 4, их напряжения взаимно гасятся, а токи складываются. В результате по каждому из проводников, образующих токовую петлю, текут токи, создающие магнитное поле, величиной . Двигаясь перпендикулярно силовым линиям этого поля, электроны под действием силы Лоренца отклоняются на угол , где l₁ - путь, пройденный электроном в магнитном поле, В - величина индукции магнитного поля, создаваемого токовой петлей.

Система корректировки траекторий электронного пучка в установке выполнена следующим образом. Формирующие и передающие линии выполнены из коаксиального кабеля КВИ-100 с волновым сопротивлением 60 Ом.

Формирующие линии имеют электрическую длительность, равную длительности корректируемого электронного пучка. Каждая из передающих линий имеет волновое сопротивление ρ, равное волновому сопротивлению токовой петли. Токовая петля изготовлена из медной проволоки диаметром 3 мм, ее волновое сопротивление ρ равно 60 Ом. В части, касающейся генератора высоковольтных импульсов, для коммутации формирующей линии с передающими линями использован разрядник РУ-78. Формирующие линии состоят из двух параллельных отрезков кабеля, заряжаемых от стандартного внешнего источника питания Spellman CZE 1000R.

За счет предложенного технического решения обеспечена компактность системы корректировки траектории потоков заряженных частиц без внесения искажении в его энергетический спектр.

Изобретение относится к области ускорительной техники, физике плазмы, а именно к устройствам корректировки траекторий потоков заряженных частиц, и может быть использовано в атомной физике, медицине, химии, физике твердого тела. Система корректировки траекторий потока заряженных частиц содержит электрически связанные между собой генератор высоковольтных импульсов, линии, обеспечивающие формирование магнитного поля на пути потока частиц, средство передачи высоковольтного импульса от генератора высоковольтных импульсов к линиям, обеспечивающим формирование магнитного поля на пути потока частиц. В предложенной системе линии, обеспечивающие формирование магнитного поля на пути потока частиц, образуют токовую петлю с волновым сопротивлением ρ, при этом формирующие линии электрически связаны с управляемым разрядником, соединенным с передающими линиями и далее с токовой петлей. Технический результат – обеспечение компактности устройства и исключение внесения искажений в энергетический спектр потока заряженных частиц. 1 ил.

Система корректировки траекторий потока заряженных частиц, включающая электрически связанные между собой генератор высоковольтных импульсов, линии, обеспечивающие создание магнитного поля на пути потока частиц, средство передачи высоковольтного импульса от генератора высоковольтных импульсов к линии, обеспечивающей формирование магнитного поля на пути потока частиц, отличающаяся тем, что линии, обеспечивающие создание магнитного поля на пути потока частиц, образуют токовую петлю с волновым сопротивлением ρ, средство передачи высоковольтного импульса от генератора высоковольтных импульсов выполнено в виде передающих линий, каждая из которых имеет волновое сопротивление ρ, равное волновому сопротивлению токовой петли, а генератор высоковольтных импульсов построен на формирующих линиях с общим волновым сопротивлением ρ/2 и образован соединенными с внешним статическим источником питания n формирующими линиями, причем волновое сопротивление каждой формирующей линии равно nρ/2, при этом формирующие линии электрически связаны с управляемым разрядником, соединенным с передающими линиями и далее с токовой петлей.