СПОСОБ КОЛЛЕКТИВНОГО УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2018 года по МПК H01J21/18 

Изобретение относится к области получения и ускорения заряженных частиц и предназначено для использования в физике высоких энергий и ядерных технологиях.

В качестве аналога способа возьмем способ коллективного ускорения ионов электронными кольцами (БСЭ, т. 27, Третье издание, М.: «Советская Энциклопедия», 1977, с. 102-103), который состоит из восьми технологических операций, в трех типах полей согласованно изменяющихся в пространстве и времени.

Устройство, обеспечивающее реализацию способа, состоит из вакуумной камеры, источника электронов, линейного ускорителя обеспечивающего ускорение электронов, систему электромагнитов или контуров с током, создающих слабофокусирующее магнитное поле с переменной конфигурацией, которое формирует сгустки-кольца, источника подающего газ к сгустку-кольцу и линейного ускорителя электронно-ионных сгустков.

Укажем основные недостатки аналога способа ускорения частиц электронными сгустками-кольцами и устройства реализующего указанный способ.

Наличие трех типов полей согласованно изменяющихся в пространстве и времени усложняет техническую реализацию метода. Оказывается невозможным применять прецизионные методы фокусировки для увеличения плотности потоков.

Последовательный характер выполнения операций на трех, рассредоточенных в пространстве устройствах, задающих указанный тип полей, а также использование линейных ускорителей ведет к увеличению общих размеров ускорителя, а также стоимости его строительства и эксплуатаций.

Малая интенсивность потоков частиц делает невозможным применение метода в промышленных технологиях.

В качестве аналога устройства для коллективного ускорения потоков заряженных частиц возьмем электронный магнитный спектрометр (Патент РФ №2338259, опубл. 2008 г.), содержащий вакуумную камеру в виде кольцевой трубы (тора), с размещением в ней под аксиальным углом относительно друг друга источником и детектором заряженных частиц. Система создания фокусирующего магнитного поля представляет собой электрические контуры, выполненные с возможностью создания в вакуумной камере магнитного поля, зависящего от радиуса ρ орбиты электронов в соответствии с выражением Н~ρ^-α, где Н - напряженность магнитного поля, α=0,62-0,76.

Недостатком конструкции спектрометра является то, что высокая степень фокусировки, соответствующая малым размерам фокусного пятна, достигается за счет уменьшения линейных размеров источника электронов и оказывается максимальной при использовании точечных источников, но в этом случае снижается интенсивность (сила тока) потока электронов. Другим недостатком конструкции является отсутствие ускорения электронов в процессе движения внутри вакуумной камеры.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) заявляемого устройства и способа является «Ускоритель заряженных частиц» (Патент РФ №2531808 от 01.09.2014 г.), позволяющий осуществлять следующие технологические операции: получение, ускорение и прецизионную фокусировку на мишени электронов и ионов.

Ускоритель заряженных частиц содержит вакуумную камеру в форме участка кольцевой трубы, на торцах которого внутри находятся источник заряженных частиц и мишень. Источник заряженных частиц прототипа представляет собой систему, соосно-расположенных заземленных цилиндров, торцы которых имеют радиус закругления кромок ~10^-6 м и выполняют функции электродов-эмиттеров. Эмитируемыми частицами могут быть как электроны, так и ионы металлов в случае использования жидкометаллического ионного источника. Вне вакуумной камеры расположена система, создающая переменное магнитное поле в виде электрических контуров, соединенных с высокочастотным генератором переменного тока, с возможностью получения фокусирующего и одновременно ускоряющего переменного магнитного поля, зависящего от радиуса ρ орбиты заряженных частиц в соответствии с выражением Н~ρ^-α, где H - напряженность магнитного поля частотой 10⁵-10⁷ Гц, α=0,45-0,55. Электрические контуры установлены с возможностью перемещения в продольном и поперечном направлениях. Источник заряженных частиц и мишень установлены с возможностью перемещения по орбите заряженных частиц. Соосно расположенные цилиндры установлены с возможностью перемещения относительно друг друга вдоль образующей.

Укажем следующий значительный недостаток прототипа как для способа, так и для устройства. Используемый тип поля в способе и конструкция устройства (прототипа) не позволяют осуществить коллективное движение потоков заряженных частиц, поэтому интенсивность потока оказывается недостаточной для ядерных реакций, а степень фокусировки избыточной.

Задачей заявленного изобретения является разработка способа и устройства для генерации и ускорения высокоплотных потоков заряженных частиц, их объединения с целью увеличения кинетической энергии при значительном снижении размеров и стоимости устройства.

Данная цель достигается использованием переменного магнитного поля специальной конфигурации осуществляющего одновременно операции формирования электронных и ионных потоков, их индукционного ускорения, объединения в единый электронно-ионный поток, накопление энергии потока и последующего вывода на мишень.

Устройство, реализующее указанную цель, содержит вакуумную камеру, которая состоит из кольцевой трубы с расположенным в ней источником электронов и сопряженным участком кольцевой трубы на торцах которой, под углом ϕ₀ к оси симметрии, проходящей через точку объединения потоков О, размещены источники ионов, а две системы контуров с током и два селеноида с центрами на оси симметрии, расположенными симметрично относительно точки объединения потоков.

Конструкция устройства поясняется чертежом, приведенным на фигуре 1 - автоэмиссионный источник электронов, 2 - стационарная траектория электронного потока, 3 - стационарная траектория ионного потока, 4 - жидкометаллический источник ионов, 5 - второй жидкометаллический источник ионов, 6 - стационарная траектория второго ионного потока, 7 - мишень.

Общая идея коллективного способа ускорения заключается в следующем. Если в поток электронов ускоренных внешним электрическим полем, ввести положительно заряженные ионы, то они будут ускоряться потоком движущихся электронов и приобретут равную с ними скорость. Но энергия ионов при этом будет во столько раз больше энергии электронов, во сколько раз масса иона больше массы электрона. Например, в случае ускорения протонов она будет в 1840 раз больше.

Предлагаемый способ включает две системы ускорения и фокусировки, одна для потока электронов с центром в точке О_е, другая для потока ионов с центром в точке O_i, а затем объединение электронно-ионного потока в точке О_е.

Системы ускорения и фокусировки представляют собой суперпозицию двух полей вида Н~ρ^-α, 0<α(ϕ)<1, ϕ - аксиальный угол, причем при изменении во времени напряженности магнитного поля Н, вдоль стационарных траекторий возникают индукционные электрические поля напряженностью Е_е достаточной для автоэмиссии потоков электронов и E_i достаточной для автоэмиссии потоков ионов, которые одновременно под действием магнитного поля Н, фокусируются в точке объединения потоков О, где происходит захват медленных ионов их последующее ускорение электронным потоком и вывод электронно-ионного потока на мишень.

Предлагаемый способ включает следующие технологические операции, определяющие работу устройства:

- возрастающее магнитное поле порождает индукционное электрическое поле и формирует поток электронов из источника 1 вдоль стационарной траектории 2;

- фокусирующие свойства поля удерживают электроны в области стационарной траектории, вследствие большой разницы масс ионов и электронов, электроны за время ускорения, совершают 10-10³ оборотов, приобретая энергию E_e>>E_i;

- индукционное электрическое поле осуществляет эмиссию ионов из жидкометаллического источника 4, затем дальнейшее их ускорение вдоль стационарной траектории 3;

- ионы ускоряются в индукционном электрическом поле до энергии E_i и фокусируются магнитным полем в точке соединения потоков О, находящейся по углом ϕ₀ от источника;

- в точке О происходит захват ионов электронным потоком, после чего электронно-ионный поток замедляется уменьшающимся индукционным полем и, совершив 10-10³ оборотов изменяет движение на противоположное;

- процесс повторяется в противоположном направлении, при этом эмиссия ионов осуществляется из источника 6 вдоль стационарной траектории 5;

- повторение процессов приводит к накоплению частиц в электронно-ионном потоке до состояния насыщения, определяемого энергетическими возможностями системы создающей переменное магнитное поле;

- при достижении состояния насыщения сформированный электронно-ионный поток направляется на мишень 7, за счет изменения напряженности магнитного поля на стационарной траектории.

Проведем численный эксперимент и определим параметры способы коллективного ускорения.

Кинетическая энергия частицы определяется соотношениями

или или .

Пусть Т_е, T_i кинетическая энергия электрона и иона m_e, m_i - их массы. При коллективном способе ускорения скорости электрона v_e и иона v_i одинаковы v_e=v_i, следовательно

Откуда кинетическая энергия иона, выраженная через кинетическую энергию электрона

При энергии ускорения электронов 300 МэВ энергией покоя частиц можно пренебречь T_i>>m_ic², Т_е>>m_ec², поэтому кинетическая энергия ионов T_i пропорциональна отношению масс

или для протонов

ионов лития

ионов свинца

ионов урана

Параметры способа коллективного ускорения в зависимости от вида заряженных частиц приведены в таблице.

Заявителю неизвестен способ и устройство для получения потоков заряженных частиц путем объединения двух потоков электронов и ионов с формированием их устойчивой пространственной структуры. Вследствие этого предлагаемый способ и устройство соответствуют критерию «новизна».

Изобретение относится к средствам коллективного ускорения заряженных частиц. Устройство содержит вакуумную камеру, которая состоит из кольцевой трубы с расположенным в ней источником электронов и сопряженным с ней участком кольцевой трубы, на торцах которой расположены источники ионов. Источники заряженных частиц выполнены в виде соосно расположенных цилиндров с кромками в форме лезвия. Вне вакуумной камеры симметрично расположены две системы, создающие переменное магнитное поле в виде электрических контуров, соединенных с высокочастотным генератором переменного тока, с возможностью получения фокусирующего переменного магнитного поля, зависящего от радиуса ρ орбиты заряженных частиц в соответствии с выражением Н~ρ^-α, где Н - напряженность магнитного поля частотой 10³-10⁴ Гц. При изменении во времени напряженности магнитного поля Н, вдоль стационарных траекторий формируются индукционные электрические поля с напряженностью, достаточной для возникновения автоэмиссии электронов и ионов. При осуществлении изобретения происходит накопление частиц в электронно-ионном потоке до состояния насыщения, определяемого энергетическими возможностями системы, создающей переменное магнитное поле. Техническим результатом является увеличение плотности и мощности потоков за счет их объединения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ коллективного ускорения потоков заряженных частиц, включающий генерацию потока заряженных частиц, их ускорения и фокусировки под действием одного и того же переменного аксиально-симметричного магнитного поля, напряженность которого уменьшается пропорционально расстоянию ρ от оси симметрии по закону Н~ρ^-α, где α=0,5, напряженность магнитного поля Н₀ на стационарной траектории - окружности радиуса ρ₀ -составляет половину среднего значения напряженности магнитного поля H_ср внутри этой окружности Н₀=0,5Н_ср, частота ν изменения напряженности магнитного поля Н₀ составляет ν=10⁵-10⁸ Гц, отличающийся тем, что высокочастотное магнитное поле представляет собой суперпозицию двух полей вида Н~ρ^-α, 0<α(ϕ)<1, ϕ - аксиальный угол, причем при возрастании во времени напряженности магнитного поля H, вдоль стационарных траекторий возникают индукционные электрические поля напряженностью Е_е для электронов и E_i для ионов, достаточной для автоэмиссии двух потоков электронов и ионов движущихся ускоренно и которые одновременно, под действием магнитного поля H, фокусируются в точке объединения потоков О, где происходит захват ионного потока, его последующее ускорение электронным потоком и вывод электронно-ионного потока на мишень.

2. Устройство для коллективного ускорения потоков заряженных частиц, содержащее систему контуров с током, создающих переменное магнитное поле, вакуумную камеру в виде участка кольцевой трубы, в которой находятся источник заряженных частиц и мишень, отличающееся тем, что вакуумная камера состоит из кольцевой трубы с расположенным в ней источником электронов и сопряженным с ней участком кольцевой трубы, на торцах которой, под углом ϕ₀ к оси симметрии, проходящей через точку объединения потоков, размещены источники ионов, а две системы контуров с током и два селеноида с центрами на оси симметрии расположены симметрично относительно точки объедения потоков.