УСКОРИТЕЛЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2024 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относиться к области ускорительной техники, в частности, к области техники ускорителей прямого действия.

Известны ускорители прямого действия, описанные в [Документ 1 - Комар Е.Г. ОСНОВЫ УСКОРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ М. Атомиздат, 1975, стр. 13 - 16, рис. 1.2, рис. 1.4]. В таких ускорителях ускорение заряженных частиц происходит в электростатическом поле, создаваемом в промежутке между высоковольтным электродом и низковольтным электродом. При этом энергия ускоренных частиц равна произведению разности потенциалов между высоковольтным и низковольтным электродами на заряд частицы. Ускорители прямого действия обычно классифицируются по типу используемого генератора высоковольтного напряжения.

В качестве генератора высоковольтного напряжения часто используются многокаскадные умножители напряжения на основе емкостной или индуктивной связи каскадов с источником питания низкого напряжения, известные как каскадные генераторы, ускорители типа ЭЛВ и другие аналогичные. Такие устройства, описаны в [Документ 2 - Marshall R. Cleland. INDUSTRIAL APPLICATIONS OF ELECTRON ACCELERATORS, http://cds.cern.ch/record/1005393/files/p383.pdf DOI: 10.5170/CERN-2006-012.383].

В многокаскадных схемах с емкостной связью (каскадные генераторы) число каскадов и высокое напряжение на кондукторе ограничено падением напряжения под нагрузкой и пульсациями высокого напряжения [Документ 3 - Комар Е.Г. ОСНОВЫ УСКОРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ М. Атомиздат, 1975, стр. 62].

В многокаскадных схемах с индуктивной связью каскадов например, в ускорителе ЭЛВ, высокое напряжение ограничено высоковольтной прочностью зазора между первичной и вторичной обмотками.

Максимальные достигнутые к настоящему времени напряжения получены с помощью электростатических генераторов. Ускорители на основе таких генераторов обычно называются электростатическими ускорителями.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является электростатический ускоритель, описанный в [Документ 4 - Комар Е.Г. ОСНОВЫ УСКОРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ М. Атомиздат, 1975, стр. 64-71, рис. 1.43], выбранный как прототип.

Высокое напряжение на высоковольтном электроде в таком ускорителе создается механическим переносом заряда на высоковольтный электрод с помощью транспортера зарядов.

Данное устройство содержит: высоковольтный кондуктор, источник заряженных частиц, систему промежуточных электродов с изоляторами между ними; резистивный делитель напряжения для задания потенциалов промежуточных электродов, а также механическую систему транспортирования заряда на высоковольтный электрод, включающую ленту из изоляционного материала, приводимую в движение электромотором; зарядное устройство для нанесения заряда на ленту и устройство съема зарядов с ленты, которое переносит заряды с ленты на кондуктор для создания на нем высоковольтного потенциала. В некоторых последних модификациях электростатических ускорителей сплошная лента из изоляционного материала заменена цепью из диэлектрических звеньев.

Одним из основных параметров, ограничивающих величину напряжения на высоковольтном кондукторе и зарядный ток, являются утечки заряда из-за ограниченной электрической прочности зарядной ленты или цепи. Кроме того, при эксплуатации таких ускорителей транспортеры заряда подвержены возникновению механических деформаций, короблению ленты и вибрациям, что ограничивает практически достижимую длину транспортера, а, следовательно, и величину высокого напряжения на кондукторе. При эксплуатации таких ускорителей износ рабочей поверхности ленты ограничивает срок службы транспортера, что не позволяет эффективно использовать дорогостоящее оборудование и приводит к дополнительным материальным затратам [Документ 5 - Романов В.А., Демидова Н.А., ЛЕНТОЧНЫЙ ТРАНСПОРТЕР ЗАРЯДОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ УСКОРИТЕЛЕЙ Патент на изобретение №2504932, опубликован 20.01.2014 бюллетень №2].

Таким образом, наличие в конструкции ускорителя механического транспортера заряда с зарядной лентой или цепью является недостатком данного типа ускорителей, снижающим рабочий ток ускорителя, надежность получения высокого напряжения и ограничивающим срок службы.

Другим недостатком является перераспределение потенциалов промежуточных электродов в случае попадания на них части ускоряемого пучка, что искажает распределение полей и может приводить к увеличению доли пучка, осаждающегося на электродах, создавая положительную обратную связь, иногда полностью нарушающую работу ускорителя и снижающую его надежность. Для частичного преодоления этого недостатка приходиться снижать сопротивление резистивного делителя и, соответственно, увеличивать неиспользуемый ток делителя до величины, значительно превосходящей ток ускоряемого пучка.

Задачей данного изобретения является повышение эффективности ускорителя прямого действия.

Конкретным техническим результатом предлагаемого изобретения, направленного на устранение указанных выше недостатков, является создание устройства с увеличенным рабочим током, увеличенной стабильностью распределения потенциалов промежуточных электродов и увеличенным сроком службы.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом ускорителе заряженных частиц между низковольтным электродом и высоковольтным электродом включена цепь последовательно соединенных источников напряжения с индивидуальным электрическим питанием указанных источников от фотоэлектрических преобразователей. Источники напряжения соединены с промежуточными электродами для задания потенциалов на промежуточных электродах, и имеются источники излучения с возможностью передачи излучения на фотоэлектрические преобразователи.

В предлагаемом устройстве высокое напряжение на кондукторе создается суммой напряжений на последовательно включенных источниках напряжения. Электропитание каждого источника напряжения осуществляется от фотоэлектрических преобразователей, генерирующих фото-ЭДС при подаче на них излучения от источников излучения. Контроль и управление указанными источниками напряжения осуществляется через оптические или иные беспроводные линии связи.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

На фиг. 1 изображена схема ускорителя заряженных частиц в разрезе, где:

1 - низковольтный электрод;

2 - промежуточные электроды;

3 - изоляторы;

4 - высоковольтный электрод;

5 - источник заряженных частиц;

6 - система питания источника заряженных частиц;

7 - фотоэлектрический преобразователь для электропитания источника заряженных частиц;

8 - источники напряжения;

9 - фотоэлектрические преобразователи для электропитания источников напряжения;

10 - волоконно-оптические линии передачи излучения для питания источников напряжения;

11 - волоконно-оптическая линия передачи излучения для питания источника заряженных частиц;

12 - источники излучения;

13 - приемник пучка заряженных частиц.

Устройство изображено в варианте исполнения, когда передача излучения от источников излучения к фотоэлектрическим преобразователям осуществляется через волоконно-оптические линии передачи, а источниками излучения служат диодные лазеры с соответствующими характеристиками, работающие на волоконно-оптический выход.

На фиг. 2 изображена принципиальная схема подключения источников напряжения 8, фотоэлектрических преобразователей для электропитания источников напряжения 9, низковольтного электрода 1, промежуточных электродов 2 и высоковольтного электрода 4.

Источники напряжения 8 включены последовательно между промежуточными электродами 2, в соответствии со схемой подключения, приведенной на фиг. 2. Электропитание каждого источника напряжения может осуществляться от фотоэлектрических преобразователей 9. На оптический вход каждого фотоэлектрического преобразователя может подаваться излучение по волоконно-оптическим линиям передачи 10 от источников излучения 12. Для электропитания системы питания источника заряженных частиц 6 предназначен фотоэлектрический преобразователь 7, на вход которого подается излучение по волоконно-оптической линии передачи 11.

Каждый источник напряжения 8 выполнен аналогично источнику типа SMS 60*60, выпускаемому фирмой Spellman High Voltage Electronics Corporation [Документ 6 - https://www.spellmanhv.com/ru/high-voltage-power-supplies/SMS], имеет выходное напряжение 60 кВ, ток нагрузки до 1 мА, питается постоянным напряжением 24 В, вырабатываемом фотоэлектрическим преобразователем 9, аналогичным фотоэлектрическим преобразователям типа YCH-H020, выпускаемым фирмой МН Go Power Company по запросу [Документ 7 http://www.mhgopower.com/images/YCH-H020_l5V_PPC_Datasheet_Rev_1.7_10-01-2021.pdf].

Электрическая эффективность источника SMS 60*60 фирмы Spellman High Voltage Electronics Corporation составляет не менее 80%, следовательно, для питания источника SMS 60*60 мощностью 60 Вт требуется электрическая мощность 75 Вт, вырабатываемая фотоэлектрическим преобразователем. Эффективность фотоэлектрического преобразователя фирмы МН Go Power Company составляет 21%, следовательно, оптическая мощность лазерного излучения на входе преобразователя должна составлять 360 Вт. Наибольшая эффективность достигается при длине волны лазерного излучения в диапазоне от 915 нм до 980 нм. Лазерные источники излучения с подходящими характеристиками широко - доступны на рынке. Например, для указанных целей подходит диодный лазер с длиной волны 976 нм и выходной оптической мощностью 460 Вт, производимый Компанией BWT [Документ 8 - http://ru.laser-bwt.com/976nm-wavelength-locked-diode-laser-460w-product/]. Питание оптическим излучением каждого каскада осуществляется от параллельно включенных источников излучения 12.

Выбор числа промежуточных электродов 2 и габаритных размеров устройства осуществляется исходя из требуемой выходной энергии пучка и на основе существующего мирового опыта эксплуатации электростатических ускорителей. Например, при числе промежуточных электродов и соединенных с ними источников напряжения 8 с характеристиками, указанными выше, равном 100, суммарное напряжение на высоковольтном электроде 4 составит 6 MB.

Устройство работает следующим образом: при включении источников излучения 12 - диодных лазеров с длиной волны 976 нм, излучение подается на оптические входы фотоэлектрических преобразователей 9. На электрических выходах фотоэлектрических преобразователей вырабатывается ЭДС амплитудой 24 В, которое подается на вход источников напряжения 8.Контроль и управление источниками напряжения осуществляется через дополнительные волоконно-оптические линии передачи, которые на чертеже не показаны, аналогично описанному в [Документ 9 - О.М. Volodkevich, V.N. Zubets, Yu.V. Kiselev, V.S. Klenov «REMOTE CONTROL SYSTEM FOR H-MINUS IONS SOURCE OF INR LINAC», «Вопросы атомной науки и техники», №6(88), серия «Ядерно-физические исследования», 2013, стр. 53-56]. Выходное напряжение всех источников напряжения повышается синхронно со скоростью, которая выбирается такой, что позволяет избежать пробоев. Напряжение на высоковольтном электроде равно сумме напряжений на источниках напряжения и в конце цикла подъема высокого напряжения составляет 6 MB. После цикла подъема высокого напряжения включается источник излучения - диодный лазер, который работает через волоконно-оптическую линию передачи 11 на вход фотоэлектрического преобразователя 7, вырабатывающего ЭДС для электропитания системы питания источника заряженных частиц 6, управление которой осуществляется, аналогично описанному в [Документ 9 - О.М. Volodkevich, V.N. Zubets, Yu.V. Kiselev, V.S. Klenov «REMOTE CONTROL SYSTEM FOR H-MINUS IONS SOURCE OF INR LINAC», «Вопросы атомной науки и техники», №6 (88), серия «Ядерно-физические исследования»,2013,стр. 53-56]. Далее включаются системы источника заряженных частиц, обеспечивающие подачу заряженных частиц на вход ускорителя. Ускорение заряженных частиц происходит в электростатическом поле между высоковольтным электродом и низковольтным электродом до энергии W=q×U, где q - заряд частиц, U - разница потенциалов между высоковольтным и низковольтным электродами. Ускоренные заряженные частицы поступают на приемник пучка заряженных частиц 13.

Величина ускоренного тока заряженных частиц в непрерывном режиме работы определяется током, который могут обеспечивать указанные выше источники напряжения, т.е. величиной до 1 мА. Эта величина примерно в 20 раз больше, чем приведенная в [Документ 4 - Комар Е.Г. ОСНОВЫ УСКОРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ М. Атомиздат, 1975. стр. 64-71, рис. 1.43] величина тока устройства, выбранного как прототип. Характеристики источников напряжения, приведенные в [Документ 6 - https://www.spellmanhv.com/ru/high-voltage-power-supplies/SMS], позволяют сохранять распределение напряжения на промежуточных электродах со стабильностью ± 0.01% без использования резистивного делителя во всем диапазоне токов, в том числе и в случае попадания части тока пучка на промежуточные электроды. Срок службы и надежность получения высокого напряжения такого ускорителя значительно увеличены в сравнении с прототипом, так как в его конструкции исключена изнашиваемая зарядная лента.

Изобретение относиться к области ускорительной техники, в частности к области техники ускорителей прямого действия. Ускоритель заряженных частиц включает источник заряженных частиц, ускоряющую систему, состоящую из низковольтного электрода, высоковольтного электрода, набора промежуточных электродов и изоляторов между ними, и систему управления. Между низковольтным электродом и высоковольтным электродом включена цепь последовательно соединенных источников напряжения с индивидуальным электрическим питанием источников от фотоэлектрических преобразователей, на указанные фотоэлектрические преобразователи подается оптическое излучение от лазерных источников оптического излучения. Причем указанные источники напряжения соединены с промежуточными электродами для задания потенциалов на промежуточных электродах. Техническим результатом является повышение эффективности ускорителя прямого действия, а также увеличение его срока службы за счет увеличенного рабочего тока и увеличенной стабильности распределения потенциалов промежуточных электродов. 2 ил.

Ускоритель заряженных частиц, включающий источник заряженных частиц, ускоряющую систему, состоящую из низковольтного электрода, высоковольтного электрода, набора промежуточных электродов и изоляторов между ними, систему управления, отличающийся тем, что между низковольтным электродом и высоковольтным электродом включена цепь последовательно соединенных источников напряжения с индивидуальным электрическим питанием источников от фотоэлектрических преобразователей, на указанные фотоэлектрические преобразователи подается оптическое излучение от лазерных источников оптического излучения, а указанные источники напряжения соединены с промежуточными электродами для задания потенциалов на промежуточных электродах.