Ускоритель заряженных частиц Советский патент 1976 года по МПК H05H9/00 

Изобретение относится к устройствам для ускорения больших токов заряженных частиц в коротких импульсах.

Известно ускорение заряженных частиц с помощью высокочастотных резонаторов, линейных ускорителей.

Р1звестны индукционные линейные ускорители, представляющие собой иабор трансформаторов, в первичных контурах которых, выполненных в виде тороидальных витков, устаиовлены конденсаторы. Для данных ускорителей требуются значительные размеры конденсаторов, но при этом сложно обеснечить градиент ускоряющего поля более 1-3--, и для

м

ускорения частиц до энергии во многие десятки Мэв требуются весьма громоздкие системы.

Целью изобретения является повышение градиента электрического поля и упрощение конструкции.

Описываемый резоиатор для ускорения заряженных частиц представляет собой замкнутую (например, круглую) полость, внутри которой примерно посредине расположена проводящая пластина. Распределенная емкость между пластиной и полостью заряжается с помощью трансформатора Тесла. После зарядки производится пробой иескольких разрядников, расположенных вблизи оси пологти. После пробоя разрядников в резонаторе

происходят затухающие колебания, один или несколько полунериодов которых могут быть использоваиы для ускорения частиц в иаправленни оси резонатора.

На фиг. 1 показана схема констр -кцнн резонатора; на фнг. 2 - электрическая схема; на фиг. 3 - секции ускорителя.

В полость розоиатора 1 помещ,ена пластинг.

2из проводящего материала. Плоская спиральная обмотка 3 является вторичной обмоткой трансформатора Тесла, используемо го для зарядки емкости V. образованной пластиной 2 со стенками резонатора 1. Первичная облютка 4 зарядного трансформатора расположена примерно параллельно виткам спираль1101 3. Для улучн1ения связи между обмотками 3 и 4 станавлнвается ферромагнитный магиитоировод 5. и витки первичной обмотки 4 расиоложены не в плоскостн, а но иоверхиостн конхса (с увеличением радиуса витков первичной обмотки 4 уменьи1ается расстоянне между ними и сн1 ральной обмоткой 3). Вблнзи оси на стенках резонатора 1 и илаетине 2 установлеши разрядники 6.

Пласттша 2 имеет радиальные прорези 7 и изготовлеиа из проводящего материала, но в области, прилегающей к спиральной обмотке

3прозрачна для переменного поля; для этого она изготовлена из материала с достаточно большим соиротивлещтем (иаиример, на и.зоЛЯцию нанесен тонкий слой металлической пленки) или имеет нрорези. Наилучшей средой для заполнения резонатора является сжатый газ. Так, если внутри резонатора находится азот при давлении 20-30 атм, то напряженность электрического поля может достигать 300 КБ/СМ и более. При напряжении на пластине 2 1 Мв между пластиной 2 и стенками резонатора 1 достаточно зазоров равных 3-4 см. Прп дальнейшем описании в качестве примера будем приводить резонатор с габаритным размером вдоль оси 10 см и потенциалом на пластине резонатора 1 1Мв. Напряжение на первичной обмотке 4 зарядного трансформатора может не превышать 50-100 кв. До такого напряжения с помош,ью выпрямителя 8, (фиг. 2) заряжается емкость 9. Затем замыкается коммутатор 10, в качестве которого могут использоваться разрядники или электронные лампы - в зависимости от конкретных параметров тока и напряжения в первичной обмотке 4. Подбор коммутатора 10 облегчается при уменьшении собственной частоты контура, образованного емкостью 9 и индуктивностью обмотки 4. Напомним, что в трансформаторе Тесла собственная частота вторичного контура равна собственной частоте первичного контура. Электрическая прочность резонатора, заполненного сжатым газом, позволяет обеспечить указанные выше параметры при длительных (несколько микросекунд и более) временах приложения напряжения к пластине 2. Емкость U образована пластиной 2 со стенками резонатора 1.

На фиг. 4 показано изменение напряжения t/2 на пластине 2 при коэффициенте связи 0,6 между обмотками 4 и 3. Вся энергия, запасенная заранее в емкость 9, переходит в емкость 11 уже на втором полупериоде колебаний и напряжение t/2 достигает максимума в момент 2 (включение коммутатора 7 произведено в момент i).

После заряда емкости 11 резонатора в момент 2 пробиваются разрядники 8. Для пробоя разрядников 8 на них подаются мош,ные поджиги. Системы для подвода поджигов вмонтированы в стенку резонатора 1. Кроме того, в пластине 2 имеются радиальные прорези 7, облегчаюш,ие синхронный пробой разрядников. Аналогичные прорези могут быть сделаны и в стенках резонатора 1. Разброс во времени между пробоями отдельных разрядников и длительность развития дуги в каждом из них в сумме определяют фронт появления ускоряющего напряжения f/з. Длительность действия ускоряюш,его напряжения т равна времени распространения волны по реf Т.

зонатору т i: - , где а - диаметр пластины 2

и С - скорость света.

Так, при а 200 см, нсек.

Напряжение, которое может иснользоваться для ускорения частиц U, приложено между пластиной 2 и стенкой резонатора 1 в зазоре, свободном от разрядников. Времена развития

разряда и разброса момента начала пробоя в сжатых газах достаточно малы. Для уменьшения времени пробоя разрядников, возможно, понадобится уменьшить в два или более раз осевой размер резонатора и перейти, например, к напряжению 500 кв.

С увеличением диаметра резонатора относительное время развития разрядов по сравнению с длительностью импульса т также

уменьшается.

В приведенном в качестве примера резонаторе с а 200 см, осевым размером 10 см и напряжением на пластине 2 1Мв обилий ток в разрядниках 6 достигает сотен килоампер.

Ускоренные токи могут достигать величины многих десятков килоампер. В этом случае они будут уносить заметную часть энергии, имеюш,ейся в резонаторе, и подсаживать напряжение. Установка в такой системе ускорительной трубки требует некоторых дополнительных усовершенствований. Если обеспечение электрической прочности 1Мв в зазоре 3-4 см со сжатым газом даже для длительно приложенного напряжения не вызывает

особых затруднений, то установка в таком же зазоре изолятора может оказаться трудно осуш,ествимой или вообш,е невозможной. В предлагаемой конструкции градиент напряжения на трубке в два раза меньше, чем в зазорах

резонатора, и кроме того, напряжение к изоляции приложено суш,ественно меньшее время - только после срабатывания разрядников 6.

Ускорительная трубка содержит электроды

12, разделенные изоляторами 13. Внутренний диаметр пластин 2 значительно больше, чем наружный диаметр электродов 10 трубки. Благодаря этому до момента пробоя разрядников 6 ( )на всех электродах трубки

потенциал близок к земляному, даже несмотря на то, что на пластине 2 уже имеется напряжение. Для того, чтобы вблизи кромки внутреннего отверстия пластины 2 не было высоких напряженностей электрического поля, установлен емкостной или индуктивный (или комбинированный) делитель 14, представляюш,ий собой набор колец или спираль. Отметим, что по наружному диаметру пластины 2 также нет необходимости делать у края значительные закругления, так как здесь вторичная обмотка 3 играет роль делителя напряжения. Таким образом после зарядки пластины 2 до пробоя разрядников трубка находится, практически, в эквипотенциальном

пространстве.

После пробоя разрядников картина меняется. Теперь все ускоряюш,ее напряжение, получаемое в резонаторах, прикладывается к 11аходяш,емуся внутри каждого резонатора

участку трубки. Однако вдоль изоляторов трубки градиент напряжения в два раза меньше, чем в зазорах резонаторов. Время приложения напряжения составляет единипы или десятки наносекунд, В таком режиме при

трубки вполне возможно получение градиента OKOvTo 1 MB на 10 см.

Отметим, что в самом резонаторе могут быть получены и большие градиенты напряжения, в частности, при использовании более электропрочных газов, например, SFe, однако определяющим, по-видимому, является прочность трубки. К тому же SFe будет заметно разлагаться при пробоях и потребуется более тщательная его циркуляция и очистка, чем для упомянутого азота.

В описанной конструкции достижимы градиенты ускоряющего поля поряда 10, а

запасенной энергии достаточно для ускорения токов в десятки килоампер. При хорошо организованном охлаждении поверхностей разрядников и продувке газа для удаления продуктов распыления разрядников принципиально достижима частота повторения многие импульсы в секунду.

Формула изобретен и я

1. Ускоритель заряженных частиц, содержащий ускоряющую трубку, источник питания

в виде трансформатора Тесла, резонаторов с разрядниками, отличающийся тем, что, с целью увеличения градиента ускоряющего электрического поля, внутри резонаторов расположена пластина из проводящего материала, соединенная с резонатором вторичной обмоткой трансформатора, первичная обмотка расположена в одном из зазоров, между пластиной и стенками резонатора установлены

разрядники.

2. Ускоритель по п. 1, отличающийся тем, что пластина, установленная внутри резонатора, и его стенки имеют радиальные прорези.

3. Ускоритель ио пп. 1-2, отличающийс я тем. что, с целью увеличения связи между иервичной и вторичной обмотками трансформатора, заряжающего пластину, располол ;енную внутри резонатора, у стенки резонатора

установлен ферромагнитный магнитопровод.

4. Ускоритель по пн. 1 -2, о т л и ч а ю щ и йся тем, что первичная обмотка трансформатора расноложена по поверхности конуса, ось которого совпадает с осью резонатора.

Фаг-2

-Г