Ускоритель макротел Советский патент 1982 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к устройствам для ускорения тел массой 50-100 г и более.

Известны ускорители тел с погующыо нучков заряженных частиц, цапример ионные ракетные двигатели. Недостатком таких систем является малая сила тяги нрн большом весе двигателя. Известны также способы ускорен -гя квазинейтралыюго тела, нанрнмер плазменного сгустка, когда на сгусток направляют ноток заряженных частиц.

Цель изобретепия - ускоренне электрически нейтральных макротел н повышение КПД ускорителя.

Для этого предлагается ускоритель, представляющий длинную вакуумную камеру, в которую впускается пучок электронов с током тысячн нлн десятки тысяч ампер при энергии электроиов сотни килоэлектроновольт или единицы мегаэлектроиовольт. Ускоряемое тело находится внутри камеры. Источиик ускоренных электронов установлен отдельно у торца вакуумной камеры. С целью ускорения электрически иейтральных макротел ускоряемое тело содержит магнит нли другие снстемы, с помощью которых электронный пучок, попав в тело, разворачивается на 180° н движется в обратном направлении. При этом электроны

передают телу двойной импульс. Для увеличення КПД снстемы отраженный нучок может быть заторможен в электрическом поле, возвратив при этом имеющуюся в нем энергию. Устройство для торможеппя электронов устанавливается вблизи источннка электронов у того же торца камеры. Для комнеисации взаимного отталкивания нрямого н отраженного электронных п чков по всей длине камеры установлена снециальиая фокусирующая система.

На фиг. 1 иоказаиа схема ускорения тела электронным нучком; на фиг. 2 - схема предлагаемого ускорителя; на фиг. 3 - поперечное сечеппе камеры.

Схема содержит источннк 1 электроиов, представляющий ускоритель на энергию иорядка 1 МэВ, вакуумную камеру 2, пучок 3 ускоренных электронов, ускоряемое тело 4, магнит 5 или другое устройство для отражения пучка.

Известно, что нучки релятивистских электроиов с токами десятки и сотнн килоампер могут устойчиво сзществовать в виде шнура достаточно малого размера (до 5- 10 мм). Кулоповское расталкивание электронов существенно ослабляется с ростом энергии. Для электронов с кннетнческой энергией 1 МэВ оно нрнмерно в 10 раз меньще, чем для иокоящихся электронов.

Кроме того, пучок компенсируется за счет ионизации атомов остаточного газа в камере. Такой пучок даже в вакууме 10-4 рт (. может проходить без существепных потерь многие километры.

Ускоряемое тело 4 с помощью специального магнита 5 разворачивает попадающий в него пучок. Вектор скорости частиц .меняет направление, а на тело 4 действует сила

/ 2/J-6-10 / :. 6,8- Ю-о/ yW-i- 2WE, , где

Р - yw + 2WE

- импульс одного электрона;

/ - ток частиц, А; Е - энергия покоя электрона, эВ (Ео 5,);

W-кинематическая энергия электронов, В; F - сила, действующая

на тело.

Так, при 7 3-104 А и МэВ F 30: кг.

Отраженный пучок может высыпаться на стенки камеры. Это, по-видимому, не повлияет на движение тела 4, однако, приведет к большим энергетическим затратам. Так, для приведенного примера мощность в электронном пучке / W 3-10 кВт.

Для увеличения КПД системы рационально сохранить форму пучка при отражении от тела с тем, чтобы он мог двигаться обратно в сторону источника электронов, где устанавливается устройство для электрического торможения пучка, то есть для рекуперации его энергии. На фиг. 2 представлена полная схема такого устройства, содержащего рекуператор 6 энергии, который содержит коллектор 7, соединенный с высоковольтным электродом 8 источника электронов 1 через вспомогательный генератор 9 напряжения, изоляционную вакуумную трубку 10 рекуператора.

Эксперименты по рекуперации ускоренного электронного пучка, проведенные в последние годы, показывают, что пучок может быть заторможен до очень малых энергий (например до 0,5 кэВ при начальной энергии 1 МэВ) и его энергия возвращена в электрическую сеть. Для компенсации разницы между ускоряющим и замедляющим напряжением используется генератор 9. Потери быстрых частиц (с энергией около 1 МэВ) во всем устройстве по оценкам составят около от полного тока пучка.

Для приведенного выще примера (/ 310 А, МэВ) генератор 9 должен иметь мощность 15 тыс. кВт при напряжений 500 В, а мощность выпрямителя (генератора) И, питающего источник электронов, 3 тыс. кВт при напряжении 1 MB.

Одним из наиболее сложных элементов предлагаемого устройства является ускоритель электронов на энергию 1 МэВ и ток тысячи ампер. Установка содержит катод 12, состоящий из многих ячеек, и ускорительную трубку 13, пучок в которой также разбит на много отдельных лучей. Последнее уменьшает влияние собственного объемного заряда на движение электронов и увеличивает электрическую прочность трубки. В области 14 с помощью магнитных линз электроны стягиваются в один луч,

после чего впускаются в вакуумную камеру 2, где используются для ускорения тела 4.

Устройства для ускорения и замедления электронов (источник 1 и коллектор 7) и

питающие их генераторы 9 и 11 размещены в объеме 15, заполненном электрически прочным газом, например смесью азота и элегаза (SFs) при давлении 10-20 атм. Возможно выполнение несколько отдельных соединенных друг с другом газонаполненных баков. Генератор 9, как уже говорилось выше, компенсирует разницу между энергией, приобретаемой электронами в источнике электронов 1, и эиергией, теряемой в рекуператоре 6, т. е. разницу между потенциалом высоковольтного электрода 8 и потенциалом коллектора 7. Эта разница потенциала составляет для рассматриваемого примера около 0,5 кВ. Мощность генератора равна напряжению 0,5 кВ, умноженному на ток пучка 3- 10 А, т. е. около 15 тыс. кВт. Хотя такой генератор и является несложным сооружением, однако он должен быть поднят относительно земли на напряжение около 1 MB. Для этого может быть использован либо обычный машинный генератор, вращаемый длинным изоляционным валом, либо другое устройство.

Выпрямитель И на 1 MB и несколько тысяч киловатт имеет аналоги в обычной электротехнике. Возможно также применение новых конструкций портативных высоковольтных выпрямителей, размещаемых в

сжатом газе.

Охлаждение коллектора 7 и других элементов, находящихся под высоким потенциалом, может производиться маслом, вводимым на высокий потенциал по длинным

изоляционным трубкам.

Прямой и отраженный от тела 4 электронные пучки 3 взаимно отталкиваются и для устойчивого удержания их на некотором расстоянии от стенки вакуумной камеры 2 используются обмотки 16 с током. Каждая из обмоток 16 может состоять из многих отдельных проводов, суммарные ампервитки в каждой обмотке должны иметь величину, примерно равную силе

примера около 3-10 ампервитков. Если обмоткам придать вогнутую форму (см. фиг. 3), то можно добиться устойчивого удержания пучков 3 на заданном расстоянии от стенки. При расчете сил, действующих на пучки, должны приниматься во внимание и силы, связанные с отражением заряда и тока пучков в степках камеры.

Электронный пучок 3 может иметь постоянную амплитуду в течение всего времени ускорения тела 4 или модулироваться с некоторой частотой. В последнем случае ток в обмотках 16 должен меняться в соответствии с изменением тока в пучке. При пульсации во времени тока пучка 3 в расположенных вблизи металлических деталях наводятся токи Фуко (в частности в стенках камеры 2, если стенки металлические). Силы, связанные с появлением отраженного тока могут быть использованы и для отражения пучка при взаимодействии его с ускоряемым телом 4. С увеличением амплитуды тока и частоты его изменения сила, отталкивающая электроны от металлической стенки, растет и может позволить развернуть пучок при относительно малом радиусе поворота. На силу взаимодействия пучка со стенкой существенно влияет и материал стенки, точнее ее проводимость. Появляется возможность отразить от тела 4 и постоянный во времени электронный пучок, если отражающую поверхность тела 4 покрыть сверхпроводящим материалом. Аналогичный механизм может быть использован и для поддержания необходимых зазоров между двигающимся телом 4 и стенками вакуумной камеры 2 (создание магнитной подушки, устраняющей трение между телом 4 и камерой 2).

Для разворота пучка 3 при взаимодействии с телом 4 может быть использован и

постоянный магнит, имеющий необходимую кривизну магнитных силовых линий, обеспечивающую сохранение формы пучка при отражении. На фиг. 2 магнит детально не показан.

Здесь предполагается, что электронный пучок можно отразить за счет токов Фуко. Система отражения за счет токов Фуко позволяет сделать ускоряемое тело существенно легче и, следовательно, увеличить

величину ускорения. Так, для приведенных выше значений А и МэВ сила, действующая на тело . кг. Если масса тела /п 50 г, то скорость 6 км/с тело получит, пролетев 3 км. Время ускорения составит 1 с.

Формула изобретения

1. Ускоритель макротел, содержащий источник заряженных частиц и ускоряемое тело, на которое направляется поток этих частиц, отличающийся тем, что, с целью ускорения электрически нейтральных

макротел, ускоряемое тело содержит магнит для изменения паправления движения заряженных частиц примерно на 180°.

2. Ускоритель по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, ускорптель содержит систему для электрического торможения заряженных частиц после их взаимодействия с ускоряемым телом.