RU2531808C1 - Charged particle accelerator - Google Patents
Charged particle accelerator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2531808C1 RU2531808C1 RU2013115329/07A RU2013115329A RU2531808C1 RU 2531808 C1 RU2531808 C1 RU 2531808C1 RU 2013115329/07 A RU2013115329/07 A RU 2013115329/07A RU 2013115329 A RU2013115329 A RU 2013115329A RU 2531808 C1 RU2531808 C1 RU 2531808C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- charged particles
- source
- magnetic field
- target
- possibility
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к системам получения заряженных частиц больших энергий и предназначено для применения в области ядерной физики и ядерных технологий.The invention relates to systems for producing charged particles of high energy and is intended for use in the field of nuclear physics and nuclear technology.
Известен электронный магнитный спектрометр (патент РФ №2338295, опубл. 2008 г.), содержащий вакуумную камеру в виде кольцевой трубы (тора), с размещенными 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.Known electronic magnetic spectrometer (RF patent No. 2338295, publ. 2008), containing a vacuum chamber in the form of an annular tube (torus), placed in it at an axial angle relative to each other, a source and a charged particle detector. The system for creating a focusing magnetic field is an electric circuit configured to create a magnetic field in a vacuum chamber, depending on the radius ρ of the electron orbit in accordance with the expression H ~ ρ -α , where H is the magnetic field strength, α = 0.62-0 , 76.
Электроны, выходящие из анализируемого образца (источника), под действием аксиально-симметричного магнитного поля подвергаются двойной фокусировке (по радиусу R и оси Z катушек), разделению по энергиям и, совершив ~0,7 оборота вдоль стационарной траектории (окружности радиуса ρ0), фокусируются и попадают на детектор электронов и систему регистрации спектров.Electrons coming out of the analyzed sample (source) under the action of an axially symmetric magnetic field undergo double focusing (along the radius R and axis Z of the coils), are separated by energy and, having made ~ 0.7 turns along a stationary path (circle of radius ρ 0 ) , focus and fall on the electron detector and the spectrum recording system.
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.A drawback of the spectrometer design is that a high degree of focusing, corresponding to the small size of the focal spot, is achieved by reducing the linear dimensions of the electron source and is maximal when using point sources, but in this case the intensity (current) of the electron flow decreases. Another design flaw is the lack of electron acceleration during movement inside the vacuum chamber.
Известен источник заряженных частиц (патент РФ №2389105, опубл. 2010 г.), в котором в качестве эмитирующего электрода (анода) использована пластина-лезвие. Выполнение электрода в виде тонкой пластины в форме лезвия с радиусом закругления кромки ~1 мкм приводит к увеличению силы тока пучка ионов. При этом неизбежное снижение напряженности электростатического поля, препятствующее образованию потока ионов, компенсируется увеличением на порядок разности потенциалов между пластиной и вытягивающим электродом.A known source of charged particles (RF patent No. 2389105, publ. 2010), in which a blade plate is used as the emitting electrode (anode). The implementation of the electrode in the form of a thin plate in the form of a blade with a radius of curvature of the edge of ~ 1 μm leads to an increase in the current strength of the ion beam. In this case, the inevitable decrease in the electrostatic field strength, which prevents the formation of an ion flux, is compensated by an increase in the order of the potential difference between the plate and the drawing electrode.
Недостатком известного источника заряженных частиц является невозможность получения на его основе потока заряженных частиц с энергией более 10 кэВ без использования мощных ускорителей, что приводит к большим габаритам конструкции. Другим недостатком является наличие вытягивающих и ускоряющих электродов, что также увеличивает габариты системы и, кроме того, затрудняет выполнение условий прецизионной магнитной фокусировки.A disadvantage of the known source of charged particles is the impossibility of obtaining on its basis a stream of charged particles with an energy of more than 10 keV without the use of powerful accelerators, which leads to large dimensions of the structure. Another drawback is the presence of pulling and accelerating electrodes, which also increases the dimensions of the system and, in addition, makes it difficult to fulfill the conditions of precision magnetic focusing.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является бетатрон - ускоритель индукционного типа (БСЭ, т.27, Третье издание, М.: Изд. «Советская энциклопедия», 1977, с.110), предназначенный для ускорения электронов (бета-частиц), движущихся в вакуумной камере в переменном магнитном поле, а также для получения потоков γ - квантов и нейтронов. Вакуумная камера бетатрона имеет вид кольцевой трубы (тора), в которой размещены источник и мишень заряженных частиц. Магнитное поле бетатрона создается расположенным снаружи вакуумной камеры электромагнитом, который состоит из токопроводящих обмоток и ферромагнитных профильных сердечников. Электромагнит подключен к генератору переменного тока и создает в области движения электронов внутри вакуумной камеры переменное аксиально-симметричное магнитное поле, индукция которого спадает в плоскости симметрии прибора пропорционально расстоянию ρ от аксиальной оси по закону Н~ρ-0,6. Частота изменения поля составляет 10-103 Гц. Переменное магнитное поле индуцирует в области движения вихревое электрическое поле, которое ускоряет электроны. Дополнительным требованием, обеспечивающим постоянство радиуса стационарной траектории в бетатроне, является так называемое бетатронное условие, то есть магнитное поле Н0 на стационарной траектории - окружности радиуса ρ0 должно составлять половину среднего магнитного поля Н0 внутри этой окружности. Генерируемые источником электроны движутся ускоренно вдоль стационарной траектории - окружности радиуса ρ0, совершая порядка 105-106 оборотов, и после достижения необходимой энергии 1-150 МэВ выводятся из области стационарной траектории на мишень. Недостатки технического решения бетатрона:The closest technical solution (prototype) is a betatron - an induction type accelerator (BSE, vol. 27, Third edition, M .: Publishing house "Soviet Encyclopedia", 1977, p. 110), designed to accelerate electrons (beta particles), moving in a vacuum chamber in an alternating magnetic field, as well as to obtain fluxes of gamma quanta and neutrons. The betatron vacuum chamber has the form of an annular tube (torus), in which the source and target of charged particles are placed. The magnetic field of the betatron is created by an electromagnet located outside the vacuum chamber, which consists of conductive windings and ferromagnetic core profiles. The electromagnet is connected to an alternating current generator and creates in the region of electron motion inside the vacuum chamber an alternating axially symmetric magnetic field, the induction of which decreases in the plane of symmetry of the device in proportion to the distance ρ from the axial axis according to the law Н ~ ρ -0.6 . The frequency of field changes is 10-10 3 Hz. An alternating magnetic field induces a vortex electric field in the region of motion, which accelerates the electrons. An additional requirement ensuring the constancy of the radius of the stationary trajectory in the betatron is the so-called betatron condition, that is, the magnetic field H 0 on the stationary trajectory - a circle of radius ρ 0 should be half the average magnetic field H 0 inside this circle. The electrons generated by the source move accelerated along a stationary trajectory - a circle of radius ρ 0 , making about 10 5 -10 6 revolutions, and after reaching the necessary energy 1-150 MeV are removed from the stationary trajectory to the target. The disadvantages of the technical solution of the betatron:
1. Большое количество оборотов, совершаемых электронами во время ускорения, при отсутствии специальных мер синхронизации (фазировки) их колебаний относительно стационарной траектории, не позволяет осуществить прецизионную фокусировку электронов на мишени. Радиус фокусного пятна оказывается равным амплитуде колебаний электронов относительно стационарной траектории, вследствие чего невозможно получить большую поверхностную плотность мощности на мишени.1. A large number of revolutions made by electrons during acceleration, in the absence of special measures of synchronization (phasing) of their oscillations relative to a stationary trajectory, does not allow for precise focusing of electrons on the target. The radius of the focal spot is equal to the amplitude of the oscillations of the electrons relative to the stationary trajectory, as a result of which it is impossible to obtain a large surface power density on the target.
2. Электроны в процессе движения многократно пересекают область источника, что приводит к снижению интенсивности потока и возникновению нежелательного тормозного гамма-излучения.2. Electrons in the process of motion repeatedly crosses the source region, which leads to a decrease in the flux intensity and the appearance of undesirable inhibitory gamma radiation.
3. Существуют значительные трудности вывода пучка электронов из области ускорения на мишень.3. There are significant difficulties in removing the electron beam from the acceleration region to the target.
4. Использование электромагнита не позволяет с высокой точностью воспроизводить требуемый вид магнитного поля, необходимый для прецизионной фокусировки.4. The use of an electromagnet does not allow reproducing with high accuracy the required type of magnetic field, which is necessary for precision focusing.
5. Наличие громоздкого ферромагнитного сердечника не допускает техническое решение с радиусом стационарной траектории существенно больше 1 м, по той же причине бетатрон не может быть использован для ускорения тяжелых частиц (протонов и ионов), для которых радиус стационарной траектории должен быть более 1 м.5. The presence of a bulky ferromagnetic core does not allow a technical solution with a radius of a stationary trajectory substantially greater than 1 m, for the same reason, a betatron cannot be used to accelerate heavy particles (protons and ions) for which the radius of the stationary trajectory should be more than 1 m.
Задачей предлагаемого изобретения является получение большой плотности мощности потока заряженных частиц на мишени путем использования мощных источников, системы прецизионной фокусировки и ускорения потока заряженных частиц, что расширяет функциональные возможности применения ускорителя в области ядерной физики, например технологии получения трансурановых материалов.The objective of the invention is to obtain a high power density of the flow of charged particles on the target by using powerful sources, a precision focusing system and accelerating the flow of charged particles, which extends the functionality of the accelerator in the field of nuclear physics, for example, technology for producing transuranic materials.
Поставленная в задаче цель достигается тем, что ускоритель заряженных частиц содержит вакуумную камеру с размещенными в ней источником заряженных частиц, мишенью заряженных частиц и системой, создающей переменное магнитное поле. Источник заряженных частиц выполнен в виде соосно расположенных цилиндров с кромками в форме лезвия. Система создания переменного магнитного поля выполнена в виде электрических контуров, соединенных с высокочастотным генератором переменного тока. Контуры с током устанавливаются с возможностью перемещения в продольном и поперечном направлении для более точного воспроизведения величины и формы магнитного поля. Переменное магнитное поле является фокусирующим и одновременно ускоряющим и зависит от радиуса ρ орбиты электронов в соответствии с выражением Н~ρ-α, где Н - напряженность магнитного поля частотой 105-107 Гц, α=0,45-0,55.The goal of the task is achieved in that the charged particle accelerator contains a vacuum chamber with a source of charged particles placed therein, a target of charged particles, and a system that creates an alternating magnetic field. The source of charged particles is made in the form of coaxially arranged cylinders with edges in the shape of a blade. The system for creating an alternating magnetic field is made in the form of electrical circuits connected to a high-frequency alternating current generator. The current circuits are set to move in the longitudinal and transverse directions to more accurately reproduce the magnitude and shape of the magnetic field. The alternating magnetic field is focusing and accelerating at the same time and depends on the radius ρ of the electron orbit in accordance with the expression H ~ ρ -α , where H is the magnetic field intensity with a frequency of 10 5 -10 7 Hz, α = 0.45-0.55.
Вакуумная камера выполнена из диэлектрического материала и имеет форму участка кольцевой трубы, на торцах которого находятся источник заряженных частиц и мишень, что обеспечивает удобство доступа в область их установки и обслуживания.The vacuum chamber is made of dielectric material and has the form of a section of an annular tube, at the ends of which are a source of charged particles and a target, which provides ease of access to the area of their installation and maintenance.
Выполнение источника заряженных частиц в виде соосно расположенных цилиндров с кромками в форме лезвий, которые имеют радиус закругления 10-6 м, увеличивает линейную протяженность эмитирующей электроны поверхности и, следовательно, пропорционально увеличивает интенсивность потока заряженных частиц в 103-104 раз по сравнению с источником, в котором эмитирующая поверхность выполнена в виде пластины-лезвия (патент РФ №2389105, опубл. 2010 г.).The implementation of the source of charged particles in the form of coaxially arranged cylinders with edges in the form of blades, which have a radius of 10 -6 m, increases the linear extent of the surface emitting electrons and, therefore, proportionally increases the intensity of the flow of charged particles by 10 3 -10 4 times compared with a source in which the emitting surface is made in the form of a blade plate (RF patent No. 2389105, publ. 2010).
Цилиндры располагаются таким образом, чтобы траектория движения заряженных частиц совпадала с линиями напряженности ускоряющего индукционного электрического поля. Для настройки параметров магнитного поля и прецизионной фокусировки потока частиц можно изменять расположение источника заряженных частиц и мишени с помощью микрометрических винтов.The cylinders are arranged so that the trajectory of the charged particles coincides with the intensity lines of the accelerating induction electric field. To adjust the parameters of the magnetic field and the precision focusing of the particle flux, you can change the location of the source of charged particles and the target using micrometric screws.
Выполнение системы создания переменного магнитного поля в виде высокочастотного генератора и электрических контуров с возможностью создания в вакуумной камере высокочастотного магнитного поля, зависящего от радиуса орбиты электронов ρ в соответствии с выражением, Н~ρ-α, где Н - напряженность магнитного поля, α=0,45-0,55, позволяет высокочастотным магнитным полем одновременно произвести ускорение заряженных частиц на протяжении одного оборота и осуществить прецизионную фокусировку. В этом случае исключается вторичное пересечение заряженными частицами области источника, кроме того, в этом случае ускоряющее индукционное электрическое поле создается непосредственно между источником и мишенью, заменяя собою вытягивающие и ускоряющие электроды. При выборе параметра а менее 0,45 и более 0,55 происходит существенное нарушение двойной фокусировки.The implementation of the system for creating an alternating magnetic field in the form of a high-frequency generator and electrical circuits with the possibility of creating a high-frequency magnetic field in a vacuum chamber, depending on the radius of the electron orbit ρ in accordance with the expression, N ~ ρ -α , where H is the magnetic field strength, α = 0 , 45-0.55, allows a high-frequency magnetic field to simultaneously accelerate charged particles over one revolution and to carry out precision focusing. In this case, the secondary crossing by the charged particles of the source region is excluded, in addition, in this case, an accelerating induction electric field is created directly between the source and the target, replacing the pulling and accelerating electrodes. When parameter a is selected to be less than 0.45 and more than 0.55, a significant violation of double focusing occurs.
Частота изменения магнитного поля в зависимости от массы ускоряемых частиц составляет 105-107 Гц, при этом заряженные частицы получают необходимую энергию и фокусируются на мишени, совершая менее одного оборота. Энергия ускоренных частиц может варьироваться посредством изменения частоты и амплитуды магнитного поля. При снижении частоты изменения магнитного поля менее 105 Гц двойная фокусировка осуществляется более чем за один оборот движения заряженных частиц, а частота более 107 Гц приводит к значительному увеличению нежелательного синхроторонного излучения.The frequency of change of the magnetic field depending on the mass of accelerated particles is 10 5 -10 7 Hz, while the charged particles receive the necessary energy and focus on the target, making less than one revolution. The energy of accelerated particles can vary by changing the frequency and amplitude of the magnetic field. With a decrease in the frequency of magnetic field changes of less than 10 5 Hz, double focusing is carried out for more than one revolution of the movement of charged particles, and a frequency of more than 10 7 Hz leads to a significant increase in unwanted synchrotron radiation.
Изобретение предназначено для получения, ускорения и прецизионной фокусировки потоков заряженных частиц большой мощности на поверхности атомарной мишени. В частности, для электронных потоков при радиусе стационарной траектории 1 м и амплитудной величине магнитного поля 1 Тл достигается плотность мощности на мишени до 1020 Вт/м2.The invention is intended to obtain, accelerate and precision focus fluxes of charged particles of high power on the surface of an atomic target. In particular, for electron flows with a radius of a stationary trajectory of 1 m and an amplitude value of a magnetic field of 1 T, a target power density of up to 10 20 W / m 2 is achieved.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид устройства в плане, на фиг.2 - в разрезе.The invention is illustrated by drawings, where in Fig.1 shows a General view of the device in plan, in Fig.2 - in section.
Конструкция ускорителя заряженных частиц включает вакуумную камеру 1 с размещенными в ней источником заряженных частиц 2 и мишени 3. Система переменного магнитного поля представляет собой электрические контуры 4, 5, соединенные с высокочастотным генератором переменного тока (на чертежах не показан).The design of the accelerator of charged particles includes a vacuum chamber 1 with a source of
Ускоритель заряженных частиц работает в импульсном режиме следующим образом. Высокочастотный генератор переменного тока создает в электрических 5 контурах 4, 5 аксиально-симметричное переменное магнитное поле, которое внутри вакуумной камеры 1 индуцирует электрическое поле между источником заряженных частиц 2 и мишенью 3. Вследствие малости радиуса закругления кромок цилиндров источника заряженных частиц 2, напряженность электрического поля вблизи кромок оказывается достаточной для возникновения туннельной эмиссии электронов (автоэлектронная эмиссия) или ионов (жидкометаллическая автоэмиссия). Эмитируемые заряженные частицы под действием индукционного электрического поля движутся ускоренно по стационарной траектории в аксиально-симметричном магнитном поле, которое фокусирует их на мишени 3, используя эффект двойной фокусировки. Регулировка интенсивности потока в приборе осуществляется установкой диафрагм (на чертежах не показаны).The charged particle accelerator operates in the pulsed mode as follows. The high-frequency alternator creates in the electric 5
При использовании изобретения в качестве источника γ - квантов и нейтронов мишень 3 выполнена двухслойной, где первый слой состоит из тяжелых металлов типа уран, свинец. Поток релятивистских электронов, взаимодействуя с ядрами первого слоя мишени, порождает тормозное излучение γ - квантов, направленное по движению электронов. При взаимодействии γ - квантов с ядрами элементов дейтерия, бериллия, урана, входящих во второй слой мишени, происходит генерация потоков нейтронов.When using the invention as a source of γ-quanta and neutrons,
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013115329/07A RU2531808C1 (en) | 2013-04-05 | 2013-04-05 | Charged particle accelerator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013115329/07A RU2531808C1 (en) | 2013-04-05 | 2013-04-05 | Charged particle accelerator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013115329A RU2013115329A (en) | 2014-10-10 |
RU2531808C1 true RU2531808C1 (en) | 2014-10-27 |
Family
ID=53379880
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013115329/07A RU2531808C1 (en) | 2013-04-05 | 2013-04-05 | Charged particle accelerator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2531808C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2624735C2 (en) * | 2015-11-09 | 2017-07-06 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова" | Induction accelerator |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2175173C2 (en) * | 1999-12-30 | 2001-10-20 | Богданов Игорь Глебович | Accelerator for conducting controlled fusion reaction |
RU2338295C1 (en) * | 2007-01-30 | 2008-11-10 | ЗАО "Торгово-промышленая компания "Удмуртия" | Electronic magnet spectrometer |
RU2389105C1 (en) * | 2008-08-26 | 2010-05-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ижевский Государственный Технический Университет | Device for generating ion streams |
WO2011104077A2 (en) * | 2010-02-24 | 2011-09-01 | Siemens Aktiengesellschaft | Accelerator for charged particles |
-
2013
- 2013-04-05 RU RU2013115329/07A patent/RU2531808C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2175173C2 (en) * | 1999-12-30 | 2001-10-20 | Богданов Игорь Глебович | Accelerator for conducting controlled fusion reaction |
RU2338295C1 (en) * | 2007-01-30 | 2008-11-10 | ЗАО "Торгово-промышленая компания "Удмуртия" | Electronic magnet spectrometer |
RU2389105C1 (en) * | 2008-08-26 | 2010-05-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ижевский Государственный Технический Университет | Device for generating ion streams |
WO2011104077A2 (en) * | 2010-02-24 | 2011-09-01 | Siemens Aktiengesellschaft | Accelerator for charged particles |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2624735C2 (en) * | 2015-11-09 | 2017-07-06 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова" | Induction accelerator |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013115329A (en) | 2014-10-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR20130138171A (en) | Cyclotron comprising a means for modifying the magnetic field profile and associated method | |
Łasocha | Non-Invasive Beam Diagnostics with Schottky Signals and Cherenkov Diffraction Radiation | |
RU2531808C1 (en) | Charged particle accelerator | |
RU149963U1 (en) | ION TRIODE FOR NEUTRON GENERATION | |
US2933442A (en) | Electronuclear reactor | |
Hinderer et al. | Design of the new superconducting microprobe system in Munich | |
WO2018096648A1 (en) | Accelerator and particle beam irradiation device | |
Dubniuk et al. | Radiation complex on the basis of helium ions linac | |
Astrelina et al. | Production of intense positron beams at the VEPP-5 injection complex | |
Bai et al. | Physical design of a high-intensity compact D–D/D–T neutron generator based on the internal antenna RF ion source | |
Yao et al. | RF-knockout slow extraction design for XiPAF synchrotron | |
García | Calculation methodology and fabrication procedures for particle accelerator strip-line kickers: Application to the CTF3 Combiner Ring extraction kicker and TL2 tail clippers | |
Wilson et al. | Springer: Accelerators, Colliders and Their Application | |
Wilson et al. | Accelerators, Colliders and Their Application | |
US2803767A (en) | Radiation sources in charged particle accelerators | |
RU2624735C2 (en) | Induction accelerator | |
RU2468546C1 (en) | Positron acceleration method, and device for its implementation | |
RU2556038C1 (en) | Pulse generator of neutrons | |
RU2462844C1 (en) | Deceleration radiation source with small focal spot | |
JP2020030882A (en) | Accelerator and particle beam irradiation device, and beam extraction method | |
RU2647123C2 (en) | Method for collective acceleration of charged particles and device for its implementation | |
US2803766A (en) | Radiation sources in charged particle accelerators | |
JP6663618B2 (en) | Accelerator and particle beam irradiation device | |
Iker | Calculation methodology and fabrication procedures for particle accelerators strip-line kickers: application to the CTF3 combiner ring extraction kicker and TL2 tail clippers | |
MEHROTRA | Design Optimization Of Heavy ion RFQ and External Buncher |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160406 |