RU2534227C2

RU2534227C2 - High-speed solid particle accelerator

Info

Publication number: RU2534227C2
Application number: RU2012155013/07A
Authority: RU
Inventors: Николай Данилович Семкин; Алексей Владимирович Пияков; Кирилл Игоревич Сухачев
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2014-11-27
Also published as: RU2012155013A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to acceleration engineering and can be used to simulate micrometeorites and manmade particles. The high-speed solid particle accelerator comprises an injector, induction sensors, amplifiers, a linear accelerator, a fixed high voltage source, cylindrical electrodes, a velocity selector, a specific charge selector, a high-pressure chamber, a frequency deviation generating unit, a high-frequency converter, a step-up pulse transformer and a target.

EFFECT: high particle velocity and reliability of the accelerator.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц.The invention relates to the field of accelerator technology and can be used to model micrometeorites and technogenic particles.

Известен ускоритель высокоскоростных твердых частиц, основанный на ускоряющей системе Слоуна-Лоуренса, состоящий из инжектора, линейного ускорителя, генератора Ван-де-Граафа, цилиндрических электродов, каждый последующий из которых имеет больший по сравнению с предыдущим продольный размер, генератора высоковольтного синусоидального напряжения постоянной частоты и мишени (D.B. Becker, J.F. Friichtenicht. Measurement and interpretation of the luminous efficiencies of iron and copper simulated micrometeors. / Nuclear science, 1965, №6).A known accelerator of high-speed solid particles, based on the Sloan-Lawrence accelerating system, consisting of an injector, a linear accelerator, a Van de Graaff generator, cylindrical electrodes, each of which has a larger longitudinal dimension than the previous one, a high-frequency sinusoidal voltage generator of constant frequency and targets (DB Becker, JF Friichtenicht. Measurement and interpretation of the luminous efficiencies of iron and copper simulated micrometeors. / Nuclear science, 1965, No. 6).

Наиболее близким является линейный ускоритель для моделирования микрометеоритов, состоящий из инжектора, индукционных датчиков, усилителей, линейного ускорителя, источника фиксированного высокого напряжения, цилиндрических электродов, селектора скоростей, селектора удельных зарядов, генератора изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке, блока сопряжения, электронно-вычислительной машины, усилителя пачки импульсов переменной длительности, каскадного генератора и мишени (Патент RU №2205525, МПК Н05Н 5/00, бюл. №15, опубл. 27.05.2003)The closest is a linear accelerator for modeling micrometeorites, consisting of an injector, induction sensors, amplifiers, a linear accelerator, a source of fixed high voltage, cylindrical electrodes, a speed selector, a specific charge selector, a generator of the frequency and duration of the pulses in a packet, an interface unit, an electronic computer, an amplifier of a pulse train of variable duration, a cascade generator and a target (Patent RU No. 2205525, IPC Н05Н 5/00, bull. No. 15, publ. 27 .05.2003)

Однако он обладает рядом недостатков:However, it has several disadvantages:

- Сложная и не надежная схема электродинамической части ускорителя.- Complex and unreliable circuit of the electrodynamic part of the accelerator.

- Невозможность повысить напряжение ускоряющей секции электродинамического ускорителя, из-за конструктивных особенностей и ограничений, наложенных на ключевые элементы усилителя пачки импульсов.- The inability to increase the voltage of the accelerating section of the electrodynamic accelerator, due to design features and limitations imposed on the key elements of the pulse train amplifier.

- Недостаточная конечная скорость пылевых частиц.- Insufficient final dust particle velocity.

Поставлена задача разработать ускоритель, свободный от указанных недостатков, при сохранении широкого диапазона ускоряемых частиц.The task is to develop an accelerator free of these drawbacks while maintaining a wide range of accelerated particles.

Поставленная задача решается тем, что в ускорителе, содержащем инжектор, индукционные датчики, усилители, линейный ускоритель, источник фиксированного высокого напряжения, цилиндрические электроды, селектор скоростей, селектор удельных зарядов, мишень, согласно изобретению добавлена камера высокого давления, наполненная гексафторидом серы, в пространстве которой установлены цилиндрические электроды, а вакуумный ускорительный тракт, по которому с ускорением движутся частицы, отделен диэлектрической стенкой камеры, введены блок формирования девиации частоты, высокочастотный конвертор, повышающий импульсный трансформатор, первичная обмотка которого соединена с выходом высокочастотного конвертора, управляющий вход которого подключен к блоку формирования девиации частоты, вторичная обмотка повышающего импульсного трансформатора соединена с цилиндрическими электродами.The problem is solved in that in an accelerator containing an injector, induction sensors, amplifiers, a linear accelerator, a fixed high voltage source, cylindrical electrodes, a speed selector, a specific charge selector, a target, according to the invention, a high pressure chamber filled with sulfur hexafluoride is added in space which are equipped with cylindrical electrodes, and the vacuum accelerator path, along which particles move with acceleration, is separated by the dielectric wall of the chamber, a block of frequency deviation, a high-frequency converter increasing the pulse transformer, the primary winding of which is connected to the output of the high-frequency converter, the control input of which is connected to the frequency deviation generating unit, the secondary winding of the increasing pulse transformer is connected to cylindrical electrodes.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен общий вид ускорителя совместно с обслуживающей аппаратурой.The invention is illustrated in the drawing, which shows a General view of the accelerator in conjunction with service equipment.

Устройство содержит инжектор 1, индукционные датчики 2, усилители 3, линейный ускоритель 4, источник фиксированного высокого напряжения 5, цилиндрические электроды 6, селектор скоростей 7, селектор удельных зарядов 8, блок формирования девиации частоты 9, блок сопряжения 10, электронно-вычислительную машину 11, высокочастотный конвертор 12, повышающий импульсный трансформатор 13, мишень 14, камеру высокого давления 15. Каждый из индукционных датчиков 2 соединен с входом соответствующего усилителя 3, выход первого усилителя 3 соединен с первым входом селектора удельных зарядов 8, выход второго усилителя 3 соединен с входом селектора скоростей 7 и вторым входом селектора удельных зарядов 8, выход селектора скоростей 7 и выход селектора удельных зарядов 8 соединены с входами блока формирования девиации частоты 9, выход блока девиации частоты 9 соединен с управляющим входом высокочастотного конвертора 12, выходы которого соединены с первичной обмоткой повышающего импульсного трансформатора 13, вторичная обмотка повышающего импульсного трансформатора соединена с цилиндрическими электродами 6, расположенными в камере высокого давления 15, выход третьего усилителя 3 соединен с входом блока сопряжения 10, который соединен с электронно-вычислительной машиной 11 и блоком формирования девиации частоты 9.The device comprises an injector 1, induction sensors 2, amplifiers 3, a linear accelerator 4, a source of fixed high voltage 5, cylindrical electrodes 6, a speed selector 7, a specific charge selector 8, a frequency deviation formation unit 9, an interface unit 10, an electronic computer 11 , high-frequency converter 12, increasing the pulse transformer 13, target 14, high-pressure chamber 15. Each of the induction sensors 2 is connected to the input of the corresponding amplifier 3, the output of the first amplifier 3 is connected to the first input specific charge selector 8, the output of the second amplifier 3 is connected to the input of the speed selector 7 and the second input of the specific charge selector 8, the output of the speed selector 7 and the output of the specific charge selector 8 are connected to the inputs of the frequency deviation generating unit 9, the output of the frequency deviation 9 is connected to the control the input of the high-frequency converter 12, the outputs of which are connected to the primary winding of the boost pulse transformer 13, the secondary winding of the boost pulse transformer is connected to a cylindrical electrode E 6 located in the pressure chamber 15, the third output of the amplifier 3 connected to the input interface unit 10, which is connected to the electronic computer 11, and forming a frequency deviation unit 9.

Устройство работает следующим образом. Инжектор 1 генерирует заряженные частицы в заданном диапазоне масс с частотой порядка 1 Гц. Заряженная частица последовательно проходит первый индукционный датчик 2, линейный ускоритель 4, второй индукционный датчик 2, цилиндрические электроды 6, расположенные в камере высокого давления, третий индукционный датчик 2 и попадает на мишень 14. Первая пара индукционных датчиков 2 и линейный ускоритель 4 предназначены для определения параметров частицы (удельного заряда Q/m и начальной скорости V₀). Пролетая внутри индукционного датчика, частица наводит на него потенциал обратного заряду частице знаку. Так как датчик изготовлен из металла, то его поверхность эквипотенциальна, а значит, не имеет значения, с какой части снимать напряжение. По поступающим с индукционных датчиков сигналам, селектор скоростей 7 и селектор удельных зарядов 8 формируют на своих выходах цифровой код начальной скорости частицы и код ее удельного заряда. В селекторе скоростей 7 измеряются временные интервалы пролета частицей центров датчиков для первого и второго индукционных датчиков 2. Измеренные временные интервалы прямо пропорциональны скорости движения частицы. Пройдя через линейный ускоритель 4, частица получает приращение скорости. Аналогично первому датчику работает второй. По цифровым данным полученных с селектора скоростей 7 и селектора удельного заряда 8 блок формирователя девиации частоты 9 генерирует в течение непродолжительного промежутка времени управляющий сигнал с увеличивающейся во времени частотой, этот сигнал напрямую управляет силовыми каскадами высокочастотного конвертора 12, в плечи которого включена первичная обмотка повышающего импульсного трансформатора 13. На вторичной обмотке трансформатора генерируется высокое напряжение, близкое по форме к управляющему сигналу блока формирователя девиации частоты 9 и той же частоты. Уровень полученного импульсного напряжения может быть любым и ограничивается только напряжением пробоя между цилиндрическими электродами 6, для повышения пробойного напряжения цилиндрические электроды изолированы от вакуумной камеры, в которой происходит ускорение пылевых заряженных частиц и помещены в диэлектрическую камеру высокого давления 15, в которую под давлением закачен гексафторид серы. Высокое импульсное напряжение с трансформатора создает ускоряющее поле между каждой парой электродов 6. Данное поле меняется во времени синхронно с перемещением частицы в ускоряющем тракте. Параметры частоты управляющего сигнала выбираются из ряда данных, заранее заложенных в блок формирования девиации частоты 9 с ЭВМ 11. Третий индукционный датчик 2 подключен к блоку сопряжения 10 и служит для получения выходных данных о скорости частицы. Затем уже ускоренная частица попадает на мишень 14 и весь процесс повторяется. ЭВМ 11 производит статистику эксперимента и динамическое управление ускорителем.The device operates as follows. Injector 1 generates charged particles in a given mass range with a frequency of the order of 1 Hz. The charged particle passes through the first induction sensor 2, the linear accelerator 4, the second induction sensor 2, the cylindrical electrodes 6 located in the high pressure chamber, the third induction sensor 2 and hits the target 14. The first pair of induction sensors 2 and the linear accelerator 4 are designed to determine particle parameters (specific charge Q / m and initial velocity V ₀ ). Passing inside the induction sensor, the particle induces a potential for the sign opposite to the charge on the particle. Since the sensor is made of metal, its surface is equipotential, which means that it does not matter which part to relieve voltage from. According to the signals received from the induction sensors, the speed selector 7 and the specific charge selector 8 form at their outputs a digital code for the initial particle velocity and a code for its specific charge. In the speed selector 7, the time intervals of the particle passage of the centers of the sensors for the first and second induction sensors 2 are measured. The measured time intervals are directly proportional to the speed of the particle. Passing through a linear accelerator 4, the particle receives an increment of speed. Similarly, the first sensor works the second. According to the digital data received from the speed selector 7 and the specific charge selector 8, the frequency deviation generator unit 9 generates a control signal with a frequency increasing in time over a short period of time, this signal directly controls the power stages of the high-frequency converter 12, in the arms of which the primary winding of the boost pulse is connected transformer 13. A high voltage is generated on the secondary winding of the transformer, close in shape to the control signal of the shaper unit deviations of frequency 9 of the same frequency. The level of the obtained pulse voltage can be any and is limited only by the breakdown voltage between the cylindrical electrodes 6, to increase the breakdown voltage, the cylindrical electrodes are isolated from the vacuum chamber, in which the accelerated dust particles are accelerated and placed in a high-pressure dielectric chamber 15 into which hexafluoride is injected under pressure sulfur. High pulse voltage from the transformer creates an accelerating field between each pair of electrodes 6. This field changes in time synchronously with the movement of the particle in the accelerating path. The frequency parameters of the control signal are selected from a series of data previously stored in the frequency deviation formation unit 9 with the computer 11. The third induction sensor 2 is connected to the interface unit 10 and serves to obtain output data on the particle velocity. Then the accelerated particle already hits the target 14 and the whole process is repeated. The computer 11 produces the statistics of the experiment and the dynamic control of the accelerator.

Применение предложенного технического решения позволяет увеличить выходную скорость заряженных пылевых частиц, снизить сложность и стоимость ускорителя, при этом сохранив широкий рабочий диапазон ускоряемых частиц. Увеличение скорости происходит благодаря возможности значительно повысить напряжение, прикладываемое к каждой паре цилиндрических электродов, при этом из схемы убраны высоковольтные коммутаторы, являющиеся не надежными, дорогостоящими и сложными в управлении элементами конструкции, а формирование импульсного ускоряющего напряжения происходит в низковольтной части схемы и только потом трансформируется в высокое напряжение, посредством повышающего импульсного трансформатора. Надежность установки повышается благодаря помещению электродов в элегазовую среду, что снижает вероятность пробоя, а обслуживание ускорителя становится более безопасным для персонала, так как убрана одна из высоковольтных цепей постоянного тока.The application of the proposed technical solution allows to increase the output speed of charged dust particles, to reduce the complexity and cost of the accelerator, while maintaining a wide working range of accelerated particles. The increase in speed occurs due to the ability to significantly increase the voltage applied to each pair of cylindrical electrodes, while the high-voltage switches are removed from the circuit, which are not reliable, expensive and difficult to control structural elements, and the formation of a pulse accelerating voltage occurs in the low-voltage part of the circuit and only then transforms to high voltage, through a step-up pulse transformer. Reliability of the installation is enhanced by placing the electrodes in a gas-insulated medium, which reduces the likelihood of breakdown, and accelerator maintenance becomes safer for personnel, since one of the high-voltage DC circuits is removed.

Claims

An accelerator of high-speed solid particles containing an injector, induction sensors, amplifiers, a linear accelerator, a fixed high voltage source, cylindrical electrodes, a speed selector, a specific charge selector, a target, and characterized in that an additional high-pressure dielectric chamber filled with sulfur hexafluoride is installed in with which cylindrical electrodes are coaxial to it, a frequency deviation forming unit, a high-frequency converter increasing a pulse transformer are introduced, the inputs of the frequency deviation formation unit are connected to the outputs of the speed selector and the specific charge selector, the output of the frequency deviation formation unit is connected to the control input of the high-frequency converter, the shoulders of which include the primary winding of the boost pulse transformer, the secondary winding of which is connected to cylindrical electrodes.