RU2559288C1 - Method of accumulation of energy of flow of charged particles - Google Patents
Method of accumulation of energy of flow of charged particles Download PDFInfo
- Publication number
- RU2559288C1 RU2559288C1 RU2014118230/07A RU2014118230A RU2559288C1 RU 2559288 C1 RU2559288 C1 RU 2559288C1 RU 2014118230/07 A RU2014118230/07 A RU 2014118230/07A RU 2014118230 A RU2014118230 A RU 2014118230A RU 2559288 C1 RU2559288 C1 RU 2559288C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic field
- change
- flow
- induction
- charged particles
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области энергетики, а именно к технологии получения заряженных частиц больших энергий, и предназначено для применения в области ядерной физики и технологии.The invention relates to the field of energy, and in particular to a technology for producing high-energy charged particles, and is intended for use in the field of nuclear physics and technology.
В качестве аналога заявляемого способа использована технология прецизионной фокусировки электронов (бета-частиц) в электронном магнитном спектрометре [Патент РФ №2338295. Электронный магнитный спектрометр, 2008 г.]. В способе-аналоге генерируемые источником электроны движутся в условиях вакуума в постоянном аксиально-симметричном магнитном поле, индукция которого спадает пропорционально расстоянию ρ от аксиальной оси по закону В ~ ρ-α, где α=0,5. Магнитное поле указанной конфигурации удерживает электроны вблизи стационарной траектории - окружности радиуса ρ0 и осуществляет их прецизионную фокусировку на мишени, расположенной под аксиальным углом
В качестве прототипа взята технология ускорения электронов (бета-частиц) в бетатроне [БСЭ, т.27, третье издание, М.: Изд. «Советская энциклопедия», 1977, с.110], которая заключается в следующем. Электроны, генерируемые электронной пушкой, движутся в условиях вакуума в переменном аксиально-симметричном магнитном поле бетатронного типа, которое характеризуется следующими параметрами.The technology of acceleration of electrons (beta particles) in a betatron was taken as a prototype [TSB, vol. 27, third edition, Moscow: Izd. "Soviet Encyclopedia", 1977, p.110], which consists in the following. The electrons generated by the electron gun move under vacuum in an alternating axially-symmetric magnetic field of the betatron type, which is characterized by the following parameters.
Индукция магнитного поля спадает пропорционально расстоянию ρ от аксиальной оси по закону В ~ ρ-α, где α=0,6, при этом значение индукции магнитного поля В0 на стационарной траектории - окружности радиуса ρ0, составляет половину среднего значения индукции магнитного поля Вср внутри этой окружности В0=0,5·Вср. Частота изменения индукции магнитного поля составляет 10-103 Гц.The magnetic field induction decreases in proportion to the distance ρ from the axial axis according to the law B ~ ρ -α , where α = 0.6, while the value of the magnetic field induction B 0 on a stationary path - a circle of radius ρ 0 , is half the average value of the magnetic field induction B avg inside this circle B 0 = 0.5 · V av The frequency of change in the magnetic field induction is 10-10 3 Hz.
В условиях действия магнитного поля с указанными параметрами электроны движутся вблизи стационарной траектории, многократно пересекая ее. Одновременно происходит ускорение электронов под действием возникающего индукционного электрического поля. Процесс носит периодический характер и осуществляется во временные интервалы, соответствующие возрастанию магнитного поля в фиксированном направлении. В процессе ускорения электроны совершают порядка 105-106 оборотов и после достижения необходимой энергии 1-150 МэВ выводятся из области стационарной траектории на мишень. Вывод электронов на мишень осуществляется созданием в конце периода ускорения дополнительного импульсного поля, нарушающего бетатронное условие.Under the action of a magnetic field with the indicated parameters, electrons move near a stationary trajectory, crossing it many times. At the same time, acceleration of electrons occurs under the action of the arising induction electric field. The process is periodic in nature and is carried out in time intervals corresponding to an increase in the magnetic field in a fixed direction. In the process of acceleration, the electrons make about 10 5 -10 6 revolutions and after reaching the required energy 1-150 MeV are removed from the stationary path to the target. The withdrawal of electrons to the target is carried out by creating at the end of the acceleration period an additional pulsed field that violates the betatron condition.
Укажем следующие недостатки прототипа.We indicate the following disadvantages of the prototype.
1. Технология ускорения электронов в бетатроне не позволяет аккумулировать энергию за счет накопления электронов в течение нескольких периодов процесса из-за однонаправленного характера движения электронов вдоль стационарной траектории-окружности.1. The technology of electron acceleration in a betatron does not allow the accumulation of energy due to the accumulation of electrons over several periods of the process due to the unidirectional nature of the movement of electrons along a stationary circular path.
2. Наличие электронной пушки бетатрона подразумевает использование различных видов полей для получения и ускорения электронов, что приводит к сложности согласования обоих процессов.2. The presence of an electron gun of a betatron implies the use of various types of fields to obtain and accelerate electrons, which makes it difficult to coordinate both processes.
3. Технология вывода электронов из области ускорения посредством создания дополнительного магнитного поля затрудняет его согласование с магнитным полем бетатрона.3. The technology for removing electrons from the acceleration region by creating an additional magnetic field makes it difficult to match the magnetic field of the betatron.
4. Применяемая технология получения электронов в электронной пушке бетатрона не позволяет достичь высоких значений силы тока электронов вследствие малой площади эмитируемой поверхности в электронной пушке.4. The applied technology for producing electrons in the electron gun of the betatron does not allow to achieve high values of the electron current strength due to the small area of the emitted surface in the electron gun.
5. Технология, реализуемая в прототипе, не позволяет осуществить прецизионную фокусировку электронов на мишени из-за большого количества оборотов, совершаемых электронами во время ускорения. Радиус фокусного пятна оказывается равным амплитуде колебаний электронов относительно стационарной траектории, следствием чего является невозможность получения большой поверхностной плотности мощности на мишени.5. The technology implemented in the prototype does not allow the precise focusing of electrons on the target due to the large number of revolutions made by the electrons during acceleration. The radius of the focal spot is equal to the amplitude of the electron vibrations relative to the stationary trajectory, which results in the impossibility of obtaining a large surface power density on the target.
6. Эффективное использование процесса ускорения электронов составляет только 25%, поскольку ускорение частиц в бетатроне осуществляется только на протяжении 1/4 периода изменения магнитного поля.6. The effective use of the electron acceleration process is only 25%, since the acceleration of particles in the betatron is carried out only during the 1/4 period of the change in the magnetic field.
7. Используемая технология вывода потока ускоренных частиц из области ускорения делает невозможным их прецизионную фокусировку на мишени, как это имеет место в магнитных спектрометрах.7. The technology used to remove the flow of accelerated particles from the acceleration region makes it impossible to focus them precisely on the target, as is the case in magnetic spectrometers.
Задачей предлагаемого способа является получение большой плотности энергии потока заряженных частиц на мишени, что достигается увеличением количества электронов в потоке и их прецизионной фокусировкой.The objective of the proposed method is to obtain a high energy density of the flow of charged particles on the target, which is achieved by increasing the number of electrons in the stream and their precise focusing.
Указанная задача решается за счет периодически повторяющейся во времени последовательности процессов: генерации потока заряженных частиц, ускорения, фокусировки замедления и дефокусировки, с частотой изменения величины магнитного поля 105-108 Гц, а вывод энергии потока происходит путем изменения величины индуктивности магнитного поля на стационарной траектории в сторону увеличения или уменьшения, при соблюдении аксиальной симметрии магнитного поля.This problem is solved by a sequence of processes that periodically repeats over time: generating a stream of charged particles, accelerating, focusing deceleration and defocusing, with a frequency of magnitude change of the magnetic field of 10 5 -10 8 Hz, and the output of the flux energy occurs by changing the magnitude of the inductance of the magnetic field on a stationary trajectories in the direction of increase or decrease, subject to the axial symmetry of the magnetic field.
Все перечисленные процессы осуществляются под действием одного и того же переменного аксиально-симметричного магнитного поля бетатронного типа, что позволяет проводить их в согласованном режиме, при выполнении следующих условий, а именно:All these processes are carried out under the influence of the same variable axially symmetric magnetic field of the betatron type, which allows them to be carried out in a coordinated mode, under the following conditions, namely:
- индукция магнитного поля в области стационарной траектории уменьшается пропорционально расстоянию ρ от оси симметрии по закону В ~ ρ-α, где α ~ 0,5 для выполнения условия прецизионной фокусировки;- the magnetic field induction in the area of the stationary trajectory decreases in proportion to the distance ρ from the axis of symmetry according to the law B ~ ρ -α , where α ~ 0.5 to fulfill the condition of precision focusing;
- индукция магнитного поля В0 на стационарной траектории, окружности радиуса ρ0, составляет половину среднего значения магнитного поля В внутри этой окружности В0=0,5·Вср;- the induction of the magnetic field B 0 on a stationary trajectory, a circle of radius ρ 0 , is half the average value of the magnetic field B inside this circle B 0 = 0.5 · In sr ;
- частота изменения индукции магнитного поля, в зависимости от вида ускоряемых частиц - электронов или ионов, составляет ν=105-108 Гц, причем для электронов ν=107-108 Гц, а ионов ν=105-106 Гц. В этом случае область движения заряженных частиц будет ограничена аксиальным углом, меньшим 2π, и, следовательно, траектории заряженных частиц не будут пересекать источник;- the frequency of change in the magnetic field induction, depending on the type of accelerated particles - electrons or ions, is ν = 10 5 -10 8 Hz, and for electrons ν = 10 7 -10 8 Hz, and ions ν = 10 5 -10 6 Hz . In this case, the region of motion of the charged particles will be limited by an axial angle less than 2π, and therefore, the paths of the charged particles will not intersect the source;
- изменение индукции магнитного поля во времени подчинено следующему условию периодичности- the change in the magnetic field induction in time is subject to the following periodicity condition
B(t+2T)=B(t), B(t+T)=-B(t)B (t + 2T) = B (t), B (t + T) = - B (t)
где Т=ν-1 - полупериод изменения индукции магнитного поля;where T = ν -1 is the half-period of the change in the magnetic field induction;
- источник заряженных частиц представляет собой систему соосно-расположенных заземленных цилиндров, торцы которых имеют радиус закругления кромок ~ 10-6 м и выполняют функции электродов-эмиттеров и позволяют увеличить линейную протяженность поверхности источника без существенного снижения плотности напряженности индукционного поля;- the source of charged particles is a system of coaxially located grounded cylinders, the ends of which have a rounding radius of ~ 10 -6 m and act as emitter electrodes and can increase the linear extent of the source surface without significantly reducing the density of the induction field;
- генерируемыми частицами могут быть как электроны, так и ионы металлов в случае использования жидкометаллического ионного источника.- the generated particles can be both electrons and metal ions in the case of using a liquid metal ion source.
Положительный технический результат, обеспечиваемый указанной совокупностью признаков, состоит в повышении плотности мощности потока заряженных частиц на мишени, которая обусловлена:A positive technical result provided by the specified set of features consists in increasing the power density of the flow of charged particles on the target, which is due to:
- циклическим характером движения потока электронов;- the cyclical nature of the motion of the electron flow;
- генерированием и накоплением электронов в потоке от цикла к циклу;- generation and accumulation of electrons in the flow from cycle to cycle;
- удержанием потока;- retention of flow;
- отсутствием пересечения потоком источника;- the lack of intersection with the flow of the source;
- торможением потока силами радиационного трения, и которая достигается:- braking the flow by radiation friction, and which is achieved:
- прецизионной фокусировкой потока электронов на мишени.- precision focusing of the electron flow on the target.
Способ аккумуляции энергии потока заряженных частиц поясняется схемой фиг. 1, которая состоит из вакуумной камеры (не указана) с расположенным в ней источником А в виде системы соосных цилиндров (электродов эмиттеров), точки фокусировки потока F и смещенной мишени F1. Плоскости С и А1 ограничивают движение заряженных частиц вдоль стационарной траектории окружности радиуса ρ0.The method of accumulating energy of the flow of charged particles is illustrated by the diagram of FIG. 1, which consists of a vacuum chamber (not indicated) with source A located in it in the form of a system of coaxial cylinders (emitter electrodes), the focus point of the flux F, and the displaced target F 1 . The planes C and A 1 limit the movement of charged particles along a stationary trajectory of a circle of radius ρ 0 .
На фиг. 2 показано изменение индукции магнитного поля В во времени.In FIG. 2 shows the change in the induction of magnetic field B in time.
На фиг. 3 показаны технологические процессы и их порядок выполнения: 1 - генерация заряженных частиц, 2 - ускорение, 3 - замедление, 4 - фокусировка, 5 - дефокусировка, 6 - радиационное трение, 7 - вывод аккумулированной энергии потока заряженных частиц.In FIG. 3 shows the technological processes and their order of execution: 1 - generation of charged particles, 2 - acceleration, 3 - deceleration, 4 - focusing, 5 - defocusing, 6 - radiation friction, 7 - output of the accumulated energy of the flow of charged particles.
Рассмотрим порядок выполнения технологических процессов в способе аккумуляции энергии потока заряженных частиц (фиг. 3).Consider the order of technological processes in the method of accumulating energy of the flow of charged particles (Fig. 3).
1. При возрастании во времени переменного магнитного поля в положительном направлении (фиг. 1), (фиг. 2) вдоль стационарной траектории D - окружности радиуса ρ0, возникает индукционное электрическое поле, величина которого при указанной выше частоте изменения магнитного поля оказывается достаточной для возникновения эффекта автоэмиссии заряженных частиц с кромок электродов-эмиттеров источника А.1. When the alternating magnetic field increases in time in the positive direction (Fig. 1), (Fig. 2) along a stationary trajectory D - a circle of radius ρ 0 , an induction electric field arises, the magnitude of which at the above-mentioned frequency of change of the magnetic field is sufficient for the occurrence of the effect of field emission of charged particles from the edges of the electrodes-emitters of source A.
2. Генерируемые заряженные частицы в условиях действия индукционного электрического поля движутся ускоренно и под действием магнитного поля фокусируются в точке F.2. Generated charged particles under the action of an induction electric field move accelerated and under the influence of a magnetic field are focused at point F.
3. При прохождении точки фокусировки F магнитное поле изменяет направление и становится отрицательным (фиг. 2), в соответствии с этим индукционное электрическое поле изменяет знак ускорения и далее частицы движутся замедленно к плоскости С.3. When passing the focal point F, the magnetic field changes direction and becomes negative (Fig. 2), in accordance with this, the induction electric field changes the sign of acceleration and then the particles move slowly to plane C.
4. При достижении плоскости С магнитное поле обращается в ноль и вновь начинает возрастать в отрицательном направлении. Частицы останавливаются и под действием возникающего индукционного поля вновь начинают ускоряться, двигаясь в противоположном направлении, после чего процессы ускорения, фокусировки и замедления, дефокусировки повторяются в обратном направлении. При этом вследствие действия сил радиационного трения частицы изменяют движение на противоположное в плоскости А1, не достигая источника А.4. When plane C is reached, the magnetic field vanishes and again begins to increase in the negative direction. Particles stop and under the action of the arising induction field again begin to accelerate, moving in the opposite direction, after which the processes of acceleration, focusing and deceleration, defocusing are repeated in the opposite direction. In this case, due to the action of radiation friction forces, the particles change the motion in the opposite direction in the plane А 1 , without reaching source A.
5. По достижении частицами плоскости A1 весь цикл процессов повторяется вновь.5. When the particles reach the plane A 1, the entire cycle of processes is repeated again.
6. После осуществления количества циклов, обеспечивающего требуемую плотность потока, необходимо увеличить или уменьшить среднее значение индукции магнитного поля внутри окружности стационарной траектории. Вследствие этого происходит сдвиг потока частиц относительно исходной стационарной траектории радиуса ρ0 и их прецизионная фокусировка в точке F1, соответствующий новому радиусу равновесной траектории ρ1.6. After implementing the number of cycles providing the required flux density, it is necessary to increase or decrease the average value of the magnetic field induction inside the circle of a stationary trajectory. As a result of this, the particle flow shifts relative to the initial stationary trajectory of radius ρ 0 and their precision focusing at the point F 1 , corresponding to the new radius of the equilibrium trajectory ρ 1 .
На фиг. 1 показан вариант фокусировки, при котором среднее поле уменьшается Bcp1<Bcp и радиус равновесной траектории увеличивается ρ1>ρ0.In FIG. Figure 1 shows a focusing option in which the average field decreases B cp1 <B cp and the radius of the equilibrium path increases ρ 1 > ρ 0 .
Заявителю не известен способ аккумуляции энергии потока заряженных частиц подобного изложенному, вследствие этого предлагаемый способ соответствует критерию «новизна».The applicant does not know the method of accumulating the energy of a stream of charged particles similar to the above, as a result of this, the proposed method meets the criterion of "novelty."
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014118230/07A RU2559288C1 (en) | 2014-05-05 | 2014-05-05 | Method of accumulation of energy of flow of charged particles |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014118230/07A RU2559288C1 (en) | 2014-05-05 | 2014-05-05 | Method of accumulation of energy of flow of charged particles |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2559288C1 true RU2559288C1 (en) | 2015-08-10 |
Family
ID=53796311
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014118230/07A RU2559288C1 (en) | 2014-05-05 | 2014-05-05 | Method of accumulation of energy of flow of charged particles |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2559288C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1386007A1 (en) * | 1986-06-18 | 1994-03-30 | Научно-исследовательский институт электронной интроскопии при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова | Method and device for induction acceleration of electrons |
EP0617452A1 (en) * | 1993-03-26 | 1994-09-28 | FISONS plc | Charged particle analyser |
RU2050044C1 (en) * | 1992-01-17 | 1995-12-10 | Научно-исследовательский институт интроскопии Томского политехнического университета | Method acceleration of electrons in cylindrical induction accelerator and device for implementation of said method |
RU2338295C1 (en) * | 2007-01-30 | 2008-11-10 | ЗАО "Торгово-промышленая компания "Удмуртия" | Electronic magnet spectrometer |
-
2014
- 2014-05-05 RU RU2014118230/07A patent/RU2559288C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1386007A1 (en) * | 1986-06-18 | 1994-03-30 | Научно-исследовательский институт электронной интроскопии при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова | Method and device for induction acceleration of electrons |
RU2050044C1 (en) * | 1992-01-17 | 1995-12-10 | Научно-исследовательский институт интроскопии Томского политехнического университета | Method acceleration of electrons in cylindrical induction accelerator and device for implementation of said method |
EP0617452A1 (en) * | 1993-03-26 | 1994-09-28 | FISONS plc | Charged particle analyser |
RU2338295C1 (en) * | 2007-01-30 | 2008-11-10 | ЗАО "Торгово-промышленая компания "Удмуртия" | Electronic magnet spectrometer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6022045B2 (en) | Method and apparatus for packetizing a charged particle beam | |
RU2559288C1 (en) | Method of accumulation of energy of flow of charged particles | |
Stolterfoht et al. | Experiments and simulations of 4.5-keV Ar 7+− ion guiding through a conical glass macrocapillary | |
KR20160049425A (en) | RF electron gun, linear Accelerator system and method for emitting pulse electron-beam | |
Torres-Cordoba et al. | Analytical and exact solutions of the spherical and cylindrical diodes of Langmuir–Blodgett law | |
El-Saftawy et al. | Investigation of beam performance parameters in a pierce-type electron gun | |
RU2647123C2 (en) | Method for collective acceleration of charged particles and device for its implementation | |
Holzer | Introduction to longitudinal beam dynamics | |
Altsybeyev et al. | Numerical simulations of the radial convergent electrons and ions flows for cylindrical pulsed source | |
Nojima | Printing clear annular patterns by mass separated ion using rotating electric fields | |
EP3488668B1 (en) | An apparatus for generating electromagnetic waves | |
Kozlovsky et al. | Experimental study of a model of a small-size neutron generator with pulsed magnetic insulation | |
Guzilov | L and s-band high-efficiency multibeam kylstron development, bac method of increasing efficiency | |
RU2531808C1 (en) | Charged particle accelerator | |
Svistunov et al. | Beam dynamics investigations for 433 MHz RFQ accelerator | |
Volkolupov et al. | Electron beam generation in a magnetron diode with metal secondary-emission cathode | |
RU2624735C2 (en) | Induction accelerator | |
Kazachenko et al. | NUMERICAL RESEARCH OF DESIGN SOLUTIONS FOR THE BENDING MAGNETS OF THE ELECTRON BEAM FACILITY GESA-1M | |
RU2468546C1 (en) | Positron acceleration method, and device for its implementation | |
Iqbal et al. | Optimization of Electrostatic Focusing for Line Source Electron Beam Emitter Assembly | |
TW202029218A (en) | Methods and systems for plasma self-compression | |
RU126447U1 (en) | HIGH POWER ELECTROMAGNETIC RADIATOR | |
Furukawa et al. | Observation of macroscopic stability of weakly magnetized Li+ ion beams near the Brillouin density limit | |
RU2619081C1 (en) | Method for accelerating ions by pulsed electron flow | |
Agafonov et al. | Dynamics of Plasma-beam formations in the acceleration gap of the pulse neutron generator-based vacuum neutron tube |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170506 |