RU2647123C2 - Способ коллективного ускорения заряженных частиц и устройство для его реализации - Google Patents
Способ коллективного ускорения заряженных частиц и устройство для его реализации Download PDFInfo
- Publication number
- RU2647123C2 RU2647123C2 RU2016122305A RU2016122305A RU2647123C2 RU 2647123 C2 RU2647123 C2 RU 2647123C2 RU 2016122305 A RU2016122305 A RU 2016122305A RU 2016122305 A RU2016122305 A RU 2016122305A RU 2647123 C2 RU2647123 C2 RU 2647123C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic field
- electron
- charged particles
- ion
- acceleration
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J21/00—Vacuum tubes
- H01J21/02—Tubes with a single discharge path
- H01J21/18—Tubes with a single discharge path having magnetic control means; having both magnetic and electrostatic control means
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Изобретение относится к средствам коллективного ускорения заряженных частиц. Устройство содержит вакуумную камеру, которая состоит из кольцевой трубы с расположенным в ней источником электронов и сопряженным с ней участком кольцевой трубы, на торцах которой расположены источники ионов. Источники заряженных частиц выполнены в виде соосно расположенных цилиндров с кромками в форме лезвия. Вне вакуумной камеры симметрично расположены две системы, создающие переменное магнитное поле в виде электрических контуров, соединенных с высокочастотным генератором переменного тока, с возможностью получения фокусирующего переменного магнитного поля, зависящего от радиуса ρ орбиты заряженных частиц в соответствии с выражением Н~ρ-α, где Н - напряженность магнитного поля частотой 103-104 Гц. При изменении во времени напряженности магнитного поля Н, вдоль стационарных траекторий формируются индукционные электрические поля с напряженностью, достаточной для возникновения автоэмиссии электронов и ионов. При осуществлении изобретения происходит накопление частиц в электронно-ионном потоке до состояния насыщения, определяемого энергетическими возможностями системы, создающей переменное магнитное поле. Техническим результатом является увеличение плотности и мощности потоков за счет их объединения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Изобретение относится к области получения и ускорения заряженных частиц и предназначено для использования в физике высоких энергий и ядерных технологиях.
В качестве аналога способа возьмем способ коллективного ускорения ионов электронными кольцами (БСЭ, т. 27, Третье издание, М.: «Советская Энциклопедия», 1977, с. 102-103), который состоит из восьми технологических операций, в трех типах полей согласованно изменяющихся в пространстве и времени.
Устройство, обеспечивающее реализацию способа, состоит из вакуумной камеры, источника электронов, линейного ускорителя обеспечивающего ускорение электронов, систему электромагнитов или контуров с током, создающих слабофокусирующее магнитное поле с переменной конфигурацией, которое формирует сгустки-кольца, источника подающего газ к сгустку-кольцу и линейного ускорителя электронно-ионных сгустков.
Укажем основные недостатки аналога способа ускорения частиц электронными сгустками-кольцами и устройства реализующего указанный способ.
Наличие трех типов полей согласованно изменяющихся в пространстве и времени усложняет техническую реализацию метода. Оказывается невозможным применять прецизионные методы фокусировки для увеличения плотности потоков.
Последовательный характер выполнения операций на трех, рассредоточенных в пространстве устройствах, задающих указанный тип полей, а также использование линейных ускорителей ведет к увеличению общих размеров ускорителя, а также стоимости его строительства и эксплуатаций.
Малая интенсивность потоков частиц делает невозможным применение метода в промышленных технологиях.
В качестве аналога устройства для коллективного ускорения потоков заряженных частиц возьмем электронный магнитный спектрометр (Патент РФ №2338259, опубл. 2008 г.), содержащий вакуумную камеру в виде кольцевой трубы (тора), с размещением 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.
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.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) заявляемого устройства и способа является «Ускоритель заряженных частиц» (Патент РФ №2531808 от 01.09.2014 г.), позволяющий осуществлять следующие технологические операции: получение, ускорение и прецизионную фокусировку на мишени электронов и ионов.
Ускоритель заряженных частиц содержит вакуумную камеру в форме участка кольцевой трубы, на торцах которого внутри находятся источник заряженных частиц и мишень. Источник заряженных частиц прототипа представляет собой систему, соосно-расположенных заземленных цилиндров, торцы которых имеют радиус закругления кромок ~10-6 м и выполняют функции электродов-эмиттеров. Эмитируемыми частицами могут быть как электроны, так и ионы металлов в случае использования жидкометаллического ионного источника. Вне вакуумной камеры расположена система, создающая переменное магнитное поле в виде электрических контуров, соединенных с высокочастотным генератором переменного тока, с возможностью получения фокусирующего и одновременно ускоряющего переменного магнитного поля, зависящего от радиуса ρ орбиты заряженных частиц в соответствии с выражением Н~ρ-α, где H - напряженность магнитного поля частотой 105-107 Гц, α=0,45-0,55. Электрические контуры установлены с возможностью перемещения в продольном и поперечном направлениях. Источник заряженных частиц и мишень установлены с возможностью перемещения по орбите заряженных частиц. Соосно расположенные цилиндры установлены с возможностью перемещения относительно друг друга вдоль образующей.
Укажем следующий значительный недостаток прототипа как для способа, так и для устройства. Используемый тип поля в способе и конструкция устройства (прототипа) не позволяют осуществить коллективное движение потоков заряженных частиц, поэтому интенсивность потока оказывается недостаточной для ядерных реакций, а степень фокусировки избыточной.
Задачей заявленного изобретения является разработка способа и устройства для генерации и ускорения высокоплотных потоков заряженных частиц, их объединения с целью увеличения кинетической энергии при значительном снижении размеров и стоимости устройства.
Данная цель достигается использованием переменного магнитного поля специальной конфигурации осуществляющего одновременно операции формирования электронных и ионных потоков, их индукционного ускорения, объединения в единый электронно-ионный поток, накопление энергии потока и последующего вывода на мишень.
Устройство, реализующее указанную цель, содержит вакуумную камеру, которая состоит из кольцевой трубы с расположенным в ней источником электронов и сопряженным участком кольцевой трубы на торцах которой, под углом ϕ0 к оси симметрии, проходящей через точку объединения потоков О, размещены источники ионов, а две системы контуров с током и два селеноида с центрами на оси симметрии, расположенными симметрично относительно точки объединения потоков.
Конструкция устройства поясняется чертежом, приведенным на фигуре 1 - автоэмиссионный источник электронов, 2 - стационарная траектория электронного потока, 3 - стационарная траектория ионного потока, 4 - жидкометаллический источник ионов, 5 - второй жидкометаллический источник ионов, 6 - стационарная траектория второго ионного потока, 7 - мишень.
Общая идея коллективного способа ускорения заключается в следующем. Если в поток электронов ускоренных внешним электрическим полем, ввести положительно заряженные ионы, то они будут ускоряться потоком движущихся электронов и приобретут равную с ними скорость. Но энергия ионов при этом будет во столько раз больше энергии электронов, во сколько раз масса иона больше массы электрона. Например, в случае ускорения протонов она будет в 1840 раз больше.
Предлагаемый способ включает две системы ускорения и фокусировки, одна для потока электронов с центром в точке Ое, другая для потока ионов с центром в точке Oi, а затем объединение электронно-ионного потока в точке Ое.
Системы ускорения и фокусировки представляют собой суперпозицию двух полей вида Н~ρ-α, 0<α(ϕ)<1, ϕ - аксиальный угол, причем при изменении во времени напряженности магнитного поля Н, вдоль стационарных траекторий возникают индукционные электрические поля напряженностью Ее достаточной для автоэмиссии потоков электронов и Ei достаточной для автоэмиссии потоков ионов, которые одновременно под действием магнитного поля Н, фокусируются в точке объединения потоков О, где происходит захват медленных ионов их последующее ускорение электронным потоком и вывод электронно-ионного потока на мишень.
Предлагаемый способ включает следующие технологические операции, определяющие работу устройства:
- возрастающее магнитное поле порождает индукционное электрическое поле и формирует поток электронов из источника 1 вдоль стационарной траектории 2;
- фокусирующие свойства поля удерживают электроны в области стационарной траектории, вследствие большой разницы масс ионов и электронов, электроны за время ускорения, совершают 10-103 оборотов, приобретая энергию Ee>>Ei;
- индукционное электрическое поле осуществляет эмиссию ионов из жидкометаллического источника 4, затем дальнейшее их ускорение вдоль стационарной траектории 3;
- ионы ускоряются в индукционном электрическом поле до энергии Ei и фокусируются магнитным полем в точке соединения потоков О, находящейся по углом ϕ0 от источника;
- в точке О происходит захват ионов электронным потоком, после чего электронно-ионный поток замедляется уменьшающимся индукционным полем и, совершив 10-103 оборотов изменяет движение на противоположное;
- процесс повторяется в противоположном направлении, при этом эмиссия ионов осуществляется из источника 6 вдоль стационарной траектории 5;
- повторение процессов приводит к накоплению частиц в электронно-ионном потоке до состояния насыщения, определяемого энергетическими возможностями системы создающей переменное магнитное поле;
- при достижении состояния насыщения сформированный электронно-ионный поток направляется на мишень 7, за счет изменения напряженности магнитного поля на стационарной траектории.
Проведем численный эксперимент и определим параметры способы коллективного ускорения.
Кинетическая энергия частицы определяется соотношениями
Пусть Те, Ti кинетическая энергия электрона и иона me, mi - их массы. При коллективном способе ускорения скорости электрона ve и иона vi одинаковы ve=vi, следовательно
Откуда кинетическая энергия иона, выраженная через кинетическую энергию электрона
При энергии ускорения электронов 300 МэВ энергией покоя частиц можно пренебречь Ti>>mic2, Те>>mec2, поэтому кинетическая энергия ионов Ti пропорциональна отношению масс
или для протонов
ионов лития
ионов свинца
ионов урана
Параметры способа коллективного ускорения в зависимости от вида заряженных частиц приведены в таблице.
Заявителю неизвестен способ и устройство для получения потоков заряженных частиц путем объединения двух потоков электронов и ионов с формированием их устойчивой пространственной структуры. Вследствие этого предлагаемый способ и устройство соответствуют критерию «новизна».
Claims (2)
1. Способ коллективного ускорения потоков заряженных частиц, включающий генерацию потока заряженных частиц, их ускорения и фокусировки под действием одного и того же переменного аксиально-симметричного магнитного поля, напряженность которого уменьшается пропорционально расстоянию ρ от оси симметрии по закону Н~ρ-α, где α=0,5, напряженность магнитного поля Н0 на стационарной траектории - окружности радиуса ρ0 -составляет половину среднего значения напряженности магнитного поля Hср внутри этой окружности Н0=0,5Нср, частота ν изменения напряженности магнитного поля Н0 составляет ν=105-108 Гц, отличающийся тем, что высокочастотное магнитное поле представляет собой суперпозицию двух полей вида Н~ρ-α, 0<α(ϕ)<1, ϕ - аксиальный угол, причем при возрастании во времени напряженности магнитного поля H, вдоль стационарных траекторий возникают индукционные электрические поля напряженностью Ее для электронов и Ei для ионов, достаточной для автоэмиссии двух потоков электронов и ионов движущихся ускоренно и которые одновременно, под действием магнитного поля H, фокусируются в точке объединения потоков О, где происходит захват ионного потока, его последующее ускорение электронным потоком и вывод электронно-ионного потока на мишень.
2. Устройство для коллективного ускорения потоков заряженных частиц, содержащее систему контуров с током, создающих переменное магнитное поле, вакуумную камеру в виде участка кольцевой трубы, в которой находятся источник заряженных частиц и мишень, отличающееся тем, что вакуумная камера состоит из кольцевой трубы с расположенным в ней источником электронов и сопряженным с ней участком кольцевой трубы, на торцах которой, под углом ϕ0 к оси симметрии, проходящей через точку объединения потоков, размещены источники ионов, а две системы контуров с током и два селеноида с центрами на оси симметрии расположены симметрично относительно точки объедения потоков.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016122305A RU2647123C2 (ru) | 2016-06-06 | 2016-06-06 | Способ коллективного ускорения заряженных частиц и устройство для его реализации |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016122305A RU2647123C2 (ru) | 2016-06-06 | 2016-06-06 | Способ коллективного ускорения заряженных частиц и устройство для его реализации |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2016122305A RU2016122305A (ru) | 2017-12-11 |
RU2647123C2 true RU2647123C2 (ru) | 2018-03-14 |
Family
ID=60718272
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016122305A RU2647123C2 (ru) | 2016-06-06 | 2016-06-06 | Способ коллективного ускорения заряженных частиц и устройство для его реализации |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2647123C2 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2338259C2 (ru) * | 2002-09-13 | 2008-11-10 | Ай Джи Ти | Игровое устройство для игры на ставки с имитируемыми элементами управления перемещением функциональных элементов игры |
US8350459B2 (en) * | 2007-12-05 | 2013-01-08 | Tsinghua University | Field electron emission source |
US20130169157A1 (en) * | 2011-12-28 | 2013-07-04 | Lockheed Martin Corporation | Systems and methods for generating coherent matterwave beams |
US9089039B2 (en) * | 2013-12-30 | 2015-07-21 | Eugene J. Lauer | Particle acceleration devices with improved geometries for vacuum-insulator-anode triple junctions |
-
2016
- 2016-06-06 RU RU2016122305A patent/RU2647123C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2338259C2 (ru) * | 2002-09-13 | 2008-11-10 | Ай Джи Ти | Игровое устройство для игры на ставки с имитируемыми элементами управления перемещением функциональных элементов игры |
US8350459B2 (en) * | 2007-12-05 | 2013-01-08 | Tsinghua University | Field electron emission source |
US20130169157A1 (en) * | 2011-12-28 | 2013-07-04 | Lockheed Martin Corporation | Systems and methods for generating coherent matterwave beams |
US9089039B2 (en) * | 2013-12-30 | 2015-07-21 | Eugene J. Lauer | Particle acceleration devices with improved geometries for vacuum-insulator-anode triple junctions |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2016122305A (ru) | 2017-12-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Klír et al. | Efficient neutron production from a novel configuration of deuterium gas-puff Z-pinch | |
US9953798B2 (en) | Method and apparatus for generation of a uniform-profile particle beam | |
WO2017145259A1 (ja) | 重粒子線治療装置 | |
RU2647123C2 (ru) | Способ коллективного ускорения заряженных частиц и устройство для его реализации | |
Wang et al. | Collimated particle acceleration by vortex laser-induced self-structured “plasma lens” | |
Bardakov et al. | Plasma-optical mass separation of isotopes in the magnetic field of linear current | |
JP2020107532A (ja) | サイクロトロン及びサイクロトロンの加速方法 | |
RU2377687C1 (ru) | Лазерный источник ионов высокой зарядности | |
RU2558384C2 (ru) | Газовая обдирочная мишень | |
Holzer | Introduction to longitudinal beam dynamics | |
Masuda et al. | Numerical study of ion recirculation in an improved spherical inertial electrostatic confinement fusion scheme by use of a multistage high voltage feedthrough | |
RU2531808C1 (ru) | Ускоритель заряженных частиц | |
RU2760276C1 (ru) | Способ увеличения тока пучка кластерных ионов | |
KR20150045103A (ko) | 비대칭 돌출부를 갖는 공진기를 적용한 선형 가속기 | |
RU2559288C1 (ru) | Способ аккумуляции энергии потока заряженных частиц | |
Welsch | Non-destructive beam profile monitors | |
RU2411066C1 (ru) | Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления | |
RU2558239C1 (ru) | Устройство коррекции погодных условий | |
RU2764147C1 (ru) | Инжектор для ускорителя кластерных ионов | |
RU2468546C1 (ru) | Способ ускорения позитронов и устройство для его реализации | |
RU126447U1 (ru) | Электромагнитный излучатель высокой мощности | |
Behtouei et al. | Relativistic approach to a low perveance high quality matched beam for a high efficiency Ka-Band klystron | |
Kazachenko et al. | NUMERICAL RESEARCH OF DESIGN SOLUTIONS FOR THE BENDING MAGNETS OF THE ELECTRON BEAM FACILITY GESA-1M | |
Paghe et al. | Compression between ion and hard x-ray emissions from nitrogen and argon in Mather type plasma focus device | |
Ji et al. | Design of a compact ion beam transport system for the BELLA ion accelerator |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190607 |