SU353656A1 - Ускоритель макротел - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к устройствам дл  ускорени  тел массой 50-100 г и более .

Известны ускорители тел с погующыо нучков зар женных частиц, цапример ионные ракетные двигатели. Недостатком таких систем  вл етс  мала  сила т ги нрн большом весе двигател . Известны также способы ускорен -г  квазинейтралыюго тела, нанрнмер плазменного сгустка, когда на сгусток направл ют ноток зар женных частиц.

Цель изобретепи  - ускоренне электрически нейтральных макротел н повышение КПД ускорител .

Дл  этого предлагаетс  ускоритель, представл ющий длинную вакуумную камеру, в которую впускаетс  пучок электронов с током тыс чн нлн дес тки тыс ч ампер при энергии электроиов сотни килоэлектроновольт или единицы мегаэлектроиовольт. Ускор емое тело находитс  внутри камеры. Источиик ускоренных электронов установлен отдельно у торца вакуумной камеры. С целью ускорени  электрически иейтральных макротел ускор емое тело содержит магнит нли другие снстемы, с помощью которых электронный пучок, попав в тело, разворачиваетс  на 180° н движетс  в обратном направлении. При этом электроны

передают телу двойной импульс. Дл  увеличенн  КПД снстемы отраженный нучок может быть заторможен в электрическом поле, возвратив при этом имеющуюс  в нем энергию. Устройство дл  торможепп  электронов устанавливаетс  вблизи источннка электронов у того же торца камеры . Дл  комнеисации взаимного отталкивани  нр мого н отраженного электронных п чков по всей длине камеры установлена снециальиа  фокусирующа  система.

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

Схема содержит источннк 1 электроиов, представл ющий ускоритель на энергию иор дка 1 МэВ, вакуумную камеру 2, пучок 3 ускоренных электронов, ускор емое тело 4, магнит 5 или другое устройство дл  отражени  пучка.

Известно, что нучки рел тивистских электроиов с токами дес тки и сотнн килоампер могут устойчиво сзществовать в виде шнура достаточно малого размера (до 5- 10 мм). Кулоповское расталкивание электронов существенно ослабл етс  с ростом энергии. Дл  электронов с кннетнческой энергией 1 МэВ оно нрнмерно в 10 раз меньще, чем дл  иоко щихс  электронов.

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

Ускор емое тело 4 с помощью специального магнита 5 разворачивает попадающий в него пучок. Вектор скорости частиц .мен ет 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 - энерги  поко  электрона , эВ (Ео 5, );

W-кинематическа  энерги  электронов, В; F - сила, действующа 

на тело.

Так, при 7 3-104 А и МэВ F 30: кг.

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

Дл  увеличени  КПД системы рационально сохранить форму пучка при отражении от тела с тем, чтобы он мог двигатьс  обратно в сторону источника электронов , где устанавливаетс  устройство дл  электрического торможени  пучка, то есть дл  рекуперации его энергии. На фиг. 2 представлена полна  схема такого устройства , содержащего рекуператор 6 энергии, который содержит коллектор 7, соединенный с высоковольтным электродом 8 источника электронов 1 через вспомогательный генератор 9 напр жени , изол ционную 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 энерги  возвращена в электрическую сеть. Дл  компенсации разницы между ускор ющим и замедл ющим напр жением используетс  генератор 9. Потери быстрых частиц (с энергией около 1 МэВ) во всем устройстве по оценкам состав т около от полного тока пучка.

Дл  приведенного выще примера (/ 310 А, МэВ) генератор 9 должен иметь мощность 15 тыс. кВт при напр жений 500 В, а мощность выпр мител  (генератора ) И, питающего источник электронов , 3 тыс. кВт при напр жении 1 MB.

Одним из наиболее сложных элементов предлагаемого устройства  вл етс  ускоритель электронов на энергию 1 МэВ и ток тыс чи ампер. Установка содержит катод 12, состо щий из многих  чеек, и ускорительную трубку 13, пучок в которой также разбит на много отдельных лучей. Последнее уменьшает вли ние собственного объемного зар да на движение электронов и увеличивает электрическую прочность трубки . В области 14 с помощью магнитных линз электроны ст гиваютс  в один луч,

после чего впускаютс  в вакуумную камеру 2, где используютс  дл  ускорени  тела 4.

Устройства дл  ускорени  и замедлени  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, тер емой в рекуператоре 6, т. е. разницу между потенциалом высоковольтного электрода 8 и потенциалом коллектора 7. Эта разница потенциала составл ет дл  рассматриваемого примера около 0,5 кВ. Мощность генератора равна напр жению 0,5 кВ, умноженному на ток пучка 3- 10 А, т. е. около 15 тыс. кВт. Хот  такой генератор и  вл етс  несложным сооружением, однако он должен быть подн т относительно земли на напр жение около 1 MB. Дл  этого может быть использован либо обычный машинный генератор, вращаемый длинным изол ционным валом, либо другое устройство.

Выпр митель И на 1 MB и несколько тыс ч киловатт имеет аналоги в обычной электротехнике. Возможно также применение новых конструкций портативных высоковольтных выпр мителей, размещаемых в

сжатом газе.

Охлаждение коллектора 7 и других элементов , наход щихс  под высоким потенциалом , может производитьс  маслом, вводимым на высокий потенциал по длинным

изол ционным трубкам.

Пр мой и отраженный от тела 4 электронные пучки 3 взаимно отталкиваютс  и дл  устойчивого удержани  их на некотором рассто нии от стенки вакуумной камеры 2 используютс  обмотки 16 с током. Кажда  из обмоток 16 может состо ть 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 добитьс  устойчивого удержани  пучков 3 на заданном рассто нии от стенки. При расчете сил, действующих на пучки, должны приниматьс  во внимание и силы, св занные с отражением зар да и тока пучков в степках камеры.

Электронный пучок 3 может иметь посто нную амплитуду в течение всего времени ускорени  тела 4 или модулироватьс  с некоторой частотой. В последнем случае ток в обмотках 16 должен мен тьс  в соответствии с изменением тока в пучке. При пульсации во времени тока пучка 3 в расположенных вблизи металлических детал х навод тс  токи Фуко (в частности в стенках камеры 2, если стенки металлические). Силы, св занные с по влением отраженного тока могут быть использованы и дл  отражени  пучка при взаимодействии его с ускор емым телом 4. С увеличением амплитуды тока и частоты его изменени  сила , отталкивающа  электроны от металлической стенки, растет и может позволить развернуть пучок при относительно малом радиусе поворота. На силу взаимодействи  пучка со стенкой существенно вли ет и материал стенки, точнее ее проводимость. По вл етс  возможность отразить от тела 4 и посто нный во времени электронный пучок , если отражающую поверхность тела 4 покрыть сверхпровод щим материалом. Аналогичный механизм может быть использован и дл  поддержани  необходимых зазоров между двигающимс  телом 4 и стенками вакуумной камеры 2 (создание магнитной подушки, устран ющей трение между телом 4 и камерой 2).

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

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

Здесь предполагаетс , что электронный пучок можно отразить за счет токов Фуко. Система отражени  за счет токов Фуко позвол ет сделать ускор емое тело существенно легче и, следовательно, увеличить

величину ускорени . Так, дл  приведенных выше значений А и МэВ сила, действующа  на тело . кг. Если масса тела /п 50 г, то скорость 6 км/с тело получит, пролетев 3 км. Врем  ускорени  составит 1 с.

Claims (2)

1. Ускоритель макротел, содержащий источник зар женных частиц и ускор емое тело, на которое направл етс  поток этих частиц, отличающийс  тем, что, с целью ускорени  электрически нейтральных

макротел, ускор емое тело содержит магнит дл  изменени  паправлени  движени  зар женных частиц примерно на 180°.

2. Ускоритель по п. 1, отличающийс  тем, что, с целью повышени  КПД, ускорптель содержит систему дл  электрического торможени  зар женных частиц после их взаимодействи  с ускор емым телом.