ИЗЛУЧАЮЩАЯ ТРУБКА, А ТАКЖЕ УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ С ИЗЛУЧАЮЩЕЙ ТРУБКОЙ
RADIANT TUBE AND PARTICLE ACCELERATOR HAVING RADIANT TUBE

Изобретение относится к излучающей трубке для направления луча заряженных частиц, а также к ускорителю частиц с такой излучающей трубкой.
Такая излучающая трубка предусмотрена, в частности, в ускорителе для заряженных частиц. Луч заряженных частиц может содержать, например, электроны, ядра атомов, ионизированные атомы, заряженные молекулы или заряженные осколки молекул. Ускорение луча заряженных частиц происходит в направляющем луч полом объеме, который окружен излучающей трубкой. Полый объем обычно эвакуирован при работе ускорителя частиц. Для этого обычно предусмотрена согласованная с излучающей трубкой система вакуумных насосов.
Излучающая трубка, которая отделяет полый объем и луч заряженных частиц от окружения, электростатически нагружается ускоряющим электрическим полем. При увеличении напряженности электрического поля повышается вероятность высвобождения электронов рассеяния из поверхности внутренней стенки излучающей трубки. Этот процесс возникает сначала и предпочтительно на так называемых усах. Усы являются игольчатыми монокристаллами с диаметром в несколько микрон и длиной до нескольких сотен микрон, которые возникают на всех, в частности на металлических, поверхностях. На вершине игольчатого монокристалла возникает повышенное электрическое поле. За счет этого из вершины усов высвобождаются электроны рассеяния. Электроны рассеяния, так же как луч заряженных частиц, ускоряются электрическим полем. Если такие электроны рассеяния попадают на внутреннюю стенку излучающей трубки, то при соударении выпускаются вторичные электроны. Процесс является самонарастающимся. В конечном итоге происходит зажигание сквозной дуги на внутренней стенке и тем самым провал ускоряющего заряженные частицы электрического поля.
Для решения этой проблемы из US 6331194 В1 известна излучающая трубка, в которой полый объем, направляющий луч заряженных частиц, непосредственно окружен полым цилиндрическим изоляционным сердечником, который называется изолятором высокого градиента, HGI. Изоляционный сердечник содержит множество выполненных из диэлектрика тонких колец (толщина примерно 0,25 мм), которые на торцевых сторонах снабжены тонким металлическим проводящим слоем (толщина примерно 40000 ангстрем). Для изготовления изоляционного сердечника кольца составляются в полый цилиндр. Под влиянием давления и температуры прилегающие друг к другу металлические слои соседних колец расплавляются и соединяются с образованием металлических колец.
Изолятор HGI повышает стойкость к пробою излучающей трубки. А именно, если на внутренней стенке изолятора HGI возникают вторичные электроны, то заряжаются соседние металлические кольца изолятора HGI. Таким образом, электрический заряд распределяется по всем непосредственно нагружаемым вторичными электронами металлическим кольцам. Это приводит к усреднению электрического заряда на внутренней стенке изолятора HGI и тем самым к уменьшению тенденции умножения вторичных электронов.
Распределение электрического заряда на соседние тонкие металлические кольца является чисто емкостным распределением. Таким образом, принцип действует лишь для редких и коротких импульсов напряжения. Зарядка металлических колец не предотвращается эффективно, поскольку металлические кольца заделаны в диэлектрик изоляционного сердечника и тем самым внесенный заряд может лишь медленно стекать по путям поверхностной утечки. Таким образом, работа линейного ускорителя с высокой частотой повторения ускоряющих импульсов приводит к увеличению вероятности пробоя.
Из документа US 2569154 А известна разрядная трубка для формирования пучка электронов. Разрядная трубка содержит трубчатую изоляционную оболочку, непосредственно окружающую направляющий луч полый объем. Изоляционная оболочка образована из диэлектрически действующей несущей подложки, в частности керамики. В несущую подложку введены расположенные друг за другом вдоль оси изоляционной оболочки металлические слои, которые посредством электрического проводника индуктивно соединены друг другом. Через проводник слои гальванически включены между катодом и анодом, причем между катодом и анодом приложено напряжение для генерации газового разряда и для ускорения высвобождаемых электронов. В альтернативном выполнении разрядная трубка содержит удерживаемый в несущей подложке электрический проводник, который расчленен на множество проводящих петель, проходящих по периметру изоляционного сердечника в различных осевых положениях и соединенных гальванически с образованием спиралеобразной катушки.
Из US 3761720 А известен высоковольтный изолятор для генератора или ускорителя Ван де Граафа. Высоковольтный изолятор окружает трубчатую изоляционную оболочку. Изоляционная оболочка образована диэлектрической несущей подложкой, в которую введены расположенные вдоль оси металлические слои, которые электрическим проводником индуктивно соединены друг другом. Через проводник слои гальванически включены между несущим напряжение полюсом и землей. Для распознавания и локализации дефектов высоковольтного изолятора к нему прикладывается высокое тестовое напряжение, под действием которого в полом объеме в местах дефектов высвобождаются электроны. Посредством детектирования и спектральной оценки выработанного ими тормозного излучения осуществляется распознавание и локализация мест дефектов.
Из WO 2006043366 А1 известна излучающая трубка для ускорителя частиц, содержащая трубчатую изоляционную оболочку, образованную диэлектрической несущей подложкой. В несущую подложку введены расположенные друг за другом вдоль оси излучающей трубки кольцеобразные ускорительные электроды, гальванически соединенные друг с другом электрическим проводником, намотанным вокруг внешней периферии изоляционной оболочки.
В основу изобретения положена задача создания излучающей трубки, которая имеет низкую вероятность пробоя. Кроме того, в основу изобретения положена задача создания ускорителя частиц с такой излучающей трубкой.
Относительно излучающей трубки задача решена согласно изобретению с помощью комбинации признаков пункта 1 формулы изобретения. Для этого направляющий луч полый объем непосредственно окружен полым цилиндрическим изоляционным сердечником. Изоляционный сердечник образован из диэлектрически действующей несущей подложки и удерживаемого на ней электрического проводника. Проводник разделен на множество проводящих петель, которые полностью проходят по периметру изоляционного сердечника в различных осевых положениях. Отдельные проводящие петли соединены гальванически друг с другом. Излучающая трубка окружена металлическим корпусом. Такой металлический корпус может быть изготовлен, например, из герметизированных относительно друг друга отрезков трубки и обеспечивает простую эвакуацию с помощью системы вакуумных насосов с целью создания направляющего луч эвакуированного полого объема. Металлический корпус может содержать предусмотренные для создания ускоряющего электрического поля устройства или образовывать составную часть такого устройства.
2
3
2
В качестве электрического проводника можно использовать металл, такой как медь, золото или т.п. В качестве диэлектрика можно использовать, например, SiO, АlО, поликарбонат, полиакрил, стекло или керамику.
В диэлектрически действующую несущую подложку введены последовательно друг за другом вдоль излучающей трубки металлические слои, например металлические пластины. Металлические слои действуют в качестве промежуточных электродов. Металлические слои соединены гальванически друг с другом электрическим проводником. Таким образом, конструкция соответствует по существу упомянутому в начале изолятору HGI. За счет гальванического соединения металлических слоев могут стекать возможно соударяющиеся электроны.
Однако соединение с низким полным сопротивлением металлических слоев приводило бы в индуктивном ускорителе частиц с такой излучающей трубкой к нагрузке индукционного генератора и к уменьшению ускоряющего напряжения. Однако за счет проходящего в проводящих петлях электрического проводника может обеспечиваться, что металлические слои на поверхности излучающей трубки связаны по существу индуктивно. Это предпочтительно, в частности, при импульсной работе излучающей трубки. Тем самым достигается емкостная связь участков изолятора с близким металлическим электродом. Однако возможные заряды могут стекать за короткое время (однако длительное относительно периода ускорения), так что подавляется самодивергирующийся процесс пробоя также при высоких частотах повторения.
Если на обращенной к полому объему внутренней стенке изоляционного сердечника возникают вторичные электроны, то несколько соседних проводящих петель нагружаются непосредственно и точечно электрическим зарядом вторичных электронов. Электрический заряд распределяется в окружном направлении по этим проводящим петлям. Поскольку все проводящие петли гальванически соединены друг с другом, то заряд распределяется также на проводящие петли, которые не приходят непосредственно в контакт с вторичными электронами. Таким образом, эффективно уменьшается вероятность умножения вторичных электронов и пробоев изолятора. Таким образом, ускоритель частиц с такой излучающей трубкой обеспечивает работу с высокой частотой повторения импульсов ускорения и/или с повышенной энергией поля без значительного повышения вероятности пробоя.
Удерживаемый на диэлектрической несущей подложке электрический проводник в по меньшей мере одной точке может быть соединен гальванически с металлическим корпусом.
В модификации этого варианта выполнения по меньшей мере две находящиеся на расстоянии друг от друга точки электрического проводника гальванически соединены с корпусом. Таким образом, внутри электрического проводника отсутствует градиент потенциала.
В предпочтительной модификации проводящие петли электрического проводника намотаны в виде винтовой спирали вокруг средней продольной оси полого цилиндрического изоляционного сердечника и образуют спиральную катушку. Таким образом, проводник действует как индуктивность и демпфирует высокочастотные составляющие ускоряющего электрического поля.
В варианте выполнения электрический проводник заделан в диэлектрически действующую несущую подложку. Для изготовления изоляционного сердечника предусмотрена, например, литейная форма, которая имеет форму полого цилиндра с цилиндрическим сердечником для образования кольцевого пространства. В кольцевое пространство вводят, например, изогнутый в виде винтовой спирали электрический проводник, который состоит из металлической проволоки. Затем кольцевое пространство заполняют диэлектрической несущей подложкой для образования полого цилиндрического изоляционного сердечника с электрическим проводником. Диэлектрик является, например, способной к течению пластмассой, такой как искусственная смола или т.п., которая после заполнения в форму затвердевает. Однако это может быть также порошкообразный диэлектрик, заполняющий в виде способного к течению насыпного материала литейную форму и затвердевающий с приложением температуры и/или давления.
В другом варианте выполнения электрический проводник закреплен, в частности наклеен, на внутренней стенке полой цилиндрической несущей подложки. При этом электрический проводник может быть также напечатан или напылен.
В другом варианте как электрический проводник, так и диэлектрическая несущая подложка выполнены в виде проволочных полос и для образования полого цилиндрического изоляционного сердечника намотаны друг в друга в виде двойной спирали. Для изготовления изоляционного сердечника этой формы обе полосы наматывают, например, вокруг цилиндра в качестве монтажного вспомогательного приспособления и затем скрепляют друг с другом.
Все указанные варианты изготовления полого изоляционного сердечника обеспечивают возможность простого и тем самым дешевого выполнения.
В готовом состоянии электрический проводник предпочтительно полностью пронизывает несущую подложку. Другими словами, как внутренняя стенка, так и наружная стенка полого цилиндрического изоляционного сердечника имеют металлическую проводящую составляющую. Таким образом, в изоляционный сердечник может встраиваться большое количество электрически проводящего материала, пригодного для приема большого электрического заряда.
Относительно ускорителя частиц указанная выше задача решена согласно изобретению с помощью признаков пункта 6 формулы изобретения. В соответствии с этим, ускоритель частиц содержит излучающую трубку по любому из пп.1-5 формулы изобретения. Ускоритель частиц можно использовать, например, для целей исследования, а также в качестве медицинского терапевтического прибора. Ускоритель частиц выполнен, в частности, в виде ускорителя с диэлектрической стенкой, DWA, подробное описание которого приведено в US 5757146.
Ускоритель частиц может работать, в частности, в импульсном режиме и основан на электромагнитной индукции, т.е. ускоряющее электрическое поле создается за счет изменения магнитного потока вокруг траектории полета частиц.
Ниже приводится более подробное пояснение примера выполнения изобретения со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором показана частичная зона ускорителя 2 частиц с участком излучающей трубки 4 в трехмерной проекции в разрезе.
Ускоритель 2 частиц выполнен, например, в виде линейного ускорителя, в котором ускоряющее электрическое поле создается с помощью постоянного напряжения или с помощью импульсного переменного напряжения (см. «Линейные ускорители», Wideroe, 1928 г. ). Однако он может быть также выполнен в виде ускорителя с диэлектрической стенкой.
Излучающая трубка 4 показана схематично в виде полого цилиндра. Она содержит трубчатый металлический корпус 5. Однако она может иметь также навесные приспособления, например не изображенную на фигуре систему вакуумных насосов. В излучающей трубке 4 размещен также имеющий форму полого цилиндра изоляционный сердечник 6. Изоляционный сердечник 6 в свою очередь окружает непосредственно направляющий излучение цилиндрический полый объем 8. В полом объеме 8 направляется и ускоряется показанный схематично луч 10 заряженных частиц.
В основе ускорителя 2 частиц лежит принцип электромагнитной индукции. Он генерирует показанное символично магнитное поле 12 вокруг траектории полета частиц, которая совпадает с обозначенным стрелкой направлением луча 10 заряженных частиц. Магнитное поле 12 образует замкнутые линии поля вокруг полого объема 8, соответственно, вокруг траектории полета заряженных частиц 10. За счет изменения во времени магнитного потока магнитного поля 12 создается электрическое поле, которое ускоряет луч 10 заряженных частиц в направлении стрелки.
Полый цилиндрический изоляционный сердечник 6 образован из диэлектрической несущей подложки 14 и из удерживаемого на ней электрического проводника 16. Электрический проводник 16 разделен на множество проходящих вокруг периметра изоляционного сердечника 6, при рассматривании от его средней продольной оси 18, в различных положениях проводящих петель 20, которые гальванически соединены друг с другом и образуют спиральную катушку.
В диэлектрической несущей подложке могут быть предусмотрены последовательно друг за другом вдоль оси излучающей трубки металлические слои, например металлические пластины (не показаны). В этом случае диэлектрическая несущая подложка имеет ту же конструкцию, что и на фиг. 2 в US 6331194 В1. Металлические слои соединены друг с другом с помощью окружных проводящих петель 20. За счет гальванического соединения металлических слоев могут стекать возможно соударяющиеся электроны. Для изготовления изоляционного сердечника 6 электрический проводник 16 сгибают в виде винтовой спирали и закрепляют на внутренней стенке полой цилиндрической несущей подложки 14. Однако электрический проводник можно также печатать с помощью металлически проводящей пасты, такой как используемой для печати проводников на печатных платах, на внутренней стенке полой цилиндрической несущей подложки 14.
Оба конца спирального электрического проводника 16 соединены через электрически проводящие соединения 22 с излучающей трубкой 4, соответственно, с ее металлическим корпусом 5 и тем самым с потенциалом земли ускорителя 2 частиц. Полый объем 8 при работе ускорителя 2 частиц эвакуирован.
Электроны рассеяния и вторичные электроны, которые за счет ускоряющего электрического поля вырываются из стенки излучающей трубки, при соударении с изоляционным сердечником попадают на проводящие петли 20 электрического проводника 16 и заряжают их. За счет гальванического соединения проводящих петель заряд вторичных электронов распределяется в направлении продольной оси 18 вдоль электрического проводника 16. Таким образом, снижается опасность умножения вторичных электронов и вероятность пробоя ускорителя 2 частиц. Ускоритель 2 частиц может работать с большой силой ускоряющего электрического поля и с высокой частотой повторения ускоряющих импульсов. Дополнительно за счет выполнения электрического проводника 16 в виде катушки фильтруются высокочастотные электрические переменные поля.