УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ СБОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
ELECTRICALLY CHARGED PARTICLES COLLECTION DEVICE AND METHOD

Настоящее изобретение касается устройства для сбора электрически заряженных частиц по п. 1 формулы изобретения, способа эксплуатации устройства для сбора электрически заряженных частиц по п. 6 формулы изобретения, устройства для облучения мишени пучком частиц по п. 8 формулы изобретения, а также способа эксплуатации устройства для облучения мишени пучком частиц по п. 10 формулы изобретения.
Для таких применений, как производство радиоизотопов или нейтронов, известно обстреливание сравнительно толстой мишени пучком заряженных частиц из ускорителя частиц для вызова в этой мишени желаемых ядерных реакций. При этом ускоритель частиц может, например, представлять собой радиочастотный линейный ускоритель. Заряженные частицы могут, например, представлять собой протоны.
Создание ускоренного пучка частиц связано со значительными затратами энергии. Энергия, переносимая в виде кинетической энергии ускорителем частиц на заряженные частицы, при использовании толстой мишени после попадания частиц на мишень преимущественно остается в мишени. Часть этой энергии излучается в виде рентгеновского тормозного излучения помех. Остающаяся в мишени энергия приводит к нагреву мишени, который требует охлаждения мишени. Максимально возможная мощность охлаждения ограничивает максимально используемый поток частиц, обстреливающих мишень.
Доля энергии, затрачиваемой на желаемые ядерные реакции, при использовании толстой мишени мала, так как желаемые ядерные реакции, как правило, возможны только в узко ограниченном интервале энергии попадающих частиц.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить устройство, с помощью которого может повышаться энергетическая эффективность у такого рода систем. Эта задача решается с помощью устройства с признаками п. 1 формулы изобретения. Также задачей настоящего изобретения является указать способ, с помощью которого может повышаться энергетическая эффективность при эксплуатации таких систем. Эта задача решается с помощью способа с признаками п. 6 формулы изобретения. Также задачей настоящего изобретения является указать устройство для облучения мишени пучком частиц, которое обладает повышенной энергетической эффективностью. Эта задача решается с помощью устройства с признаками п. 8 формулы изобретения. Кроме того, задачей настоящего изобретения является указать способ эксплуатации устройства для облучения мишени пучком частиц, который обладает повышенной энергетической эффективностью. Эта задача решается с помощью способа с признаками п. 10 формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствования указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Предлагаемое изобретением устройство для сбора электрически заряженных частиц включает в себя первый кожух и концентрически расположенный вокруг первого кожуха второй кожух. При этом каждый из кожухов соответственно разделен на первую половину кожуха и вторую половину кожуха. Между первой половиной первого кожуха и второй половиной первого кожуха расположен первый выключатель. Между второй половиной первого кожуха и первой половиной второго кожуха расположен второй выключатель. Кроме того, первая половина второго кожуха имеет пропускное отверстие. Предпочтительно у этого устройства заряженные частицы, обладающие кинетической энергией, через пропускное отверстие во втором кожухе могут попадать на первую половину первого кожуха и заряжать ее. Благодаря этому кинетическая энергия частиц может преобразовываться в электрическую энергию.
В одном из усовершенствований устройства по меньшей мере один дополнительный кожух расположен концентрически вокруг второго кожуха. При этом каждый дополнительный кожух соответственно разделен на первую половину кожуха и вторую половину кожуха. Первая половина каждого дополнительного кожуха всегда имеет пропускное отверстие. Кроме того, у каждого кожуха, за исключением крайнего наружного кожуха, между соответствующей первой половиной кожуха и соответствующей второй половиной кожуха всегда расположен первый выключатель и между соответствующей второй половиной кожуха и первой половиной соответственно ближайшего наружного кожуха всегда расположен второй выключатель. Предпочтительно тогда устройство имеет большее количество ступеней, благодаря чему становится возможной рекуперация больших количеств энергии частиц, обладающих высокой кинетической энергией, без необходимости съема генерируемой устройством электрической энергии с высоким уровнем напряжения на устройстве.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления устройства кожухи выполнены сферическими. Предпочтительно тогда получается равномерное распределение поля, что упрощает изоляцию кожухов устройства.
В одном из вариантов осуществления устройства между первой половиной крайнего наружного кожуха и второй половиной крайнего наружного кожуха расположен выпрямитель. Предпочтительно тогда с помощью выпрямителя может выпрямляться генерируемое устройством переменное напряжение.
В одном из усовершенствований устройства оно включает в себя источник переменного напряжения, который может соединяться с первой половиной крайнего наружного кожуха и второй половиной крайнего наружного кожуха. Предпочтительно тогда источник переменного напряжения может использоваться для зарядки кожухов устройства к началу эксплуатации устройства, благодаря чему эффективная эксплуатация устройства становится возможной уже с начала эксплуатации устройства.
При предлагаемом изобретением способе эксплуатации устройства для сбора электрически заряженных частиц, при котором устройство выполнено вышеназванным образом, все первые выключатели и все вторые выключатели попеременно размыкаются и замыкаются. Предпочтительно тогда с помощью этого способа высокое напряжение, действующее между первой половиной крайнего внутреннего кожуха устройства и первой половиной крайнего наружного кожуха устройства, делится на переменное напряжение с амплитудным значением, пониженным относительно высокого напряжения, которое может сниматься между половинами крайнего наружного кожуха устройства.
В одном из усовершенствований способа устройство, как описано выше, выполнено с источником переменного напряжения. При этом к началу способа источник переменного напряжения соединяется с первой половиной крайнего наружного кожуха и второй половиной крайнего наружного кожуха. Затем все первые выключатели и все вторые выключатели попеременно синхронно в такт с переменным напряжением, создаваемым источником переменного напряжения, размыкаются и замыкаются. Предпочтительно тогда способ позволяет заряжать кожухи устройства к началу эксплуатации устройства до поднимающихся во внутреннем направлении ступеней потенциала, благодаря чему эффективная эксплуатация устройства становится возможной уже с начала эксплуатации устройства.
Предлагаемое изобретением устройство для облучения мишени пуком частиц включает в себя ускоритель частиц для создания пучка заряженных частиц, мишень и устройство для сбора электрически заряженных частиц соответственно описанным выше образом. Предпочтительно тогда устройство для сбора электрически заряженных частиц позволяет собирать частицы, которые проникли сквозь мишень, и рекуперировать их энергию. Благодаря этому предпочтительно повышается энергетическая эффективность устройства для облучения мишени пучком частиц.
В одном из усовершенствований устройства ускоритель частиц выполнен в виде линейного ускорителя. Предпочтительно линейные ускорители пригодны для создания пучков заряженных частиц, имеющих энергии частиц, необходимые для получения радиоизотопов и нейтронов.
При предлагаемом изобретением способе эксплуатации устройства для облучения мишени пучком частиц это устройство для облучения мишени пучком частиц выполнено описанным выше образом. Кроме того, при этом пучок заряженных частиц направляется на мишень таким образом, что по меньшей мере некоторые частицы проникают сквозь мишень. При этом устройство для сбора электрически заряженных частиц располагается так, что по меньшей мере некоторые проникающие сквозь мишень частицы попадают в устройство для сбора электрически заряженных частиц. При этом устройство для сбора электрически заряженных частиц эксплуатируется в соответствии с описанным выше способом. Предпочтительно при этом способе частицы, которые полностью проникают сквозь мишень, собираются и их энергия рекуперируется. Благодаря этому весь способ эксплуатации устройства для облучения мишени пучком частиц предпочтительно обладает оптимальной энергетической эффективностью.
Описанные выше свойства, признаки и преимущества этого изобретения, а также то, каким образом они достигаются, становится яснее и отчетливее понятны в контексте последующего описания примеров осуществления, которые поясняются подробнее во взаимосвязи с чертежами. При этом показано:
фиг. 1: схематичное изображение устройства для облучения мишени пучком частиц;
фиг. 2: эквивалентная схема устройства для сбора электрически заряженных частиц;
фиг. 3: фрагмент эквивалентной схемы одного из усовершенствований устройства для сбора электрически заряженных частиц.
На фиг. 1 в сильно схематизированном изображении показано устройство 10 для облучения мишени пучком частиц. Устройство 10 может, например, служить для получения радиоизотопов или нейтронов. Полученные радиоизотопы и/или нейроны могут, например, использоваться для технических, научных или медицинских целей.
Устройство 10 включает в себя ускоритель 11 частиц для создания первого пучка 12 заряженных частиц. Ускоритель 11 частиц может быть, например, выполнен в виде линейного ускорителя. В частности, ускоритель 11 частиц может быть, например, выполнен в виде радиочастотного линейного ускорителя. Первый пучок 12 частиц может, например, представлять собой пучок ускоренных протонов. Первый пучок 12 частиц движется в направлении 15 пучка.
Устройство 10 включает в себя также мишень 13. Мишень 13 расположена в направлении 15 пучка за ускорителем 11 частиц, так что первый пучок 12 частиц попадает на мишень 13. Попадающие на мишень 13 частицы первого пучка 12 частиц могут вызывать в мишени 13 желаемые ядерные реакции, например, для получения радиоизотопов или нейтронов. Мишень 13 может быть выполнена в направлении 15 пучка более тонкой, чем у традиционных устройств для облучения мишени пучками частиц. Это имеет то преимущество, что в мишени 13 остается меньшее количество энергии. Благодаря этому мишень 13 менее сильно нагревается, вследствие чего первый пучок 12 частиц может иметь более высокую плотность частиц, чем у традиционных устройств для облучения мишени пучками частиц. Тонкая в направлении 15 пучка мишень 13 минимизирует также возникающее в мишени 13 рентгеновское тормозящее излучение.
Попадающие на мишень 13 частицы первого пучка 12 частиц могут иметь энергию Ein. В мишени 13 частицы первого пучка 12 частиц теряют энергию dE. По меньшей мере некоторые из частиц первого пучка 12 частиц полностью проходят сквозь мишень 13 и выходят из мишени 13 в виде второго пучка 14 частиц. Частицы второго пучка 14 частиц имеют тогда энергию Eout=Ein-dE. Второй пучок 14 частиц проходит также в направлении 15 пучка, то есть продолжает свой путь в том же направлении, что и первый пучок 12 частиц.
Каждая частица второго пучка 14 частиц имеет энергию Eout. Для рекуперации этой энергии устройство 10 для облучения мишени пучком частиц включает в себя устройство 100 для сбора электрически заряженных частиц. Устройство 100 для сбора электрически заряженных частиц предусмотрено для того, чтобы собирать частицы второго пучка 14 частиц и преобразовывать кинетическую энергию Eout частиц второго пучка 14 частиц в электрическую энергию. Для этого устройство 100 для сбора электрически заряженных частиц расположено в направлении 15 пучка за мишенью 13. На фиг. 1 показано схематичное сечение устройства 100 для сбора электрически заряженных частиц. На фиг. 2 показана эквивалентная схема 200 устройства 100 для сбора электрически заряженных частиц.
Устройство 100 для сбора электрически заряженных частиц включает в себя первый кожух 110, концентрически расположенный вокруг первого кожуха 110 второй кожух 120, концентрически расположенный вокруг второго кожуха 120 третий кожух 130 и концентрически расположенный вокруг третьего кожуха 130 четвертый кожух 140. Изображенный на фиг. 1 и 2 вариант осуществления устройства 100 для сбора электрически заряженных частиц, включающий в себя четыре кожуха 110, 120, 130, 140, является только примером. В других вариантах осуществления устройство 100 для сбора электрически заряженных частиц может включать в себя только два кожуха, три кожуха или больше четырех кожухов. Предпочтительно кожухи 110, 120, 130, 140 имеют сферическую форму, то есть выполнены в виде шарообразных кожухов. Кожухи 110, 120, 130, 140 расположены концентрически друг другу, удалены друг от друга и электрически изолированы друг относительно друга. Для этого между отдельными кожухами 110, 120, 130, 140 может быть, например, расположен диэлектрик или вакуум.
С помощью изолирующего зазора 101 каждый кожух 110, 120, 130, 140 разделен на соответственно первую половину кожуха и вторую половину кожуха. Первый кожух 110 разделен на первую половину 111 кожуха и вторую половину 112 кожуха. Второй кожух 120 разделен на первую половину 121 кожуха и вторую половину 122 кожуха. Третий кожух 130 разделен на первую половину 131 кожуха и вторую половину 132 кожуха. Четвертый кожух 140 разделен на первую половину 141 кожуха и вторую половину 142 кожуха. Половины 111, 112, 121, 122, 131, 132, 141, 142 кожухов соответственно электрически изолированы друг от друга изолирующим зазором 101. В изолирующем зазоре 101 может быть, например, расположен изолирующий материал или вакуум. Первые половины 111, 121, 131, 141 кожухов обращены к мишени 13. Вторые половины 112, 122, 132, 142 кожухов отвернуты от мишени 13.
Первая половина 121 второго кожуха 120 имеет пропускное отверстие 123. Первая половина 131 третьего кожуха 130 имеет пропускное отверстие 133. Первая половина 141 четвертого кожуха 140 имеет пропускное отверстие 143. Пропускные отверстия 123, 133, 143 расположены коаксиально друг другу и против направления 15 пучка в направлении мишени 13. Таким образом, частицы второго пучка 14 частиц в направлении 15 пучка могут проникать через пропускные отверстия 143, 133, 123 в устройство 100 для сбора электрически заряженных частиц внутрь и вперед до первой половины 111 первого кожуха 110. Первая половина 111 первого кожуха 110 не имеет пропускного отверстия. Проникнувшие в устройство 100 для сбора электрически заряженных частиц частицы второго пучка 14 частиц попадают, таким образом, на первую половину 111 первого кожуха 110.
Между первой половиной 111 и второй половиной 112 первого кожуха 110 расположен первый выключатель 151. Между первой половиной 121 и второй половиной 122 второго кожуха 120 расположен второй выключатель 152. Между первой половиной 131 и второй половиной 132 третьего кожуха 130 расположен третий выключатель 153. Первый выключатель 151, второй выключатель 152 и третий выключатель 153 вместе образуют первую группу 150 выключателей. Выключатели 151, 152, 153 первой группы 150 выключателей предусмотрены для совместного включения.
Между второй половиной 112 первого кожуха 110 и первой половиной 121 второго кожуха 120 расположен пятый выключатель 161. Между второй половиной 122 второго кожуха 120 и первой половиной 131 третьего кожуха 130 расположен шестой выключатель 162. Между второй половиной 132 третьего кожуха 130 и первой половиной 141 четвертого кожуха 140 расположен седьмой выключатель 163. Пятый выключатель 161, шестой выключатель 162 и седьмой выключатель 163 вместе образуют вторую группу 160 выключателей. Выключатели 161, 162, 163 второй группы 160 выключателей предусмотрены для совместного размыкания и замыкания.
Конструкция устройства 100 для сбора электрически заряженных частиц напоминает высоковольтный каскад. Однако при этом диоды высоковольтного каскада заменены выключателями групп 150, 160 выключателей.
Из эквивалентной схемы 200 фиг. 2 видно, что первая половина 111 первого кожуха 110 и первая половина 121 второго кожуха 120 вместе образуют первый конденсатор 210. Первая половина 121 второго кожуха 120 и первая половина 131 третьего кожуха 130 вместе образуют второй конденсатор 220. Первая половина 131 третьего кожуха 130 и первая половина 141 четвертого кожуха 140 вместе образуют третий конденсатор 230. Вторая половина 112 первого кожуха 110 и вторая половина 122 второго кожуха 120 вместе образуют четвертый конденсатор 240. Вторая половина 122 второго кожуха 120 и вторая половина 132 третьего кожуха 130 вместе образуют пятый конденсатор 250. Вторая половина 132 третьего кожуха 130 и вторая половина 142 четвертого кожуха 140 вместе образуют шестой конденсатор 260.
При эксплуатации устройства 10 для облучения мишени пучком частиц и устройства 100 для сбора электрически заряженных частиц первая половина 141 четвертого кожуха 140 может быть соединена с потенциалом массы. Проникающие через пропускные отверстия 143, 133, 123 в устройство 100 заряженные частицы второго пучка 14 частиц попадают на первую половину 111 первого кожуха 110 и заряжают ее. Если частицы второго пучка 14 частиц представляют собой, например, протоны, то первая половина 111 первого кожуха 110 заряжается до высокого положительного потенциала по сравнению с первой половиной 141 четвертого кожуха 140. На каждом конденсаторе 210, 220, 230, 240, 250, 260 падает одна треть получающегося из разности потенциалов электрического высокого напряжения между первой половиной 111 первого кожуха 110 и первой половиной 141 четвертого кожуха 140.
Теперь, если выключатели 151, 152, 153 первой группы 150 выключателей замыкаются, в то время как выключатели 161, 162, 163 второй группы 160 выключателей разомкнуты, то получается перезарядка между конденсаторами 210, 220, 230, 240, 250, 260, которая приводит к падению напряжения, равному одной шестой высокого напряжения между первой половиной 141 и второй половиной 142 четвертого кожуха 140.
Если затем выключатели 151, 152, 153 первой группы 150 выключателей размыкаются, а выключатели 161, 162, 163 второй группы 160 выключателей замыкаются, то получается перезарядка между конденсаторами 210, 220, 230, 240, 250, 260, которая приводит к падению напряжения, равному одной шестой высокого напряжения между второй половиной 142 и первой половиной 141 четвертого кожуха 140. Выходное напряжение между половинами 141, 142 кожуха имеет, таким образом, ту же величину, что и прежде, однако обратную полярность.
Таким образом, путем постоянного попеременного размыкания и замыкания выключателей первой группы 150 выключателей и второй группы 160 выключателей может генерироваться переменное напряжение между половинами 141, 142 четвертого кожуха 140, амплитудное значение которого составляет одну шестую величины высокого напряжения между первой половиной 111 первого кожуха и первой половиной 141 четвертого кожуха 140. При этом значение, равное одной шестой, получается при наличии четырех кожухов 110, 120, 130, 140. Если бы устройство 100 включало в себя только три кожуха, то получился бы коэффициент деления, равный 4. При только двух кожухах получился бы коэффициент деления, равный 2. При пяти кожухах получился бы коэффициент деления, равный 8. Частота переменного напряжения, снимаемого между первой половиной 141 и второй половиной 142 четвертого кожуха 140, соответствует частоте, с которой включаются группы 150, 160 выключателей.
Так как первые половины 141, 131, 121, 111 кожухов во время эксплуатации устройства 100 для сбора электрически заряженных частиц находятся на ступенях потенциала, возрастающих в направлении центра устройства 100, торможение частиц второго пучка 14 частиц во время их проникновения в устройство 100 в направлении 15 пучка возрастает. Напряжение между первой половиной 111 первого кожуха 110 и первой половиной 141 четвертого кожуха 140 устанавливается так, что проникающие в устройство 100 частицы на своем пути к первой половине 111 первого кожуха 110 теряют всю свою кинетическую энергию. Благодаря этому устройство 100 полностью использует кинетическую энергию частиц второго пучка 14 частиц.
Образованные первой половиной 141 и второй половиной 142 четвертого кожуха 140 выходные разъемы устройства 100 для сбора электрически заряженных частиц могут соединяться с выпрямителем 170 для выпрямления переменного напряжения, снимаемого на выходных разъемах. Выпрямленное переменное напряжение может, например, использоваться для зарядки аккумулятора энергии, например конденсатора.
На фиг. 3 на второй эквивалентной схеме 300 показан фрагмент одного из усовершенствований устройства 100 для сбора электрически заряженных частиц. На фиг. 3 изображены только выходные разъемы, образованные первой половиной 141 и второй половиной 142 четвертого кожуха 140 устройства 100. На фиг. 3 показано, что выходные разъемы могут соединяться с генератором 180 переменного напряжения. Генератор 180 переменного напряжения служит для того, чтобы заряжать кожухи 110, 120, 130, 140 устройства 100 для сбора электрически заряженных частиц к началу эксплуатации устройства 100 для сбора электрически заряженных частиц до потенциалов, повышающихся в направлении центра устройства 100. Это обеспечивает возможность более эффективной эксплуатации устройства 100 для сбора электрически заряженных частиц уже к началу эксплуатации устройства 100 для сбора электрически заряженных частиц. Для предварительной зарядки с помощью генератора 180 переменного напряжения прикладывается переменное напряжение между первой половиной 141 и второй половиной 142 четвертого кожуха 140. Одновременно синхронно с переменным напряжением, генерируемым генератором 180 переменного напряжения, попеременно размыкаются и замыкаются выключатели первой группы 150 выключателей и второй группы 160 выключателей.
Хотя изобретение было более подробно проиллюстрировано и описано в деталях на предпочтительном примере осуществления, изобретение не ограничено раскрытыми примерами. Специалист может вывести отсюда другие варианты без выхода из объема охраны изобретения.