УСКОРИТЕЛЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Известен ускоритель высокоскоростных твердых частиц, основанный на ускоряющей системе Слоуна-Лоуренса, состоящий из инжектора, линейного ускорителя, двух индукционных датчиков, цилиндрических электродов, источника фиксированного напряжения, усилителей, селектора скоростей, генератора управляемой частоты и мишени (Слеттери, Беккер, Хамерменш, Рой. Линейный ускоритель для моделирования микрометеоритов. //Приборы для научных исследований., 1973, т.44,№6.). К недостаткам данного устройства следует отнести узкий диапазон ускоряемых частиц и связанную с ним необходимость перестройки тракта ускорения, большие массу и габариты.
Наиболее близким является линейный ускоритель для моделирования микрометеоритов, состоящий из инжектора, индукционных датчиков, усилителей, линейного ускорителя, источника фиксированного высокого напряжения, цилиндрических электродов, селектора скоростей, селектора удельных зарядов, генератора изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке, блока сопряжения, электронно-вычислительной машины, усилителя пачки импульсов переменной длительности, каскадного генератора, мишени (Семкин Н.Д., Пияков А.В., Воронов К.Е., Помельников Р.А. //Патент на изобретение №2205525, Бюл. №15 от 27.05.2003). Недостатками устройства являются:
- ускоритель имеет большую массу и большие габариты, что обусловлено сложностью электроники и необходимостью предускорения частиц в линейном ускорителе;
- узкий диапазон ускоряемых частиц и небольшое число ускоряющих
секций, что обусловлено тем, что данная система не позволяет ускорять частицы во всем диапазоне масс.
Предускорение частиц в линейном электростатическом ускорителе вызвано необходимостью измерения удельного заряда частиц на входе электродинамического ускорителя. Удельный заряд определяется по измеренному значению скорости частицы до и после линейного электростатического ускорителя с известным эффективным ускоряющим напряжением:
1
2
1
2
0
где V, V - скорости частицы до и после линейного электростатического ускорителя соответственно, L - расстояние между кольцами Фарадея (база колец), T, T - измеренные временные интервалы, U - эффективное ускоряющее напряжение линейного электростатического ускорителя.
Длина цилиндрических электродов выбирается исходя из максимальной скорости ускоряемой частицы и времени переходного процесса переключения напряжения на электродах, который не должен превышать время пролеты частицей внутри электрода. Таким образом, становится очевидным, что для ускорения малых заряженных частиц необходимы достаточно длинные цилиндрические электроды, что увеличивает габариты ускорителя.
Поставлена задача разработать ускоритель с более широким диапазоном ускоряемых частиц и улучшенными габаритно-весовыми характеристиками.
Поставленная задача достигается тем, что в ускорителе высокоскоростных твердых частиц, содержащем инжектор, источник фиксированного высокого напряжения, цилиндрические электроды и
мишень, в промежутке между ускоряющими секциями введены замедляющие секции с низким значением коэффициента времени пролета.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид ускорителя заряженных частиц.
Ускоритель заряженных частиц содержит инжектор 1, цилиндрические электроды 2, мишень 3, источник высокого напряжения 4. Все четные и нечетные электроды 2 соответственно соединены между собой и расположены так, что коэффициент времени пролета всех нечетных ускоряющих секций больше, чем у четных, при этом под секцией понимается расстояние между центрами соседних цилиндрических электродов. Выходы источника высокого напряжения 4 соединены соответственно с четными и нечетными электродами 2.
Устройство работает следующим образом. Инжектор 1 генерирует заряженные частицы, которые последовательно пролетают все электроды 2 и попадают на мишень 3. Вследствие разности потенциалов на электродах 2, обеспечиваемых источником высокого напряжения 4, частица ускоряется во всех нечетных и замедляется во всех четных секциях. Так как разность потенциалов всех четных и нечетных секций равна по модулю и противоположна по знаку, а коэффициент времени пролета (коэффициент эффективности) четных секций меньше, то в целом, частица будет ускоряться.
За счет введения замедляющих секций ускоряющее поле становится электростатическим, а, следовательно, не зависит от массы и заряда ускоряемых частиц.
Известно, что для простых цилиндрических электродов коэффициент времени пролета определяется выражением:
Т =
где b - диаметр канала цилиндрических электродов; g - величина зазора между соседними электродами; L - длина ускоряющей секции.
Таким образом, можно подобрать такую геометрию ускоряющей секции, что ее эффективность будет минимальной. Чередуя ускоряющую секцию с типичным значением Т=0,99 и замедляющую секцию с минимальной эффективностью можно построить ускоритель заряженных частиц с достаточно высоким эффективным ускоряющем напряжением.
Например, если все электроды имеют диаметр канала 20 мм, длину 10 мм, а длина четных и нечетных секций 60 мм и 10 мм соответственно, то коэффициент эффективности такой ускоряющей системы составит 0,3127. Это значит, что, частица ускоряется в нечетных секциях на 31,27% больше, чем замедляется в четных секциях. Для дальнейшего повышения коэффициента эффективности можно увеличить длину зазора четных секций.
Так как распределение поля не зависит от времени и параметров ускоряемых частиц, то частица любой массы и заряда будет ускоряться. Таким образом, диапазон ускоряемых частиц значительно расширяется. Возможно ускорение любых частиц: от элементарных частиц до твердых тел диаметром несколько десятков микрон. Отсутствие предускорителя и обслуживающей электроники значительно сокращает массогабаритные характеристики предлагаемого ускорителя заряженных частиц. Приведенный на фиг.1 ускоритель предназначен для работы с положительно заряженными частицами. Для работы с отрицательно заряженными частицами следует изменить полярность напряжений источника высокого напряжения.