УСКОРИТЕЛЬ

Полезная модель относится к области физики и техники пучков заряженных частиц, конкретно к области ускорительной техники, и может быть использована для медицинского и другого применения.
Развитие ускорителей определяется требованиями развития фундаментальных наук - в основном физики элементарных частиц, физики высоких энергий.
Ускорители заряженных частиц - устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом.
Обычно ускоряющее электрическое поле создается внешними устройствами (генераторами).
Ускорители заряженных частиц - один из основных инструментов современной физики. Ускорители являются источниками, как пучков первичных ускоренных заряженных частиц, так и пучков вторичных частиц (мезонов, нейтронов, фотонов и др.), получаемых при взаимодействии первичных ускоренных частиц с веществом.
Пучки частиц больших энергий используются для изучения природы и свойств элементарных частиц, в ядерной физике, в физике твердого тела.
Все большее применение они находят и при исследованиях в других областях: в химии, биофизике, геофизике. Расширяется значение ускорителей заряженных частиц различных диапазонов энергий в металлургии - для выявления дефектов деталей и конструкций (дефектоскопия), в деревообделочной промышленности - для быстрой высококачественной обработки изделий, в пищевой промышленности - для стерилизации продуктов, в медицине - для лучевой терапии, для «бескровной хирургии» и в ряде других отраслей.
Большие перспективы имеют способы лечения онкологических заболеваний облучением протонами с энергией 100-300 МЭВ.
Однако большие размеры и высокая стоимость ускорителей на указанные энергии удерживает их широкое применение.
Заявляемая полезная модель относится к линейным ускорителям, в которых траектории частиц близки к прямой линии.
Известен ускоритель, схема формирования высоковольтных ускоряющих импульсов напряжения которого включает твердотельные размыкающие ключи DSRD (см. R.Akre, A.Benwell, C.Burkhart, A.Krashykh, T.Tang, А.Kardo-Sysoev «А solid-state nanosecond beam Kicker modulator based on the DSRD switch», Presented at Conference: Particle Accelerator, 24th Conference, 2011).
Указанная схема формирования высоковольтных ускоряющих импульсов напряжения позволяет отказаться от ненадежных оптических ключей и убрать высокое постоянное напряжение с ускоряющего канала.
Недостатками данного устройства являются:
- максимальное ускоряющее напряжение, которое достигается в указанной схеме, ограничено предельными рабочими напряжениями мощных полупроводниковых транзисторов;
- максимальный пиковый ток также ограничен предельными параметрами мощных полупроводниковых транзисторов;
- максимальное ускоряющее напряжение ограничено допустимой толщиной размыкающего ключа DSRD, который встраивается в полосовую линию.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является ускоритель, включающий ускоряющий канал, сформированный полосовыми линиями (см. патент US №6331194, Н05Н 7/00; Н05Н 7/22; Н05Н 9/00, 2001).
В данном ускорителе использованы формирующие линии Блюм-лайн и оптические ключи для получения высоковольтных импульсов напряжения, которые обеспечивают ускорение протонов до энергий 30-100 МЭВ на одном метре длины ускорителя.
Недостатками данного устройства являются:
- необходимость прикладывать высокое постоянное напряжение к ускоряющему каналу, где происходит ускорение протонов, постоянное напряжение вызывает пробой диэлектриков, и соответственно, снижает надежность и срок службы устройства;
- оптические ключи имеют низкую надежность, недостаточное рабочее напряжение и рабочий ток;
- оптические ключи требуют использования мощных лазерных импульсов света, которые громоздки, имеют низкий КПД и ограниченный ресурс.
Технической задачей заявляемой полезной модели является создание компактного линейного ускорителя с высоким полным коэффициентом полезного действия.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности устройства путем увеличения темпа ускорения и увеличения тока пучка ускоряемых частиц.
Для достижения указанного технического результата в ускорителе, включающем ускоряющий канал, сформированный полосовыми линиями, согласно предложению, он дополнительно содержит n отдельных генераторов, выполненных в виде модулей с возможностью подачи выходных импульсов напряжения от каждого модуля на ускоряющий канал по полосовой линии, причем каждая полосовая линия с генераторным модулем расположена со смещением относительно соседней по спирали вдоль ускоряющего канала, при этом сумма длины полосовой линии и радиуса ускоряющего канала удовлетворяет условию 2π(R+r)>n L,
где R - длина полосовой линии,
r - радиус ускоряющего канала,
n - число модулей на одном витке спирали,
L - ширина генераторного модуля.
Согласно предложению генераторный модуль имеет форму параллелепипеда, пирамиды.
Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично представлен общий вид устройства, на фиг.2 изображен поперечный разрез устройства.
Следует учесть, что на чертежах представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа предложения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертежах не представлено.
Ускоритель включает генераторные модули 1. В нашем примере конкретного выполнения ускоритель выполнен с 10 генераторными модулями на одном витке спирали, то есть n=10 (фиг.1). Каждый генераторный модуль 1 имеет форму параллелепипеда, но может быть выполнен в форме пирамиды или другой формы.
Каждый генераторный модуль 1 конструктивно связан со своей полосовой линией 2, которая, в свою очередь, соединена с ускоряющим каналом 3.
Каждая полосовая линия 2 с генераторным модулем 1 расположена со смещением относительно соседней по спирали вдоль ускоряющего канала.
Для примера конкретного выполнения L=20 см, R=40 см, r=1,0 см.
Ускоритель работает следующим образом.
На все генераторные модули 1 подают напряжение питания от внешнего источника. Затем на первый генераторный модуль 1 подают импульс запуска. На выходе первого генераторного модуля 1 формируется импульс напряжения с амплитудой и формой необходимой для ускорения заряженных частиц.
Затем подают импульс запуска на второй генераторный модуль 1 с временной задержкой так, чтобы импульс напряжения второго генераторного модуля 1 пришел по полосовой линии 2 к ускоряющему каналу 3 в момент прохождения через него заряженных частиц ускоренных первым генераторным модулем 1.
Подобным образом импульс запуска подают на все следующие генераторные модули 1, получая ускорение заряженных частиц.
Преимуществами заявляемого технического решения является компактность устройства с повышенным коэффициентом полезного действия, увеличение темпа ускорения, увеличение тока пучка ускоряемых частиц.