Циклический ускоритель заряженных частиц

УДК 621.384.62

ЦИКЛИЧЕСКИЙ УСКОРИТЕЛЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

© 2011 А. В. Пияков

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва

Представлены теория, расчётные параметры и детали конструкции циклического ускорителя, позволившего разгонять заряженные микрочастицы диаметром 0,1_10 мкм до скоростей 25 км/с. Общее

эффективное ускоряющее напряжение составляет 5 МВ. Отличие этого ускорителя от существующих состоит в том, что все трубки дрейфа динамического контура выполнены одинаковыми, а синфазность движения частицы с напряжением на трубках дрейфа осуществляется путем формирования ускоряющего напряжения как функции скорости частицы и ее удельного заряда, а также в циклическом контуре ускорителя.

Ускоритель, микрометеорит, пылевая частица, дефлектор, трубка дрейфа.

Введение

В последние годы сохраняется тенденция увеличения концентрации высокоскоростных техногенных пылевых частиц на околоземных орбитах. По некоторым данным, уже сейчас концентрация техногенных пылевых частиц в три раза превышает концентрацию микрометеоритов естественного происхождения. Учитывая всё повышающиеся требования к надёжности и долговечности космических аппаратов, а также появление множества новых материалов, необходимо дальнейшее развитие исследований процессов взаимодействия высокоскоростных пылевых частиц с материалами элементов конструкций космических аппаратов.

Для проведения ударных экспериментов используются различные типы ускорителей, однако наиболее “чистыми” являются электростатические и линейные ускорители, в которых ускорение частиц осуществляется энергией электрического поля. Такие ускорители высокоскоростных твёрдых частиц основаны на ускоряющей системе Слоуна -Лоуренса, где синфазность движения частиц с изменением напряжения на трубках дрейфа достигается путем выполнения дрейфовых трубок разной длины. Они имеют узкий диапазон ускоряемых частиц и небольшое число ускоряющих секций, что обусловлено тем, что данная система не позволяет ускорять частицы в широком диапазоне масс

без предварительной перенастройки геометрии ускоряющего тракта. Кроме того, данному классу ускорителей характерны относительно большие габариты и масса.

Конструкция ускорителя

Для дальнейшего повышения эффективного ускоряющего напряжения предложена конструкция циклического ускорителя твердых частиц. В основе этого ускорителя лежит принцип электродинамического ускорения частиц. Удержание частиц в замкнутом ускоряющем тракте осуществляется посредством тороидальных дефлекторов. Структурная схема циклического ускорителя пылевых частиц приведена на рис. 1.

Ускоритель работает следующим образом. Инжектор частиц выпускает в тракт заряженные частицы с требуемым интервалом следования (примерно 1 частица в секунду). Частица последовательно проходит первую измерительную линейку, ЛЭСУ, вторую измерительную линейку и попадает в тракт циклического ускорителя. По измеренным временам пролёта первой и второй измерительных линеек, а также заданному напряжению ЛЭСУ система управления ускорителем вычисляет удельный заряд частицы. Затем частица пролетает несколько кругов по тракту циклического ускорителя, каждый раз ускоряясь в четырех ЛЭДУ. Управляемые тороидальные дефлекторы предназначены для

Рис. 1. Структурная схема циклического ускорителя пылевых частиц: 1- источник питания инжектора; 2 - инжектор заряженных частиц; 3 - источник высокого напряжения (~100кВ); 4 - зарядочувствительный усилитель; 5 - линейный электростатический ускоритель (ЛЭСУ); 6 - вакуумный отсекатель; 7 - система вакуумной откачки и контроля вакуума (СВОКВ); 8 - измерительная линейка; 9 - вакуумная камера для экспериментов; 10 - управляемый тороидальный дефлектор; 11 - линейный электродинамический ускоритель (ЛЭДУ); 12 - система управления ускорителем

Рис. 2. Зависимость отклоняющего напряжения от эквивалентного ускоряющего напряжения для различных значений коэффициента геометрии поля. Зазор между пластинами d = 10 мм

Рис. 3. График зависимости максимального ускоряющего напряжения от радиуса дефлектора для зазора между

пластинами d=10 мм

искривления траектории частицы. В зависимости от скорости частицы (которая постоянно измеряется измерительными линейками, установленными в контуре циклического ускорителя) и её удельного заряда система управления ускорителем управляет высоковольтными усилителями импульсов и высоковольтным усилителем напряжения, которые в свою очередь формируют необходимые напряжения на дрейфовых трубках ЛЭДУ и на обкладках тороидальных дефлекторов. В момент достижения частицей критической скорости (той скорости, при которой максимального выходного напряжения высоковольтного усилителя напряжения становится недостаточно, чтобы удержать частицу в тракте за счет тороидальных дефлекторов) процесс ускорения прекращается и частица выводится в вакуумную камеру для экспериментов. ЭВМ предназначена для ведения статистики об ускоряемых частицах с помощью специально разработанного программного обеспечения.

Технико-экономическая эффективность использования разработки выражается прежде всего в существенной дешевизне лабораторного моделирования по сравнению с постановкой натурных экспериментов на космических аппаратах. Оптимальное применение материалов и рациональное конструирование, основанное на результатах лабораторных экспериментов, позволят увеличить срок службы космических аппаратов, более точно прогнозировать срок их службы и надежность. Особенно актуальны такие исследования при проектировании аппаратов, предназначенных для научных экспериментов в дальнем космосе при изучении комет, где плотность потока пылевых частиц высока.

Расчёт скорости и энергии частицы

Эквивалентное ускоряющее напряжение линейного электродинамического ускорителя определяется выражением

и = иэф То,

где Т0 - времяпролетный коэффициент электродинамического ускорителя; иЭФ - эффективное ускоряющее напряжение ускорителя.

Эквивалентное ускоряющее напряжение всего ускорителя определяется выражением

их = и • N,

где N — количество пройденных электродинамических ускорителей.

Максимально возможная скорость частицы при этом будет определяться выражением

V = 2 диТ + V2

МАХ Л\ '0 ^

V т

где д/т- удельный заряд; V- скорость

частицы на входе.

Максимальное число кругов, которые частица пройдет в ускорителе, будет определяться из условия равнодействия центробежной силы движения частицы в дефлекторе и электростатической силы электрического поля дефлектора. Отклоняющее напряжение можно оценить по формуле

и

ДЭФ

т • V2 q • а

2и

а

где а =

1п I Я

я

коэффициент геометрии

поля; Я], Я2 - внутренний и внешний радиусы пластин дефлектора.

Оценка максимально достижимых скоростей

Максимальная скорость на выходе и максимальное отклоняющее напряжение связаны соотношениями:

VMAX Л -ит„

V т

и АІо = т • V2

Ч • а

Максимальная напряжённость электрического поля для различных методов обработки поверхности соответственно будет равна: 50 кВ/см — для механической, 70 кВ/см — для гальванической, 100 кВ/см — для ионной обработки.

1

2

0

Рис. 4. Зависимость максимально достижимой скорости от удельного заряда д/т для различных максимально допустимых отклоняющих напряжений. Радиус основной траектории дефлектора R=2м, ширина зазора между

пластинами d = 10 мм

Ч------------------\-

иасс, ІЧ/1Ч/

Ч----------1--------1--------1-

Ч-----------------1----------------1-----------------1-

12 14

N Псі г пб

Уасс есі = 1 ОО\с\У

~7

NICL.tr П€

Уасс есі-200^

Рис. 5. График зависимости максимально достижимой скорости от ускоряющего напряжения для различных удельных зарядов д/т: Ntums - число витков, необходимое для достижения данной скорости; иасс ед - эквивалентное ускоряющее напряжение линейного электродинамического ускорителя

Таблица 1. Расчёт конструкции ускорителя

иасс рге [кВ], напряжение предускорителя 100

Кда, количество промежутков электродинамического ускорителя о 2 о

иар[кВ], ускоряющее напряжение промежутка 10

иасс ^ [кВ], эквивалентное ускоряющее напряжение электродинамического ускорителя 100.. .200

Rl [м], радиус внутренней пластины дефлектора 1,995

R2 [м], радиус внешней пластины дефлектора 2,005

d [м], ширина зазора между пластинами 0,01

а, коэффициент геометрии поля 200

и,м- [кВ], максимально допустимое отклоняющее напряжение 50

П требуемое число ускорений 24.12

N требуемое число витков 6.3

иасс [МВ], суммарное ускоряющее напряжение 4,9

Оценка необходимого числа оборотов

Максимальная скорость частицы достигается после некоторого числа ускорений. Зависимость требуемого числа ускорений от параметров ускорителя определяется выражениями

а

U

ДЭФМАХ

n=

req

2

U

Nreq =

req /

где ид^Ф мах - максимально допустимое отклоняющее напряжение; и - эквивалентное ускоряющее напряжение линейного электро-

динамического ускорителя; Nreq - требуемое число витков.

Расчет конструкций ускорителя

Расчет характеристик ускорителя двух разных конструкций приведен в табл. 1

Библиографический список

1. Alexandre Pozwolski, Compact laser-driven accelerator of macroparticles. Laser and Particle Beams 2001, 19.

CYCLIC ACCELERATOR OF CHARGED PARTICLES

© 2011 A.V. Piyakov

Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov

The theory, design parameters and construction details of a cyclic accelerator in Zvolen accelerate charged microparticle diameter 0.1 ... 10 mm up to velocities of 25 km / s are presented. The total effective accelerating voltage of 5 MV. The essential difference from the accelerator of the existing is that all of the drift tube of the dynamic circuit made the same, and in-phase motion of the particle to the voltage across the drift tubes is accomplished by forming the accelerating voltage as a function of particle velocity and its specific charge, as well as in cyclic accelerator circuit .

Accelerator, micrometeors, dust particles, the deflector, drift tube.

Информация об авторе

Пияков Алексей Владимирович, докторант, доцент кафедры конструирования и производства радиоэлектронных средств, к.т.н., доцент, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва. E-mail: piyakov@ssau.ru. Область научных интересов: физика ускорителей частиц, космические эксперименты.

Piyakov Aleksey Vladimirovich, assistant professor of design and production of radio-electronic means, Ph.D., associate professor, Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolev (National Research University). E-mail: piyakov@ssau. Sphere of scientific interests: accelerators physics, space devices development.