СПОСОБ КОЛЛЕКТИВНОГО УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR COLLECTIVE ACCELERATION OF CHARGED PARTICLES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области получения и ускорения заряженных частиц и предназначено для использования в физике высоких энергий и ядерных технологиях.
В качестве аналога способа возьмем способ коллективного ускорения ионов электронными кольцами (БСЭ, т. 27, Третье издание, М.: «Советская Энциклопедия», 1977, с. 102-103), который состоит из восьми технологических операций, в трех типах полей согласованно изменяющихся в пространстве и времени.
Устройство, обеспечивающее реализацию способа, состоит из вакуумной камеры, источника электронов, линейного ускорителя обеспечивающего ускорение электронов, систему электромагнитов или контуров с током, создающих слабофокусирующее магнитное поле с переменной конфигурацией, которое формирует сгустки-кольца, источника подающего газ к сгустку-кольцу и линейного ускорителя электронно-ионных сгустков.
Укажем основные недостатки аналога способа ускорения частиц электронными сгустками-кольцами и устройства реализующего указанный способ.
Наличие трех типов полей согласованно изменяющихся в пространстве и времени усложняет техническую реализацию метода. Оказывается невозможным применять прецизионные методы фокусировки для увеличения плотности потоков.
Последовательный характер выполнения операций на трех, рассредоточенных в пространстве устройствах, задающих указанный тип полей, а также использование линейных ускорителей ведет к увеличению общих размеров ускорителя, а также стоимости его строительства и эксплуатаций.
Малая интенсивность потоков частиц делает невозможным применение метода в промышленных технологиях.
-α
В качестве аналога устройства для коллективного ускорения потоков заряженных частиц возьмем электронный магнитный спектрометр (Патент РФ №2338259, опубл. 2008 г.), содержащий вакуумную камеру в виде кольцевой трубы (тора), с размещением в ней под аксиальным углом относительно друг друга источником и детектором заряженных частиц. Система создания фокусирующего магнитного поля представляет собой электрические контуры, выполненные с возможностью создания в вакуумной камере магнитного поля, зависящего от радиуса ρ орбиты электронов в соответствии с выражением Н~ρ, где Н - напряженность магнитного поля, α=0,62-0,76.
Недостатком конструкции спектрометра является то, что высокая степень фокусировки, соответствующая малым размерам фокусного пятна, достигается за счет уменьшения линейных размеров источника электронов и оказывается максимальной при использовании точечных источников, но в этом случае снижается интенсивность (сила тока) потока электронов. Другим недостатком конструкции является отсутствие ускорения электронов в процессе движения внутри вакуумной камеры.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) заявляемого устройства и способа является «Ускоритель заряженных частиц» (Патент РФ №2531808 от 01.09.2014 г.), позволяющий осуществлять следующие технологические операции: получение, ускорение и прецизионную фокусировку на мишени электронов и ионов.
-6
-α
5
7
Ускоритель заряженных частиц содержит вакуумную камеру в форме участка кольцевой трубы, на торцах которого внутри находятся источник заряженных частиц и мишень. Источник заряженных частиц прототипа представляет собой систему, соосно-расположенных заземленных цилиндров, торцы которых имеют радиус закругления кромок ~10 м и выполняют функции электродов-эмиттеров. Эмитируемыми частицами могут быть как электроны, так и ионы металлов в случае использования жидкометаллического ионного источника. Вне вакуумной камеры расположена система, создающая переменное магнитное поле в виде электрических контуров, соединенных с высокочастотным генератором переменного тока, с возможностью получения фокусирующего и одновременно ускоряющего переменного магнитного поля, зависящего от радиуса ρ орбиты заряженных частиц в соответствии с выражением Н~ρ, где H - напряженность магнитного поля частотой 10-10 Гц, α=0,45-0,55. Электрические контуры установлены с возможностью перемещения в продольном и поперечном направлениях. Источник заряженных частиц и мишень установлены с возможностью перемещения по орбите заряженных частиц. Соосно расположенные цилиндры установлены с возможностью перемещения относительно друг друга вдоль образующей.
Укажем следующий значительный недостаток прототипа как для способа, так и для устройства. Используемый тип поля в способе и конструкция устройства (прототипа) не позволяют осуществить коллективное движение потоков заряженных частиц, поэтому интенсивность потока оказывается недостаточной для ядерных реакций, а степень фокусировки избыточной.
Задачей заявленного изобретения является разработка способа и устройства для генерации и ускорения высокоплотных потоков заряженных частиц, их объединения с целью увеличения кинетической энергии при значительном снижении размеров и стоимости устройства.
Данная цель достигается использованием переменного магнитного поля специальной конфигурации осуществляющего одновременно операции формирования электронных и ионных потоков, их индукционного ускорения, объединения в единый электронно-ионный поток, накопление энергии потока и последующего вывода на мишень.
0
Устройство, реализующее указанную цель, содержит вакуумную камеру, которая состоит из кольцевой трубы с расположенным в ней источником электронов и сопряженным участком кольцевой трубы на торцах которой, под углом ϕ к оси симметрии, проходящей через точку объединения потоков О, размещены источники ионов, а две системы контуров с током и два селеноида с центрами на оси симметрии, расположенными симметрично относительно точки объединения потоков.
Конструкция устройства поясняется чертежом, приведенным на фигуре 1 - автоэмиссионный источник электронов, 2 - стационарная траектория электронного потока, 3 - стационарная траектория ионного потока, 4 - жидкометаллический источник ионов, 5 - второй жидкометаллический источник ионов, 6 - стационарная траектория второго ионного потока, 7 - мишень.
Общая идея коллективного способа ускорения заключается в следующем. Если в поток электронов ускоренных внешним электрическим полем, ввести положительно заряженные ионы, то они будут ускоряться потоком движущихся электронов и приобретут равную с ними скорость. Но энергия ионов при этом будет во столько раз больше энергии электронов, во сколько раз масса иона больше массы электрона. Например, в случае ускорения протонов она будет в 1840 раз больше.
е
i
е
Предлагаемый способ включает две системы ускорения и фокусировки, одна для потока электронов с центром в точке О, другая для потока ионов с центром в точке O, а затем объединение электронно-ионного потока в точке О.
-α
е
i
Системы ускорения и фокусировки представляют собой суперпозицию двух полей вида Н~ρ, 0<α(ϕ)<1, ϕ - аксиальный угол, причем при изменении во времени напряженности магнитного поля Н, вдоль стационарных траекторий возникают индукционные электрические поля напряженностью Е достаточной для автоэмиссии потоков электронов и E достаточной для автоэмиссии потоков ионов, которые одновременно под действием магнитного поля Н, фокусируются в точке объединения потоков О, где происходит захват медленных ионов их последующее ускорение электронным потоком и вывод электронно-ионного потока на мишень.
Предлагаемый способ включает следующие технологические операции, определяющие работу устройства:
- возрастающее магнитное поле порождает индукционное электрическое поле и формирует поток электронов из источника 1 вдоль стационарной траектории 2;
3
e
i
- фокусирующие свойства поля удерживают электроны в области стационарной траектории, вследствие большой разницы масс ионов и электронов, электроны за время ускорения, совершают 10-10 оборотов, приобретая энергию E>>E;
- индукционное электрическое поле осуществляет эмиссию ионов из жидкометаллического источника 4, затем дальнейшее их ускорение вдоль стационарной траектории 3;
i
0
- ионы ускоряются в индукционном электрическом поле до энергии E и фокусируются магнитным полем в точке соединения потоков О, находящейся по углом ϕ от источника;
3
- в точке О происходит захват ионов электронным потоком, после чего электронно-ионный поток замедляется уменьшающимся индукционным полем и, совершив 10-10 оборотов изменяет движение на противоположное;
- процесс повторяется в противоположном направлении, при этом эмиссия ионов осуществляется из источника 6 вдоль стационарной траектории 5;
- повторение процессов приводит к накоплению частиц в электронно-ионном потоке до состояния насыщения, определяемого энергетическими возможностями системы создающей переменное магнитное поле;
- при достижении состояния насыщения сформированный электронно-ионный поток направляется на мишень 7, за счет изменения напряженности магнитного поля на стационарной траектории.
Проведем численный эксперимент и определим параметры способы коллективного ускорения.
Кинетическая энергия частицы определяется соотношениями
или  или .
е
i
e
i
e
i
e
i
Пусть Т, T кинетическая энергия электрона и иона m, m - их массы. При коллективном способе ускорения скорости электрона v и иона v одинаковы v=v, следовательно
Откуда кинетическая энергия иона, выраженная через кинетическую энергию электрона
i
i
е
e
i
2
2
При энергии ускорения электронов 300 МэВ энергией покоя частиц можно пренебречь T>>mc, Т>>mc, поэтому кинетическая энергия ионов T пропорциональна отношению масс
или для протонов
ионов лития
ионов свинца
ионов урана
Параметры способа коллективного ускорения в зависимости от вида заряженных частиц приведены в таблице.
Заявителю неизвестен способ и устройство для получения потоков заряженных частиц путем объединения двух потоков электронов и ионов с формированием их устойчивой пространственной структуры. Вследствие этого предлагаемый способ и устройство соответствуют критерию «новизна».