УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПУЧКОВ УСКОРЕННЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Устройство для изменения направления распространения пучков ускоренных заряженных частиц.
Предлагаемая полезная модель относится к технике управления пучками ускоренных заряженных частиц и может быть использована для изменения направления распространения пучков.
Известны устройства, используемые в электронно-лучевых трубках для отклонения пучков электронов, в которых электронный луч проходит через две пары отклоняющих пластин, создающих взаимно перпендикулярные и перпендикулярные к лучу электрические поля, либо через две взаимно перпендикулярные системы катушек, каждая из которых создает перпендикулярное к лучу магнитное поле. (Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. - 3-е изд., испр. - М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит., 1988. - 496 с.)
Недостатком указанных устройств является то, что с их помощью можно управлять пучками заряженных частиц с концентрацией, не превышающей предел Чайлда-Ленгмюра. При большей концентрации объемный заряд пучка вызывает его расходимость.
Известно также устройство, представляющее собой гибкую тефлоновую трубку, с помощью которой возможно изменение направления распространения пучков ионов. (Т.М. Kojima, T. Ikeda, Y. Kanai et. al. Ion beam guiding with straght and curved Teflon tubes. Journal of Physics D: Applied Psysics. V. 44. 2011. 355201, прототип.)
Недостатком прототипа является то, что при его использовании происходит значительная потеря тока пучка - несколько десятков процентов.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу снижения потерь тока пучков ускоренных заряженных частиц при изменении направления их движения.
Поставленная техническая задача решается тем, что изменение направления распространения пучка ускоренных заряженных частиц производится с помощью изогнутой диэлектрической поверхности (ДП), к которой частицы пучка прижимаются посредством электрического поля с вектором напряженности направленным перпендикулярно к направлению движения частиц пучка. Начальный участок ДП располагается параллельно направлению распространения исходного пучка. При этом ДП и пучок находятся в электрическом поле, создаваемом внешним конденсатором, пластины которого расположены параллельно ДП. Длина начального участка определяется энергией и поперечным размером пучка, и равна расстоянию, которое необходимо преодолеть пучку, чтобы все частицы пучка под действием электрического поля внешнего конденсатора достигли ДП. При падении частиц пучка на ДП под скользящим углом возможно формирование такого режима движения частиц, при котором они движутся вдоль поверхности без соударений с ней - режим скользящего движения. В этом режиме движения заряженные частицы изолируются от столкновений со стенкой за счет электрического поля, возникающего при самоорганизующейся электризации диэлектрической поверхности (Stolterfoht Ν., Bremer J. - H., Hoffmann V. et al. // Physical Review Letters. 2002. V. 88. P. 133201). После того, как все частицы пучка переходят в режим скользящего движения вдоль ДП, поверхность искривляется с радиусом кривизны R. При этом пластины внешнего конденсатора также искривляются так, что вектор напряженности электрического поля все время остается направленным перпендикулярно направлению движения частиц пучка, и на частицы пучка действует сила со стороны данного электрического поля, направленная к ДП. В результате после прохождения искривленного участка ДП направление распространения пучка изменяется относительно первоначального.
В скользящем режиме частицы пучка могут двигаться как внешней стороне изогнутой ДП (Фиг. 1), так и по внутренней стороне (Фиг. 2).
внешн.
Сущность полезной модели состоит в том, что изменение направления распространения пучка ускоренных заряженных частиц происходит в результате того, что частицы пучка движутся вдоль искривленной диэлектрической поверхности. Как известно, при скользящем взаимодействии пучков ускоренных заряженных частиц с ДП происходит самосогласованная электризация ДП, обеспечивающая электродинамическую изоляцию частиц пучка от поверхности, в результате чего частицы движутся вдоль ДП без столкновений с поверхностью и, соответственно, без ионизационных потерь энергии (Жиляков Л.А., Костановский А.В., Иферов Г.А. и др. // Поверхность. 2002. №11. С. 65). Для обеспечения бесстолкновительного режима скользящего движения пучка ускоренных заряженных частиц вдоль ДП на пучок в направлении перпендикулярном его распространению должно действовать электрическое поле, прижимающее частицы пучка к ДП. При скольжении пучка по внешней стороне искривленной ДП (Фиг. 1), величина силы, действующей на заряженные частицы с электрическим зарядом q, со стороны внешнего конденсатора должна быть не меньше центростремительной силы, которая должна действовать на частицу, чтобы обеспечить ее движение по окружности радиуса R, т.е. величина напряженности прижимающего электрического поля E должна удовлетворять условию:
внешн.
E≥2W/(Rq),
где W - энергия частицы, R - радиус кривизны искривленной ДП.
При использовании полезной модели в режиме, когда пучок скользит по внутренней поверхности искривленной ДП (Фиг. 2) требуемая величина напряженности прижимающего электрического поля, создаваемого внешним конденсатором, зависит от вида используемого диэлектрика и устанавливается эмпирически.
внешн.
пов.
объем.
Физическим ограничением, накладываемым на область параметров, при которых возможно применение данной полезной модели, является электрическая прочность диэлектрика (величина пробивного напряжения), используемого для изготовления ДП. На ДП действует электрическое поле от трех источников: внешний (прижимающий) конденсатор, создающий электрическое поле с напряженностью E; поверхностный заряд, образованный в результате самоорганизованной электризации ДП и создающий электрическое поле с напряженностью E; объемный заряд пучка ускоренных заряженных частиц, создающий электрическое поле с напряженностью E.
пр.
Условие безаварийного использования полезной модели - суммарная напряженность электрического поля, создаваемого всеми тремя источниками должна быть меньше величины электрической прочности используемого диэлектрика E:
внешн.
пов.
объем
пр.
E+E+E<E Схема предлагаемого технического решения показана на Фиг. 1 и Фиг. 2. Устройство располагается в вакууммируемом объеме 1, в который вводится пучок ускоренных заряженных частиц 2. Изменение направления распространения пучка происходит следующим образом. Вдоль пучка 2, который необходимо отклонить от первоначального направления распространения, в области, находящейся вне границы пучка, устанавливается ДП 3 параллельно оси пучка. Параллельно ДП устанавливаются пластины внешнего электрического конденсатора 4, так, чтобы пучок и ДП находились между пластинами. На пластины конденсатора подается постоянное напряжение U с такой полярностью, чтобы под действием электрического поля, создаваемого внешним конденсатором, частицы пучка отклонялись в сторону ДП. Указанные действия проводятся для того, чтобы перевести пучок в режим скользящего движения вдоль ДП. После прохождения пучком начального участка ДП, на котором все частицы пучка переходят в режим скользящего движения, ДП изгибается в требуемом направлении. При этом пластины внешнего конденсатора также изгибаются так, чтобы вектор напряженности электрического поля, создаваемого им, все время оставался направленным перпендикулярно к направлению движения частиц пучка. В режиме скользящего движения частицы пучка движутся вдоль искривленной ДП и, таким образом, изменяется направление распространения пучка относительно первоначального направления. По сравнению с прототипом предлагаемая полезная модель обеспечивает снижение потерь тока пучка при изменении направления его распространения до величины не более 1% от величины тока первоначального пучка.