ИМПУЛЬСНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ
PULSE ACCELERATOR OF SOLID PARTICLES

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц.
Известен ускоритель высокоскоростных твердых частиц, основанный на ускоряющей системе Слоуна-Лоуренса, состоящий из инжектора, линейного ускорителя, генератора Ван-де-Граафа, цилиндрических электродов, каждый последующий из которых имеет больший по сравнению с предыдущим продольный размер, генератора высоковольтного синусоидального напряжения постоянной частоты и мишени (D.В.Becker, J.F.Friichtenicht. Measurement and interpretation of the luminous efficiencies of iron and copper simulated micrometeors. / Nuclear science, 1965, №6).
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 и мишени (Патент RU 2205525, MПК H05H 5/00. Бюл. №15, опубл. 27.05.2003).
Однако он обладает рядом недостатков:
- сложная и ненадежная схема электродинамической части ускорителя,
- недостаточная конечная скорость пылевых частиц.
Поставлена задача разработать ускоритель свободный от указанных недостатков, обладающий простой конструкцией и работающий с широким диапазоном ускоряемых частиц.
Поставленная задача решается тем, что в ускорителе, содержащем инжектор, индукционные датчики, усилители, цилиндрические электроды, согласующее устройство, электронно-вычислительную машину, мишень, согласно изобретению добавлены колонна разделительных сопротивлений, резисторы делителя напряжения, высоковольтные конденсаторы, неуправляемые разрядники, управляемый разрядник, система управления разрядником, датчик тока, источник высокого напряжения, шина данных, источник высокого напряжения соединен с первым входом датчика тока, первый выход которого соединен с высоковольтными конденсаторами через колонну разделительных сопротивлений, каждый первый выход высоковольтного конденсатора соединен со вторым выходом следующего конденсатора через разрядник, первые два высоковольтных конденсатора соединены через управляемый разрядник, управляющий электрод которого подключен к выходу системы управления, первый вход системы управления соединен с усилителем, подключенным к индукционным датчикам, второй вход системы управления соединен с информационным выходом датчика тока, последний высоковольтный конденсатор подключен к первому цилиндрическому электроду, связанному со следующим через резистор делителя напряжения, последний цилиндрический электрод заземлен, каждый усилитель через шину данных и согласующее устройство подключен к электронно-вычислительной машине.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен общий вид n-каскадного ускорителя совместно с обслуживающей аппаратурой.
Устройство содержит инжектор 1, индукционные датчики 2, усилители 3, цилиндрические электроды 4, резисторы делителя 5, колонны разделительных сопротивлений 6, высоковольтные конденсаторы 7, неуправляемые разрядники 8, управляемые разрядники 9, систему управления 10, датчик тока 11, источник высокого напряжения 12, шину данных 13, мишень 14, согласующее устройство 15, электронно-вычислительную машину 16. Каждый индукционный датчик 2 соединен с соответствующим усилителем 3, первый выход которого соединен с первым входом системы управления 11, второй выход усилителя 3 через шину данных 13 соединен с соответствующим входом согласующего устройства 15, выход которого подключен к электронно-вычислительной машине 16, выход источника высокого напряжения 12 соединен с первым входом датчика тока 1 1, первый выход которого соединен с первым контактом высоковольтного конденсатора 7, все конденсаторы 7 соединены параллельно через колонну разделительных сопротивлений 6 и последовательно через неуправляемые разрядники 8, второй контакт первого высоковольтного конденсатора 7 соединен со вторым контактом второго конденсатора через управляемый разрядник 9, поджигающий электрод разрядника 9 подключен к выходу системы управления 10, второй вход которой соединен с информационным выходом датчика тока 11.
Устройство работает следующим образом. Инжектор 1 генерирует заряженные частицы в заданном диапазоне масс с некоторой начальной скоростью. Заряженная частица последовательно проходит первый индукционный датчик 2, цилиндрические электроды 4 первого линейного ускорителя и еще несколько комбинаций индукционных датчиков и линейных ускорителей в зависимости от числа ускорительных ступеней, после чего она проходит последний индукционный датчик, служащий для определения конечной скорости частицы, и попадает на мишень 14. Высоковольтные конденсаторы 7, разделительные сопротивления 6, неуправляемые разрядники 8 и управляемый разрядник 9 образуют генератор импульсного напряжения (ГИН), который работает следующим образом: источник высокого напряжения 12 заряжает колонну высоковольтных конденсаторов 7, которые при непроводящем состоянии разрядников включены параллельно. Заряд верхних ступеней генератора осуществляется через разделительные сопротивления 6, напряжения до которого заряжаются конденсаторы должно быть меньше напряжения пробоя неуправляемых разрядников, но удвоенное напряжение должно вызывать устойчивый пробой. Через время, необходимое для зарядки всех конденсаторов, генератор импульсного напряжения переходит в состояние готовности, о чем свидетельствует прекращение протекания тока от источника высокого напряжения 12, снижение тока ниже порога срабатывания фиксирует датчик тока 11, и вырабатывает сигнал готовности ГИН, поступающий в систему управления 10. Система управления связана с поджигающим электродом управляемого разрядника 9, который установлен в первой ступени ГИН, управляемый разрядник является инициирующим звеном ГИН, при его срабатывании первый и второй высоковольтные конденсаторы соединяются последовательно, что вызывает почти двукратное увеличение напряжения на неуправляемых разрядниках. Удвоенное напряжение на разрядниках приводит их в состояние пробоя, вследствие чего вся колонна конденсаторов переходит в режим последовательного соединения и на выходе генератора импульсного напряжения возникает высокое напряжение, равное сумме напряжений на каждом конденсаторе. Дополнительная синхронизация срабатывания неуправляемых разрядников 8 достигается конструктивным исполнением разрядной камеры: все разрядники должны располагаться на одной оси максимально близко друг к другу, а стенки камеры должны иметь отражающую для УФ поверхность. Система управления разрядником 10, кроме сигнала о готовности ГИН с датчика тока 11, получает сигнал с усилителя 3, которой возникает при пролете заряженной частицы через индукционный датчик 2. Этот сигнал в системе управления используется для вычисления скорости частицы и времени задержки, необходимой для синхронной подачи высокого напряжения с ГИН и влета частицы в середину первого цилиндрического электрода. При таком режиме частица попадает в постоянное ускоряющее поле и получает приращение скорости. После чего процесс повторяется несколько раз в зависимости от числа ступеней ускорителя, число которых выбирается исходя из необходимой конечной скорости частицы и из величины импульсного напряжения ГИН. Сигнал со всех индукционных датчиков 2 и связанных с ними усилителей 3 по шине данных 13 поступает на согласующее устройство 15, преобразующее его в цифровой код и передающее информацию в электронно-вычислительную машину 16, которая вычисляет скорость частицы по прохождению всех ступеней и ведет статистику эксперимента.
Применение предложенного технического решения позволяет на простой конструкции ускорителя, состоящего из типовых, одинаковых блоков, получать высокие скорости пылевых заряженных частиц. Достоинством предложенного ускорителя является возможность легко увеличить максимальную скорость частиц путем добавления дополнительных ступеней. Все блоки одинаковы, что существенно облегчает разработку ускорителя. Число активных элементов, входящих в состав такого блока, минимально, а разрядники, кроме основных функций, выполняют функции элементов защиты ускорителя от случайных перенапряжений, все перечисленное существенно увеличивает надежность системы, и любая внештатная ситуация или пробой приводит только к потере частицы без какого-либо вреда для установки. При этом ускоритель сохраняет возможность работать с широким диапазоном частиц, так как для частиц он является статическим линейным ускорителем с очень высоким эквивалентным ускоряющим напряжением. Системы ускорителя не нуждаются в сложной вычислительной электронике, так как условия синхронного включения имеют жесткие ограничения, связанные только с влетом частицы в первый цилиндрической электрод, поэтому все задержки системы управления могут быть подобраны экспериментально, а вычисление скоростей и других интересующих параметров эксперимента можно проводить не в режиме реального времени, анализируя статистику сигналов, полученных с индуктивных датчиков.