Ускоритель высокоскоростных твердых частиц

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц. Сущность изобретения: в ускорителе высокоскоростных твердых частиц, содержащем инжектор, индукционные датчики, усилители, линейный ускоритель, источник фиксированного высокого напряжения, цилиндрические электроды, селектор скоростей, селектор удельных зарядов, генератор изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке, блок сопряжения, электронно-вычислительную машину, усилитель пачки импульсов переменной длительности, каскадный генератор, токоведущие шины и мишень, согласно изобретению в промежутке между линейным ускорителем и индукционными датчиками, соосно с ними, установлены две калибровочные секции, состоящие из трех цилиндрических электродов, и соединенные с каскадным генератором, между линейным ускорителем и первой калибровочной секцией, между первой и второй калибровочными секциями установлены дополнительные индукционные датчики, соединенные с усилителями; токоведущие шины выполнены в виде квадруполя и соединены с цилиндрическими электродами и усилителем пачки импульсов переменной длительности. Ускоритель позволяет существенно увеличить коэффициент полезного действия прибора за счет уменьшения потерь частиц в процессе ускорения. 1 ил.

 

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, индукционных датчиков, цилиндрических электродов, источника фиксированного напряжения, усилителей, селектора скоростей, генератора управляемой частоты и мишени (Слеттери, Беккер, Хамерменш, Рой. Линейный ускоритель для моделирования микрометеоритов. /Приборы для научных исследований, 1973, т.44, №6).

Наиболее близким аналогом 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, мишени (Семкин Н.Д., Пияков А.В., Воронов К.Е., Помельников Р.А. // Патент на изобретение №2205525, Бюл. №15 от 27.05.2003).

Однако он обладает недостатком:

Ускоритель малым коэффициентом полезного действия, что выражается в большом количестве "потерянных" во время ускорения частиц.

Поставлена задача: разработать ускоритель, обладающий большим коэффициентом полезного действия.

Поставленная задача достигается тем, что в ускорителе высокоскоростных твердых частиц, содержащем инжектор, индукционные датчики, усилители, линейный ускоритель, источник фиксированного высокого напряжения, цилиндрические электроды, селектор скоростей, селектор удельных зарядов, генератор изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке, блок сопряжения, электронно-вычислительную машину, усилитель пачки импульсов переменной длительности, каскадный генератор, токоведущие шины и мишень, согласно изобретению в промежутке между линейным ускорителем и индукционными датчиками, соосно с ними, установлены две калибровочные секции, состоящие из трех цилиндрических электродов, и соединенные с каскадным генератором, между линейным ускорителем и первой калибровочной секцией, между первой и второй калибровочными секциями установлены дополнительные индукционные датчики, которые соединены с усилителями; токоведущие шины выполнены в виде квадруполя и соединены с цилиндрическими электродами и усилителем пачки импульсов переменной длительности.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен общий вид ускорителя совместно с обслуживающей аппаратурой.

Устройство содержит инжектор 1, линейный ускоритель 2, источник фиксированного высокого напряжения 3, индукционные датчики 4, усилители 5, цилиндрические электроды 6, калибровочные секции 7, токоведущие шины 8, селектор скоростей 9, селектор удельных зарядов 10, генератор изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 11, блок сопряжения 12, электронно-вычислительную машину 13, усилитель пачки импульсов переменной длительности 14, каскадный генератор 15, мишень 16. Каждый из индукционных датчиков 4 соединен с входом соответствующего усилителя 5, выход первого усилителя 5 соединен с первым входом селектора удельных зарядов 10, выход второго усилителя 5 соединен со вторым входом селектора удельных зарядов 10, выходы третьего и четвертого усилителей 5 соеденены с первым и вторым входами селектора скоростей 9 и третьим и четвертым входами селектора удельных зарядов 10, выход селектора скоростей 9 и выход селектора удельных зарядов 10 соединены с входами генератора изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 11, выход генератора изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 11 соединен с первым входом усилителя пачки импульсов переменной длительности 14, выходы которого посредством токоведущих шин 8 соединены с цилиндрическими электродами 6, первый выход каскадного генератора 15 соединен со вторым входом усилителя пачки импульсов переменной длительности 14 и средним цилиндрическим электродом 6 первой калибровочной секции 7, второй выход каскадного генератора соединен с третьим входом усилителя пачки импульсов переменной длительности 14 и средним цилиндрическим электродом 6 второй калибровочной секции 7, выходы пятого и шестого усилителей 5 соединены с третьим и четвертым входами генератора изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 11, второй выход генератора изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 11 соединен с входом блока сопряжения 12, который соединен с электронно-вычислительной машиной 13, мишень 16 установлена соосно инжектору 1, индукционным датчикам 4 и цилиндрическим электродам 6 после шестого индукционного датчика 6.

Устройство работает следующим образом. Инжектор 1 генерирует заряженные частицы в заданном диапазоне масс с частотой порядка 1 Гц. Заряженная частица последовательно проходит первый линейный ускоритель 2, первый индукционный датчик 4, первую калибровочную секцию 7, второй индукционный датчик 4, вторую калибровочную секцию 7, третий и четвертый индукционные датчики 4, цилиндрические электроды 6, пятый и шестой индукционные датчики 4 и попадает на мишень 14. Первый и второй индукционные датчики 4 предназначены для определения произведения положительного потенциала батареи конденсаторов, установленной в усилителе пачки импульсов переменной длительности 14 на удельный заряд частицы

(U⁺·Q/m). Второй и третий индукционные датчики 4 предназначены для определения произведения отрицательного потенциала батареи конденсаторов, установленной в усилителе пачки импульсов переменной длительности 14 на удельный заряд частицы

(U^-·Q/m). Третий и четвертый индукционные датчики служат для определения скорости частицы (V₀) на выходе второй калибровочной секции 7. Пятый и шестой индукционные датчики 4 служат для определения скорости частицы (V_вых) перед мишенью 16. Пролетая внутри индукционного датчика 4, частица наводит на него потенциал, пропорциональный заряду частице. Так как индукционный датчик 4 изготовлен из металла, то его поверхность эквипотенциальна, а значит, не имеет значения с какой части снимать напряжение. По поступающим с индукционных датчиков 4 сигналов селектор скоростей 9 и селектор удельных зарядов 10 формируют на своих выходах цифровой код начальной скорости частицы и код произведения разности напряжений на конденсаторных батареях, установленных в усилителе пачки импульсов переменной длительности 14, на ее удельный заряд . В селекторе скоростей 9 измеряются временные интервалы пролета частицей центров датчиков для третьего и четвертого индукционных датчиков 4. Измеренные временные интервалы обратно пропорциональны скорости движения частицы. По поданным в генератор изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 11 кодам начальной скорости и произведения разности напряжений на конденсаторных батареях, установленных в усилителе пачки импульсов переменной длительности 14, и удельного заряда частицы на его выходе формируется пачка импульсов, которая создает ускоряющее поле между каждой парой электродов 6. Данное поле меняется во времени соответственно положению частицы в ускоряющем тракте. Параметры пачки выбираются из ряда данных для формирования импульсов, заранее заложенных в генератор изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 11 с ЭВМ 13. Усилитель пачки импульсов переменной длительности 14 усиливает сформированные генератором изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 11 импульсы. Усиленные импульсы поступают на цилиндрические электроды 6 посредством токоведущих шин 8. Пятый и шестой индукционные датчик 4 подключены через соответствующие усилители 5 к генератору изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 11, который служит также для передачи данных о частицах посредством блока сопряжения 12 в ЭВМ 13. Затем уже ускоренная частица попадает на мишень 16 и весь процесс повторяется. ЭВМ 13 производит статистику эксперимента и динамическое управление ускорителем.

Проходя зазор между соседними цилиндрическими электродами, частица приобретает приращение кинетической энергии E·q_Ч, a соответственно и скорости, равное , где имеет место нелинейная зависимость приращения скорости от удельного заряда частицы. В наиболее близком аналоге пачка импульсов является функцией удельного заряда частицы и скорости на подходе к цилиндрическим электродам. Причем для измерения удельного заряда предполагается, что напряжение на выходе источника фиксированного высокого напряжения известно и не меняется во времени. А для вычисления длительностей импульсов в пачке предполагается, что также известны и постоянны во времени напряжения на выходе каскадного генератора. Однако измерение и поддержание этих напряжений равными заданным является затруднительным, что в конечном итоге приводит к расхождению между расчетными длительностями импульсов в пачке и фактическими временами, затрачиваемыми частицей на пролет внутри цилиндрических электродов.

Если между двумя индукционными датчиками расположить три цилиндрических электрода (калибровочную секцию): первый и третий заземлены, а на второй подано некоторое напряжение U, то для положительно заряженной частицы и при положительном напряжении на втором электроде частица будет испытывать отрицательное ускорение в первой половине и положительное ускорение на второй половине калибровочной секции. Так как ускорение в обоих случаях вызвано одинаковой геометрией электродов и одним и тем же напряжением, то ускорение для первой и второй половины участка калибровочной секции будут равны по модулю и противонаправлены по направлению. Таким образом, скорость частицы на входе калибровочной секции будет равна скорости на выходе (V_ВХ=V_ВЫХ), а минимальное значение скорости будет соответствовать нахождению частицы в середине второго цилиндрического электрода.

Таким образом, решая уравнение движения частицы в электромагнитном поле для заданной системы электродов, получаем время, затраченное частицей на прохождение калибровочной секции:

где E(z) - функция напряженности электрического поля от координаты,

Q/m - удельный заряд частицы,

L₁ - расстояние от начала индукционного датчика, установленного перед калибровочной секцией до первого цилиндрического электрода калибровочной секции,

L₂ - расстояние от начала первого цилиндрического электрода калибровочной секции до конца третьего цилиндрического электрода калибровочной секции,

L₃ - расстояние от конца третьего цилиндрического электрода калибровочной секции до начала индукционного датчика, установленного после калибровочной секции.

Отметим, что картина распределения электрического поля одинакова для любого напряжения на втором электроде, а меняться будет лишь скалярное значение напряженности электрического поля. Другими словами, если E₁(z) - напряженность электрического поля при напряжении на втором электроде U₁, a E₂(z) - напряженность электрического поля при напряжении на втором электроде U₂, то справедливо соотношение:

Соотношение (2) следует из решения уравнения Лапласа, где величина участвующего в граничном условии напряжения (в данном случае напряжения на втором электроде, так как потенциалы остальных электродов не меняются) выступает в конечном итоге множителем функции геометрического распределения поля.

Таким образом, распределение электрического поля E(z) можно представить как произведение функции геометрического распределения потенциала на напряжение на втором электроде:

где E_ПР(z) - приведенная напряженность электрического поля (частное функции напряженности электрического поля и напряжения, которое это поле создает, размерность величины [1/м]).

Подставив (3) в (1), получим время, которое затратит частица на прохождение от начала индукционного датчика, расположенного перед калибровочной секции, до начала индукционного датчика, расположенного после калибровочной секции:

Из (4) следует, что, измерив скорость частицы на входе или выходе калибровочной секции и время прохода калибровочной секции, можно определить произведение напряжения на втором цилиндрическом электроде на удельный заряд частицы:

Учитывая, что скорость частицы обратно пропорциональна расстоянию между двумя последовательно расположенными индукционными датчиками (L₀), окончательно (5) можно переписать в виде:

где ΔT₁ - время пролета частицей между третьим и четвертым индукционными датчиками.

Как следует из (6), для определения произведения удельного заряда на напряжение на втором цилиндрическом электроде достаточно померить всего два временных интервала: первый соответствует разнице времен регистрации частицы на третьем и четвертом индукционных датчиках (ΔT₁), а второй - разнице времен регистрации частицы на первом и втором индукционных датчиках (Т). Так как на выходе каскадного генератора имеются два напряжения, то в конструкции ускорителя присутствуют две последовательно расположенные калибровочные секции.

Так как для ускорения частицы используются те же напряжения, что подаются на средние цилиндрические электроды калибровочных секций, а в расчетной модели удельный заряд частицы и разность напряжений на соседних цилиндрических электродах входят как произведение, то можно сказать, что формирование длительностей импульсов в пачке является функцией скорости частицы, удельного заряда частицы и разности напряжений на цилиндрических электродах. За счет введения разности напряжений на цилиндрических электродах в расчетную модель как измеряемого параметра, а не как константы (как это было в наиболее близком аналоге), повышается точность формирования импульсов в пачке, что приводит к уменьшению потерь частиц. К тому же отпадает потребность измерения высоких напряжений на выходах источника фиксированного высокого напряжения и каскадного генератора, что упрощает конструкцию ускорителя. По сравнению с наиболее близким аналогом отпадает необходимость измерять скорость частицы на выходе инжектора, что значительно упрощает электрическую часть ускорителя. Это связано с тем, что первая измерительная линейка, состоящая из пары индукционных датчиков, в наиболее близком аналоге расположена между инжектором и линейным ускорителем, а инжектор и начало линейного ускорителя находятся под высоким напряжением источника фиксированного высокого напряжения, что затрудняет передачу данных о регистрации частицы на соответствующих индукционных датчиках.

Так как в ускорителе частица приобретает энергию больше 500 кэВ, то в некоторый момент времени радиальная фокусировка второго порядка становится недостаточной, чтобы надежно удерживать частицу в цилиндрических электродах. Однако ввиду использования для ускорения напряжения на цилиндрических электродах одинакового по модулю и разного по знаку, можно использовать токоведущие шины для создания дополнительного фокусирующего поля, выполнив их в виде квадруполя.

Ускоритель высокоскоростных твердых частиц, содержащий инжектор, индукционные датчики, усилители, линейный ускоритель, источник фиксированного высокого напряжения, цилиндрические электроды, селектор скоростей, селектор удельных зарядов, генератор изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке, блок сопряжения, электронно-вычислительную машину, усилитель пачки импульсов переменной длительности, каскадный генератор, токоведущие шины и мишень, отличающийся тем, что в промежутке между линейным ускорителем и индукционными датчиками соосно с ними установлены две калибровочные секции, состоящие из трех цилиндрических электродов, и соединенные с каскадным генератором; между линейным ускорителем и первой калибровочной секцией, между первой и второй калибровочными секциями установлены дополнительные индукционные датчики, которые соединены с усилителями, а токоведущие шины выполнены в виде квадруполя и соединены с цилиндрическими электродами и усилителем пачки импульсов переменной длительности.