Ускоритель заряженных частиц

 

1E! I 273893

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Со!оз Советских

Социалистических

Республик (61) Допочиитьчьчос к чвт свид ву (22) Заявлено 25.11.68 (21) !284818, 26-25 с присоедииеш .см заявки X (23) Приоритет

Опубликовано 05.03.76. Бюллетень ЛЬ 9

Дата опубликования описания 11.05.76 (511 М. Кл.-" Н 05Н 9/00

Государственный комитет

Совета Министров СССР (53) УДК 621.384.66 (088.8) по делам изобретений и открытий (72) Автор изобретения

Е. A. Абрамян

Институт ядерной физики Сибирского отделени (71) Заявитель (54) УСКОРИТЕЛЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Изобретение относится к устройствам для ускорения больших токов заря>кеииых частиц в коротких импульсах.

Известно ускорение заряжеииых частиц с помощью высокочастот Eblx;IIEиейиых ускорителей.

Известны индукционные линейные ускорители, представляющие собой пабор трансформаторов, в первичных контурах которых, выполиеииых в виде тороидальных витков, устаиовлеиы конденсаторы. Для данных ускорителей требуются зпачительные размеры конденсаторов, ио при этом сложно обеспечить граЛ!в диентускоряющего поля более 1 — 3, и для и ускорения частиц до энергии во многие десятки Мэв требуются весьма громоздкие системы.

Целью изобретения является повыше!ше градиента электрического поля и упрощение конструкции.

Описываемый резонатор для ускорения заряженных частиц представляет собой замкнутую (например, круглую) полость, внутри которой примерно посредине расположена проводящая пластина. Распределенная емкость между пластиной и полостью заряжается с помощью трансформатора Тесла. После зарядки производится пробой нескольких ра",рядииков, расположенных вблизи оси полости, После пробоя разрядников в резонаторе происходят затухающие колебания, один или несколько полупериодов которых могут быть использовыпы для ускорения частиц в аправлении оси резонатора.

5 I IH фиг. 1 EIoh333HH с. icмя lcolicTph IEEEIEEE резонатора; IIH фиг. 2 — электрическая схема; ия фцг. 3 — секции ускорителя.

В EIO;lÎCTb р< зоиаТОра 1 EEO!EP!ELCEEH и I;lCTипя

2 из проводящего материала. Плоская спи10 pH,lb!EHsl Обо!Откя 3 sEEi, EsieTcsi HTop! E ;»OEE обмоткой трансформатора Тесла, используемо го для зарядки емкости Г. Образо!таиной пластиной 2 со степками резоцатора 1. Первичиая обмотка 4 заряд!!Ого трансформатора распо Io15 же!!я примерцо и!!р!!лг!ег!! ио виткам спиральi!oil Обмотки 3. Для улучшения связи между

0o:!E0T)iH .и! 3 !! -1 мстя и явля в!lcTcsl Йерроз! 3ГlIiITl, bl il AE3E иитоп !)Овод 5, il витки иеря!1Чиой оомотки 4 расположены ие в нлоскостll, il lio

20 поверхности конусы (c увеличением пядиуся ви.! ков первич!!Ой обо!ОтK!E 4 3 меиьи!яеTcB f!HccT0s1E!Elñ. и! ж Л, ! !1! Il c!11! рН чь|!Ой Об1!Отко!!

3). Вблизи ос" иа стенках резонатора 1 и пластине 2 устаиовлеиы разрядники 6, 25 Пластиия 2 имеет радиальные прорези 7 и изготовлена из проводящего материала, ио в области, прилегающей к спиральной обмотке

3 прозрачпа для переменного поля; для этого она изготовлеиа из материала с достаточно

30 большим сопро !ивлеииео! (например, ия i!30.

273893 ляцию нанесен тонкий слой металлической пленки) или имеет прорези. Наилучшей средой для заполнения резонатора является сжатый газ. Так, если внутри резонатора находится азот при давлении 20 — 30 атм, то напряженность электрического поля может достигать 300 кв/см и более. При напряжении на пластине 2 1 Мв между пластиной 2 и стенками резонатора 1 достаточно зазоров равных 3 — 4 см. При дальнейшем описании в качестве примера будем приводить резонатор с габаритным размером вдоль оси 10 см и потенциалом на пластине резонатора 1 1Мв.

Напряжение на первичной обмотке 4 зарядного трансформатора может не превышать

50 — 100 кв. До такого напряжения с помощью выпрямителя 8, (фиг. 2) заряжается емкость

9. Затем замыкается коммутатор 10, в качестве которого могут использоваться разрядники или электронные лампы — в зависимости от конкретных параметров тока и напряжения в первичной обмотке 4. Подбор коммутатора 10 облегчается при уменьшении собственной частоты контура, образованного емкостью 9 и индуктивностью обмотки 4. Напомним, что в трансформаторе Тесла собственная частота вторичного контура равна собственной частоте первичного контура. Электрическая прочность резонатора, заполненного сжатым газом, позволяет обеспечить указанные выше параметры при длительных (несколько микросекунд и более) временах приложения напряжения к пластине 2. Емкость U образована пластиной

2 со стенками резонатора 1.

На фиг. 4 показано изменение напряжения

U> на пластине 2 при коэффициенте связи 0,6 между обмотками 4 и 3. Вся энергия, запасенная заранее в емкость 9, переходит в емкость 11 уже на втором полупериоде колебаний и напряжение U достигает максимума в момент t (включение коммутатора 7 произведено в момент tI).

После заряда емкости 11 резонатора в момент t> пробиваются разрядники 8. Для пробоя разрядников 8 на них подаются мощные поджиги. Системы для подвода поджигов вмонтированы в стенку резонатора 1. Кроме того, в пластине 2 имеются радиальные прорези 7, облегчающие синхронный пробой разрядников, Лналогичные прорези могут быть сделаны и в стенках резонатора 1. Разброс во времени между пробоями отдельных разрядников и длительность развития дуги в каждом из них в сумме определяют фронт появления ускоряющего напряжения U>. Длительность действия ускоряющего напряжения т равна времени распространения волны по ре2х зонатору т :, где к — диаметр пластины 2

С и С вЂ” скорость света.

Так, при m=200 см, т(14 нсек.

Напряжение, которое может использоваться для ускорения частиц U>, приложено между пластиной 2 и стенкой резонатора 1 в зазоре, свободном от разрядников. Времена развития

2д

ЗО

65 разряда и разброса момента начала пробоя в сжатых газах достаточно малы. Для уменьшения времени пробоя разрядников, возможно, понадобится уменьшить в два или более раз осевой размер резонатора и перейти, например, к напряжению 500 кв.

С увеличением диаметра резонатора относительное время развития разрядов IIQ сравнению с длительностью импульса т также уменьшается.

В приведенном в качестве примера резонаторе с к = 200 см, осевым размером 10 см и напряжением на пластине 2 1Мв общий ток в разрядниках 6 достигает сотен килоампер.

Ускоренные токи могут достигать величины многих десятков килоампер. В этом случае они будут уносить заметную часть энергии, имеющейся в резонаторе, и подсаживать напряжение. Установка в такой системе ускорительной трубки требует некоторых дополнительных усовершенствований. Если обеспечение электрической прочности 1Мв в зазоре

3 — 4 см со сжатым газом даже для длительно приложенного напряжения не вызывает особых затруднений, то установка в таком же зазоре изолятора может оказаться трудно oc)ществимой или вообще невозможной. В предлагаемой конструкции градиент напряжения на трубке в два раза меньше, чем в зазорах резонатора, и кроме того, напряжение к изоляции приложено существенно меньшее время — только после срабатывания разрядников 6.

Ускорительная трубка содержит электроды

12, разделенные изоляторами 13. Внутренний диаметр пластин 2 значительно больше, чем наружный диаметр электродов 10 трубки.

Благодаря этому до момента пробоя разрядников 6 («4 ) на всех электродах трубки потенциал близок к земляному, даже несмотря на то, что на пластине 2 уже имеется напряжение. Для того, чтобы вблизи кромки внутреннего отверстия пластины 2 не было высоких напряженностей электрического поля, установлен емкостной или индуктивный (или комбинированный) делитель 14, представляющий собой набор колец или спираль. Отметим, что по наружному диаметру пластины 2 также нет необходимости делать у края значительные закругления, так как здесь вторичная обмотка 3 играет роль делителя напряжения. Таким образом после зарядки пластины 2,1о пробоя разрядников трубка находится, практически, в эквипотенциальном и р остр а ястве.

После пробоя разрядников картина меняется. Теперь все ускоряющее напряжение, получаемое в резонаторах, прикладывается к находящемуся внутри каждого резонатора участку трубки. Однако вдоль изоляторов трубки градиент напряжения в два раза меньше, чем в зазорах резонаторов. Время приложения напряжения составляет единицы или десятки наносекунд. B таком режиме при весьма мелком секционировании изолятора

273893

ВидА трубки вполне возможно получение градиента около 1 Мв на 10 см.

Отметим, что в самом резонаторе могут быть получены и большие градиенты напряжения, в частности, при использовании более электропрочных газов, например, SFq, однако определяющим, по-видимому, является прочность трубки. К тому же SF< будет заметно разлагаться при пробоях и потребуется более тщательная его циркуляция и очистка. чем для упомянутого азота.

В описанной конструкции достижимы граМв диенты ускоряющего поля поряда 10, а м запасенной энергии достаточно для ускорения токов в десятки килоампер. При хорошо организованном охлаждении поверхностей разрядников и продувке газа для удаления продуктов распыления разрядников принципиально достижима частота повторения многие импульсы в секундч.

Формула изобретения

1. Ускоритель заряженных частиц, содержащий ускоряющую трубку, источник питания в виде трансформатора Тесла, резонаторов с разрядниками, о тлич à ю гцп и с я тем. что, с целью увеличения градиента ускоряющего электрического поля, внутри резонаторов рас5 положена пластина из проводящего материала, соединенная с резонатором вторичной обмоткой трансформатора, первичная обмотка расположена в одном из зазоров, между пластиной и степками резонатора установлены

10 разрядники.

2. Ускоритель по п. 1, отл ич а ю щийс я тем, что пластина, установленная внутри резонатора, и его стенки имеют радиальные прорези.

15 3. Ускоритель по пп. 1 — 2, о тл ц ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения связи между первичной н вторичной обмотками трансформатора, заряжающего пластину, расположенную внутри резонатора, у стенки резонатора

20 установлен ферромагнитный магнитопровод.

4. Ускоритель по пп. 1 — 2. отл и ч а ю щи йся тем, что первичная обмотка трансформатора расположена по поверхности конуса, ось

25 которого совпадает с осью резонатора.

273893

Фиг. 4

Составитель Б. Попов

Техред А. Камышникова

Корректор О. Тюрина

Редактор Н. Коган

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ !275/4 Изд. ¹ 286 Тираж 1029 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 3(-35, Раушскаи наб., д. 4/5