Ускоритель заряженных частиц

(61) Дополнительное к Явт, свид-ву 51) М. Кл,-" Н 05 Н 9/0 488,2 22) Заявлено 25,1.68 (21)с прцсоедцнец.См зяявк Государственный комнте Совета Министров СССР по делам изобретенийи открытий 23) ПриоритетОпубликовано 05.03.76 53) УДК 621.384оллетень Ъ 11,05.7 Дата опубликования опцсаш 2) Автор изобрет Институт ядерной физики Сибирского отделени 1) Заявитель 54) УСКОРИТЕЛЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИ Изобрете ускорения в коротких Известно помощью в нейных уск Известны тели, предс маторов, в полненных новлены ко лей требую саторов, но диент ускорь строиствам кенцых час ние относится к у для больших токов заря тиц импульсах.ускорение заряженных частиц с ысокочастотных резонаторов, лпорителей,индукционные линейные ускорцтавляющие собой набор трацсфорпервичных контурах которых, выв виде тороидальных витков, устацденсаторы, Для данных ускоритется значительные размеры коцдецпри этом сложно обеспечить гра 5 В яющего поля более 1 - 3 , и для11 25 ускорения частиц до энергии во многие десятки Мэв требуются весьма громоздкце 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 расположеца проводящая пластина, Распределенная емкость между пластиной и полостью заряжается с помощью трансформатора Тесла. После зарядки производится пробой нескольких разрядников, расположенных вблизи оси полости, После пробоя разрядников в резонаторе происходят затухающие колебания, один ил несколько полупериодов которых могут быт использованы для ускорения частиц В направлении оси резонатора,5 НЯ фцг, 1 пок 2 зацЯ схема коцстрмкццп резонатора; ця фцг. 2 - электрическая схема; ця фцг. 3 - секции ускорителя.В по;)Ость резонатора 1 по:)ец(ец( Пл;)стнца из проводящего з)ятерпа;)я. П,(оскяя 1 ра,)ьна 5 Обз)отка 3 ЯВляетс 5 ВторнПОЙ 00 моткой трацсформатора Тесла, цспользуемо го для зарядки емкости Г, образованной пластиной 2 со стенками резонатора 1. Первичная оомоткя 4 зарядого трансформатора располо жеЯ прнмерцО парал;е.)ь(О Виткам спцра;)ьцой оомоткп 3. Для улучшения связи между обмотка., ц 3 : -1 стцавс(цвстс 5 (1)ерроз)агцптць)Й ъ 5(ГццтОп)Овод 5, ц Витки цервцчцОЙ оомоткц 4 расположены це в плоскости, я цо 20 поверхности конуса (с увеличением )т)дцус(1Ви)ков первчцОЙ Обз)откп 4 1 мсцьц)яется расс Г 05 Пце меж дм ццми н си яль 1 ОЙ (я)1)откОИ 3). Вблизи осц ца стенках резонатора 1 и пластине 2 установлены разрядники 6.Пластина 2 имеет радиальные прорези 7 иизготовлена пз проводящего материала, цо в области, прилегающей к спиральной обмотке 3 прозрачна для переменного поля; для этого она изготовлена цз материала с достаточно 30 большим сопроьщлеццем (например, ца пзоляцию 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 1 Мв.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 У образована пластиной 2 со стенками резонатора 1.На фиг. 4 показано изменение напряжения У, 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 Ь достигает максимума в момент 1 (включение коммутатора 7 произведено в момент ).После заряда емкости 11 резонатора в момент 1 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 У,. Длительность действия ускоряющего напряжения т равна времени распространения волны по ре 2 хзонатору т: , где к - диаметр пластины 2Си С - скорость света.Так, при а=200 см, т(14 нсек.Напряжение, которое может использоваться для ускорения частиц У приложено между пластиной 2 и стенкой резонатора 1 в зазоре, свободном от разрядников. Времена развития 10 15 20 2 д ЗО 35 40 45 50 55 60 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 по 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 1 Мв 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 1 Мв 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 осуществимой 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 (11 ) 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 до пробоя разрядников трубка находится, практически, в эквипотенциальном пространстве.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 мень. ше, чем в зазорах резонаторов. Время приложения напряжения составляет единицы или десятки наносекунд, В таком режиме при весьма мелком секционировании изолятора273893 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, БГб, однако определяющим, по-видимому, является прочность трубки. К тому же ЯР 6 будет заметно разлагаться при пробоях и потребуется более тщательная его циркуляция и очистка. чем для упомянутого азота,В описанной конструкции достижимы гра 11 в диенты ускоряющего поля поряда 10, ам 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 изобретения1. Ускоритель заряженных частиц, содержащий ускоряющую трубку, источник питания в виде трансформатора Тесла, резонаторов с разрядниками, отлич а югцп йся тем. что, с целью увеличения градиента ускоряющего электрического поля, внутри резонаторов рас 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 ятем, что пластина, установленная внутри резонатора, и его стенки имеют радиальные прорези.15 3. Ускоритель по пп. 1 - 2, о тл и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения связи между первичной и вторичной обмотками трансформатора, заряжающего пластину, расположенную внутри резонатора, у стенки резонатора 20 установлен ферромагнитный магнитопровод. 4, Ускоритель по пп. 1 - 2, отличающийся тем, что первичная обмотка трансформатора расположена по поверхности конуса, ось 25 которого совпадает с осью резонатора.273893 Фиг 4 Составитель Б. ПоповТехред А. Камышникова Корректор О. Тюрина Редактор Н. Коган Типография, пр. Сапунова, 2 Заказ 275/4 Изд, М 286 Тираж 1079 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушскаи наб., д. 4/5