Способ ускорения электронов и электронный ускоритель

 

Изобретение относится к ускорительной технике. Способ ускорения пучка заряженных частиц заключается в управлении им по сторонам многоугольника. В каждой стороне многоугольника установлены диполь с продольным магнитным полем и уплотняющее устройство с ускоряющими электродами системы ускоряющего напряжения. Технический результат - ускоритель на основе предложенного способа обеспечивает получение энергии электронов свыше 10000 ТэВ = 10¹⁶ эВ. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к мощным ускорителям электронов.

По ускорителям электронов имеется обширная литература, в частности, представленная в [1 - 7].

Имеется два основных способа ускорения электронов, обеспечивающие достижение больших энергий в процессе их ускорения. Эти способы материализуются в схемах линейных и циклических ускорителей, преимущества и недостатки которых показаны в [1]. "... преимущества линейных ускорителей оказались решающими в отношении ускорителей электронов ... одно только отсутствие потерь на излучение позволяет линейным ускорителям успешно конкурировать с синхротронами вплоть до энергий в десятки гигаэлектронвольт" [1]. "Ближайшие перспективы пока не предвещают качественного изменения основных тенденций развития ускорителей" [6]. Крупнейшее в мире накопительное кольцо (LEP, 10 ГэВ) с окружностью 27 км при общей длине 3400 магнитов удерживают пучки частиц на орбите при относительно слабом магнитном поле 0,1 Т и более 1300 квадрупольных, секступольных магнитов обеспечивают фокусировку [4]. Уже виден предел возможностей современной технологии создания ускорителей. Авторы [4] считают, что "... следующим за LEP шагом может быть только линейный ускоритель", ". .. пока не ясно, можно ли вообще создать - коллайдер на очень высокие энергии" [3]. Для решения проблемы, связанной с синхротронным излучением накопителей на энергию LEP и более, авторы [7] предлагают использовать линейные ускорители, стреляющие друг в друга одиночными сгустками электронов и позитронов с частотой ~10 Гц.

Из [1 - 7] видно, что способы ускорения электронов имеют принципиальные и неустранимые недостатки: 1. Процесс ускорения электронов в линейных ускорителях ограничивается длиной прямолинейной орбиты при ограниченном темпе ускорения.

2. Процесс ускорения электронов по кольцевой орбите в возрастающем магнитном поле циклического ускорителя ограничивается синхротронным излучением.

В будущем к ускорителям электронов в [4] выставлены следующие требования: W 1 Т эВ; L 10³² см^-2с^-1, W - кинетическая энергия; L - светимость.

В предлагаемом изобретении решается задача снятия ограничений по величине энергии E_max, достигаемой в процессе ускорения электронов, т.е. решается задача создания идеального ускорителя электронов.

Сущность изобретения состоит в том, что способы управления процессом ускорения электронов по прямой линии или по окружности в нарастающем магнитном поле заменяют процессом ускорения электронов по сторонам многоугольника, в каждой стороне которого устанавливают отклоняющий диполь с продольным магнитным полем и с продольным магнитным полем уплотняющее устройство с электродами системы ускоряющего напряжения.

Рассмотрим как прототип авторское свидетельство N 1499729, содержащее поворотные магниты (диполи) кольцевой структуры, разделенные прямолинейными промежутками для размещения ускоряющей системы, корректирующих магнитных линз, и иное вспомогательное оборудование. По своей конструкции указанное АС является синхрофазотроном с жесткой фокусировкой.

Недостатки прототипа: 1. Задача увеличения энергии - главная в ускорительной технике - практически решается за счет увеличения геометрических размеров ускорителя.

2. С ростом периметра кольцевой структуры ускорителя возрастают: - инерционность ускорителя, - пассивное потребление энергии от промышленной сети, - трудности управления выходными координатами главных технических систем ускорителя.

3. Прямолинейные промежутки уменьшают эффективный радиус орбиты.

4. Жесткая фокусировка увеличивает перечень недостатков ускорителя, она является результатом недостаточного владения процессами управления в ускорителе.

5. Синхротронное излучение ограничивает предельные возможности ускорителя по величине достигаемой энергии.

6. Востребована многокаскадная схема ускорительного процесса.

7. Большие эксплуатационные расходы.

Структура прототипа построена на принципе рассеяния энергии в пространстве, что обусловливает все его недостатки.

Задача, решаемая в заявленном изобретении, - это создание в компактном объеме ускорителя заряженных частиц с энергией: E > ... 10¹⁶ ... 10²⁰ ... эВ.

Указанный результат достигается тем, что транспортировку и ускорение электронов производят по сторонам многоугольника, в каждой из которых устанавливают диполь и ускоряющее устройство, содержащее уплотняющее устройство с ускоряющими электродами, при этом диполи и уплотняющие устройства выполняют с продольным магнитным полем и подключают к источникам тока, а электроды ускоряющего устройства подключают к блоку высокого напряжения.

В предложенной схеме электронного ускорителя замкнутый контур представляет собой многоугольник, в каждой из сторон которого установлены диполь и ускоряющее устройство, которое включает уплотняющее устройство с симметрично установленными ускоряющими электродами, подключенными к блоку высокого напряжения, а обмотка уплотняющего устройства подключена к источнику тока, при этом диполи и уплотняющие устройства выполнены с продольным магнитным полем.

Отклоняющей диполь изменяет направление орбиты на угол между вектором скорости заряженной частицы и направлением магнитной индукции B, при этом заряженная частица движется в отклоняющем диполе по винтовой линии с радиусом r и шагом винта h.

B - индукция магнитного поля отклоняющего диполя в теслах;
E, E₀ - полная энергия и энергия покоя заряженной частицы.

Из представленной формулы (1) видно, что радиус витка вращающейся частицы в процессе ускорения изменяется от нуля до значения, асимптотически приближающегося при E ____ к конечной величине. Ограниченный размер радиуса витка выражает и обеспечивает устойчивость процесса неограниченного увеличения энергии коллективом заряженных частиц, и это свойство предложенного способа принципиально отличает конкретную схему электронного ускорителя от всех известных схем ускорителей.

При движении заряженных частиц по центральной орбите их энергия увеличивается на величину напряжения ускоряющего устройства в каждой стороне многоугольника прямо пропорционально времени развития ускорительного процесса:

U₁ - величина ускоряющего напряжения в стороне многоугольника, В;
T_y - время развития процесса ускорения, с;
R - радиус описанного круга многоугольника, м.

На чертеже показана схема электронного ускорителя как пример применения предлагаемого способа ускорения заряженных частиц, где
1 - отклоняющий диполь с продольным магнитным полем,
2 - ускоряющие электроды системы ускоряющего напряжения,
3 - блок высокого напряжения,
4 - уплотняющее устройство с продольным магнитным полем,
5, 6 - источники тока.

На чертеже показано максимальное количество источников тока и напряжения; их количество можно уменьшить за счет последовательного включения устройств магнитной системы и параллельного питания ускоряющих электродов системы ускоряющего напряжения.

На чертеже стрелками показана центральная орбита ускорителя в виде пятиугольника. Из представленных формул хорошо видны предложения, которые оптимизируют ускоритель в каждом частном случае его исполнения, в частности определяют оптимальное число сторон многоугольника и размер радиуса R описанного круга. Предлагаемый ускоритель является весьма малогабаритным объектом, здесь нет проблемы фокусировки в традиционном понимании и поэтому устройство 4 названо уплотняющим; поз. 4 обеспечивает:
- требуемую величину плотности пространственного заряда при движении электронов по сторонам многоугольника,
- управление размером пучка за счет изменения магнитного поля в поз. 4.

Плотность пространственного заряда равна:
= 4,85 10¹² В² электрон/см³.

Параметры площадки ускорения обеспечиваются управляемыми источниками тока 5, 6.

В известных ускорителях процесс ускорения заряженных частиц осуществляется на основе высокочастотного способа ускорения, особенности которого надо рассматривать как принципиальные недостатки высокочастотной системы ускорения заряженных частиц.

Равномерно размещенные ускоряющие электроды 2 конструктивно выполнены на основе принципа геометрической симметрии.

Геометрическую форму на принципе геометрической симметрии имеют:
- две симметрично расположенные пластины,
- две симметрично расположенные полусферы,
- два симметрично расположенных кольца с отверстиями для пролета заряженных частиц.

Симметричная форма ускоряющих электродов позволяет по законам электростатики подавить тормозящие электрические поля при пролете заряженных частиц через ускоряющие электроды. При выборе конкретной конструкции ускоряющих электродов следует исходить из ее эффективности, т.е. из максимального прироста энергии на единицу длины ускоряющих электродов. Ускоряющие электроды 2, установленные в уплотняющем устройстве 4 с продольным магнитным полем, подключены к полностью управляемому блоку высокого напряжения 3.

Из формулы (3) видно, что величина достигаемой энергии в предложенной схеме ускорителя, в отличие от традиционных циклических ускорителей, непосредственно не зависит от величины магнитной индукции диполя - процесс ускорения заряженных частиц идет при постоянном заданном магнитном поле.

Из формулы (3) видно, что величина энергии, достигаемая в предложенной схеме, обратно пропорциональна радиусу описанного круга R многоугольника. Величина R должна быть минимальной и определяться размерами устройств в каждой стороне многоугольника, т.е. предложенный способ ускорения заряженных частиц гарантирует малогабаритность ускорителя.

Следовательно, предложенный способ управления пучком заряженных частиц конструктивно теоретически обеспечивает неограниченную величину достигаемой энергии E пучком заряженных частиц при минимальной величине
- геометрических размеров ускорителя заряженных частиц,
- потребляемой энергии от промышленной сети.

Из представленных формул видно, что предлагаемый ускоритель
- работоспособен при минимальном уровне инжекции,
- может обеспечить получение пучков заряженных частиц от самого минимального уровня до сверхвысоких энергий, т.е. свыше 10000 ТэВ = 10¹⁶ эВ.

Структура схемы ускорителя допускает как непрерывный режим, так и импульсный режим работы за счет соответствующего управления силовыми устройствами ускорителя. При энергии ускорителя более 100 ТэВ по экономическим соображениям может быть целесообразно перейти к импульсному режиму работы ускорителя.

В традиционной схеме циклического ускорителя электронов уже при энергии 10 ГэВ (радиус 30 м) радиационные потери весьма обременительны: равны 29,25 МэВ за один оборот электрона [5]. В [6] рекомендуется неэффективное предложение: "...для уменьшения потерь на излучение без изменения конечной энергии ускорителя необходимо уменьшать максимальную индукцию магнитного поля, что приводит к увеличению всего комплекса ускорителя".

В предложенной схеме ускорителя полная мощность излучения электронов пренебрежимо мала:

B - индукция диполя, Тл,
n - число электронов в пучке,
П - периметр орбиты многоугольника, м.

Литература
1. Власов А. Д. Теория линейных ускорителей. - М.: Атомиздат, 1965.

2. Капчинский И. М. Теория линейных резонансных ускорителей. - М.: Энергоатомиздат, 1982.

3. Кейн Г. Современная физика элементарных частиц: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990.

4. Клапдер-Клайнгротхаус Г. В. , Штаудт А. Неускорительная физика элементарных частиц: Пер. с нем. - М.: Наука, физматлит, 1997.

5. Комар Е.Г. Основы ускорительной техники. - М.: Атомиздат, 1975.

6. Лебедев А.Н., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей. - М.: Энергоатомиздат, 1991.

7. Труды шестого Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, т. 1, с. 27.

Формула изобретения

1. Способ ускорения электронов, заключающийся в транспортировке электронов в процессе ускорения по замкнутому контуру, содержащему ряд участков, в каждом из которых устанавливают диполь и ускоряющее устройство, отличающийся тем, что транспортировку и ускорение электронов производят по сторонам многоугольника, в каждой из которых устанавливают диполь и ускоряющее устройство, содержащее уплотняющее устройство с ускоряющими электродами, при этом диполи и уплотняющие устройства выполняют с продольным магнитным полем и подключают к источникам тока, а электроды ускоряющего устройства подключают к блоку высокого напряжения.

2. Электронный ускоритель, содержащий замкнутый контур с рядом участков, в каждом из которых установлены диполь и ускоряющее устройство, отличающийся тем, что замкнутый контур представляет собой многоугольник, в каждой из сторон которого установлены диполь и ускоряющее устройство, которое включает уплотняющее устройство с симметрично установленными ускоряющими электродами, подключенными к блоку высокого напряжения, а обмотка уплотняющего устройства подключена к источнику тока, при этом диполи и уплотняющие устройства выполнены с продольным магнитным полем.

РИСУНКИ

Рисунок 1