АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Линейные ускорители

7.1. Классификация современных ускорителей

Заряженные частицы, обладающие высокой кинетической энергией, используются в различных областях естествознания. Такие частицы получают в специальных устройствах, которые называются ускорителями.

Началом использования заряженных частиц высокой энергии для изучения строения ядра можно считать 1919 г., когда Э. Резерфорд с помощью потока быстрых a-частиц (ядер атомов гелия) осуществил превращение одного химического элемента в другой. Стало ясно, что частицы большой энергии могут служить ценным инструментом при изучении строения атомного ядра. До начала 30-х годов источником быстрых частиц являлись естественные радиоактивные препараты. Однако низкая интенсивность потока частиц радиоактивного препарата и их сравнительно небольшая энергия оказались недостаточными для дальнейших исследований.

Современные ускорители на большие энергии для исследований в области физики элементарных частиц являются сложнейшими сооружениями. Небольшие линейные ускорители, бетатроны и циклотроны выпускаются серийно. Ускорители заряженных частиц представляют собой мощные источники проникающих излучений. Поэтому важной проблемой при разработке любого ускорителя является обеспечение падежной радиационной защиты обслуживающего персонала. Увеличение энергии частиц в ускорителе происходит в результате воздействия на них сил электрического поля. Поэтому ускоряться могут лишь заряженные частицы. Большую кинетическую энергию они могут получить в результате:

а) однократного прохождения высокой разности потенциалов, приложенной к ускоряющему зазору;

б) движения в вихревом электрическом поле;

в) многократного прохождения ускоряющего зазора, к которому приложено сравнительно небольшое напряжение; возврат частиц в область ускоряющего зазора при этом осуществляется поперечным магнитным полем.

Обычно в качестве объекта ускорения используют электроны, протоны (ядра атомов легкого водорода), дейтроны (ядра атомов тяжелого водорода), а-частицы и ионы тяжелых атомов. При бомбардировке этими частицами специальных мишеней могут быть получены различные элементарные частицы. Для измерения энергии частиц в ускорительной технике пользуются внесистемной единицей - электронвольтом (эВ). Один электронвольт равен энергии, которую приобретает частица с зарядом, равным заряду электрона, при прохождении разности потенциалов в 1 В. 1 эВ = 1,602×10^-19 Дж.

Среди основных областей применения укорителей можно отметить следующие: облучение полимерных соединений с целью придания им новых свойств, радиационная вулканизация каучуков, крекинг углеводородов, ускорение процессов синтеза веществ, как рабочий инструмент при обработке {сверление, фрезерование, резка) и сварке металлов, для получения некоторых видов изотопов. Жесткое рентгеновское излучение электронных ускорителей широко используют для нужд промышленной дефектоскопии, а облучение фотонами рентгеновского излучения семян и клубней сельскохозяйственных растений позволяет регулировать их развитие.

Ускорители классифицируют по форме траектории частиц в ускорителе и по принципу ускорения.

По форме траектории заряженных частиц ускорители делятся на линейные, в которых траектории частиц близки к прямой линии и циклические, в которых частицы под действием магнитного поля (постоянного или изменяющегося) движутся по орбитам, близким к круговым. По принципу ускорения (характеру ускоряющего электрического поля) ускорители подразделяются на высоковольтные, индукционные и резонансные.

Таблица 7.1

Классификация ускорителей

7.2. Электростатический ускоритель.

Электростатический ускоритель (ЭСУ) относится к классу высоковольтных ускорителей, в которых заряженные частицы приобретают энергию тем большую, чем больше пройденная разность потенциалов.

В его конструкции используется идея доведении до высокого потенциала изолированного проводящего электрода путем сообщения ему заряда.

Рис. 7.1. Электростатический ускоритель:

1 - высоковольтный электрод, 2, 7 - валики ленточного транспортера,

3, 6 - коронирующие гребенчатые электроды, 4 - опорная колонна,

5 - ленточный транспортер, 8 - ускорительная трубка.

Известно, что потенциал U изолированного электрода зависит от величины сообщенного ему заряда Q и выражается формулой

U = Q/C, (7.1)

где С - емкость электрода.

Из этого следует, что потенциал электрода тем выше, чем больше его заряд. Если такой электрод, заряженный до высокого потенциала, использовать как ускоряющий, то при движении частиц с него будет уходить часть заряда и потенциал его будет падать. Для поддержания постоянным потенциала необходимо все время восполнять убыль заряда.

Таким образом, в конструкцию электростатического ускорителя должны входить следующие основные элементы: высоковольтный электрод 1, опорная колонна 4, поддерживающая и надежно изолирующая его; зарядное устройство, которое непрерывно сообщает высоковольтному электроду заряд; ускорительная трубка 8, в которой происходит ускорение заряженных электронов или ионов. Форма высоковольтного электрода имеет определяющее значение для достижения. Как известно, напряженность поля па поверхности заряженного проводящего тела в общем случае различна и зависит от кривизны поверхности. В связи с этим оптимальной является сферическая форма электрода. В электростатических ускорителях заряд сообщается высокопотенциальному электроду при помощи бесконечной движущейся лепты (транспортера), которая натянута на двух валиках. Один валик 7 находится обычно у основания изоляционной колонны и приводится во вращение от электромотора. Второй (опорный) валик 2 расположен внутри полого высокопотенциального электрода. Материал ленты должен иметь значительную механическую прочность, высокие поверхностное и объемное сопротивления и большую электрическую прочность.

Величину U выбирают такой, чтобы между электродом и движущейся лептой возникал коронный разряд. Когда заряженный участок ленты переместится внутрь электрода, происходит снятие заряда с ленты. Разрядка заряженного участка ленты осуществляется также при помощи гребенчатого электрода 3. В результате между зубцами гребенчатого электрода и лентой получается разность потенциалов, достаточная для возникновения коронного разряда, благодаря которому заряд с лепты частично уходит на высокопотенциальный электрод.

Крупным шагом вперед по пути усовершенствования электростатических ускорителей было использование для изоляции вместо воздуха газа под высоким давлением. Конструкция электростатического ускорителя под давлением содержит те же элементы, что и рассмотренный ЭСУ. Отличие заключается в том, что ускоритель полностью помещают в герметизированный стальной бак, заполняемый газом под высоким давлением., что приводит к повышению электрической прочности

7.3. Каскадный ускоритель.

В каскадном ускорителе ускоряющая разность потенциалов создается схемами умножения, которые позволяют получить высокое напряжение от сравнительно низковольтного источника.

Основной частью такого ускорителя является каскадный умножитель напряжения, состоящий из трансформатора, высоковольтных электрических вентилей и конденсаторов, каждый из которых заряжается до определенного напряжения.

В принципе действия каскадного умножителя заложено свойство простой схемы выпрямителя, работающего на емкостную нагрузку, создавать между определенными точками напряжение, величина которого больше напряжения вторичной обмотки питающего трансформатора. Сегодня наиболее часто используется симметричная схема каскадного ускорителя, показанная на рисунке.

Рис. 7. 2. Электрическая схема каскадного ускорителя

Она состоит из трансформатора, вторичная обмотка которого имеет заземленную среднюю точку, и трех цепочек конденсаторов, соединенных между собой вентилями. К средней цепочке подключается нагрузка.

При холостом ходе конденсаторы схемы заряжаются до напряжения 2U_m (U_m — амплитуда напряжения, действующего между средней точкой и любым из концов вторичной обмотки трансформатора), и только непосредственно подключенные ко вторичной обмотке трансформатора конденсаторы крайних цепочек заряжаются до напряжения Uм. В результате максимальное выходное напряжение схемы равно 2nU_m, где п — число каскадов..

7.4. Линейный индукционный ускоритель.

Работа ЛИУ основана на явлении электромагнитной индукции. Рассмотрим ферромагнитное кольцо — сердечник, на которое нанесена электрическая обмотка. Если изменить ток в обмотке, то произойдет изменение индукции магнитного поля В в сердечнике и в окружающем пространстве возникает вихревое электрическое поле Е. Силовые линии вихревого электрического поля замыкаются вокруг сердечника. В центре сердечника направление поля Е совпадает с осью симметрии ячейки. Вихревое электрическое поле и используется для ускорения электронов в ЛИУ. Ускоряющая система ЛИУ состоит из большого числа ячеек, называемых индукторами.

Для того чтобы пучок электронов на выходе ускорителя был моноэнергетичным, необходимо обеспечить изменение индукции магнитного поля во времени по линейному закону. С этой целью питание обмоток индукторов осуществляют короткими импульсами напряжения прямоугольной формы.

Рис. 7.3. Элемент ускоряющей системы ЛИУ

Ускорение электронов осуществляется в вакуумной трубке, находящейся при непрерывной откачке. Для компенсации сил расталкивания применяют фокусирующую систему, состоящую из ряда магнитных линз. Линзы устанавливают обычно в промежутках между секциями ускоряющей системы или внутри индукторов.

7.5. Ускоритель с трубками дрейфа.

Ускорение положительно заряженных частиц, образующихся в ионном источнике, осуществляется в зазорах между трубчатыми электродами, которые называются трубками дрейфа и располагаются вдоль общей оси.

Рис. 7.4. Схема ускорителя с трубками дрейфа

Трубки с нечетными номерами подключены к одному полюсу источника переменного напряжения, а трубки с четными номерами - к другому. При отрицательной полярности электрода положительные ионы, вышедшие.из источника, ускоряются в зазоре между источником и первой трубкой и попадают внутрь этого электрода. Внутри трубки дрейфа электрическое поле отсутствует и движение частицы в ней происходит по инерции. За время, которое затрачивает ион на прохождение трубки дрейфа, полярность ускоряющего напряжения изменяется па противоположную, поэтому в зазоре между первым и вторым электродами частицы вновь будут ускоряться.

Так как скорость иона после прохождения каждого зазора возрастает, то соответственно увеличивается и длина трубок дрейфа. Ускоритель рассчитывают таким образом, чтобы время движения частицы между двумя соседними зазорами было равно половине периода ускоряющего напряжения. При этих условиях движение ионов будет происходить, как описано, т. е. в резонанс с изменением напряжения.

С увеличением энергии ускорителя его длина сильно возрастает. Наиболее компактным может быть сделан ускоритель тяжелых (с большой массой покоя) ионов при использовании переменного питающего напряжения с малой длиной волны.. Ускоритель работает при непрерывной откачке.

Рис. 7.5. Устройство линейного ускорителя с трубками дрейфа

Ускоренные частицы либо используются для бомбардировки мишени, установленной в конце вакуумной камеры, либо выводятся из установки наружу. Для достижения больших энергий приходится строить линейные ускорители большой длины. Наибольший линейный ускоритель был построен в Стэнфорде (США). Он работал в период 1989-1998 гг., имел длину около 3 км и ускорял как электроны, так и позитроны до энергии 50 ГэВ. Для достижения такой энергии частицы испытывают около 80 000 актов ускорения. Этот ускоритель работал в режиме коллайдера, когда пучок электронов с энергией 50 ГэВ сталкивается с пучком позитронов такой же энергии.

7.6. Ускоритель электронов с бегущей волной.

Пусть электромагнитная волна имеет компоненту Еz электрического поля вдоль направления распространения – z. Такая волна не может существовать в свободном пространстве, но может распространяться в волноводе или в некоторых средах.

Рассмотрим воздействие такой волны на покоящийся электрон. Электрон окажется в переменном электрическом поле и будет совершать колебательное движение вдоль оси z со скоростью

(7.2)

Среднее по времени значение скорости равно нулю. Пусть теперь электрон движется вдоль оси z, со скоростью малой по сравнению с фазовой скоростью волны. Тогда опять на длине взаимодействия L >> l скорость электрона под действием поля не изменится.

Пусть теперь электрон движется из точки z1 в точку z2 (z2-z1 = L) со скоростью равной фазовой скорости волны. На рисунке 7.6. показано распределение продольной компоненты поля Ez вдоль оси z в различные моменты времени t1, t2, и t3. Если электрон в момент времени t1 попал в ускоряющую фазу (7.6.), то он будет ускоряться и в моменты времени t2 и t3, до тех пор, пока за счет разности скоростей электрона и волны он не попадёт в другую фазу волны. Длина, на которой происходит ускорение может значительно превышать длину волны, L >> l.

Рис. 7.6. Электрон в ускоряющей фазе волны

На этом принципе может работать ускоритель частиц. Процесс ускорения заканчивается, когда электрон попадает в тормозящую фазу волны, за счет того, что его скорость стала больше фазовой скорости волны. Можно сделать так, чтобы фазовая скорость волны возрастала вдоль направления движения электрона (например, за счёт изменения поперечных размеров волновода), тогда процесс ускорения электрона может происходить долго.

Теперь пусть на вход волновода длиной поступает пучок электронов со скоростью равной фазовой скорости волны. Тогда электроны пучка, попавшие на входе волновода в ускоряющую фазу, будут ускоряться, а электроны в замедляющей фазе замедляться. В результате на некоторой длине взаимодействия все электроны соберутся в сгустки, которые будут двигаться в фазе волны, где электрическое поле равно нулю.

В результате энергия от пучка к волне передаваться не будет, работа поля над электронами равна нулю. Если же скорость электронов превышает фазовую скорость волны, то на некоторой длине сгустки электронов будут формироваться в фазе замедляющего поля. Некоторое время после образования сгустка все электроны пучка будут двигаться в тормозящей фазе и передавать свою энергию волне. Затем начнется обратный процесс передачи энергии от волны к пучку. Таким образом, если скорость пучка превышает фазовую скорость волны, и длина взаимодействия специально подобрана, то возможна передача энергии от пучка к волне.

.

Рис. 7.7. Схематическое изображение ускорителя с бегущей волной

Электроны вводятся в диафрагмированный волновод 3 с помощью высоковольтной электронной пушки 1. Режим инжекции - импульсный; энергия инжекции составляет обычно 30 - 100 кэВ. Двигаясь вдоль волновода, электроны непрерывно наращивают энергию. В конце волновода электроны сталкиваются с мишенью или выводятся наружу через специальные окна. В конце ускорителя неиспользованная мощность СВЧ колебаний бегущей волны отводится в поглощающую нагрузку. Ускоритель работает при непрерывной откачке. Для сохранения радиальных размеров электронного пучка в требуемых пределах обычно применяют длинные магнитные линзы.

Дата добавления: 2015-12-15 | Просмотры: 946 | Нарушение авторских прав