Результат интеллектуальной деятельности: УСКОРИТЕЛЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Изобретение относится к системам получения заряженных частиц больших энергий и предназначено для применения в области ядерной физики и ядерных технологий.

Известен электронный магнитный спектрометр (патент РФ №2338295, опубл. 2008 г.), содержащий вакуумную камеру в виде кольцевой трубы (тора), с размещенными в ней под аксиальным углом относительно друг друга источником и детектором заряженных частиц. Система создания фокусирующего магнитного поля представляет собой электрические контуры, выполненные с возможностью создания в вакуумной камере магнитного поля, зависящего от радиуса ρ орбиты электронов в соответствии с выражением Н~ρ_-α, где Н - напряженность магнитного поля, α=0,62-0,76.

Электроны, выходящие из анализируемого образца (источника), под действием аксиально-симметричного магнитного поля подвергаются двойной фокусировке (по радиусу R и оси Z катушек), разделению по энергиям и, совершив ~0,7 оборота вдоль стационарной траектории (окружности радиуса ρ₀), фокусируются и попадают на детектор электронов и систему регистрации спектров.

Недостатком конструкции спектрометра является то, что высокая степень фокусировки, соответствующая малым размерам фокусного пятна, достигается за счет уменьшения линейных размеров источника электронов и оказывается максимальной при использовании точечных источников, но в этом случае снижается интенсивность (сила тока) потока электронов. Другим недостатком конструкции является отсутствие ускорения электронов в процессе движения внутри вакуумной камеры.

Известен источник заряженных частиц (патент РФ №2389105, опубл. 2010 г.), в котором в качестве эмитирующего электрода (анода) использована пластина-лезвие. Выполнение электрода в виде тонкой пластины в форме лезвия с радиусом закругления кромки ~1 мкм приводит к увеличению силы тока пучка ионов. При этом неизбежное снижение напряженности электростатического поля, препятствующее образованию потока ионов, компенсируется увеличением на порядок разности потенциалов между пластиной и вытягивающим электродом.

Недостатком известного источника заряженных частиц является невозможность получения на его основе потока заряженных частиц с энергией более 10 кэВ без использования мощных ускорителей, что приводит к большим габаритам конструкции. Другим недостатком является наличие вытягивающих и ускоряющих электродов, что также увеличивает габариты системы и, кроме того, затрудняет выполнение условий прецизионной магнитной фокусировки.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является бетатрон - ускоритель индукционного типа (БСЭ, т.27, Третье издание, М.: Изд. «Советская энциклопедия», 1977, с.110), предназначенный для ускорения электронов (бета-частиц), движущихся в вакуумной камере в переменном магнитном поле, а также для получения потоков γ - квантов и нейтронов. Вакуумная камера бетатрона имеет вид кольцевой трубы (тора), в которой размещены источник и мишень заряженных частиц. Магнитное поле бетатрона создается расположенным снаружи вакуумной камеры электромагнитом, который состоит из токопроводящих обмоток и ферромагнитных профильных сердечников. Электромагнит подключен к генератору переменного тока и создает в области движения электронов внутри вакуумной камеры переменное аксиально-симметричное магнитное поле, индукция которого спадает в плоскости симметрии прибора пропорционально расстоянию ρ от аксиальной оси по закону Н~ρ^-0,6. Частота изменения поля составляет 10-10³ Гц. Переменное магнитное поле индуцирует в области движения вихревое электрическое поле, которое ускоряет электроны. Дополнительным требованием, обеспечивающим постоянство радиуса стационарной траектории в бетатроне, является так называемое бетатронное условие, то есть магнитное поле Н₀ на стационарной траектории - окружности радиуса ρ₀ должно составлять половину среднего магнитного поля Н₀ внутри этой окружности. Генерируемые источником электроны движутся ускоренно вдоль стационарной траектории - окружности радиуса ρ₀, совершая порядка 10⁵-10⁶ оборотов, и после достижения необходимой энергии 1-150 МэВ выводятся из области стационарной траектории на мишень. Недостатки технического решения бетатрона:

1. Большое количество оборотов, совершаемых электронами во время ускорения, при отсутствии специальных мер синхронизации (фазировки) их колебаний относительно стационарной траектории, не позволяет осуществить прецизионную фокусировку электронов на мишени. Радиус фокусного пятна оказывается равным амплитуде колебаний электронов относительно стационарной траектории, вследствие чего невозможно получить большую поверхностную плотность мощности на мишени.

2. Электроны в процессе движения многократно пересекают область источника, что приводит к снижению интенсивности потока и возникновению нежелательного тормозного гамма-излучения.

3. Существуют значительные трудности вывода пучка электронов из области ускорения на мишень.

4. Использование электромагнита не позволяет с высокой точностью воспроизводить требуемый вид магнитного поля, необходимый для прецизионной фокусировки.

5. Наличие громоздкого ферромагнитного сердечника не допускает техническое решение с радиусом стационарной траектории существенно больше 1 м, по той же причине бетатрон не может быть использован для ускорения тяжелых частиц (протонов и ионов), для которых радиус стационарной траектории должен быть более 1 м.

Задачей предлагаемого изобретения является получение большой плотности мощности потока заряженных частиц на мишени путем использования мощных источников, системы прецизионной фокусировки и ускорения потока заряженных частиц, что расширяет функциональные возможности применения ускорителя в области ядерной физики, например технологии получения трансурановых материалов.

Поставленная в задаче цель достигается тем, что ускоритель заряженных частиц содержит вакуумную камеру с размещенными в ней источником заряженных частиц, мишенью заряженных частиц и системой, создающей переменное магнитное поле. Источник заряженных частиц выполнен в виде соосно расположенных цилиндров с кромками в форме лезвия. Система создания переменного магнитного поля выполнена в виде электрических контуров, соединенных с высокочастотным генератором переменного тока. Контуры с током устанавливаются с возможностью перемещения в продольном и поперечном направлении для более точного воспроизведения величины и формы магнитного поля. Переменное магнитное поле является фокусирующим и одновременно ускоряющим и зависит от радиуса ρ орбиты электронов в соответствии с выражением Н~ρ^-α, где Н - напряженность магнитного поля частотой 10⁵-10⁷ Гц, α=0,45-0,55.

Вакуумная камера выполнена из диэлектрического материала и имеет форму участка кольцевой трубы, на торцах которого находятся источник заряженных частиц и мишень, что обеспечивает удобство доступа в область их установки и обслуживания.

Выполнение источника заряженных частиц в виде соосно расположенных цилиндров с кромками в форме лезвий, которые имеют радиус закругления 10^-6 м, увеличивает линейную протяженность эмитирующей электроны поверхности и, следовательно, пропорционально увеличивает интенсивность потока заряженных частиц в 10³-10⁴ раз по сравнению с источником, в котором эмитирующая поверхность выполнена в виде пластины-лезвия (патент РФ №2389105, опубл. 2010 г.).

Цилиндры располагаются таким образом, чтобы траектория движения заряженных частиц совпадала с линиями напряженности ускоряющего индукционного электрического поля. Для настройки параметров магнитного поля и прецизионной фокусировки потока частиц можно изменять расположение источника заряженных частиц и мишени с помощью микрометрических винтов.

Выполнение системы создания переменного магнитного поля в виде высокочастотного генератора и электрических контуров с возможностью создания в вакуумной камере высокочастотного магнитного поля, зависящего от радиуса орбиты электронов ρ в соответствии с выражением, Н~ρ^-α, где Н - напряженность магнитного поля, α=0,45-0,55, позволяет высокочастотным магнитным полем одновременно произвести ускорение заряженных частиц на протяжении одного оборота и осуществить прецизионную фокусировку. В этом случае исключается вторичное пересечение заряженными частицами области источника, кроме того, в этом случае ускоряющее индукционное электрическое поле создается непосредственно между источником и мишенью, заменяя собою вытягивающие и ускоряющие электроды. При выборе параметра а менее 0,45 и более 0,55 происходит существенное нарушение двойной фокусировки.

Частота изменения магнитного поля в зависимости от массы ускоряемых частиц составляет 10⁵-10⁷ Гц, при этом заряженные частицы получают необходимую энергию и фокусируются на мишени, совершая менее одного оборота. Энергия ускоренных частиц может варьироваться посредством изменения частоты и амплитуды магнитного поля. При снижении частоты изменения магнитного поля менее 10⁵ Гц двойная фокусировка осуществляется более чем за один оборот движения заряженных частиц, а частота более 10⁷ Гц приводит к значительному увеличению нежелательного синхроторонного излучения.

Изобретение предназначено для получения, ускорения и прецизионной фокусировки потоков заряженных частиц большой мощности на поверхности атомарной мишени. В частности, для электронных потоков при радиусе стационарной траектории 1 м и амплитудной величине магнитного поля 1 Тл достигается плотность мощности на мишени до 10²⁰ Вт/м².

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид устройства в плане, на фиг.2 - в разрезе.

Конструкция ускорителя заряженных частиц включает вакуумную камеру 1 с размещенными в ней источником заряженных частиц 2 и мишени 3. Система переменного магнитного поля представляет собой электрические контуры 4, 5, соединенные с высокочастотным генератором переменного тока (на чертежах не показан).

Ускоритель заряженных частиц работает в импульсном режиме следующим образом. Высокочастотный генератор переменного тока создает в электрических 5 контурах 4, 5 аксиально-симметричное переменное магнитное поле, которое внутри вакуумной камеры 1 индуцирует электрическое поле между источником заряженных частиц 2 и мишенью 3. Вследствие малости радиуса закругления кромок цилиндров источника заряженных частиц 2, напряженность электрического поля вблизи кромок оказывается достаточной для возникновения туннельной эмиссии электронов (автоэлектронная эмиссия) или ионов (жидкометаллическая автоэмиссия). Эмитируемые заряженные частицы под действием индукционного электрического поля движутся ускоренно по стационарной траектории в аксиально-симметричном магнитном поле, которое фокусирует их на мишени 3, используя эффект двойной фокусировки. Регулировка интенсивности потока в приборе осуществляется установкой диафрагм (на чертежах не показаны).

При использовании изобретения в качестве источника γ - квантов и нейтронов мишень 3 выполнена двухслойной, где первый слой состоит из тяжелых металлов типа уран, свинец. Поток релятивистских электронов, взаимодействуя с ядрами первого слоя мишени, порождает тормозное излучение γ - квантов, направленное по движению электронов. При взаимодействии γ - квантов с ядрами элементов дейтерия, бериллия, урана, входящих во второй слой мишени, происходит генерация потоков нейтронов.