Результат интеллектуальной деятельности: Ускоритель высокоскоростных твердых частиц

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц.

Известен ускоритель высокоскоростных твердых частиц, основанный на ускоряющей системе Слоуна-Лоуренса, состоящий из инжектора, линейного ускорителя, генератора Ван-де-Граафа, цилиндрических электродов, каждый последующий из которых имеет больший по сравнению с предыдущим продольный размер, генератора высокого синусоидального напряжения постоянной частоты и мишени (D.B. Becker, J.F. Friichtenicht. Measurement and interpretation of the luminous efficiencies of iron and copper simulated micrometeors. / Nuclear science, 1965, №6).

Данный образец ускорителя имеет следующий недостаток: он может ускорять только частицы одной массы и начальной скорости. Ускорительный тракт данного ускорителя настраивается на ускорение узкого диапазона масс частицы. Это связано с принципом настройки ускорителя, суть которой в заключается в подборе геометрических параметров ускоряющих электродов и напряжения питания генератора синусоидального напряжения. Для ускорения частиц другой массы требуется перенастройка всех электрических параметров ускорителя и, в некоторых случаях, изменение геометрических размеров электродов ускорительного тракта. Таким образом, к недостаткам данного образца ускорителя можно отнести отсутствие универсальности, способности ускорять частицы в широком диапазоне масс и скоростей, низкую эффективность. Недостаток, связанный с невозможностью ускорять частицы в широком диапазоне масс и скоростей, устранен в следующем прототипе.

Вторым наиболее близким прототипом является линейный ускоритель для моделирования микрометеоритов, состоящий из инжектора, индукционных датчиков, усилителей, линейного ускорителя, источника фиксированного высокого напряжения, цилиндрических электродов, селектора скоростей, селектора удельных зарядов, генератора изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке, блока сопряжения, электронно-вычислительной машины, усилителя пачки импульсов переменной длительности, каскадного генератора и мишени (Патент RU №2205525, МПК Н05Н 5/00, бюл. №15, опубл. 27.05.2003).

Этот прототип линейного ускорителя обладает существенным недостатком: ускоритель имеет малый коэффициент полезного действия, что выражается в большом количестве недоускоренных или "потерянных" во время ускорения частиц. Это связано с наличием ряда особенностей в работе динамической части ускорителя.

Форма ускоряемых частиц существенно отличается от сферической. Частицы одной и той же массы, но разной формы, в одном и том же инжекторе приобретают различный заряд. Использование селектора удельного заряда и селектора скоростей не дает требуемой точности для ускорения всех поступивших в тракт частиц, так как параметры ускоряемой пачки рассчитываются для "идеальной сферичной частицы" исходя из измеренного удельного заряда Q/m, и переключение (изменение полярности) ускоряющего напряжения производится в расчетный момент нахождения частицы внутри ускоряющего электрода. Даже при незначительной погрешности в оценке параметров ускоряемой частицы происходит отклонение расчетных параметров движения от реального, наблюдается рассинхронизация процесса ускорения и, как результат, - недоускорение частицы или ее остановка и потеря в ускорительном тракте.

Невозможность учета изменения параметров ускоряющего напряжения в момент нахождения частицы в ускоряющем промежутке. Это объясняется рядом причин: во-первых, большими значениями токов потребления от источника питания, работающего в режиме батарейного питания во время формирования пачки; во-вторых, случайным временем появления частицы в ускорительном тракте; в-третьих, постоянно меняющимися параметрами длительностей импульсов в пачке. Все это так же приводит к рассинхронизации процесса ускорения частицы.

В совокупности, все эти причины приводят, во-первых, к значительному снижению эффективности работы ускорителя: количество ускоренных частиц составляет 5-10% от общего числа инжектированных в ускорительный тракт частиц. Во-вторых, потеря частиц вызывает засорение ускоряющего тракта проводящими частицами и, как следствие, приводит к увеличению токов утечки, снижению стабильности ускоряющих напряжений, уменьшению общей надежности ускорителя и необходимостью в более частом проведении регламентных работ.

Суть поставленной задачи в том, чтобы оптимизировать процесс ускорения частиц, уменьшив потери в ускорительном тракте и повысив надежность работы ускорителя в целом.

Поставленная задача достигается установкой модулятора питания усилителя пачки импульсов переменной длительности в цепи питания, последовательно с основным источником питания, в качестве генератора линейно изменяющегося во времени пилообразного напряжения, вход которого соединен с выходом генератора изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке. Принцип работы устройства описывается на фиг. 1-4.

На фиг. 1 изображена структурная схема ускорителя совместно с обслуживающей аппаратурой.

На фиг. 2 показан режим ускорения "опережающей " частицы.

На фиг. 3 показан режим ускорения частицы с параметрами соответствующими расчетной пачке.

На фиг. 4 показан режим ускорения "запаздывающей" частицы.

Устройство содержит инжектор 1, индукционные датчики 2, усилители 3, линейный ускоритель 4, источник фиксированного высокого напряжения 5, цилиндрические электроды 6, селектор скоростей 7, селектор удельных зарядов 8, генератор изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 9, блок сопряжения 10, электронно-вычислительную машину 11, усилители пачки импульсов переменной длительности 12, каскадный генератор 13, мишень 14. Каждый из индукционных датчиков 2 соединен с входом соответствующего усилителя 3, выход первого усилителя 3 соединен с первым входом селектора удельных зарядов 8, выход второго усилителя 3 соединен с входом селектора скоростей 7 и вторым входом селектора удельных зарядов 8, выход селектора скоростей 7 и выход селектора удельных зарядов 8 соединены с входами генератора изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 9, один выход генератора изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 9 соединен с входами усилителей пачки импульсов переменной длительности 12, выходы которых соединены с цилиндрическими электродами 6, второй выход соединен со входом генератора линейно изменяющегося пилообразного напряжения 15, выход которого соединен последовательно с источником питания усилителей пачки импульсов переменной длительности 12, выход каскадного генератора 13 соединен со вторым входом усилителей пачки импульсов переменной длительности 12, выход третьего усилителя 3 соединен с входом блока сопряжения 10, который соединен с электронно-вычислительной машиной 11 и генератором изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 9.

Устройство работает следующим образом. Инжектор 1 генерирует заряженные частицы в заданном диапазоне масс с частотой порядка 1 Гц. Заряженная частица последовательно проходит первый индукционный датчик 2, линейный ускоритель 4, второй индукционный датчик 2, цилиндрические электроды 6, третий индукционный датчик 2 и попадает на мишень 14. Первая пара индукционных датчиков 2 и линейный ускоритель 4 предназначены для предварительного ускорения частицы и определения ее параметров (удельного заряда Q/m и начальной скорости V₀). Пролетая внутри индукционного датчика, частица наводит на него потенциал, обратного заряду частицы знака. По поступающим с индукционных датчиков сигналам селектор скоростей 7 и селектор удельных зарядов 8 формируют на своих выходах цифровой код начальной скорости частицы и код ее удельного заряда. В селекторе скоростей 7 измеряются временные интервалы пролета частицей центров датчиков для первого и второго индукционных датчиков 2. Измеренные временные интервалы прямо пропорциональны скорости движения частицы. Пройдя через линейный ускоритель 4, частица получает приращение скорости. Аналогично первому датчику работает второй. Сформированные коды, несущие информацию о конечной скорости на выходе ускорителя 4 и удельном заряде Q/m, подаются на вход генератора изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 9. По поданным кодам на его выходах формируется пачка импульсов, подаваемая на усилители пачки импульсов переменной длительности 12, которая создает ускоряющее поле между каждой парой электродов 6. Параметры пачки выбираются из ряда данных для формирования импульсов, заранее заложенных в генератор изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 9 через ЭВМ 11.

Последовательно с источником высоковольтного питания включен модулятор питания усилителей пачки импульсов переменной длительности 12, представляющий из себя генератор линейно изменяющегося во времени пилообразного напряжения 15. Он обеспечивает изменение напряжения питания усилителей 12 по линейному во времени пилообразному закону в диапазоне напряжений от -5% до +5% от расчетного и стабилизированного напряжения питания усилителей 12. Одновременно с изменением суммарного напряжения питания усилителей 12 происходит изменение амплитуды напряжения каждого ускоряющего импульса переменной длительности и, соответственно, меняется приобретаемая скорость частицы при пролете ускоряющих промежутков в зависимости от времени влета частицы в каждый отдельный ускоряющий промежуток.

Ускоренная частица, вылетая из последнего кольца 6, попадает в третий индукционный датчик 2, который подключен к блоку сопряжения 10 и служит для измерения скорости частицы на выходе ускорителя и фиксации этого значения в базе данных ускоренных частиц в ЭВМ 11. Затем ускоренная частица попадает на мишень 14 и весь процесс повторяется. ЭВМ 11 записывает статистику эксперимента и осуществляет динамическое управление ускорителем.

Принцип действия устройства 15 и его влияние на процесс ускорения так же показан на фиг. 2, 3 и 4.

При совпадении скорости движения частицы в тракте с расчетным значением частица попадает в ускоряющие промежутки в средней части ускоряющего импульса, на нее действует усредненное значение ускоряющего поля, определяемого суммой напряжений U(t) и U₁(t), и она приобретает расчетную скорость в данном интервале. В случае с "опережающей" частицей, она влетает в ускоряющий промежуток в первой половине длительности импульса, к электродам в этот момент времени приложено меньшее ускоряющее усредненное напряжение U_-(t), следовательно, на нее действует меньшее ускоряющее поле, частица приобретает меньшее приращение скорости при пролете ускоряющего промежутка и "замедляется" относительно "нормальной" и "отстающей" частиц. В случае с "отстающей" частицей, она влетает в ускоряющий промежуток во второй половине длительности импульса, к ускоряющему зазору прикладывается большее усредненное напряжение U₊(t), на частицу действует большее поле, она приобретает большую скорость и "больше ускоряется". Скорость изменения и угол наклона формы сигнала пилообразного напряжения определяется длительностью импульса в пачке и управляется генератором изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 9.

Также на фиг. 2, 3 и 4 показан закон изменения ускоряющего напряжения, временные интервалы для "опережающей", "нормальной" и "запаздывающей" частицы и соответствующие усредненные значения ускоряющих напряжений U_-(t), U(t), U₊(t).

Величина изменения приобретаемых скоростей применительно к приведенным на фиг. 2, 3 и 4 иллюстрациям для одного ускоряющего интервала описывается следующими выражениями:

Где:

- величины изменения приобретаемых скоростей применительно к приведенным на фиг. 2, 3 и 4 иллюстрациям соответственно;

t₁-t₆ - временные интервалы соответствующие "запаздывающей", "нормальной" и "опережающей" частицам;

- среднее ускоряющее напряжение импульса;

- мгновенное значение ускоряющего напряжения импульса;

Q - удельный заряд частицы;

m - масса частицы;

Соответственно, приращение скорости частицы в зависимости от времени влета в ускоряющий промежуток будет различным

Использование генератора линейно изменяющегося во времени пилообразного напряжения 15 позволяет осуществить режим самосинхронизации процесса ускорения частицы в динамическом тракте. То есть, в этом случае происходит автоматическое доускорение замедлившихся частиц и некоторое замедление значительно ускорившихся частиц относительно расчетного движения частицы в ускорительном тракте, за счет изменения ускоряющего напряжения во время нахождения частицы в ускоряющем промежутке. Это позволяет компенсировать погрешности селектора удельных зарядов 8, связанные с дискретностью в расчете параметров ускоряющей пачки, и общую нестабильность ускоряющего напряжения во время ускорения частицы в тракте.