Электростатический ускоритель (ЭСУ)

Ускоряющие трубки импульсных ускорителей.

В импульсных ускорителях существует два типа трубок:

– трубки, в которых образование заряженных частиц не зависит от ускоряющего напряжения,

– трубки, в которых частицы возникают под действием импульсного напряжения или сильного высокочастотного поля.

В трубках первого типа в качестве источника используется термокатод, они имеют ряд промежуточных электродов. В целом конструкция такая же, как и для трубок, работающих в непрерывном режиме.

Во втором случае электроны образуются за счет взрывной эмиссии. Напряжение прикладывается между катодом и анодом, имеющим центральное отверстие или выполненным в виде фольги толщиной 30-50 мкм. Вся конструкция помещена в вакуум, а снаружи выполнена из диэлектрика (фарфор).

Работа ускоряющих трубок в импульсных ускорителях невозможна без использования специальных устройств – коммутаторов и обострителей.

С помощью коммутатора трубку подключают к накопителю энергии в случае, когда напряжение приближается к пробивному. Коммутаторы бывают неуправляемые (двухэлектродные) и управляемые (трехэлектродные). В качестве коммутаторов используют искровые (газовые), жидкостные или твердотельные разрядники. Они должны обеспечивать коммутацию большого тока (до сотен килоампер) и напряжения (до мегавольт), и обладать высоким быстродействием (время включения t=10^-9с).

Обостритель необходим для уменьшения длительности фронта импульса. В простейшем случае представляет собой двухэлектродную систему в газовом промежутке. Если его включить последовательно с ускоряющей трубкой, то напряжение к последней будет приложено только после пробоя газового промежутка обострителя. При этом если время срабатывания обострителя меньше времени нарастания входного напряжения, необходимого для пробоя, то произойдет укорочение фронта импульса (обычно в 3-5 раз).

Относится к классу высоковольтных. Высокое напряжение в нем получают, подводя заряд к проводящему электроду.

Ускоритель (рис.20) состоит из высоковольтного электрода – кондуктора (1), опорной изолирующей колонны (4), транспортера заряда (5) для пополнения заряда кондуктора, изменяющегося из-за утечек, а также ускоряющей трубки (8), в которой происходит ускорение частиц.

Форма кондуктора обычно имеет сферическую форму для повышения максимальной напряженности поля (при работе на воздухе Е=3.10⁶ В/м.). Необходимая напряженность электрического поля обеспечивается радиусом кривизны кондуктора.

Заряд кондуктору сообщается движущейся лентой-транспортером (2,7). Внизу в непосредственной близости от ленты находится гребенчатый электрод (6), и между ним и лентой возникает коронный разряд. При этом на ленту осаждается заряд с поверхностной плотностью s. Когда заряженный участок переместится внутрь кондуктора, между лентой и электродом (3) возникает коронный разряд, благодаря которому заряд с ленты переходит на кондуктор. Затем участок ленты перемещается вниз, и процесс повторяется.

Ток ЭСУ можно определить из выражения:

I= Q/t=bvs,

где b и v – ширина и скорость движения ленты.

ЭСУ на воздухе позволяют получать напряжение около 3-4 МВ (радиус кондуктора около 5 м, высота колонны – 10 м). Большее напряжение позволяют получать ЭСУ, в которых конструкция помещается в стальной цилиндр, находящийся под высоким давлением газа. Кондуктор при этом имеет форму цилиндра. Передача заряда происходит контактным путем, так как разряд в газе значительно слабее. Между кондуктором и ускоряющей трубкой размещают отклоняющие электроды.

ЭСУ используется в основном при проведении ядерных испытаний. При работе ускорителей в непрерывном режиме ток пучка составляет порядка 50 мкА, а в импульсном – 5 мА и более. Они могут быть использованы для получения тормозного излучения.

Рис.20.

ЭСУ с перезарядкой.

Энергию частиц, которая определяется потенциалом кондуктора, можно удвоить методом перезарядки ускоренных ионов. Сущность этого метода заключается в следующем.

Ионы, первоначально заряженные, например, отрицательно, попадают в ускоряющую трубку. Проходя по трубке до высоковольтного электрода, частицы приобретают определенную энергию. Внутри высоковольтного электрода частицы проходят через перезарядную мишень (тонкая металлическая фольга или камера с газом).

В результате столкновения с нейтральными атомами мишени происходит ионизация частиц, и ионы становятся положительно заряженными. Затем они вновь попадают в ускоряющую трубку, и на выходе возникают частицы с удвоенной энергией.

Обычно в одном ускорителе частицы можно перезаряжать только один раз (отрицательные на положительные). Однако после перезарядки интенсивность пучка значительно падает.

Типовые значения параметров таких ускорителей следующие: энергия частиц составляет около 10 МэВ, ток пучка на выходе из источника частиц около 30 мкА, а на выходе ускорителя – 3 мкА.

Дата добавления: 2014-01-04