Линейные ускорители Содержание 1 Состав линейного ускорителя 2

Линейные ускорители Содержание 1. Состав линейного ускорителя 2. Ускорители прямого действия 3. Ускорители трансформаторного типа 3. 1. Ускорители с высоковольтным трансформатором 3. 2. Ускорители с резонансным трансформатором 4. Генераторы импульсного напряжения (ГИН) 4. 2 Генератор Маркса 4. 3 Генератор Фитча 7. Каскадные ускорители 7. 1 Типы каскадных генераторов 7. 2 Генератор Шенкеля 7. 3 Генератор с индуктивной связью 7. 4 Умножитель на диодных мостах 7. 5 Генератор Кокрофта-Уолтона 7. 7 генератор Халперна 8. Электростатические ускорители (ЭСУ) 8. 1 Ван Де Граафа 8. 2 Пеллетрон и ладдетрон 9. Линейные индукционные ускорители (ЛИУ) 10. Линейные резонансные ускорители 10. 1 Ускорители на стоячей волне 10. 2 Ускорители на бегущей волне 10. 3 Ускорители с диафрагмированными волноводами

Состав линейного ускорителя Последовательность основных узлов: источник заряженных частиц; ускоряющая и фокусирующая система; система вывода. Системы ускорителя: автоматизированная система измерений и управления; вакуумная система; фокусирующая система; система термостабилизации; система предварительной группировки; система диагностики пучка; система умножения мощности.

Требования к вакууму • Типичные значения давления p составляют от 10 -5 (для небольших камер) до 10 -11 (в современных больших ускорителях) торр. • δст=σn. L вероятность столкновений заряженных частиц с атомами (или молекулами) остаточного газа • n – концентрация атомов газа в камере • σ – сечение столкновения данного сорта заряженных частиц с атомами газа. • Величина сечения может быть принята равной площади сечения атомов 10 -16 см 2. Тогда для вероятности столкновений δст=10 -3 и камеры длиной 1 м получаем: • n= δст/ σL=1012 см-3, что соответствует давлению 10 -5 торр.

Ускорители прямого действия Ускорители, в которых каким-либо образом получено высокое напряжение и заряженные частицы ускоряются в постоянном электрическом поле. В них существует потенциальное электрическое поле постоянного во времени, или слабо меняющегося за время ускорения отдельно взятой частицы. Основными элементами таких ускорителей являются: генератор высокого напряжения; инжектор; ускоряющая трубка. Для всех видов высоковольтных ускорителей применяются одинаковые инжекторы и ускоряющие трубки, различаются только генераторы. Эти ускорители служат для получения электронов и ионов с энергиями от ~10 кэ. В до 20 -30 Мэ. В. Траектория частиц представляет собой прямую линию, или близкую к ней, отличаются простотой инжекции и вывода пучка.

Ускорительные трубки Принципиальным вопросом является обеспечение высоковольтной изоляции.

Типы высоковольтных ускорителей. 1. 2. 3. Трансформаторного типа – с энергией до 3 Мэ. В, и током ~100 м. А, в которых применяются высоковольтные трансформаторы с выпрямляющими устройствами или без них, с непрерывной или импульсной инжекцией заряженных частиц. Ускорители каскадного типа- энергия до 4 Мэ. В, токи ~10 м. А, в которых в качестве генераторов высокого напряжения применяются схемы умножения напряжения. Электростатические ускорители с энергией около 30 -40 Мэ. В и токами менее 1 м. А. Высокое напряжение создается механической транспортировкой зарядов к высоковольтному электроду.

Ускорители трансформаторного типа Напряжение с вторичной обмотки или предварительно выпрямляется (тогда можно использовать непрерывную инжекцию частиц), или непосредственно подается на ускоряющую структуру (ускорение в импульсном режиме, необходимо инжектировать частицы в одной фазе с ускоряющим напряжением). Энергия до 200 кэ. В. Трансформатор с изолированным сердечником. 1 - воздушный зазор; 2 – первичная обмотка; – магнитный Рис. 3. Трансформатор с3 изолированным поток; сердечником. 4 секционированная часть магнитопровода; зазор; 2 - первичная 1 - воздушный 5 – вторичная секционированная обмотка; 6 4 обмотка; 3 - магнитный поток; – магнитопровод. секционированная часть магнитопровода; 5 - вторичная секционированная обмотка; 6 магнитопровод. Размещение первичной и вторичной обмоток на различных участках магнитопровода уменьшает вероятность пробоя, увеличивает электрическую прочность, нет необходимости использовать специальный делитель напряжения. Достигается высокая мощность пучка, средняя мощность 10 -20 к. Вт, энергетический разброс 5%, полное КПД 25%. Энергия до 1 Мэ. В.

Резонансные трансформаторы Для ускорителей с резонансным трансформатором характерны большие средние мощности (порядка 10 к. Вт), большие КПД (до 80%) и высокий энергетический разброс (15%-20%). Энергия до 1 Мэ. В. С помощью специального коммутирующего устройства заряжаемый от выпрямленного напряжения конденсатор разряжается на первичную обмотку трансформатора T 2. Резонансная частота контура составляет десятки к. Гц, железный сердечник отсутствует. После достижения между электродами разрядника напряжения пробоя конденсатор разряжается через разрядник на катушку. После разряда конденсатора напряжение пробоя разрядника резко уменьшается из-за оставшихся в газе носителей заряда (ионов). Поэтому цепь остаётся замкнутой через разрядник и в ней возникают высокочастотные колебания. Колебания постепенно затухают, в основном из-за потерь в разряднике и ухода электромагнитной энергии на вторичную катушку, и продолжаются до тех пор, пока ток создаёт достаточное количество носителей заряда для поддержания напряжения пробоя разрядника существенно меньшего, чем амплитуда напряжения колебаний в LC контуре. Во вторичной цепи возникают резонансные колебания, что приводит к появлению высокого напряжения.

Генератор импульсного напряжения Параллельно соединенные конденсаторы C заряжаются через резисторы R 0 до напряжения источника, а затем коммутируются специальными искровыми разрядниками таким образом, что все конденсаторы оказываются соединенными последовательно. Выходное напряжение пропорционально числу каскадов. В данной схеме нет принципиальных ограничений на достижимое напряжение (все ограничивается геометрическими размерами), длительность импульса порядка 1 мкс, высокие мощности пучка (порядка 3 МВт) и КПД, высокий ток пучка ~500 к. А, энергия около 6 Мэ. В.

LC- генератор Фитча Принципиальная схема LC-генератора Фитча. Половина конденсаторов соединена с источником питания через катушки индуктивности. Конденсаторы заряжаются через диоды D 1 и индуктивности L 1, в следующий каскад ток проходит черед диоды D 2. Конденсаторы C 1 и С 2 оказываются соединены противоположно заряженными обкладками. Направления токов при этом следующие: R 1 -D 1 L 1 -C 1 -земля, R 1 -D 2 -D 1 -L 2 -C 1 -R 2 -земля (через C 2 постоянный ток не течет). После того, как замкнутся разрядники, возникнут колебания в цепи D 2 -C 2 -L 1, диод D 1 в этот момент закрыт. Через половину периода полярность включения конденсатора C 2 меняется на обратную, конденсаторы C 1 и C 2 оказываются соединены последовательно, а на R 2 оказывается удвоенное напряжение источника. Далее процесс периодически повторяется.

Общая схема каскадных генераторов КПД каскадных генераторов 70%-80%, а у мощных генераторов с кремниевыми вентилями может превышать 90%. Максимальные напряжения и мощности у емкостных каскадных генераторов ~5 МВ и ~200 к. Вт, а у генераторов с индуктивной связью ~3 МВ и ~100 к. Вт. Рис. 7. Схема каскадного генератора с последовательным (а) и параллельным (б) питанием.

Генератор Шенкеля Каскадный генератор с емкостной связью и параллельным питанием

Генератор на диодных мостах

Генераторы Кокрофта-Уолтона и Халперна

Выпрямители

Выпрямители

Выпрямители

Генератор Кокрофта - Уолтона Генератор Кокрофта-Уолтона. Энергия до 3 Мэ. В. Ток до 10 м. А, энергетический разброс 1%. Питающее напряжение до 250 к. В.

Генератор Ван дер Ваальса Электростатические ускорители. Напряжение до 10 МВ, ток до 100 мк. А (непрерывный режим), энергетический разброс 0. 01%

Ладдертрон и Пеллетрон

Динамитрон Ток до 10 м. А, напряжение до 4 МВ, мощность пучка 20 к. Вт. Для снижения падения напряжения и увеличения стабильности требуется повышать рабочую частоту. Для уменьшения колебаний выпрямленного напряжения конденсаторы в каскадах заряжаются не последовательно, а параллельно.

Тандемный ускоритель Позволяет увеличить энергию пучка примерно в два раза, низкие токи пучка (до 1 мк. А).

Линейные индукционные ускорители энергия частиц около 5 Мэ. В, энергетический разброс 0. 5%-2%, ускоряемый ток 5 к. А, частота повторения 1 -60 Гц, длительность импульса 20 -300 нс.

. Линейные индукционные ускорители Величина продольного поля, обеспечивающего равновесие пучка в пространстве дрейфа:

Линейные резонансные ускорители Ускоритель Видероэ

Линейные резонансные ускорители Ускоритель Альвареца

Линейные резонансные ускорители

Линейные резонансные ускорители

Линейные резонансные ускорители