Ускоритель макротел

Ускоритель макротел

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

0--Pj И- C Д Н И Е 011353656

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 09.01.70 (21) 1393706/26-25 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет

Опубликовано 30.10.82. Бюллетень № 40

Дата опубликования описания (51) М К„з

Н 05 Н 5/00

Гасударственный комитет (53) УДК 621.3.038. .628 (088.8) по делам изобретений н открытий (72) Автор изобретения

E. А. Абрамян

Институт ядерной физики Сибирского отделения АН СССР (71) Заявитель (54) YCKOPHTEJIb MAI(POTEJ1

Изобретение относится к устройствам для ускорения тел массой 50 †1 г и более.

Известны ускорители тел с помощью пучков заряженных частиц, например поппыс ракетные двигатели. Недостатком таких систем является малая сила тяги при большом весе двигателя. Известны таки е способы ускорения квазинейтрального тела, например плазменного сгустка, когда на сгусток направляют поток заряженных частиц.

Цель изобретения — ускорение электрическии нейтральных макротел и повышение

КПД ускорителя.

Для этого предлагается ускоритель, представляющий длинную вакуумную камеру, в которую впускается пучок электронов с током тысячи пли десятки тысяч ампер прп энергии электронов сотни кнлоэлектроновольт или единицы мегаэлектроповольт.

Ускоряемое тело находится внутри камеры.

Источник ускоренных электройов установлен отдельно у торца вакуумной камеры. .; целью ускорения электрически нейтральных макротел ускоряемое тело содержит магнит илн другие системы, с помощью которых электронный пучок, попав в тело, разворачивается на 180 и движется в обратном направлении. Прн этом электроны передают телу двойной импульс. Для увеличения КПД системы отраженный пучок может быть заторможен в электрическом поле, возвратив прн этом имеющуюся з в нем энергию. Устройство для торможения электронов устанавливается вблизи источника электронов у того же торца камеры. Для компенсации взаимного отталкивания прямого н отраженного электрон10 ных пучков по всей длине камеры установлена специальная фокусирующая система.

На фпг. 1 показана схема ускорения тела электронным пучком; на фпг. 2 — схема предлагаемого ускорителя; на фпг. 3 — по1З перечное сечение камеры.

Схема содержит источник 1 электронов, представляющий ускоритель на энерппо порядка 1 МэВ, вакуумную камеру 2, пучок 3 ускоренных электронов, ускоряемое

20 тело 4, магнит 5 нлн другое устройство для отражения пучка.

Известно, что пучки релятивистских электронов с токами десятки н сотни кплоампер могут устойчиво существовать в виде

25 шнура достаточно малого размера (до 5—

10 мм). Кулоповское расталкиванне электронов существенно ослабляется с ростом энергии. Для электронов с кинетической энергией 1 МэВ оно примерно в 10 раз

30 меньше, чем для покоящихся электронов.

35366В

5 0 где

P = — В" +2WE, С

1 5

Я

Кроме того, пучок компенсируется за счет ионизации атомов остаточного газа в камере. Такой пучок даже в вакууме 10 —

10 — 4 мм рт. ст. может проходить без существенных потерь многие километры.

Ускоряемое тело 4 с помощью специального магнита 5 разворачивает попадающий в него пучок. Вектор скорости частиц меняет направление, а на тело 4 действует сила

F 2р 6 10"1 68 10 — "I PФ +2, — импульс одного электрона;

1 — ток частиц, А;

Š†энерг покоя электрона, эВ (Eo = 5,11 ° .10 эВ);

W — кинематическая энергия электронов, В;

F — сила, действующая на тело.

Так, при 1=3 104 А и W= 1 МэВ F=

=30 кг.

Отраженный пучок может высыпаться на стенки камеры. Это, по-видимому, не повлияет на движение тела 4, однако, приведет к большим энергетическим затратам, Так, для приведенного примера мощность в электронном пучке 1 ° W=3. 10 кВт.

Для увеличения КПД системы рационально сохранить форму пучка при отражении от тела с тем, чтобы он мог двигаться обратно в сторону источника электронов, где устанавливается устройстводля электрического торможения пучка, то есть для рекуперации его энергии. На фиг. 2 представлена полная схема такого устройства, содержащего рекуператор 6 энергии, который содержит коллектор 7, соединенный с высоковольтным электродом 8 источника электронов 1 через вспомогательный генератор 9 напряжения, изоляционную вакуумную трубку 10 рекуператора.

Эксперименты по рекуперации ускоренного электронного пучка, проведенные в последние годы, показывают, что пучок может быть заторможен до очень малых энергий (например до 0,5 кэВ при начальной энергии 1 МэВ) и его энергия возвращена в электрическую сеть. Для компенсации разницы между ускоряющим и замедляющим напряжением используется генератор 9. Потери быстрых частиц (с энергией около 1 МэВ) во всем устройстве по оценкам составят около 10-" от полного тока пучка.

Для приведенного выше примера (1=3.

10 А, W= l МэВ) генератор 9 должен иметь мощность 15 тыс. кВт при напряжении 500 В, а мощность выпрямителя (гене20

Зо

4 ратора) 11, питающего источник электронов, 3 тыс. кВт при напряжении 1 МВ.

Одним из наиболее сложных элементов предлагаемого устройства является ускоритель электронов на энергию 1 МэВ и ток тысячи ампер. Установка содержит катод

12, состоящий из многих ячеек, и ускорительную трубку 13, пучок в которой также разбит на много отдельных лучей. Последнее уменьшает влияние собственного объемного заряда на движение электронов и увеличивает электрическую прочность трубки. В области 14 с помощью магнитных линз электроны стягиваются в один луч, после чего впускаются в вакуумную камеру 2, где используются для ускорения тела 4.

Устройства для ускорения и замедления электронов (источник 1 и коллектор 7) и питающие их генераторы 9 и 11 размещены в объеме 15, заполненном электрически прочным газом, например смесью азота и элегаза (5F<) при давлении 10 — 20 атм.

Возможно выполнение несколько отдельных соединенных друг с другом газонаполненных баков. Генератор 9, как уже говорилось выше, компенсирует разницу между энергией, приобретаемой электронами в источнике электронов 1, и энергией, теряемой в рекуператоре 6, т. е. разницу между потенциалом высоковольтного электрода 8 и потенциалом коллектора 7. Эта разница потенциала составляет для рассматриваемого примера около 0,5 кВ. Мощность генератора равна напряжению

0,5 кВ, умноженному на ток пучка 3 104 А, т. е. около 15 тыс. кВт. Хотя такой генератор и является несложным сооружением, однако он должен быть поднят относительно земли на напряжение около 1 МВ. Для этого может быть использован либо обычный машинный генератор, вращаемый длинным изоляционным валом, либо другое устройство.

Выпрямитель 11 на 1 МВ и несколько тысяч киловатт имеет аналоги в обычной электротехнике. Возможно также применение новых конструкций портативных высоковольтных выпрямителей, размещаемых в сжатом газе.

Охлаждение коллектора 7 и других элементов, находящихся под высоким потенциалом, может производиться маслом, вводимым на высокий потенциал по длинным изоляционным трубкам.

Прямой и отраженный от тела 4 электронные пучки 3 взаимно отталкиваются и для устойчивого удержания их на некотором расстоянии от стенки вакуумной камеры 2 используются обмотки 16 с током.

Каждая из обмоток 16 может состоять из многих отдельных проводов, суммарные ампервитки в каждой обмотке должны иметь величину, примерно равную силе тока в пучке, т. е. для рассматриваемого

353656 примера около 3 104 ампервитков. Если обмоткам придать вогнутую форму (см. фиг. 3), то можно добиться устойчивого удержания пучков 3 на заданном расстоянии от стенки. При расчете сил, действующих на пучки, должны приниматься во внимание и силы, связанные с отражением заряда и тока пучков в стенках камеры.

Электронный пучок 3 может иметь постоянную амплитуду в течение всего времени ускорения тела 4 или модулироваться с некоторой частотой. В последнем случае ток в обмотках 16 должен меняться в соответствии с изменением тока в пучке. При пульсации во времени тока пучка 3 в расположенных вблизи металлических деталях наводятся токи Фуко (в частности в стенках камеры 2, если стенки металлические).

Силы, связанные с появлением отраженного тока могут быть использованы и для отражения пучка при взаимодействии его c ускоряемым телом 4. С увеличением амплитуды тока и частоты его изменения сила, отталкивающая электроны от металлической стенки, растет и может позволить развернуть пучок при относительно малом радиусе поворота. На силу взаимодействия пучка со стенкой существенно влияет и»атериал стенки, точнее ее проводимость. Появляется возможность отразить от тела 4 и постоянный во времени электронный пучок, если отражающую поверхность тела 4 покрыть сверхпроводящим материалом.

Аналогичный механизм может быть использован и для поддержания необходимых зазоров между двигающимся телом 4 и стенками вакуумной камеры 2 (создание маг6 нитной подушки, устраняющей трение между телом 4 и камерой 2).

Для разворота пучка 3 при взаимодействии с телом 4 может быть использован и

5 постоянный магнит, имеющий необходимую кривизну магнитных силовых линий, обеспечивающую сохранение формы пучка прп отражении.

На фиг. 2 магнит детально не показан.

И Здесь предполагается, что электронный пучок можно отразить за счет токов Фуко.

Система отражения за счет токов Фуко позволяет сделать ускоряемое тело существенно легче и, следовательно, увеличить

15 величину ускорения. Так, для приведенных выше значений 1=3 104 А и W=1 МэВ сила, действующая на тело Р=ЗО кг. Если масса тела m=50 г, то скорость 6 км/с тело получит, пролетев 3 км. Время ускоре20 ния составит 1 с.

Формула изобретения

2s 1. Ускоритель макротел, содержащий источник заряженных частиц и ускоряемое тело, на которое направляется поток этих частиц, отличающийся тем, что, с целью ускорения электрически нейтральных

30 макротел, ускоряемое тело содержит магнит для изменения направления движения заряженных частиц примерно на 180.

2. Ускоритель по и. 1, отл ич а юшийся тем, что, с целью повышения КПД, ускорнЗ5 тель содержит систему для электрического торможения заряженных частиц после их взаимодействия с ускоряемым телом.

353656 Риг. J

Редактор Л. Письман

Техред В, Рыбакова

Корректор Е. Михеева

НПО «Поиск» Гос а ств

Тираж 856 Подписное

«оиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, К-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2