Наши партнеры ArtmMisto
Ускор і тель високої про льтний, пристрій для прискорення заряджених частинок електричним полем, незмінним або слабо мінливим протягом усього часу прискорення частинок. Основні елементи У. в. - високовольтний генератор, джерело заряджених частинок і система, призначена для прискорення частинок (рис. 1). Напруга, що отримується від високовольтного генератора, подається на електроди прискорюючої системи і створює усередині цієї системи електричне поле. Заряджені частинки з джерела прискорюються цим полем до енергії Е = enu ев, де e - елементарний електричний заряд, n - число елементарних зарядів ускоряемой частки, u - напруга (в в) високовольтного генератора. Тиск всередині прискорює системи не повинно перевищувати 10-4-10-5 мм рт. ст., тому що інакше відбувається значне розсіювання прискорених частинок на молекулах газу.
Важлива перевага У. в. в порівнянні з ін. типами прискорювачів - можливість отримання малого розкиду по енергії частинок, прискорених в постійному в часі і однорідному електричному полі. За допомогою У. в. легко може бути досягнутий відносний розкид енергії ~ 10-4, а у окремих прискорювачів 10-5 - 10-6. Завдяки цьому У. в. знайшли широке застосування при дослідженнях в атомній і ядерній фізиці. Др. перевага У. в. - можливість створення установок з великою потужністю і високим коефіцієнтом корисної дії, що вельми важливо при використанні прискорювачів в прикладних цілях.
Види У. в. Залежно від типу використовуваного високовольтного генератора розрізняють електростатичні, каскадні, трансформаторні і імпульсні В. ст.
1) У електростатичному прискорювачі (ЕСУ) напруга створюється електростатичним генератором - генератором, заснованим на перенесенні зарядів механічним транспортером. Генератор з гнучким транспортером з діелектричної стрічки називається генератором Ван-де-Грааф (рис. 2). Електричні заряди наносяться на поверхню рухомого транспортера зарядним пристроєм, що складається з системи голок і плоского електрода, між якими створюється коронний розряд . Потім заряди переносяться до високовольтного електроду, де за допомогою ін. Аналогічного пристрою вони знімаються, а замість них на поверхню транспортера наносяться заряди протилежного знака, що знімаються першим пристроєм. Існують також генератори з транспортером у вигляді жорсткого діелектричного ротора (роторні електростатичні генератори). З 1960-х рр. в деяких ЕСУ використовується ланцюговий транспортер з металевими електродами, з'єднаними між собою діелектричними ланками (т. н. пеллетрон), переваги якого - висока стабільність зарядного струму, великий термін служби, високий ккд. Найбільша напруга, отримане з іомощью електростатичних генераторів, складає близько 20 Мв; проектуються установки на напругу до 30 Ме.
2) В каскадному прискорювачі джерелом напруги служить каскадний генератор, що перетворює низька змінну напругу у високе постійне шляхом послідовного включення постійної напруги, одержуваних в окремих каскадах схеми. Існує кілька схем каскадних генераторів, серед яких найбільш відомий генератор Кокрофта - Уолтона з послідовним живленням каскадів (див. каскадний генератор ). У 60-х рр. набули поширення каскадні генератори з паралельним живленням каскадів: дінамітрон, генератори з індуктівноі зв'язком каскадів з джерелом живлення (рис. 3); їх перевага - рівномірний розподіл напруги по каскадах, а недолік - необхідність ізоляції каскадів на повне робоча напруга установки. Сучасні каскадні генератори дозволяють отримувати напругу до 4 Ме при потужності установок в кілька десятків квт.
3) У трансформаторних прискорювачах генератором високої напруги є високовольтний трансформатор, що живиться синусоїдальною напругою. Прискорює система таких прискорювачів має пристрій відсічення, що забезпечує проходження пучка прискорених частинок лише в ті моменти, коли напруга на вторинній обмотці трансформатора має потрібну полярність і близько до максимуму. Цим досягається досить малий розкид енергії прискорених частинок. Високовольтний трансформатор практично не має обмежень по потужності і є найбільш перспективним типом генератора для потужних і надпотужних У. в. з енергією прискорених частинок до 2-3 МеВ.
4) У імпульсних прискорювачах джерелом напруги служать імпульсні трансформатори різних типів (наприклад, Тесла трансформатор ), А також ємнісні генератори імпульсної напруги. В останніх велике число конденсаторів заряджається паралельно від загального джерела, потім за допомогою розрядників здійснюється їх перемикання на послідовне, і на навантаженні виникає імпульс напруги з амплітудою до декількох Мв.
Лінійні розміри У. в. визначаються напругою високовольтного генератора і електричною міцністю його ізоляції і прискорює системи. Зважаючи на малу електричної міцності повітря при атмосферному тиску споруда В. ст. відкритого типу з енергією понад 1 МеВ зазвичай недоцільно. Прискорювачі на велику енергію розміщуються в герметичних судинах, заповнених газом при тиску, в 5-15 разів перевищує атмосферний. Це значно зменшує розміри прискорювачів і знижує вартість їх спорудження. Особливо ефективним є застосування електронегативний газів (фреону і шестифтористой сірки), а також їх сумішей з азотом і вуглекислотою. Імпульсні прискорювачі з тією ж метою розміщують усередині судин з рідким діелектриком (трансформаторним маслом або дистильованою водою).
Основний спосіб підвищення робочого градієнта напруги у високовольтній ізоляції - секціонування ізоляційних конструкцій, т. Е. Поділ великих ізоляційних проміжків на ряд малих відрізків за допомогою металевих електродів із заданим розподілом потенціалу.
Перезарядний прискорювач (тандем). Зниження необхідного напруги високовольтного генератора і тим самим зменшення розмірів У. в. можна також домогтися, використовуючи перезарядку (зміна знаку заряду) часток в процесі прискорення. У прискорювачах такого типу (рис. 4), званих тандемними, або перезарядний, негативні іони з джерела, що знаходиться під нульовим потенціалом, прискорюються у напрямку до високовольтного електроду генератора і там після взаємодії з мішенню перетворюються на позитивні іони. Потім вони продовжують рухатися прямолінійно і знову прискорюються тим же генератором напруги. Мішень для перезарядки є заповненою газом трубку, струмінь пара або плівку твердої речовини. Існують установки з двох перезарядних прискорювачів (рис. 5). В цьому випадку всередину високовольтного електрода 1-го прискорювача вводяться (инжектируются) нейтральні частинки малої енергії, які після взаємодії з мішенню перетворюються в негативні іони. Потім ці іони прискорюються і инжектируются у 2-й прискорювач. Така схема дозволяє отримати однозарядного іони з потроєною енергією.
Джерела заряджених частинок для У. в. Джерела електронів, часто наз. електронними гарматами, зазвичай представляють собою катод, що нагрівається або струмом, що протікає безпосередньо по катоду, або окремим підігрівачем, і систему електродів, яка формує випускається катодом потік електронів. В імпульсних потужнострумових У. в. успішно використовуються холодні катоди з автоелектронної емісією (див. тунельна емісія ) І з подальшою вибуховою емісією. При цьому спочатку джерелом електронів є найдрібніші виступи на поверхні катода, поблизу яких електричне поле посилюється до ~ 10 7 в / см. Потім висока напруга, яка по мікровиступів, викликає їх швидке нагрівання і часткове випаровування; хмару пари під дією електронного пучка перетворюється в плазму , Яка сама стає джерелом електронів.
В іонних джерелах заряджені частинки утворюються зазвичай усередині розрядної камери, наповненої газом або парами речовини при тиску 10-1-10-3 мм рт. ст., що містять атоми відповідного елемента. Первинна іонізація відбувається під дією електричного розряду: високочастотного (ВЧ джерела; рис 6) дугового розряду в неоднорідному електричному і магнітному полях (дуоплазматрон, запропонований ньому. фізиком М. Арденне) і т.д. Іони, які утворюються в області розряду, витягуються звідти полем т. Н. витягує електрода і потрапляють в прискорює систему. Позитивні іони отримують з центральної частини області розряду, де їх концентрація вище, а негативні - з периферії цієї області. Негативні іони для перезарядних прискорювачів можуть бути отримані також перезарядкою пучка позитивних іонів на газовій або пароструминних мішені, при взаємодії позитивних іонів з твердою поверхнею, покритою атомами лужних металів, і т.д.
Прискорює система У. в. (прискорювальна трубка). Прискорювальна трубка є частиною вакуумної системи У. в., Тиск в якій не повинно перевищувати 10-5 мм рт. ст. У більшості У. в. вона являє собою циліндр, состоящіі з діелектричних кілець, розділених металевими електродами з отвором в центрі, службовцям для проходження пучка заряджених частинок і відкачування газу, що надходить з іонного джерела і десорбіруемого внутрішньою поверхнею системи (рис. 7). Кільця і електроди з'єднані один з одним спеціальним клеєм, паянням або термодифузійною зварюванням, що забезпечують вакуумне ущільнення. Прискорювальна трубка - один з основних елементів У. в., Недостатня електрична міцність якого часто обмежує енергію прискорених частинок.
На відміну від ізоляційних конструкцій, що працюють в стиснутому газі, просте секціонування ізолятора прискорювальної трубки металевими електродами виявляється малоефективним. При напрузі високовольтного генератора більше 4-5 Мв в трубці різко зростає інтенсивність розрядних процесів, а її електрична міцність знижується. Це явище, що отримало назву «ефект повної напруги», пояснюється наявністю наскрізного вакуумного каналу, в якому відбувається обмін вторинними зарядженими частинками і їх розмноження. Причини появи таких частинок - опромінення внутрішньої поверхні трубки розсіяними частками пучка, емісія електронів із забруднених поверхонь, розряд по поверхні ізоляторів і т.д. Для боротьби з «ефектом повної напруги» пропонувалися різні конструкції прискорювальних трубок. Найбільш відомі прискорювальні трубки з «похилим полем», в яких електроди трубки встановлюються під невеликим кутом до площини її поперечного перерізу, періодично змінним на протилежний. Прискорювані частинки, що мають значну енергію, проходять по каналу такої трубки, не зачіпаючи його стінок, а виникають всередині трубки вторинні частки з меншою енергією затримуються електродами. Усунення «ефекту повної напруги» вдалося добитися також в прискорювальних трубках з плоскими електродами, у яких електроди і ізолятори з'єднані пайкою, а робочий вакуум складає 10-8-10-9 мм рт. ст.
Успіхи в розробці нових конструкцій високовольтних генераторів і прискорювальних трубок дозволили підвищити енергії протонів, що отримуються в перезарядних У. в. до 40 МеВ. Багатозарядні важкі іони можуть бути прискорені до значно більших енергій. Струм пучка найбільших В. ст. іонів складає одиниці - десятки мка при розмірах пучка на мішені декілька мм і його розбіжність менше 10-3 радий.
Коротка історія розвитку В. в. Перший У. в. каскадного типу на енергію 700 кев був побудований в 1932 англ. фізиками Дж. Кокрофт і Е. Уолтон. У передвоєнні роки найбільший розвиток отримали ЕСУ з високовольтними генераторами Ван-де-Грааф. До 1940 завдяки застосуванню для ізоляції стислого газу і використання секціонованих високовольтних конструкцій енергія прискорених частинок була підвищена до ~ 4 МеВ. В СРСР перші ЕСУ були розроблені в Українському фізико-технічному інституті під рук. А. К. Вальтера. У післявоєнні роки збільшення енергії частинок, одержуваних за допомогою У. в., Вдалося домогтися шляхом застосування перезарядних прискорювачів і прискорювальних трубок з похилим полем, запропонованих Р. Ван-де-Граафом (США). Удосконалення зарядної і прискорює систем ЕСУ були запропоновані Р. Хербом (США) в 60-х рр. Нові типи каскадних генераторів, що дозволили збільшити потужність У. в. (Дінамітрон і трансформатор з ізольованим сердечником), були розроблені в 1960-65 К. Моргенштерн (США) і Ван-де-Граафом. Більшість сучасних радянських У. в. для наукових досліджень і використання в техніці розроблені колективом Науково-дослідного інституту електрофізичної апаратури ім. Д. В. Єфремова. Трансформаторні прискорювачі запропоновані і розроблені в 60-х рр. колективом інституту ядерної фізики Сибірського відділення АН СРСР під керівництвом Г. І. Будкера .
Вживання В. ст. Протягом ряду років, починаючи зі створення в 1932 першого В. ст., Основною областю їх застосування була ядерна фізика. За допомогою У. в. отримані важливі відомості про внутрішню будову атомних ядер, про енергії зв'язку нуклонів (протонів і нейтронів) в атомних ядрах, про перерізи ядерних реакцій, про поверхневої і об'ємної структурі твердих тіл і т.д. Крім безпосереднього використання в фізичних експериментах, У. в. застосовуються для попереднього прискорення заряджених частинок в найбільших циклічних і лінійних прискорювачах, для нагріву плазми в стаціонарних термоядерних установках, швидкого нагріву мішеней в імпульсних термоядерних установках і т.д.
Завдяки низькій вартості і компактності У. в. знайшли широке застосування в різних технологічних процесах на промислових підприємствах. Невеликі прискорювачі іонів з енергією 100-200 кев застосовуються для легування тонких шарів напівпровідників при створенні приладів радіоелектроніки, а також для отримання нейтронів опроміненням мішеней, що містять тритій, прискореними іонами дейтерію. Такі джерела нейтронів (нейтронні генератори) можуть бути використані, наприклад, для проведення активаційного аналізу різних речовин, дослідження стійкості елементів ядерних реакторів до нейтронного опромінення і т.д. Розроблено нейтронні генератори з потоками понад 1012 нейтронів / сек.
Прискорювачі електронів з енергією 1-2 МеВ і потужністю в декілька квт можуть служити генераторами рентгенівського гальмівного випромінювання в промисловій дефектоскопії. Випромінювання виникає при взаємодії електронного пучка з мішенню з важкого металу, наприклад вольфраму. Малі розміри електронного пучка на мішені (одиниці або частки мм) дозволяють отримати рентгенівські знімки з високою роздільною здатністю.
Перспективний напрямок практичного використання електронних прискорювачів з енергією 0,2-3 МеВ і потужністю 10-100 квт - обробка електронними пучками різних матеріалів з метою надання їм нових властивостей шляхом радіаційної полімеризації, радіаційної вулканізації, деструкції і т.д.
Літ .: Комар Е. Р., Основи прискорювальної техніки, М., 1975; Прискорювачі. Сб., Пер. з англ. і нім., під ред. Б. Н. Яблокова, М., 1962; Електростатичні прискорювачі заряджених частинок. Сб., Під ред. А. К. Вальтера, М., 1963.
М. П. Свиньїн.
Мал. 3. Схема каскадного генератора з паралельним живленням каскадів. а - схема з ємнісний зв'язком (дінамітрон): 1 - конденсатори; 2 - випрямлячі; 3 - вторинні обмотки; 4 - випрямні пристрої (Uвх, U вих - вхідний і вихідний напруги).
Мал. 1. Схема високовольтного прискорювача: 1 - високовольтний генератор; 2 - джерело заряджених частинок; 3 - прискорює система; 4 - траєкторія частки.
Мал. 7. Прискорювальна трубка: 1 - кільцеві ізолятори; 2 - металеві електроди; 3 - з'єднувальні фланці.
Мал. 4. Схема перезарядний (тандемного) прискорювача: 1 - джерело негативних іонів; 2 - високовольтний генератор; 3 - високовольтний електрод; 4 - мішень для перезарядки іонів; 5 - пучок негативних іонів; 6 - пучок позитивних іонів.
Мал. 6. Схема ВЧ джерела іонів: 1 - розрядна камера; 2 - обмотка коливального контуру ВЧ генератора; 3 - ізоляційна вставка; 4 - підстава джерела; 5 - отвір відбору іонів; 6 - витягує електрод.
Мал. 5. Здвоєний перезарядний прискорювач: 1 - джерело нейтральних частинок; 2, 4 - високовольтні генератори першого і другого прискорювачів; 3, 5 - високовольтні електроди; 6, 7 - перша і друга мішені відповідно для отримання і перезарядки іонів; 8 - пучок нейтральних частинок; 9 - пучок негативних іонів; 10 - пучок позитивних іонів.
Мал. 2. Схема генератора Ван-де-Грааф: 1 - стрічковий транспортер зарядів; 2 - пристрій для нанесення і знімання зарядів; 3 - шківи транспортера; 4 - високовольтний електрод генератора.
