Багатоканальні індукційні прискорювачі - новий клас технологічних систем комерційного призначення. Загальна характеристика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Стаття з теми:

Багатоканальні індукційні прискорювачі - новий клас технологічних систем комерційного призначення. Загальна характеристика

В.В. Куліш, проф., д-р фіз.-мат. наук;

І.В. Губанов канд. фіз.-мат. наук, доц;

А.К. Ландграф, студ. Сумський державний університет



Дана стаття присвячена обговоренню базових технологій багатоканальних індукційних прискорювачів (БІП). У тому числі проведений загальний аналіз світового ринку технологічних прискорювачів. Сформульовано суттєві вимоги щодо успішного представлення БІП на світовому ринку.



Вступ

Як відомо, сучасні електронні прискорювачі мають широке коло комерційних застосувань. У тому числі, наприклад, у системах дефектоскопії для важкого машинобудування, очищення і знезараження стічних та природних вод, стерилізації медичних та біологічних препаратів, полімеризації пластмас, а також у системах радіотерапії, рентгенівського контролю на митницях тощо [1-10].

Зазначимо, однак, що історично переважну більшість типів прискорювачів (наприклад, радіочастотні чи електростатичні), які сьогодні вважаються комерційними, було розроблено в рамках відомих ядерних програм 40-60-х років ХХ ст. Як наслідок, як їх загальна конструктивна ідеологія, так і ряд технологічних особливостей використання до цього часу несуть в собі явно виражені "генетичні" ознаки свого первинного "мілітарного походження". Це пов'язано з тим, що у ті відносно давні часи питання вартості виготовлення та експлуатації, технологічності та екологічності і т.д. ніколи, фактично, не були головними. З іншого боку, специфіка сучасних цивільних застосувань диктує ряд нових, суттєво відмінних специфічних вимог, таких, наприклад, як підвищення рівня безпеки, технологічності та електромагнітної сумісності при одночасному зниженні загальних габаритів, відносної вартості, спрощенні як самого процесу виготовлення, так і їх практичної експлуатації [1-10]. Як показує відповідний аналіз сучасного ринку, саме названі обставини на сьогодні і стали головними гальмами на шляху подальшого розвитку пов'язаних з прискорювачами напрямків новітніх технологій.

Відмітимо, що саме вищесформульована обставина і стала постійно діючим стимулятором у справі пошуку нових, більш адекватних фізичних механізмів та технологічних вирішень, які б дозволили забезпечити подальший прогрес в області даного класу технологій. Саме у такому загальному напрямку і проводили свої пошуки автори даної статті протягом останніх десяти років. Як результат, було розроблено серію концептуально нових фізичних та технологічних підходів, які, в свою чергу, було покладено в основу кількох десятків нових конструкцій та технічних рішень. Останнє, в свою чергу, виливалось у сотні можливих конструктивних версій їх схемних реалізації (захищених рядом патентів України та США [11-18]). З часом з'ясувалося, що розроблений науково-технологічний напрямок кількісно розрісся настільки, що навіть самі його автори нерідко починали плутатися у цьому великому різноманітті базових конструкцій, конструктивних схем та їх можливих версій. Відповідно дедалі все більш актуальною ставала необхідність проведення роботи з визначення хоча б загальних контурів розвинутого напрямку, його філософського осмислення та проведення необхідного узагальнення. Опису деяких результатів саме такої діяльності і присвячено даний цикл статей.

Таким чином, резюмуючи, можемо сказати, що дана робота має переважно оглядовий характер, хоча і містить в собі чималий компонент оригінального дослідження. Головною її метою, як зазначалося, є проведення відповідного системного аналізу, який би дозволив виробити якийсь узагальнюючий погляд на існуюче сьогодні велике розмаїття конструкцій класу систем, які ми назвали багатоканальними індукційними прискорювачами (БІП).

Робота складається з п'яти частин, кожна із яких представлена окремою статтею. Дана (тобто перша з них) присвячена обговоренню деяких базових технологій, що покладено в основу напрямку. У другій подано загальну класифікацію БІП як класу пристроїв та зроблено побіжний опис деяких типових прикладів такого типу конструктивних схем. У третій і четвертій проведено аналіз двох конкретних проектів прискорювачів класу БІП. А саме, двоканального лінійного індукційного та ондуляторного прискорювачів відповідно. І, нарешті, в п'ятій, останній, проведено короткий огляд найбільш поширених електронно-пучкових технологій, які базуються на застосуванні систем класу БІП.

1. Лінійні індукційні електронні прискорювачі (ЛІП) як технологічна основа систем класу БІП

У концептуальному плані головна ідея БІП полягає в проведенні глибокої комерціалізації технологій та базових технічних вирішень, які протягом останніх майже тридцяти років було напрацьовано в області лінійних індукційних прискорювачів (ЛІП) [6-7]. Бурхливий розвиток даного класу технологій був, головним чином, спричинений впливом фактору світової геополітики. А саме тим, що ЛІП стали одним з ключових елементів відомих військово-космічних програм типу СОІ ("Star Wars"). Відповідно у їх реалізацію історично було вкладено більш ніж просто „щедрі” фінанси. Як наслідок, стали можливими великі прориви відразу у кількох технологічних напрямках одночасно. Найбільш критичний вплив при цьому виявив радикальний прорив в області технологій нових аморфних матеріалів та феритів, які, як відомо, відіграють у техніці сучасних ЛІП ключову роль, та технологій сильнострумових пучків заряджених частинок (електронів чи іонів).

Однією із головних загальновизнаних переваг ЛІП (над іншими традиційними типами прискорювачів) є, перш за все, простота їх принципу дії. Цей принцип за своєю фізичною суттю подібний до того, що покладено в основу роботи звичайного електричного трансформатора. Як і у випадку останнього, в ЛІП напругу від якогось потужного імпульсного джерела ВЧ-енергії прикладають до первинної обмотки магнітного індуктора. Електронний пучок, в свою чергу, виконує роль вторинної обмотки такого своєрідного "трансформатора-прискорювача". Тобто у даному випадку електронний пучок прискорюється за рахунок реалізації відомого в загальній фізиці явища електромагнітної індукції.

Далі ще раз підкреслимо, що системи класу БІП історично з'явилися як подальший розвиток технологій ЛІП у напрямку їх більш повної комерціалізації. Тобто БІП практично повністю базовані на використанні вже відомих і перевірених на практиці ЛІП-технологій. Оскільки переважна кількість ключових відмінностей тут має в основному схемно-компонувальний характер, то, описуючи технологічні засади ЛІП, ми тим самим подаємо опис базових технологій, на яких побудовано увесь клас систем типу БІП. Тож короткий розгляд фізико-технологічних особливостей БІП почнемо з обговорення принципів дії та деяких конструктивних особливостей ключових конструктивних елементів та вузлів ЛІП.

1.1 Загальні особливості конструкції ЛІП

Загальну блок-схему ЛІП наведено на рис. 1. Схема працює таким чином. Інжектор 1 генерує пучок заряджених часток 2, який, в свою чергу, спрямовують у прискорювальний блок 3. Останній, в свою чергу, складається із прискорювальних секцій 4. У процесі проходження секцій 4 пучок 2 прискорюється під дією вихрового електричного поля (більш детально див. далі). Прискорювальний блок 3 у цілому та його секції 4 як складові приєднано до блоків 5 та 6. А саме, до блока імпульсного живлення та допоміжних систем 5 та блока систем контролю та управління 6 відповідно. Завдання та функції цих блоків очевидно випливають із їх назв.

Рисунок 1 - Загальна блок-схема лінійного індукційного прискорювача (ЛІП): 1 - інжектор заряджених частинок (електронів чи іонів); 2 - пучок заряджених частинок; 3 - прискорювальний блок; 4 - прискорювальні секції; 5 - блок імпульсного живлення та допоміжні системи; 6 - блок систем контролю та управління; 7 - система виходу пучка заряджених частинок

Далі перейдемо до більш детального обговорення деяких із вищезгаданих вузлів та блоків. Почнемо з обговорення принципів дії та базових конструкцій інжекторів пучків заряджених частинок (див. позицію 1 на рис. 1).

1.2 Інжектори заряджених частинок

Конструктивне оформлення інжекторів ЛІП є однією із характерних особливостей, що відрізняє їх від інших традиційних типів комерційних прискорювачів. В останніх за інжектори, як правило, використовують так звані електронні гармати чи стандартні (за принципом дії) джерела іонних пучків. Специфікою таких інжекторів є те, що вони здебільшого працюють з відносно слабкострумовими пучками заряджених частинок (типові імпульсні струми пучка тут найчастіше не перевищують десятків амперів). В той самий час відомо, що практично усі сучасні ЛІП призначено для формування перш за все сильнострумових (одиниці - десятки кілоамперів) електронних чи іонних пучків. Відомо також, що через чисто фізичні причини джерела стандартної конструкції не можуть забезпечити формування такого рівня пучків.

Останнє пояснюється перш за все тим, що при первеансі кілоамперного пучка порядку одиниці (чи кількох одиниць), для того щоб "витягти" його з прикатодної області, необхідно прикласти напругу, як мінімум, ~0,5 МВ чи більше. Технологічно це означає необхідність використання високовольтних систем живлення, які б були здатні забезпечити такого рівня анодні напруги. А останнє автоматично означає виникнення вельми поважних технологічних проблем, пов'язаних з передачею напруги у сотні кВ - одиниці МВ від джерела живлення до електродів електронної гармати чи джерела іонів. Проблеми, які при цьому виникають, і стандартні шляхи їх подолання добре відомі. Тому тут лише обмежимося констатацією того факту, що традиційні електронні (чи іонні) гармати виявляються мало цікавими для практики систем типу ЛІП (а отже і БІП).

У зв'язку із вищезазначеними у техніці ЛІП пішли дещо іншим технологічним шляхом. А саме, було запропоновано і практично реалізовано ідею так званих індуктивних інжекторів, у яких оригінально використано деякі специфічні властивості ВЧ-полів. Два приклади такого типу інжекторів, що наведено на рис. 2 та рис. 3, доволі наочно ілюструють головну специфіку данного типу технологій.

Рисунок 2 - Приклад найпростішої конструктивної схеми індуктивного сильнострумового інжектора електронного пучка [20,21,27]: 1 - електричний екран; 2 - магнітний індуктор; 3 - центральний електрод; 4 - катод; 5 - силова лінія внутрішньої частини поля, що використовується для прискорення пучка; 6 - прозора для пучка заряджених частинок; 7 частина електричного екрана 1 (анод, наприклад, сітка чи фольга)

Схема, яку наведено на рис. 2, працює таким чином. Магнітний індуктор 2 збуджує на внутрішній частині екрана 1 вихрове електричне поле. Завдяки реалізації явища скін-ефекту все це поле виявляється зосередженим у відносно тонкому приповерхневому шарі (скін-шарі) матеріалу екрана 1. Тобто потенціал зовнішньої частини екрана у даному випадку не змінюється і дорівнює потенціалу землі (тобто нулю), тоді як внутрішня поверхня може перебувати під високим ВЧ-потенціалом. Розрив у контурі циркуляції вектора напруженості вихрового поля виконано у вигляді проміжку між центральним електродом 3 прозорої частини електричного екрана 1 (наприклад, сітки чи фольги) 6. Силові лінії ВЧ-поля, яке існує на внутрішній поверхні екрана 1 та електрода 3, замикається через вакуум у цьому проміжку, де, у свою чергу, розміщено катод 4. Електрони, інжектовані цим катодом, далі опиняються під прискорювальною дією ВЧ-електричного поля 5. Як наслідок, протягом "від'ємного" напівперіоду поля ці електрони "витягуються" із прикатодної області, формуючи сильнострумовий пучок 7. Останній далі спрямовують на вхід прискорювального блока ЛІП (див. блок-схему на рис. 1). Протягом "позитивного" напівперіоду система не працює.

Головна перевага індукційних інжекторів перед традиційними електронними гарматами, як вже зазначалося, полягає у відсутності тут надвисокої різниці потенціалів між будь-якими парами електродів зовнішньої частини інжектора. Максимальною у даному випадку виявляється напруга на первинних обмотках індукторів 2, яка на практиці реально складає величини ~25-50 МВ при прискорювальній напрузі всередині інжектора (а саме між катодом і анодом) ~0,6-1,0 МВ і більше. Зауважимо, однак, що фізика магнітних інжекторів на практиці далеко не завжди виявляється такою простою, як це може здатися на перший погляд. Наприклад, у випадку надвисоких напруг між катодом і анодом з бокової поверхні центрального електрода 3 можуть "вириватись" електрони (явище автоемісії), що є небажаним у такого типу конструкціях ефектом. Для його нейтралізації на область такої можливої автоемісії накладають спеціальне магнітне поле (так звана магнітна ізоляція) і т.д. Тобто цим самим ми хочемо зазначити, що техніка магнітних інжекторів на сьогодні являє собою доволі складну і розвинуту самостійну область, більш детальний опис якої в обмежених рамках даного огляду, на жаль, дати нереально.

Одним із головних недоліків магнітних інжекторів, приклад яких наведено на рис. 2, є обмеженість їх терміну служби. Це перш за все визначається технологічними обмеженнями на реальну довговічність катодів, які тут використовують як ключові елементи конструкцій. Справа у тому, що будь-який твердий катод, особливо сильнострумовий і незалежно від типу конструкції, рано чи пізно руйнується і перестає нормально функціонувати. Відповідно протягом десятиріч у цій та інших споріднених областях існувала "професійна мрія" створення так званого "вічного" катода, який би ніколи не зношувався. Протягом останніх десяти років цю "мрію" нарешті було здійснено практично у формі так званих плазмових катодів. Ідея полягала у тому, щоб витягувати пучок заряджених частинок (електронів чи іонів) із спеціально підготовленої газової плазми, яка у даному випадку виконувала роль саме такого "вічного" катода. Очевидно, що такого роду катод фізично ніколи не зношується, бо він не є твердим, тобто фіксованим у часі, і постійно відновлюється у процесі роботи. Це, однак, зовсім не означає, що даного типу система у цілому може розглядатися як "вічна". Очевидно, довговічність її тепер буде визначати фактори наступного рівня ієрархії, такі, наприклад, як довговічність ізоляції високовольтних кабелів, терміни служби тиратронів систем живлення тощо. Втім практика показала надзвичайну перспективність технологій плазмових катодів для створення інжекторних систем із підвищеним загальним терміном служби.

Приклад системи, що ілюструє ідею плазмового катода, наведено на рис. 3. Тут наведено конструктивну схему системи, призначеної для формування сильнострумових НВЧ-модульованих (за щільністю) імпульсних іонних пучків промислового призначення. Наприклад, для технологічних систем модифікації поверхні матеріалів та ін. В основу конструкції покладено використання магнітних пасток типу "магнітна пляшка", які свого часу було створено в рамках відомих програм з керованого термоядерного синтезу [19]. Було запропоновано [11,21,22] використовувати модернізовану відповідним чином "магнітну пляшку" як електронний чи іонний плазмовий катод.



Рисунок 3 - Приклад конструктивної схеми інжектора модульованого іонного пучка на базі магнітної плазмової пастки [11,21,22]: 1 - джерело газу; 2 - плазмовий шнур; 3 - магнітна система для утримання плазмового шнура 2; 4 - система ВЧ-нагріву плазми шнура 2 (ВЧ-індуктор); 5 - джерело енергії для системи ВЧ-нагріву плазми 4; 6 - система живлення магнітної системи 3; 7 - джерело НВЧ-випромінювання для модулятора іонного пучка, 8 - НВЧ-резонатор модулятора іонного пучка; 9 - магнітна система для транспортування іонного пучка 10

Система, що проілюстрована на рис. 3, працює так. Газ із джерела газу 1 напускають в об'єм, обмежений внутрішньою камерою системи ВЧ-нагріву плазми 4, до якої, в свою чергу, долучено джерело ВЧ-енергії 5. Під дією ВЧ-поля системи 4 газ в робочій камері системи 4 іонізується, перетворюючись на доволі щільну плазму. В свою чергу, систему нагріву 4 охоплено магнітною системою для утримання плазми 3 (соленоїдом спеціальної конструкції), яка живиться від джерела енергії 6. Під дією магнітного поля системи 3 в робочій області системи 4 формується плазмовий шнур 2 спеціальної форми. А саме, на кінцях його неначе "зав'язано" спеціальними "магнітними зав'язками" (що є характерно для магнітних пасток даного типу). Як наслідок, уся плазма шнура 2 виявляється локалізованою у замкнутому об'ємі, тобто у так званій "плазмовій пляшці" [11]. Конструкцію інжектора, що розглядається, виконано таким чином, що один (наприклад, правий) кінець цієї "пляшки" знаходиться у робочому об'ємі вхідної частини НВЧ-резонатора 8, який під'єднано до НВЧ-генератора 7. У позитивні напівперіоди НВЧ-електричне поле резонатора "витягує" іони плазми із шнура-"пляшки" 2, формуючи на виході системи іонний пучок 10. Вихідна магнітна система 9 слугує у даному випадку для коригування форми вихідного пучка 10. Оскільки плазма шнура 2 є доволі щільною, то і сила струму вихідного пучка сягає одиниць - десятків кілоамперів. При цьому пучок 10 сформовано у формі іонного банчу тривалістю десятки-сотні мікросекунд, який модульовано з НВЧ-частотою (як правило, в дециметровому діапазоні). Як наслідок модуляції, пікова сила струму мікробанчів остаточно сформованого пучка може сягати значень у сотні кА (а теоретично - і більше).

1.3 Прискорювальні секції ЛІП

Приклади двох типових конструкцій прискорювальних секцій ЛІП проілюстровано на рис. 4 та 5.

У тому числі схема, наведена на рис. 4, пояснює принцип дії так званої неекранованої прискорювальної секції (у даному випадку електричний екран роблять для усього прискорювального блока як цілого).

Рисунок 4 - Принцип дії не екранованої прискорювальної секції ЛІП: 1 магнітні індуктори; 2 - силові лінії внутрішньої частини вихрового електричного поля; 3 - силові лінії зовнішньої частини електричного поля; 4 - електронний пучок, що прискорюють

Як видно з рисунка, електронний пучок 4 прискорюється під дією внутрішнього електричного поля 2.

Схема працює так. Імпульсний електричний струм у первинній обмотці магнітного індуктора 1 створює у його об'ємі змінний у часі магнітний потік. В свою чергу, останній (за рахунок своєї змінності у часі) генерує навколо індукторів вихрове електричне поле 2, 3. При цьому позицією 2 тут позначено внутрішню, а позицією 3 - зовнішню частину поля. Електронний пучок 4 прискорюється за рахунок дії електричного поля. Зазначимо, однак, що, як проілюстровано на рис. 4, характерною особливістю традиційних схем ЛІП є те, що для прискорення електричного пучка 4 тут використовують лише внутрішню частину поля 2, тоді як його зовнішня частина 3, як правило, залишається невикористаною. Як буде показано далі у одній із частин даної роботи, на базі ідеї використання зовнішньої частини поля можна побудувати доволі ефективні технологічні прийоми, використання яких забезпечує ряд суттєвих переваг для деяких систем класу БІП.

Схема, наведена на рис. 4, при всій її фізичній наочності не є, однак, найбільш поширеною серед конструкцій типу ЛІП. Такою є конструкція екранованої прискорювальної секції, головну ідею якої проілюстровано на рис. 5. Тут, на відміну від випадку, проілюстрованого на рис. 4, кожну прискорювальну секцію ЛІП охоплено окремим електричним екраном 3 (див. рис. 5). Спеціальний розрив у екрані виконано у формі прискорювального проміжку 2, між електродами якого локалізована внутрішня частина вихрового електричного поля 1 (порів. з подібним розривом у конструкції, наведеній на рис. 2). Зовнішню частину електричного поля у даному випадку обмежено у просторі стінками самого екрана 1. На відміну від попереднього випадку прискорення електронного пучка тут здійснюється тільки в межах прискорювального проміжку 2 під дією внутрішнього поля 1.



Рисунок 5 - Принцип дії екранованої прискорювальної секції ЛІП: 1 - силові лінії вихрового внутрішнього електричного поля в прискорювальному проміжку 2; 3 - електричний екран, який тут частково виконує роль вторинної обмотки "трансформатора-прискорювача"

Як видно з рисунка, електронний пучок замикає цю вторинну обмотку у прискорювальному проміжку 2.

індукційний прискорювач лінійний

1.4 Індуктори

Далі відмітимо, що у техніці традиційних ЛІП використовують два типи конструкцій магнітних індукторів (див. позиції 2 на рис. 2 та 1 на рис. 4). Для першого з них є характерною наявність спеціальних магнітних осердь, виконаних з аморфного магнітного матеріалу (типу MetGlass) чи ВЧ-фериту [6, 23, 24]. У другому випадку магнітні осердя відсутні як такі. У зв'язку з цим конструкції даного типу часто називають "беззалізними" [6].

Конструкції першого типу є переважаючими для практики комерційних застосувань, бо наявність магнітного осердя дозволяє при тій самій силі струму у невинних обмотках значно (у кількасот разів) підняти величину індукції магнітного поля (у порівнянні з "беззалізним" випадком) в індукторі. З іншого боку, магнітні осердя стають джерелом доволі значних втрат ВЧ-енергії. Як наслідок, реалізація ЛІП з прийнятним для практики ККД стає практично доцільною тільки у разі, коли мова йде про прискорення сильнострумових (кілоамперних) пучків. Крім того, самі магнітні осердя мають доволі велику масу (що, в свою чергу, значно збільшує загальну вагу прискорювача, як цілого), утворюють значні технологічні проблеми, пов'язані із виведенням із робочого об'єму прискорювальної секції тепла і т.д. Зазначимо, однак, що для переважної більшості комерційних застосувань названі недоліки не є критичними. Виняток складають лише випадки, коли до масогабаритних характеристик прискорювача та його теплових втрат енергії ставляться особливо жорсткі вимоги. Наприклад, його використання у бортових системах авіаційного чи космічного базування.

У варіантах "беззалізних" конструкцій зазначене обмеження "знизу" на величину струму пучка принципово відсутнє, що є їх головною перевагою. Крім того, вони виявляються набагато легшими, ніж системи першого типу. Але підкреслимо, що дана перевага досягається ціною значного (у кількасот разів) збільшення сили струму у первинних обмотках індукторів. У "беззалізних" ЛІП технологічні і конструктивні проблеми, з цим пов'язані, вирішують шляхом використання спеціальних надпровідникових конструкцій для первинних обмоток індукторів та частини джерел живлення. Саме ця обставина і виконує роль головного обмежувального фактору на широке комерційне застосування "беззалізних" конструкцій на практиці.

1.5 Конструктивні схеми компонування ЛІП

Приклад конструктивної схеми ЛІП, побудованої на основі неекранованих прискорювальних секцій (типу тих, що показано на рис. 4) подано на рис. 6. Схема працює так. Інжектор заряджених частинок (електронів чи іонів) 1 формує пучок заряджених частинок 4, який далі подають у робочий об'єм першої з прискорювальних секцій 2, що охоплює прискорювальний канал 3. Під дією вихрового електричного поля (див. рис. 4 та відповідні коментарі) пучок 4 у прискорювальному каналі 3 прискорюється і далі, рухаючись у ньому надходить у прискорювальний об'єм наступної секції і т.д. Прискорений пучок спрямовують у вихідну систему 6. Остання може бути виконана у формі, наприклад, системи формування та управління пучком, системи виходу пучка із вакууму в атмосферу тощо. Спільний екран 5 забезпечує електромагнітне екранування індукторів від навколишнього середовища. У тому числі вирішує проблему електромагнітної сумісності та біологічного захисту персоналу від дії ВЧ-поля.

Рисунок 6 - Приклад конструктивної схеми ЛІП з не екранованими прискорювальними секціями: 1 - інжектор заряджених частинок (електронів чи іонів); 2 - індуктори; 3 - прискорювальний канал з діелектричними стінками; 4 - електронний пучок, що прискорюють; 5 - спільний електричний екран; 6 - вихідна система прискореного пучка

Схема, що наведена на рис. 7, відрізняється від вищеобговореної (див. рис. 6) лише конструкцією прискорювальних секцій 2. А саме, тут прискорювальний блок 4 виконано у формі послідовного з'єднання екранованих прискорювальних секцій 2 (див. рис. 5 та відповідні коментарі). Це означає, що в процесі руху пучка (сформованого інжектором 1) у прискорювальному каналі 3 збільшення його енергії (прискорення) відбувається лише в моменти його проходження через прискорювальні проміжки секцій. На ділянках каналу 3 між прискорювальними проміжками пучок рухається без прискорення. Це дає додаткові можливості для корекції його форми та інших параметрів.



Рисунок 7 - Приклад конструктивної схеми ЛІП з екрануванням кожної прискорювальної секції: 1 - інжектор заряджених частинок (електронів чи іонів); 2 - екранована прискорювальна секція; 3 - прискорювальний канал; 4 - лінійний одноканальний прискорювальний блок; 5 - вихідна система прискореного пучка



2. Загальна характеристика ЛІП як класу прискорювальних систем

Таким чином, специфічною особливістю процесу прискорення в ЛІП, який принципово відрізняє його від того, що має місце, наприклад, в електростатичних прискорювачах [21,22], є наступне. А саме те, що у випадку ЛІП енергія пучка систематично накопичується в процесі послідовного проходження його прискорювальних секцій. Тобто, якщо на кожному прискорювальному проміжку секції пучок проходить різницю потенціалів U (див. наприклад, рис. 5), то після проходження усього лінійного одноканального прискорювального блока 4 (див. рис. 5) його енергія складе qNU (де q - заряд, а N- число секцій 2). При цьому ключовою обставиною у даному випадку є те, що різниця потенціалів між внутрішньою і зовнішньою поверхнями екрану кожної із секцій 2 (а отже, і між такими самими поверхнями електродів прискорювального проміжку) дорівнює U. Більш наочно сказане проілюстровано на рис. 8, де наведено еквівалентну схему ЛІП як "трансформатора". Усі первинні обмотки (індукторів) тут з'єднано паралельно і на кожну з них подають одну і ту саму напругу U. Очевидно, що у даній ситуації напруга на вторинній обмотці (різниця потенціалів, яку пройшов пучок в процесі прискорення) дорівнює NU, про що вже йшлося вище.

Рисунок 8 - Еквівалентна схема ЛІП як електричного трансформатора: U - напруга на первинних обмотках індукторів; N - число індукторів; NU - результуюча різниця потенціалів, яку пройшов пучок у процесі прискорення



Останнє обумовлено вже вищеобговорюваними фізичними особливостями скін-ефекту, який тут реалізується для вихрового ВЧ електричного поля. Тобто у даному випадку майже все електричне поле у матеріалі стінки зосереджено у тонкому (внутрішньому) приповерхневому його шарі. Останнє ж автоматично означає, що при достатній товщині стінки це поле "не доходить" до протилежної (зовнішньої) поверхні матеріалу). А це, в свою чергу, дає підстави трактувати послідовність індукторів (див. рис. 6 та 7) як паралельне з'єднання первинних обмоток ЛІП-трансформатора (див. рис. 8).

В той самий час у формально подібному процесі прискорення зарядів в електростатичному прискорювачі (тобто під дією статичного електричного поля) такий ефект взаємної ізоляції внутрішньої і зовнішньої поверхонь матеріалу місця не має. Тобто скін-ефект у даному випадку місця не має і, як наслідок, між зовнішньою і внутрішньою стінками електродів прискорювального проміжку різниця потенціалів дорівнює нулю. Або, іншими словами, вся поверхня кожного із електродів прискорювального проміжку є принципово еквіпотенційною. Як наслідок, однакову з випадком ЛІП енергію qNU пучок отримує лише тоді, коли між першим і останнім електродом прискорювальних проміжків усього блока прикладено різницю потенціалів в N разів більше, тобто NU. Тобто при однаковій з ЛІП енергії пучка максимальна різниця потенціалів у випадку електростатичного прискорювача виявляється у N разів більшою, про що вже згадувалося вище у даній статті. Останнє і обумовлює головну технологічну перевагу ЛІП над електростатичними прискорювачами.

Перевага ж ЛІП над іншим традиційним типом комерційних прискорювачів, а саме перед радіочастотними (лінійними) прискорювачами (РП) [20,25] обумовлена перш за все відсутністю у ЛІП надпотужних джерел НВЧ-енергії. А це автоматично означає, що:

ЛІП потенційно несе набагато меншу загрозу для обслуговуючого персоналу, ніж РП, тому що, як відомо, дія на людський організм електромагнітного випромінювання НВЧ-діапазону є доволі шкідливою;

ЛІП потенційно є багато більш надійними системами, ніж РП, оскільки у випадку останніх головним джерелом живлення є надпотужні електронні НВЧ-прилади типу магнетрон чи клістрон. Вони ж, у свою чергу, є системами не менш (а, навіть більш) складними, ніж самі прискорювачі. У випадку ж ЛІП за джерело енергії слугує "звичайний" ВЧ-генератор імпульсів. Останній, як добре відомо, за своєю конструкцією є набагато простішими за НВЧ-прилади. Крім того, у даному випадку доволі легко будувати просторово-розподілені (і резервовані) системи живлення, які складаються із багатьох (синхронізованими між собою) малопотужних ВЧ-генераторів. Завдяки цьому вихід із ладу одночасно навіть групи таких генераторів ще не приводить до суттєвих збоїв роботи прискорювача як цілого. В той самий час вихід із ладу надпотужного магнетрона чи клістрона у випадку РП повністю зупиняє роботу як самого прискорювача так і системи, на ньому побудованої. Зазначимо, що виконання аналогічного конструктивного маневру з багатьма НВЧ-джерелами є несумірно більш складною проблемою, ніж у випадку ВЧ. Це пояснюється фізичними особливостями НВЧ-елементної бази (збудження великої кількості паразитних типів коливань, схильність системи нав'язувати парціальним генераторам взаємокомпенсуючі початкові фази коливань тощо);

ЛІП потенційно є значно дешевшими у виробництві і експлуатації, оскільки самі традиційні імпульсні ВЧ-генератори є значно дешевшими і простішими як у виробництві, так і обслуговуванні.



3. Комерційний потенціал ЛІП як технологічних прискорювачів цивільного призначення

Загальновизнано, що головним недоліком традиційних ЛІП як комерційних систем є їх надмірна довжина. Точніше, не стільки довжина сама по собі, скільки відношення характерних поздовжнього та поперечного розмірів. Саме це і є головною перешкодою для їх широкого комерційного застосування у цивільних системах. Так, наприклад, відомий у світі прискорювач АТА (побудований у 80-х роках ХХ ст. у Ліверморській лабораторії США в рамках програми СОІ) [11] характеризувався довжиною ~ 70 м (при струмі пучка 10 кА та енергії електронів 50 МеВ) та характерним поперечним розміром < 2 м. Тобто зазначене відношення у даному випадку складає ~ 35. Тоді, як добре відомо, що ідеальним для комерційної практики вважається значення даного співвідношення ~ 1. Крім того, традиційні ЛІП характеризуються суттєво обмеженими функціональними можливостями. У тому числі, ЛІП здатен одночасно прискорювати тільки один пучок (електронний або іонний). Усі ЛІП мають принципове обмеження на величину сили струму "згори" (кілька десятків кА), що обумовлено збільшенням ризику збудження різного типу пучкових нестійкостей. З тієї самої причини вони не можуть бути використані для формування пучків із заданою енергетичною структурою (наприклад, двошвидкісних) і т.д. Усі названі недоліки, як буде продемонстровано далі у інших частинах даної роботи, можуть бути ефективно усунуті шляхом використання прискорювальних систем типу БІП.

4. Загальна ситуація на ринку комерційних електронних прискорювачів

Для того, щоб оцінити головні напрямки, у яких слід проводити комерціалізацію систем типу ЛІП, зробимо короткий огляд стану справ на сучасному світовому ринку комерційних електронних прискорювачів. Це, в свою чергу, дозволить хоча б приблизно окреслити бажані галузі практичного застосування БІП та відповідні набори їх робочих характеристик (енергії, імпульсної сили струму та середньої потужності).

Перш за все слід відзначити, що сучасний ринок комерційних прискорювачів вражає надзвичайною різноманітністю як самих застосувань, так і параметрів прискорювачів, які для цього використовуються. Вважається, що найбільш характерними такими застосуваннями на сьогодні є:

дезінфекція, стерилізація та очистка великих об'ємів природних та стічних вод;

технології, пов'язані з об'ємною та поверхневою полімеризацією матеріалів без застосування спеціальних хімічних затверджувачів;

утилізація та перероблення використаної технічної ґуми, включаючи автомобільні шини;

очищення промислових індустріальних викидів, перш за все від їх газової компоненти;

стерилізація та пастеризація харчових продуктів;

дезінфекція сільської продукції;

стерилізація медичних матеріалів, препаратів та інструментарію;

системи радіотерапії тощо.

Різноманіття можливих конструкцій (на прикладі комбінацій лише двох таких параметрів, а саме, енергії електронів і середньої потужності, наочно проілюстровано на рис. 9 (позиція 1) [6-8]. Як легко побачити, переважна більшість виробників спеціалізується на випуску відносно низькоенергетичних прискорювачів з помірною середньою енергією пучка. З іншого боку, чітко простежується така закономірність: чим більшою є енергія, тим менше виробників, і, одночасно, меншою є середня потужність прискорювачів. Характерно, що, як показує аналіз літератури [10-14 та інші], останнє зовсім не пов'язано з відсутністю попиту на потужні і, одночасно, високоенергетичні системи. Наприклад, у ряді промислово розвинутих країн на сьогодні гостро стоїть проблема гарантування міських водозаборів від можливого бактеріального зараження. Як відомо, технологічно дана проблема може бути доволі ефективно вирішена за рахунок стерилізації води потужними електронними пучками. Але при намаганнях реалізувати цю ідею практично виникають труднощі технологічного характеру. Перш за все, це проблема забезпечення високих рівнів середньої потужності, оскільки у даному випадку мова йде про необхідність обробки надзвичайно великих обсягів проточної води. І, як добре видно з рис. 9, традиційні типи прискорювачів (головним чином, радіочастотні) виявляються мало придатними у таких ситуаціях. Обмеження на середню потужність мають тут принциповий характер і пов'язані, головним чином, із специфікою базових фізичних механізмів, які тут застосовуються. В той самий час аналіз ринку показує достатньо гостру потребу в прискорювачах такого класу. За приклад тут можуть слугувати великі міста-мегаполіси, розміщені в тропічній кліматичній зоні (наприклад, Сінгапур, Гонконг та ін.). Однак, як легко побачити на рис. 9 (див. криву 2), на сьогодні створення прискорювачів такого комерційного класу є проблемою, вирішення якої стоїть на порядку денному. За шлях її вирішення було запропоновано розробку особливо потужних систем типу БІП [2].



Рисунок 9 - Середня потужність та енергія пучків комерційних електронних прискорювачів: 1 - область параметрів, які є типовими для сучасних комерційних прискорювачів, наявних на світовому ринку; 2 - відповідає області, яка практично не охоплена традиційними системами

З іншого боку, проведений аналіз також показує, що далеко не все "благополучно" і в ділянці прискорювальних систем відносно низьких енергій (див. область 1 на рис. 9), тобто, систем на енергії від 0,5 до 1 МеВ. В основному це прискорювачі прямої дії, які, за визначенням, повинні мати в собі джерела високої напруги (від 0,5 до 1 МВ відповідно). На практиці наявність елементів конструкцій, які перебувають під такого рівня напругами часто означає наявність цілої гами відомих технологічних проблем та експлуатаційних незручностей. А це, в свою чергу, автоматично переводить до рангу актуальних проблему пошуку нових концепцій і технологічних вирішень, що залишається актуальним і для цього, найбільш "обжитого" на сьогодні сегменту ринку комерційних прискорювачів. Розроблення і застосування систем типу БІП пропонуються як один із найперспективніших шляхів вирішення названої проблеми.



Висновки

Таким чином, проведений аналіз дозволив встановити, що використання розроблених в рамках техніки ЛІП технічних рішень як технологічної бази БІП не пов'язано з якимись специфічними проблемами. Тобто увесь набір технологій, накопичених на сьогодні у ділянці ЛІП, є повністю готовий для проведення відповідної комерціалізації. Єдиною перешкодою на цьому шляху реально є фактор непристосованості традиційних конструктивних вирішень ЛІП (які, як відзначалося, орієнтовані в основному на військові використання) у випадку цивільних, комерційних застосувань. Шляхи вирішення цієї проблеми детально обговорені у наступних частинах даної роботи.

З іншого боку, на базі проведеного аналізу можна також зробити висновок, що сучасний ринок комерційних прискорювачів є готовим до появи нового класу комерціалізованих ЛІП, тобто технологічних прискорювальних систем типу БІП. Очевидні і вимоги для таких прискорювачів, забезпечення яких може забезпечити їм комерційний успіх:

відсутність елементів конструкції, які перебувають під напругою ~100 кВ і більше;

відсутність у складі конструкції надпотужних джерел НВЧ-випромінювання;

простота, надійність і технологічність самої конструкції;

простота і надійність її експлуатації;

можливість одночасного забезпечення високих рівнів середньої потужності (до одиниць - десятків МВт) і енергії пучка в інтервалі від 1 до 30МеВ;

відносно високі рівні ККД системи у цілому;

відносно низька собівартість виробництва та експлуатації.

Як показано далі у даній роботі, системи типу БІП потенційно здатні забезпечити усі перераховані вимоги.

The article is dedicated to discussion of basic technologies of the multi-channel induction accelerators (MINACs). Apart from that, general analysis of the world market of technological accelerators is accomplished. Relevant requirements for successful presence of the MINACs on this market is formulated.



Список літератури

1. Kulish V.V. Hierarchical methods. Vol. II, Undulative electrodynamic systems, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht/Boston/London, 2002. - 326 p.

2. Kulish V.V. Hierarchical methods. Vol. I, Hierarchy and hierarchical asymptotic methods in electrodynamics, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht/Boston/London, 2002.- 354 p.

3. Kulish V.V., Kosel P.B., Kailyuk A.G., Gubanov I.V. New acceleration principle of charged particles for the electronic need. Quantitative analysis // The International Journal of Infrared and Millimeter Waves. - 1998. - Vol.19, №2. - P. 106-170.

4. Kulish V.V., Kosel P.B. A new principle of acceleration of high power pulses of quasi-neutral plasmas and charged particles // Proc. of “11th IEEE International Pulsed Power Conference, Baltimore, Maryland, June 29 - July 2, 1997; Volume 1, pp. 667 - 672, 1998.

5. Kulish V.V., Kosel P.B., Kolcio N., е. a. Compact electron EH-accelerator for intensive X-ray flash source // Proc. of SPIE. - 1999. - Vol. 3771. - P.30-43.

6. Вахрушин Ю.П., Анакий А.И. Линейные индукционные ускорители.- М.: Атомиздат, 1978.- 248 с.

7. Анакий А.И., Букаев П.В., Алсинский Е.П. и др. Расчет и исследование характеристик сердечников и индукторов ЛИУ // Электрофизическое оборудование. - М.: Атомиздат, 1969.- Т. 8. - 264 c.

8. Kulish V.V. “Undulative electrodynamics system”, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht Hardbound, 2002. - Vol. II. -380 p.

9. Каблуков Р.В., Азнанский П.Ю. Радиационная очистка сточных и природных вод // Радиационно-химические технологии. - М.: Энергоатомиздат, 1980.- 246 с.

10. Petryaev Е.P., Ulasov V.I. The radiation using for the purification of city wastewater, that passing the biological purification // International conference for the using of accelerating technique in the national economy, Efremov Research Institute of ED, Leningrad, 1986. - Р. 173-176.

11. Kulish V.V., Kosel P.B., Melnyk O.K., Kolcio N. Inductional undulative EH-accelerator, Patent No US 6,433,494, B1, Date of the Patent August13, 2002, Appl. No 09/551.762, Filed April 18, 2000.

12. Kulish V.V., Melnyk A.C. Multi-channel linear induction accelerator. Patent No. US 6,653,640 B2, Date of Patent Nov. 25, 2003, Pending Patent Serial No US 2002/0109472 A1 Filed Aug. 15, 2002.

13. Пат. 2001020957 UA. Багатоканальний лінійний індукційний прискорювач заряджених частинок / Куліш В.В., Мельник А.К.; дата видачі патенту 15.04.2004, дата пріоритету патенту 13.02.2001.

14. Пат. 2001020953 UA. Електронний стерилізатор / Куліш В.В., Мельник А.К.; дата видачі патенту 15.04.2004, дата пріоритету патенту 13.02.2001

15. Kulish V.V., Melnyk A.C. Electronic Sterilizer. US Pending Patent Serial No. 10/022,228 filed Dec. 20, 2001.

16. Kulish V.V., Melnyk A.C., Langraf A.K. Multi-channel Undulative induction accelerator. US Pending Patent Serial No. 10/797,858 filed March 10, 2004.

17. Kulish V.V., Melnyk A.C., Langraf A.K. Multi-channel induction accelerator. US Pending Patent Serial No. 10/797,380 filed March 10, 2004.

18. Kulish V.V. Hierarchical methods. Vol. II, Undulative electrodynamic systems, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht/Boston/London, 2002. - 326 p.

19. Redinato L. "The advanced test accelerator (ATA), a 50-MeV, 10-kA Induction Linac". IEEE Trans., NS-30, 1983. - No 4. - Р. 2970-2973.

20. Молоковский С.И., Сушков А.Д. Интенсивные электронные и ионные пучки.- М.: Наука, 1982.- 283 с.

21. Москалев Ю.А., Чанцев В.И. Физика и техника ускорителей заряженных частиц // Материалы зимней школы. - Новосибирск, 1985

22. Сторижко В.Е. Применение электростатических ускорителей в народном хозяйстве // Четвертое Всесоюзное совещание по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве, 28-30 сентября, 1982 года, Ленинград: В 4 т. - Том 2.

23. Вахрушин Ю.П., Глухих В.А., Прудников И.А., и другие. Ряд линейных ускорителей-дефектоскопов промышленного применения // Четвертое Всесоюзное совещание по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве, 28-30 сентября, 1982 года, Ленинград: В 4 т. - Том 1.

24. Вахрушин Ю.П. Линейные электронные ускорители для промышленности и медицины // Четвертое Всесоюзное совещание по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве, 28-30 сентября, 1982 года, Ленинград: В 4 т. - Том 1.

25. Айзацкий Н.И. и другие Мощный линейный электронный ускоритель для прикладных целей // XVIII Международный семинар по ускорителям заряженных частиц, 1-6 сентября 2003 г., Алушта, Крым.

26. Auslender V.L. Electron accelerator for energy up 5,0 MeV and beam power up 50 kWwith X-ray converter // XVIII Международный семинар по ускорителям заряженных частиц, 1-6 сентября 2003 г., Алушта, Крым.

27. Черенщиков С.А. Создание и испытание килоамперной электронной пушки с вторичной эмиссией // XVIII Международный семинар по ускорителям заряженных частиц, 1-6 сентября 2003 г., Алушта, Крым.

Размещено на Allbest.ru

...