Типы ускорителей заряженных частиц и принципы их работы.

Ускорители заряженных частиц — устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Магнитное поле может лишь изменить направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории).

Источник заряженных частиц (инжектор) - формирует пучок частиц, который характеризуется

• средней начальной энергией,

• током пучка,

• поперечными размерами и средней угловой расходимостью.

Эмиттанс (Э) - произведение радиуса пучка r на его угловую расходимость DW. (мм*мрад) Чем меньше эмиттанс, тем выше качество конечного пучка.

Яркость пучка = j/Э (j –плотность тока)

Электронная пушка состоят из источника электронов – катода, прикатодного фокусирующего электрода и анода с отверстием для выхода сформированного электрическим полем пучка. Площадь сечения сформированного пучка в сотни раз меньше площади эмитирующего катода, а плотность тока достигает сотен А/см².

        . Схема электронной пушки: 1 — катод; 2 — модулятор; 3 — первый анод; 4 — второй анод; е — траектории электронов.

Источники ионов (положительных однозарядных, отрицательных, многозарядных) - плазменные и с поверхностной ионизацией.

В плазменных ионы обра­зуются в газе или паре в разряд­ной камере, которой создаётся плазма. Ионы возникают при ионизации нейтральных атомов или молекул электронами и в процессе ионно-атомных соударений.

Давление газа или пара в пределах от 10^-2 до I0^-1 Па.

Около 10% элементов – газы. Примерно 23% элементов - жидкости и твердые тела при комнатной температуре и имеют давлений пара порядка 10^-1 Па при температуре 110 – 300C⁰.

Извлечение ионов осущест­вляется с помощью системы вытягивающих, а формирование системой фокусирующих электродов.

В плазменных источниках достигнуты токи пучка в десятки А

В источниках с поверхностной ионизацией эммитером ионов служит поверхность накаленного материала, работа выхода которого превышает потенциал ионизации падающих на него атомов. Рекордные плотности потока ионов достигают 0,1 А/см²

Рентгеновская трубка

Рентгеновская трубка – источник рентгеновского излучения, возникающего при бомбардировке вещества анода электронами, эмитируемыми катодом электровакуумной трубки и ускоренными электрическим полем. Обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения

На тормозное излучением накладывается характеристическое излучение из анода.

Наиболее широко применяются отпаянные рентгеновские трубки с термоэмиссионным катодом, водяным охлаждением анода, электростатической фокусировкой электронов. Схема рентгеновской трубки представлена на рис.1.1

Наиболее распространены рентгеновские трубки с неподвижным либо вращающимся водоохлаждаемым анодом мощностью в несколько кВт

Основные характеристики трубок: ускоряющее напряжение - (1- 500 кВ), электронный ток - (0,01 мА- 1 А), удельная мощность, рассеиваемая анодом – (10-10⁴ Вт/мм² Кпд рентгеновской трубки составляет 0,1 – 3%.

Задача. Определить плотность энерговыделения и время нагрева до плавления T = 3,410³С⁰ вольфрамовой мишени при токе электронов с энергией 100 кэВ, токе 1А , сечении пучка 1 см² , масса мишени под пучком M = 0,01 кг, c_p = 130 Дж/кг град

W = 100 кВт , Пробег R = 0,05 г/см^2, r_W = 210³ кВт/см³

Энергия для плавления Q = c_pM(T-T₀) = 410³Дж

Время нагрева t = Q/W = 0,04 c

Скорость вращения мишени 300 об/с Þ T = 310^-3c^-1 Þ равномерное энерговыделение не радиусе вращения пучка 2pR = 100 кВт/см³ нужно снимать 100 кВт