通过将电感用于产生具有局部旋度的电场来加速粒子的方法和系统技术方案

本文公开了一种方法，其中，使用导体的性质来实现带电粒子射束的加速以便与自然时间常数相比在短时间内限制磁场和电场的穿透。这允许使用具有局限于间隙的旋度的感应电场在将所加速射束耦合到电源的同时使粒子加速。公开了将粒子束耦合到电源的两种方法作为示例。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
公开了一种用于使带电粒子射束加速至期望能量的新型方法和装置。可以使用加 速器和所述方法来使任何类型的带电粒子加速以形成能量射束(energetic beam)。一个应 用示例是使一束电子加速，其随后用来通过韧致辐射过程产生强光子束。
技术介绍
通常根据粒子加速器的基本概念将其分组成不同的类别1)诸如Van de Graaff加速器等使用恒静电场的那些；2)诸如线性加速器等利用沿直线的射频腔的那些；3)诸如电子感应加速器(betatron)等使用由时变磁场感生的电场来使粒子加速 的那些；以及4)诸如回旋加速器、同步加速器、电子回旋加速器、跑道式电子回旋加速器或 Rhodotron 等使粒子束环流通过射频腔而达到期望能量的环形加速器。已使用不同的名称来描述这些类别所表示的思想及其表示的概念的不同组合，因 为已认识到其在不同的应用中是有利的。在诸如M. S. Livingston和J. P. Blewett在McGraw Hill Book Company, Inc. ，New York, 1962 中所著的Particle Accelerators，，等关于力口 速器设计的书中进行了许多讨论。其全部应用磁场和电场中的基本麦克斯韦场方程和粒子 动力学来使粒子加速并形成加速射束。
技术实现思路
本文公开的加速器及相关方法也使用麦克斯韦方程的管限规则，但是在新型方法 中，其不能等同于上列传统粒子加速器组的任何构思或应用。这种加速器的基本元件是1)磁芯，其可容纳时变B场(B-field)；2)电源，其能够提供适当的电压和电流。3)导电真空室，其围绕磁芯的一部分并具有不导电间隙(non-conducting gap)； 以及4)磁引导场(magnetic guide field)，其在粒子获得能量时在稳定轨道中在真空 室的内部周围引导粒子。根据下文详细描述的方法和系统，可以使任何带电粒子加速，并且可以有宽极限(limit)内的任何能量，只由用于电绝缘、电源能力、磁铁等的现有技术的实际极限施加所述极限。该方法以接近100%的高占空比实现大射束电流。不需要对调谐腔体进行馈送的 射频发电机。电压源可以向射束提供能量。能量经由耦合到在间隙处拥有旋度(Curl)的 电场被传送给粒子。本文公开的加速器的类型不同于上述加速器种类。与1相比)不将具有散度 (divergence)的静电场用于加速，因此可以在没有极端电压的情况下实现高能量。与2相 比)并且不同于直线加速器，不需要调谐腔中的高射频电磁场来实现高能量。不需要使电 子束与腔体中的RF场进行束匹配以实现加速。与3相比)使用具有其时变磁场的绝缘芯 子(induction core)来提供自感，该自感允许由具有来自驱动电源的相对低电流的电源保 持绝缘加速间隙两端的电压。由于在与L/R相比短的时间内发生加速循环，(其中，加速室 的自感是L且R是加速室和电源系统的电阻性阻抗)，所以绝缘间隙处的加速电场拥有旋度 并允许加速室中的连续圈的累积加速。并且，不同于在3)中使用的电子感应加速器示例， 在围起绝缘芯子的轨道中引导射束的磁场是静态的，然而，在电子感应加速器中，引导射束 的场是时变的并严格地与绝缘芯子中的瞬时磁场相关。与4)相比，不存在对调谐RF腔进 行馈送的RF电源，并且不存在与RF频率同步以实现加速的成束射束。如上所述并如稍后 将讨论的，用于本文公开的加速器的加速循环的最大时间长度仅仅受到L/R的限制。此时 间通常是许多微秒至毫秒。附图说明图1示出具有跨越真空室的不导电间隙设置的电源的一个实施例；图2示出图1所示的实施例的近似等效电路；图3示出在用于图1所示的实施例的真空室导电部分外面的电流的一种可能波 形；图4示出具有电源的实施例，该电源被设置为将能量耦合至射束和电感芯子 (inductive core)；以及图5示出图4所示的实施例的近似等效电路。 具体实施例方式本文所述的是实施例用于带电粒子加速的本文公开的技术和方法的可能应用的 示例。本领域的技术人员应认识到存在所公开的重要元件的扩展、修改及其它布置，其能够 实现并且其意图涵盖在本公开的范围内。为了更透彻地理解本公开及其其它和另外的目的，对附图和所选实施例的以下详 细说明进行参考。图1是本文公开的方法和系统的实施例的示意图100。真空室104充当射束线并具 有导电部分106和将称为不导电间隙108的不导电部分。真空室104的横截面通常可以是 管状的(圆形或矩形、或其它横截面)，并且形状可以是螺旋管形的，诸如所示的圆环形状， 或者可以具有允许射束在内部循环/环流通过的其它闭合路径连接。剖面图(CUtaway)IH 提供在真空室104内循环的带电粒子束116的视图。射束116是例如(但不限于)电子束， 并具有例如沿箭头所指示的方向运动的一个或多个电子。(剖面图114仅仅是出于说明性的目的且不表示真空室104中的实际开口。)不导电间隙108具有间隙长度dllO。真空室 104的导电部分106具有壁厚度w 112。磁引导场134是B场并沿着稳定循环路径引导射 束116中的射束粒子通过真空室104。磁引导场134仅仅被示意性地指示为单个通量线， 但是应认识到磁引导场可以是复杂的，可以由多个磁性元件(未示出)产生且可以通过真 空室104的多个或所有部分以有效地引导和/或集中射束116。真空室104围绕绝缘芯子 102的一部分。真空室104的导电部分106具有被不导电间隙108分隔开的两个末端118、 120。用传统真空密封技术来密封导电部分106和不导电部分108的末端118和120之间 的接合点(joint)。电引线128将末端118和120连接到电源122。电源122具有可以是 正端子且连接到末端120的第一端子124。电源122具有可以是负端子并连接到末端118 的第二端子126。电源122提供电压V，其可以是时变电压，并且可以以方波的形式或用其 它适当波形周期性地振荡并使极性反转。 作为理解图1中的实施例的操作的辅助，暂时考虑理想化情况，其中将真空室104 的导电部分106视为绝缘芯子102的一部分周围的环形路径中的全导体。暂时认为电源122 是被表征为具有零输入或输出阻抗的理想化电压源。当将电源连接到真空室104的导电部 分106的末端118和120 (因此还跨越真空室104的不导电间隙108)时，由dlo/dt = V/L 给出的电流在导电部分106中流动，其中，由绝缘芯子102组分的磁性性质和诸如绝缘芯子 102的横截面积等电感的几何方面来确定L，即由导电部分106形成的一圈电路(one-turn circuit)的电感。由麦克斯韦方程施加的边界条件要求通过导电部分106的电流Io 130 在真空室104的导电部分106的外表面上。在真空室104内，除不导电间隙108的区域之 外，由于施加的电压V或电流Io而不存在电场或磁场，其中，电场Ee由几何结构给定为近似 V/d，其中，d是不导电间隙108的间隙长度d 110。绝缘芯子102的作用是提供耦合到电源 122的有限电感性阻抗，用dlo/dt = V/L来限制电流Io 130。仍考虑理想化情况，将用qV的能量增益来使穿过(traverse)真空室104中的不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于使带电粒子加速的系统，包括：ａ）绝缘芯子；ｂ）真空室，围起抽真空式区；ｃ）电源，具有相关联的电引线；以及ｄ）至少一个磁体，被设置为产生磁引导场；其中，所述绝缘芯子形成完整的磁路；其中，所述真空室围绕所述绝缘芯子的一部分；其中，所述真空室包括导电部分和不导电间隙；其中，所述至少一个磁体被设置为产生磁引导场，该磁引导场适合于在被所述真空室围起的抽真空式区内部的路径周围沿着稳定的轨道引导带电粒子；以及其中，所述电源及相关联的电引线被设置为在所述真空室的所述不导电间隙两端提供电压。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2008-1-9 61/019944一种用于使带电粒子加速的系统，包括a)绝缘芯子；b)真空室，围起抽真空式区；c)电源，具有相关联的电引线；以及d)至少一个磁体，被设置为产生磁引导场；其中，所述绝缘芯子形成完整的磁路；其中，所述真空室围绕所述绝缘芯子的一部分；其中，所述真空室包括导电部分和不导电间隙；其中，所述至少一个磁体被设置为产生磁引导场，该磁引导场适合于在被所述真空室围起的抽真空式区内部的路径周围沿着稳定的轨道引导带电粒子；以及其中，所述电源及相关联的电引线被设置为在所述真空室的所述不导电间隙两端提供电压。2.权利要求1的系统，还包括被设置为屏蔽被设置为产生磁引导场的所述至少一个磁 体的导电材料。3.权利要求1的系统，其中，被设置为产生磁引导场的所述至少一个磁体是不导电的。4.权利要求3的系统，其中，被设置为产生磁引导场的所述至少一个磁体包括铁氧体 材料。5.权利要求1的系统，其中，所述磁引导场是固定场交变梯度场。6.权利要求1的系统，其中，所述绝缘芯子包括高磁导率材料。7.一种使带电粒子加速的方法，包括a)提供i)绝缘芯子； )真空室，围起抽真空式区；iii)电源，具有相关联的电引线；以及iv)至少一个磁体，被设置为产生磁引导场； 其中，所述绝缘芯子形成完整的磁路；其中，所述真空室围绕所述绝缘芯子的一部分； 其中，所述真空室包括导电部分和不导电间隙；其中，所述至少一个磁体被设置为产生磁引导场，该磁引导场适合于在被所述真空室 围起的抽真空式区内部的路径周围沿着稳定的轨道引导带电粒子；以及其中，所述电源及相关联的电引线被设置为在所述真空室的所述不导电间隙两端提供 预定电压；b)在所述绝缘芯子中产生磁场；c)产生磁引导场，该磁引导场适合于在被所述真空室围起的抽真空式区内部的路径周 围沿着稳定的轨道引导带电粒子；d)借助于所述电源及相关联的引线在所述不导电间隙两端施加预定电压；e)向被所述真空室围起的抽真空式区中注入带电粒子射束；以及f)允许带电粒子被所述磁引导场引导在抽真空式区内部的路径周围沿稳定轨道环流 并被由所述预定电压在所述不导电间隙两端感生的电场加速。8.权利要求7的方法，还包括从所述抽真空式区提取所加速射束的至少一部分。9.权利要求7的方法，还包括提供被设置为屏蔽被设置为产生磁引导场的所述至少一 个磁体的导电材料。10.权利要求7的方法，其中，被设置为产生磁引导场的所述至少一个磁体是不导电的。11.权利要求10的方法，其中，被设置为产生磁引导场的所述至少一个磁体包括铁氧 体材料。12.权利要求7的方法，其中，所述磁引导场是固定场交变梯度场。13.权利要求7的方法，其中，所述绝缘芯子包括高磁导率材料。14.一种用于使带电粒子加速的系统，包括a)绝缘芯子；b)真空室，围起抽真空式区；c)电源；d)线圈；以及e)至少一个磁体，被设置为产生磁引导场；...

【专利技术属性】
技术研发人员：W贝尔托奇，SE科尔布利，RJ勒杜瓦，
申请(专利权)人：护照系统公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]