用于改变带电粒子束的方向的方法和设备技术

本发明专利技术涉及包括用于定向带电粒子、实现其加速和交互、以及产生由其运动引起的辐射的手段（即，用于改变加速带电粒子束的方向的方法、用于实现所述方法的设备）、波荡器电磁辐射源、带电粒子的线性和循环加速器、以及对撞机和用于产生由加速带电粒子流创建的磁场的装置的组。该方法以及实现该方法的设备基于对用于传送粒子的由能够充电的材料制成的弯曲通道（1）的使用、以及与粒子种类相同的电荷在通道内表面上的形成。这些发明专利技术的特征在于，它们需要维持使粒子的能量和电荷与通道的几何参数（特别是其纵轴（14）的曲率半径R）以及壁材料的电气强度相关的条件。该组中的其他设备包括用于改变射束方向的设备，该设备根据相应设备的功能将粒子的轨迹限定在这些设备内部以产生所需形状，并且使射束聚焦。技术效果是有可能具体地通过消除对磁体以及这些设备的电源电压源和控制电压源的需求来在不损失强度的情况下使射束旋转大角度、显著地简化设计、以及同时减小所有设备的质量和尺寸。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】改变粒子束的方向的方法和设备、辐射源、加速器、对撞机、用于获取磁场的装置本专利技术涉及工程物理学，更具体地涉及用于控制带电粒子的运动、提供其加速和交互、且接收在其运动期间发生的辐射的装置，即：改变加速带电粒子(电子、质子、离子)束的运动方向的方法、用于实现该方法的设备、波荡器电磁辐射源、带电粒子的线性和循环加速器、对撞机、以及接收由加速带电粒子的电流产生的磁场的装置，这些装置都包括所述设备。使用改变带电粒子束的运动方向、使那些粒子的电荷与电极电荷相关于粒子轨迹的行进进行交互、或者使运动粒子的电荷与磁场进行交互的方法是众所周知和广泛流传的。具体而言，在电子束管的射束偏转系统中使用这些方法(电子仪器设备百科词典，莫斯科，“苏联百科全书(SovietEncyclopedia)”[1]出版社，第357-358页)在将带电粒子束的动能转换成电磁辐射能量的设备中也可使用类似的方法，这些设备包含产生磁场的一系列交替的电极或磁体，该磁场的方向沿着该设备周期性地改变(参见物理学百科全书，“俄罗斯综合百科全书(ComprehensiveRussianEncyclopedia)”出版社，莫斯科，1998[2]第3卷第406-409页以及[1]第339页)在存储环以及带电粒子的循环加速器中也可使用基于在磁场的帮助下控制带电粒子束的方法(参见[2]第3卷第241页、第5卷第246-253页、以及[1]第572页)。所述一组方法以及实现该方法的设备的共同特征是需要电压及其控制的外部源。因此，实现这些方法需要复杂的装备。使用受控磁场的设备特别复杂并且在重量和尺寸方面特别大。然而，这些方法和设备允许射束以大角度转向，从而提供带电粒子沿着形状错综复杂的弯曲轨迹运动。另一组用于改变带电粒子束的运动方向的方法以及实现该方法的设备是已知的。该组的方法之一想要在其界面间隙内部使用弯曲晶体以及隧穿(channeling)带电粒子(N.F.Shul'ga、V.I.Truten'、I.V.Kirillin的快速带电粒子束通过弯曲晶体(PassageoftheBeamsofFastChargedParticlesthroughtheBentCrystal)，“哈尔科夫大学的先驱(HeraldoftheKharkivUniversity)”，No.887，2010，物理丛书“原子核、粒子、磁场”，1/45/期，第54-64页[3])。在文献[3]给出的示例中，带正电粒子束的转向角等于250微弧度。USSR专利技术人证书No.1064792[4](1985年1月15日公布)描述了基于那些原理的方法和设备，其允许使初始射束的分离部分转动不同的角且随后使其聚集以实现聚焦。然而，如在专利技术人证书[4]中提及的，只有初始射束的约5％的粒子可暴露于变换模式。此外，由于关于电子的散射以及晶格原子的热振荡，将晶体的界面间隙用于粒子的输送对粒子停留在通道中的时间施加了相当大的限制。例如，在射束中电子有约1GeV能量的情况下，特征隧穿长度接近于1微米，即所输送粒子极快地去通道化。此组的其他方法和设备使用来自弯曲晶体或直晶体的若干顺序反射来使粒子束转动。在第一种情况下，使用与弯曲原子面正切的区域中的带电粒子的若干顺序反射，从而导致粒子在相反方向上相对于弯曲部的偏离(物理学之带电粒子束和加速装备，“基础物理学的新闻和问题(NewsandProblemsofFundamentalPhysics)”，俄罗斯联邦国家研究中心，高能量物理学学会(Protvino)，2010，No.1(8)，第28-39页[5])。然而，这些设备在转动离子束方面的效率随着射束转向角的增大而急剧地下降(例如，对于质子束，介于在0.6°的转向角为0.1与在4.5°的角为0.001之间)。该组方法和设备的共同优点在于，其完全无源性、既不需要电源也不需要控制。此外，经由其传输通过具有圆形截面的直介电通道来实现带电粒子束的运动方向的改变，所述运动方向被调整成与初始粒子束的方向成一角度(参见N.Stolterfoht、V.Hoffmann、R.Hellhammer等人的“3keVNe7+离子通过在PET聚合物中蚀刻的毫微毛细管的导向传输(Guidedtransmissionof3keVNe7+ionsthroughnanocapillariesetchedinaPETpolymer)”，“物理研究部分B中的核仪器和方法：与材料和原子的射束交互(NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchSection.B:BeamInteractionswithMaterialsandAtoms)”，第203卷，2003年4月，第246-253页[6])。这些方法和设备表征为传输对转向角的强依赖性：在20°的转向角，通道出口处的粒子束的强度比入口处的粒子束的强度小两个数量级。该组还包括在文献[7](K.A.Vokhmyanina的使用介电通道控制正离子束(ControllingtheBeamsofPositiveIonsUsingDielectricChannels)，物理数学学科的候选论文(Dissertationforthedegreeofcandidateofphysico-mathematicalsciences)，莫斯科，MGU，2007年)第81-96页中描述的方法和设备。该设备表示一对平行的介电晶片，其间的间隙形成带电粒子输送的通道。射束转向可通过两个选项之一来实现。第一选项实质上与在文献[6]中描述的没有区别：作为所述平行晶片的平面的上述通道相对于初始射束的方向调整一角度。根据第二选项，首先通过其中所述平面与射束方向平行地对齐的通道传送射束。然后，两个平面绕与其垂直的轴转动某一角度。在平面的小转向角处(具有1°÷2°的数量级)，通道出口处的射束变成几乎转向相同的角度。该方法无法被认为是方便的，因为与先前的方法相比，在通道出口处，有必要首先获取其方向与初始方向一致的射束，即该设备无法即时配置成获取具有所需方向的射束。此外，可实现的转向角小。除了最后一种方法的所述不便以外，与先前相同的该组方法和设备的共同积极特征在于，它们既不需要电源也不需要复杂的控制。以类似优点为特征的用于改变加速带电粒子束的方向的其他方法和设备也是已知的。该组的方法和设备在日本专利申请No.2005-185522[8](2007年1月11日公布)以及WeiWang、DejunQi、DeyangYu等人的文章“低能量电子通过SiO2管的传输(Transmissionoflow-energyelectronsthroughSiO2tube)”(“物理学期刊：会议丛书(JournalofPhysics:ConferenceSeries)”，163(2009)012093(IOP公布)，第1-4页[9])中进行了描述。在两种方法中，通过弯曲毛细管通道传送的射束来提供带电粒子束的运动方向的改变。在该实例中，根据申请[8]，经由从入口到出口变窄的锥形通道来进行传送，并且根据文章[9]，经由具有恒定直径的通道来进行传送。在该组的方法中(与在前一组方法中一样)，确定通过通道传送射束的可能性的因素是存在介电通道壁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.06.08 RU 20111229451.一种用于改变加速的带电的粒子的束的运动方向的方法，其中所述束的转向通过其注射到弯曲的通道中来执行，所述弯曲的通道具有能够起电的材料制成的壁、且在存在其电荷符号与所述粒子的束的电荷符号相同的壁的起电的情况下通过所述通道传送所述束，其特征在于，所述通道具有平滑线形状的纵轴，并且通过满足以下比率来执行加速的带电的粒子通过所述通道的传送，所述比率使所述束中的所述粒子的能量E和电荷Q与所述壁材料的介电强度Ues和所述通道的几何参数相关，所述通道的几何参数即所述纵轴的曲率的最小半径R、所述壁的最小厚度d、以及位于所述通道的内表面的相同法线上的通道截面中的所述内表面的两个点之间的最长距离h：E/Q<RdUes/h。2.一种用于改变加速的带电的粒子的束的运动方向的设备，所述设备包含用于传送所述粒子的弯曲的通道，所述通道的壁由能够起电的材料制成，其特征在于，所述通道制成具有平滑线形状的纵轴，通过以下比率使所述纵轴的曲率的最小半径R与设计所述设备进行操作的所述粒子的束的最高能量E和电荷Q相关，所述比率还包括所述通道的壁的最小厚度d、所述通道的壁材料的介电强度Ues、以及位于所述通道的内表面的相同法线上的通道截面中的所述内表面的两个点之间的最长距离h：E/Q<RdUes/h。3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述通道的壁的内表面具有圆形截面。4.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述通道的壁的内表面由两个平坦表面构成，并且其截面具有两段平行直线的外观。5.一种带电的粒子的线性加速器，所述线性加速器包含具有平滑弯曲部的加速管道，所述线性加速器具有用于使带电的粒子的束在运动通过所述加速管道的过程中聚焦的装置、还具有沿着加速管道排列以提高所述带电的粒子的束的运动速度的装置，其特征在于，具有用于使所述带电的粒子的束在运动通过所述加速管道的过程中聚焦的装置的所述加速管道被制备成用于改变加速带电的粒子的束的运动方向、包含用于传送所述粒子的弯曲的通道的设备，所述通道的壁由能够起电的材料制成，所述通道制成具有平滑线形状的纵轴，通过以下比率使所述纵轴的曲率的最小半径R与设计所述线性加速器进行操作的所述加速的带电的粒子的束的最高能量E和电荷Q相关，所述比率还包括所述通道的壁的最小厚度d、所述通道的壁材料的介电强度Ues、以及位于与所述通道的内表面的相同法线上的通道截面中的所述内表面的两个点之间的最长距离h：E/Q<RdUes/h。6.如权利要求5所述的线性加速器，其特征在于，用于提高通过所述加速管道的带电的粒子的运动速度的所述装置变成静电的，作为依次成对排列且沿着所述通道间隔开的具有相反极性的电极，每一对中的在所述粒子运动方向上的第一电极是其极性与要加速的所述粒子的电荷符号相反的电极。7.如权利要求5或权利要求6所述的线性加速器，其特征在于，所述平滑线具有蛇形。8.如权利要求5或权利要求6所述的线性加速器，其特征在于，所述平滑线具有圆柱螺旋线形状。9.如权利要求5或权利要求6所述的线性加速器，其特征在于，所述平滑线具有在圆环表面上缠绕的螺旋线形状。10.一种带电的粒子的循环加速器，所述循环加速器包含闭合加速室，所述闭合加速室具有用于使带电的粒子的束在闭合加速室中运动的过程中聚焦的装置、还...

【专利技术属性】
技术研发人员：姆拉丁·阿布比奇罗维奇·库马科夫，
申请(专利权)人：姆拉丁·阿布比奇罗维奇·库马科夫，
类型：
国别省市：