Тандем-генераторы

Существуют и эксплуатируются комбинирован­ные ускорители Ван де Граафа, двух- и трехступенчатые тандемные ускорители. Схема двухступенчатого тандемного ускорителя представлена на рис. 29.

Рис. 29. Схема двухступенчатого тандем-генератора: 1— источник положительных ионов; 2 — канал перезарядки; 3 — анализирующий ма­гнит; 4 - пучок отрицательных ионов; 5 — канал обдирки; 6 — положительный высоко­вольтный электрод; 7 — зарядная лента; 8 — пучок положительных ионов; 9 — магнит­ный анализатор; 10 — переключающий магнит; 11 — мишень.

Ускоритель имеет две последовательно соединенные трубки, каждая на полное электрическое напряжение U. Средняя точка генератора, заменяющая кондуктор ускорителя обычного исполнения, находится под полным потенциалом. Про­тивоположные концы у трубок заземлены. Транспортер зарядов один, он показан рядом с левой трубкой ускорителя.

Принцип действия такого двухступенчатого генератора со­стоит в следующем. Положительные ионы, выходящие из источ­ника и находящиеся под потенциалом земли, поступают в спе­циальное перезарядное устройство. Оно представляет собой газовую или твердую мишень, в которой положительные ионы не только нейтрализуются захватом электронов, но и получают до­полнительный электрон и приобретают отрицательный заряд. После поворота в анализирующем магните они направляются далее в ускорительную трубку и ускоряются полным напряже­нием генератора, приобретая энергию, например, 5 Мэв. В сред­ней части ускорителя установлено второе перезарядное устрой­ство так называемый канал обдирки. Здесь, проходя через газо­вую или твердую мишень, в результате столкновения с атомами газа отрицательные ионы теряют по два электрона и становятся положительными. Они начинают ускоряться дальше, двигаясь в том же направлении, и приобретают дополнительную энергию, равную U Мэв. Таким образом, полная энергия ионов при выходе их из второй трубки равна 2U, т. е. двойной энергии обычного генератора. При напряжении генератора, например, 5 Мэв, можно получить ускорение протонов до энергии 10 Мэв. Опера­ция перезарядки приводит к резкому снижению интенсивности пучка, поэтому интенсивность тандемных генераторов сравни­тельно низкая — порядка единиц микроампера.

Тандем-генераторы в большинстве случаев имеют горизон­тальное исполнение. Это вызвано тем, что их осевая длина весьма велика и здание при вертикальном исполнении генератора было бы слишком высоким. Обеспечить механическую прочность при го­ризонтальном исполнении для тандема проще, чем для обычного генератора. Здесь нет консольного расположения основной ко­лонны. Оба конца ее находятся под потенциалом земли и могут быть прочно закреплены. Напряжения растяжения при изгибе уменьшаются осевым сжатием системы силой около 20 т.

На рис. 30 показана схема трехступенчатого тандемного ускорителя.

Рис. 30. Схема трехступенчатого тандем-генератора: 1 — ионный источник; 2 — пучок положительный ионов; 3 — очищающий магнит; 4 — канал газовой нейтрализации; 5 — канал газовой перезарядки; 6 — отрицательный кон­дуктор; 7 — ленточный транспортер; 8 — пучок отрицательных ионов;3 — положитель­ный кондуктор; 10 — канал газовой обдирки; 11 — пучок положительных ионов; 12 — магнитный анализатор; 13 — переключающий магнит; 14 — мишень.

Здесь последовательно соединены два сдвоенных генератора, однако общая энергия машины не в четыре, а только в три раза больше энергии соответствующего одиночного генера­тора. Принцип действия такой системы ясен из чертежа. Утрое­ние, а не учетверение энергии получается в результате того, что, пройдя канал газовой нейтрализации при входе в первый уско­ритель, частицы проходят первую трубку в виде нейтральных ато­мов и не получают приращения энергии.

Следует остановиться несколько подробнее на причинах, по которым два последовательно соединенных тандем-генератора яв­ляются трех-, а не четырехступенчатой системой. Как показано на рис. 30, правая первая ступень первого генератора работает вхолостую. По трубке этой ступени проходят нейтральные частицы. Но нельзя ли вместо нейтральных частиц инжектиро­вать положительные, перезарядив их в первом кондукторе и пре­вратив в отрицательные, и получить таким образом учетверение энергии? Такая схема невозможна из-за того, что реакция пере­зарядки ионов (положительные — отрицательные) при больших энергиях имеет очень малое сечение. Так, например, при энергии положительных ионов 11 кэв выход отрицательных составляет 2,5 %. При энергии 70 кэв этот выход падает до 0,3 %. Далее, при энергии больше 200 кэв выход отрицательных ионов обратно про­порционален кубу энергии. Таким образом, при энергии первой ступени, например, 5 Мэв, перезарядка в первом кондукторе прак­тически не дает выхода отрицательных ионов.

Можно рассмотреть другой вариант, когда вместо тандем-генератора первая машина представляет собою одноступенчатый генератор с источником отрицательных ионов, расположенным внутри кондуктора. Такая система несколько дешевле, но она лишает установку очень важного преимущества — расположения источника ионов под потенциалом земли. Источники отрицатель­ных ионов сложнее источников положительных. Они требуют больше места и большей мощности системы питания, Установка источника в доступном для обслуживания месте позволяет уве­личить ток ионов, что для тандем-генератора крайне важно. Превращение нейтральных атомов в отрицательные ионы так же, как и отрицательных в положительные особых трудностей не вы­зывает и достигается пропусканием пучка через газовую или твер­дую среду. Обычно перезарядный канал представляет собой трубку диаметром около 6 мм и длиной 50…80 см, наполненную кислородом при давлении порядка 10^-2 мм рт. ст. В качестве твердой среды обычно используется очень тонкая полупрозрачная угольная пленка. Она получается путем напыления угля от вольтовой дуги в вакууме на полированную поверхность.