Імпульсний прискорювач — це прискорювальна установка, у якій енергія для прискорення заряджених частинок подається у вигляді коротких електричних або електромагнітних імпульсів. На відміну від багатьох прискорювачів безперервної дії, такі системи формують пучки електронів, протонів або йонів із певною тривалістю імпульсу та частотою повторення. Особливо важливий клас становлять високопотужні імпульсні прискорювачі, які поєднують технології імпульсної енергетики, генераторів високої напруги, імпульсних формувальних ліній, індукційних прискорювальних секцій, вакуумної електроніки та систем транспортування пучка. Такі установки можуть створювати пучки з дуже великим піковим струмом і використовуються у фізиці високих густин енергії, рентгенографії, генерації нейтронів і гамма-випромінювання, дослідженнях матеріалів, термоядерному синтезі та інших галузях.

Термін не позначає одну конкретну конструкцію. Імпульсний режим може бути реалізований у звичайному радіочастотному лінійному прискорювачі, індукційному лінійному прискорювачі, бетатроні, лазерно-плазмовому прискорювачі або у високопотужній системі, де імпульсний генератор безпосередньо формує прискорювальне поле. Тому поняття «імпульсний прискорювач» слід відрізняти від конкретного типу прискорювача.

Основний принцип роботи

Фізична основа прискорення зарядженої частинки визначається силою Лоренца:

F = q(E + v × B)

де:

F — сила, що діє на частинку;

q — електричний заряд частинки;

E — напруженість електричного поля;

v — швидкість частинки;

B — магнітна індукція.

Безпосередньо збільшувати кінетичну енергію частинки може електричне поле. Магнітне поле у звичайному випадку змінює напрямок руху, здійснюючи фокусування або відхилення пучка.

Робота електричного поля над зарядженою частинкою визначається співвідношенням:

W = qU

де U — різниця потенціалів.

Для електрона, що проходить прискорювальну напругу 1 МВ, приріст енергії становить приблизно 1 МеВ, якщо втрати та інші ефекти не враховувати.

В імпульсному прискорювачі напруга U або поле E існують не постійно, а протягом обмеженого проміжку часу. Тому пучок також часто має імпульсну структуру.

Імпульсний режим

Найпростішою характеристикою імпульсу є його тривалість:

tau = t2 – t1

де tau — тривалість імпульсу.

Для періодичної системи частота повторення імпульсів визначається як:

f = 1/T

де T — період між відповідними точками сусідніх імпульсів.

Коефіцієнт заповнення:

D = tau/T

або у відсотках:

D_percent = 100 * tau/T

Імпульсний режим дає змогу отримувати дуже велику пікову потужність, навіть якщо середня потужність установки залишається значно нижчою.

Потужність визначається:

P = dW/dt

а для приблизно прямокутного імпульсу:

P_peak ≈ V_peak * I_peak

Енергія одного електричного імпульсу:

W_pulse = integral(P(t) dt)

Для прямокутного імпульсу:

W_pulse ≈ V * I * tau

Середня потужність при частоті повторення f:

P_average = W_pulse * f

Таким чином, система може накопичувати енергію протягом відносно тривалого часу, а потім вивільняти її за дуже короткий інтервал.

Чим імпульсний прискорювач відрізняється від звичайного прискорювача

У традиційному прискорювачі прискорювальне поле може діяти постійно або періодично з високою частотою. В імпульсному прискорювачі особливе значення має короткочасне накопичення та вивільнення енергії.

Головна відмінність полягає не обов’язково в тому, що частинки рухаються короткими «порціями», а в способі формування прискорювальної енергії.

Наприклад, радіочастотний лінійний прискорювач може працювати імпульсами радіочастотної потужності. Водночас лінійний індукційний прискорювач використовує безпосереднє прикладання короткого імпульсу напруги до прискорювальної секції. Для індукційного прискорювача характерно, що прискорювальна напруга створюється імпульсною магнітною системою без необхідності резонансної RF-камери.

Імпульсна енергетика

Високопотужний імпульсний прискорювач є частиною ширшої галузі, відомої як імпульсна енергетика або pulsed power.

Її завдання полягає у накопиченні відносно великої енергії та її дуже швидкому перетворенні на короткий імпульс електричної потужності. Sandia National Laboratories визначає pulsed power як технологію концентрації електричної енергії у просторі та часі.

Типовий ланцюг має вигляд:

джерело живлення → накопичувач енергії → комутатор → формувач імпульсу → прискорювальна секція → пучок → мішень

Накопичення енергії може здійснюватися в конденсаторах або індуктивностях.

Для конденсатора:

W_C = (1/2) C V^2

де:

W_C — запасена енергія;

C — ємність;

V — напруга.

Для індуктивності:

W_L = (1/2) L I^2

де L — індуктивність, а I — струм.

Саме можливість накопичити енергію, а потім швидко її вивільнити є фундаментальною особливістю високопотужних імпульсних прискорювачів.

Основні типи імпульсних прискорювачів

До імпульсних прискорювальних систем належать кілька принципово різних класів.

Радіочастотні імпульсні прискорювачі використовують RF-поля для прискорення пучків. Радіочастотна потужність подається імпульсами, а самі прискорювальні структури можуть бути нормальнопровідними або надпровідними.

Лінійні індукційні прискорювачі використовують імпульсне магнітне поле для створення прискорювальної напруги. Цей принцип особливо добре підходить для великих струмів електронного пучка.

Бетатрони прискорюють електрони за рахунок електричного поля, індукованого змінним магнітним потоком. Історично бетатрон став одним із найважливіших прикладів індукційного прискорювача. Дональд Керст створив перший працездатний бетатрон в Університеті Іллінойсу в 1940 році.

Високопотужні електронні імпульсні прискорювачі можуть використовувати Marx-генератори, імпульсні формувальні лінії та вакуумні діоди для отримання дуже коротких пучків електронів із великим струмом.

Імпульсні йонні прискорювачі використовуються для формування коротких інтенсивних пучків йонів. Прикладом є NDCX-II, лінійний індукційний прискорювач у США, який формує короткі інтенсивні імпульси йонів.

Лазерно-плазмові прискорювачі використовують ультракороткий лазерний імпульс для створення плазмової хвилі з надзвичайно сильним прискорювальним полем. У цьому випадку імпульсність визначається насамперед лазерним драйвером та динамікою плазми.

Лінійний індукційний прискорювач

Одним із найважливіших різновидів імпульсних прискорювачів є лінійний індукційний прискорювач (Linear Induction Accelerator, LIA).

Його принцип походить від бетатрона, але замість циркуляції електронів по замкненій орбіті використовується лінійний рух пучка через послідовність прискорювальних комірок.

У кожній комірці імпульсне магнітне поле створює електричне поле, паралельне осі пучка. Пучок проходить через багато таких секцій, і його енергія збільшується після кожної з них.

Прискорювальна напруга однієї комірки в ідеалізованому випадку може бути записана як:

V_acc = -N * dPhi/dt

де:

N — ефективне число витків;

Phi — магнітний потік.

Загальна енергія частинки після проходження системи комірок приблизно:

Delta_E = q * sum(V_i)

де V_i — внесок кожної прискорювальної секції.

Для електрона, який проходить сумарну напругу V:

Delta_E = eV

У реальному LIA враховуються навантаження пучком, втрати, неоднорідність поля, фокусування, часовий профіль імпульсу та інші фактори.

На відміну від RF-лінійних прискорювачів, індукційний прискорювач безпосередньо використовує імпульсну потужність і не потребує резонансного прискорення в RF-кавіті.

Індукційні комірки

Індукційна прискорювальна комірка зазвичай містить магнітний осердяний елемент, первинну імпульсну систему та вакуумний канал, через який проходить пучок.

Імпульс струму в первинній обмотці створює змінний магнітний потік. За законом Фарадея це породжує електричну напругу:

V = -dPhi/dt

У прискорювачі ця напруга використовується для прискорення зарядженого пучка.

Велика кількість комірок може послідовно збільшувати енергію пучка. Така архітектура дозволяє створювати високострумові пучки без необхідності формувати надзвичайно високу напругу в одній точці.

Marx-генератор

Одним із найпоширеніших джерел високовольтних імпульсів у високопотужних прискорювачах є Marx-генератор.

Його конденсатори спочатку заряджаються паралельно, а потім за допомогою швидкодіючих комутаторів з’єднуються послідовно.

В ідеалізованому випадку:

V_out ≈ N * V_charge

де N — кількість ступенів, а V_charge — напруга заряджання одного ступеня.

Запасена енергія:

W = N * (1/2) C V_charge^2

з урахуванням реальної схеми, втрат і паразитних параметрів.

Marx-генератори широко використовуються як первинні джерела імпульсної енергії. Наприклад, Z machine компанії Sandia використовує 36 Marx-модулів; кожен модуль має 60 конденсаторів по 2,6 мкФ, які заряджаються паралельно та розряджаються послідовно.

Імпульсна формувальна лінія

Після генератора напруги імпульс може передаватися до pulse-forming line — імпульсної формувальної лінії.

Це спеціальна передавальна лінія, яка накопичує або передає електромагнітну енергію таким чином, щоб сформувати імпульс необхідної тривалості, амплітуди та форми.

Для ідеальної лінії з характеристичним опором:

Z_0 = sqrt(L’/C’)

де L’ — індуктивність на одиницю довжини, C’ — ємність на одиницю довжини.

Швидкість поширення хвилі:

v = 1/sqrt(L’ * C’)

Для однорідної лінії довжиною l час проходження:

t_d = l/v

У багатьох схемах тривалість імпульсу визначається часом проходження хвилі по лінії та назад. Конкретний коефіцієнт залежить від топології.

Blumlein-лінія є спеціальною конфігурацією, яка дозволяє формувати імпульс із корисними властивостями щодо амплітуди та навантаження. Теоретично правильно спроєктована Blumlein-лінія може подавати на узгоджене навантаження імпульс, близький за напругою до початкової напруги заряджання.

Комутатори

Ключовою частиною імпульсного прискорювача є швидкодіючий комутатор.

Його завдання — перевести систему з режиму накопичення енергії в режим її передачі до навантаження або прискорювальної секції.

Використовуються:

  • газові розрядники;
  • іскрові проміжки;
  • тригеровані газові перемикачі;
  • тиристори;
  • MOSFET;
  • IGBT;
  • інші напівпровідникові ключі;
  • твердотільні модульні системи;
  • лазерно-тригеровані перемикачі;
  • плазмові перемикачі.

Вибір комутатора залежить від необхідної напруги, струму, тривалості імпульсу, частоти повторення та допустимого джитеру.

Для одноразових або низькочастотних систем газові комутатори можуть забезпечувати дуже великі імпульсні потужності. Для високої частоти повторення дедалі важливішими стають твердотільні системи.

Дослідження високочастотних індукційних прискорювачів демонстрували твердотільні імпульсні джерела, здатні працювати з високою частотою повторення; один із таких проєктів розглядав багатокілоамперний електронний пучок із частотою повторення до 2 МГц.

Лінійний трансформаторний драйвер

Інший важливий підхід — Linear Transformer Driver (LTD).

LTD складається з великої кількості компактних імпульсних модулів, які передають енергію безпосередньо до навантаження через магнітну індукцію.

Перевагою такої архітектури є можливість модульного масштабування та зменшення паразитної індуктивності.

LTD особливо важливі для сучасної імпульсної енергетики та розглядалися як основа майбутніх високопотужних прискорювачів.

Стиснення імпульсу

Одним із головних завдань імпульсного прискорювача є компресія енергії в часі.

Якщо енергія W спочатку накопичується протягом часу t_charge, а потім вивільняється протягом t_pulse, то відношення характерних потужностей приблизно:

P_pulse/P_charge ≈ t_charge/t_pulse

Наприклад, якщо енергія накопичувалася протягом 1 секунди, а вивільняється за 100 нс:

t_charge/t_pulse = 1 / 10^(-7) = 10^7

Тобто миттєва потужність може бути приблизно на сім порядків вищою за середню потужність процесу заряджання, якщо нехтувати втратами.

Саме ця властивість дозволяє імпульсним установкам досягати гігантських пікових потужностей.

Електронний пучок

Одним із найпоширеніших типів пучків у високопотужних імпульсних прискорювачах є електронний.

Енергія електрона визначається його релятивістським фактором:

E = gamma * m_e * c^2

де:

gamma = 1/sqrt(1 – v^2/c^2)

Кінетична енергія:

E_k = (gamma – 1) * m_e * c^2

Для електронів при великих енергіях релятивістські ефекти є визначальними.

Потужність пучка можна приблизно записати:

P_beam = V_beam * I_beam

або:

P_beam = (E_particle/e) * I_beam

де E_particle — енергія однієї зарядженої частинки, а I_beam — струм пучка.

Наприклад, електронний пучок із великою напругою та кілоамперним струмом може переносити гігантську пікову потужність навіть за дуже короткої тривалості.

Струм пучка

Для пучка заряджених частинок:

I = dQ/dt

де Q — заряд, що проходить через поперечний переріз пучка.

Якщо в імпульсі міститься N частинок із зарядом q:

Q = Nq

а середній струм імпульсу:

I_average = Q/tau

або:

I_average = Nq/tau

Для електронів:

Q = -Ne

за знаком заряду, тоді як величина струму:

|I| = Ne/tau

Емітер і інжектор

Перед прискоренням частинки необхідно створити пучок.

Електронний інжектор може використовувати:

  • термоемісію;
  • фотоефект;
  • польову емісію;
  • плазмовий катод;
  • інші методи генерації електронів.

У високострумових імпульсних системах часто потрібен катод великої площі, здатний сформувати значний струм за дуже короткий час.

Якість катода безпосередньо впливає на однорідність і стабільність пучка.

Просторовий заряд

Для високострумових пучків важливим фактором є просторовий заряд.

Електрони відштовхуються один від одного, тому сильнострумовий пучок має тенденцію до розширення.

Електростатичні сили можуть бути частково компенсовані магнітним фокусуванням, а в деяких системах — плазмовою нейтралізацією.

Тому високострумовий прискорювач потребує не лише прискорювальної системи, а й складної системи транспортування та фокусування пучка.

Магнітне фокусування

Для керування пучком використовуються:

  • соленоїди;
  • квадрупольні магніти;
  • октупольні системи;
  • дипольні магніти;
  • електромагнітні лінзи;
  • плазмові системи фокусування.

Для зарядженої частинки в однорідному магнітному полі характерний ларморівський радіус:

r_L = p_perp/(|q|B)

де p_perp — компонента імпульсу, перпендикулярна до магнітного поля.

У релятивістському випадку:

p = gamma * m * v

Сильне фокусування необхідне для збереження малого поперечного розміру пучка під час його проходження через прискорювач.

Емітанс

Якість пучка описується, зокрема, його емітансом.

Емітанс характеризує площу, яку пучок займає у фазовому просторі координата–імпульс.

Малий емітанс означає, що пучок можна сфокусувати в малу пляму без надмірного розходження.

Для високопотужних прискорювачів це критично, оскільки ціль може мати дуже малий ефективний розмір.

Транспортування пучка

Після прискорення пучок необхідно доставити до експериментальної камери або мішені.

Типовий тракт:

інжектор → прискорювач → транспортна лінія → фокусувальна система → мішень

У транспортній лінії можуть використовуватися магнітні лінзи, квадруполі, диполі, коригувальні магніти, діагностичні пристрої та вакуумне обладнання.

Для імпульсних систем особливого значення набуває синхронізація всіх елементів.

Джиттер

Джиттер — це випадкове або систематичне відхилення моменту спрацьовування імпульсу від заданого часу.

Якщо тривалість імпульсу становить лише кілька наносекунд, навіть невелика часовa похибка може суттєво вплинути на експеримент.

Тому в сучасних системах використовують:

  • оптичну синхронізацію;
  • тригеровані комутатори;
  • точні генератори затримки;
  • цифрові системи керування;
  • діагностику моменту проходження пучка.

Для деяких імпульсних систем джиттер має бути значно меншим за тривалість основної частини імпульсу.

Форма імпульсу

Не завжди потрібен максимально короткий імпульс.

У багатьох експериментах важлива конкретна форма:

  • прямокутна;
  • гаусова;
  • трикутна;
  • синусоїдальна;
  • пікова;
  • ступінчаста;
  • спеціально сформована.

Загальний вигляд струму можна позначити:

I = I(t)

а напруги:

V = V(t)

Тоді потужність:

P(t) = V(t) * I(t)

а енергія:

W = integral(V(t) * I(t) dt)

Форма імпульсу може визначати кінцевий стан пучка та досліджуваного об’єкта.

Узгодження імпедансу

Для ефективної передачі енергії необхідно узгоджувати імпеданси різних частин системи.

Характеристичний опір передавальної лінії:

Z_0 = sqrt(L’/C’)

Для навантаження Z_L коефіцієнт відбиття:

Gamma = (Z_L – Z_0)/(Z_L + Z_0)

При:

Z_L = Z_0

отримуємо:

Gamma = 0

тобто відбиття відсутнє в ідеалізованому випадку.

Для високопотужних імпульсних прискорювачів правильне узгодження є особливо важливим через надзвичайно короткі часові масштаби.

Паразитна індуктивність

Важливою проблемою є паразитна індуктивність.

Для індуктивності напруга визначається:

V_L = L * dI/dt

Якщо струм змінюється дуже швидко, навіть невелика паразитна індуктивність створює значну небажану напругу.

Наприклад, при великому dI/dt кілька наногенрі можуть стати суттєвим елементом всієї схеми.

Тому високопотужні імпульсні системи проєктують із дуже короткими та широкими струмовими шляхами, коаксіальними структурами, малими петлями струму та ретельним електромагнітним моделюванням.

Діелектричні середовища

У високовольтних системах застосовують:

  • вакуум;
  • трансформаторну оливу;
  • деіонізовану воду;
  • тверді діелектрики;
  • гази під тиском;
  • комбінації різних ізоляційних середовищ.

Вода, наприклад, може виконувати одночасно роль діелектрика та середовища для формування імпульсної передавальної лінії.

У Z machine Sandia використовується водяний проміжний накопичувач; кожен Marx-модуль передає енергію в циліндричний водяний конденсатор, після чого енергія передається далі за допомогою швидкодіючого комутатора.

Вакуумна система

Для електронних та йонних пучків необхідний високий вакуум.

Залишковий газ може призводити до:

  • розсіювання частинок;
  • іонізації;
  • утворення плазми;
  • електричного пробою;
  • нестабільності пучка;
  • втрат енергії;
  • пошкодження компонентів.

Тому вакуумна система є невід’ємною частиною імпульсного прискорювача.

Діод

У багатьох високопотужних електронних прискорювачах останньою частиною системи є вакуумний діод.

На катоді створюється електронна емісія, а прискорювальне поле направляє електрони до анода.

Для грубої оцінки струму у вакуумному діоді може використовуватися закон Чайлда—Ленгмюра. Для плоского діода:

J = (4/9) * epsilon_0 * sqrt(2e/m_e) * V^(3/2)/d^2

де:

J — густина струму;

epsilon_0 — електрична стала;

e — елементарний заряд;

m_e — маса електрона;

V — напруга;

d — міжелектродна відстань.

У реальних імпульсних системах геометрія, магнітне поле, плазма, релятивістські ефекти та часові залежності можуть істотно змінювати цю просту модель.

Релятивістські ефекти

Якщо енергія частинки стає порівнянною з її енергією спокою, нерелятивістські формули стають непридатними.

Для електрона:

m_e c^2 ≈ 0.511 МеВ

Для протона:

m_p c^2 ≈ 938.3 МеВ

Релятивістська кінетична енергія:

E_k = (gamma – 1)mc^2

а імпульс:

p = gamma m v

Це особливо важливо для електронних прискорювачів із енергіями в діапазоні від кількох сотень кеВ до десятків МеВ і вище.

Енергетичний баланс

Ефективність прискорювача можна характеризувати як:

eta = E_beam/E_input

де:

E_beam — енергія пучка;

E_input — енергія, отримана від первинного джерела.

У реальній системі:

E_input = E_storage + losses

Втрати виникають у:

  • комутаторах;
  • кабелях;
  • передавальних лініях;
  • магнітних осердях;
  • діелектриках;
  • вакуумних компонентах;
  • випромінюванні;
  • пучку, що не потрапив у ціль;
  • системах охолодження.

Для високочастотних систем дедалі важливішою стає не лише пікова, а й середня ефективність.

Пікова та середня потужність

Це одна з найважливіших особливостей імпульсної енергетики.

Наприклад, якщо:

W_pulse = 10 MJ

а:

tau = 100 ns

то для ідеалізованого прямокутного імпульсу:

P_peak = W_pulse/tau

P_peak = 10^7 J / 10^(-7) s

P_peak = 10^14 W

тобто:

P_peak = 100 TW

Це не означає, що установка постійно виробляє 100 ТВт. Йдеться лише про миттєву потужність протягом дуже короткого імпульсу.

Саме тому імпульсні установки можуть мати пікову потужність, яка на багато порядків перевищує їхню середню потужність.

Імпульсний прискорювач і фізика високих густин енергії

Високопотужні імпульсні прискорювачі є одним із головних інструментів фізики високих густин енергії.

Вони дозволяють за короткий час передати величезну енергію:

  • електронному пучку;
  • йонному пучку;
  • плазмі;
  • дротяній матриці;
  • металевій мішені;
  • іншому експериментальному навантаженню.

У результаті можна створювати надзвичайно високі температури, тиски, магнітні поля та густини енергії.

Z machine

Найвідомішим прикладом надпотужної імпульсної установки є Z machine у Sandia National Laboratories.

Z є найбільш потужною імпульсною силовою установкою та рентгенівським джерелом Sandia. Вона стискає електричну енергію в просторі та часі, створюючи надзвичайно великі струми та рентгенівські імпульси. За сучасними даними Sandia, машина працює зі струмами близько 26 MA, а пікове рентгенівське випромінювання може досягати приблизно 350 TW при виході рентгенівської енергії близько 2,7 MJ.

Загальна архітектура Z включає Marx-генератори, проміжні водяні накопичувачі, лазерно-тригеровані комутатори та систему передачі імпульсу до центрального навантаження.

Z використовується для досліджень:

  • фізики високих густин енергії;
  • властивостей матеріалів при екстремальних тисках;
  • потужних рентгенівських джерел;
  • інерційного термоядерного синтезу;
  • магнітоінерційного синтезу;
  • астрофізичних процесів.

Sandia National Laboratories відносить Z до центральних установ своєї програми імпульсної енергетики.

DARHT

Іншим відомим класом є Dual-Axis Radiographic Hydrodynamic Test Facility (DARHT) у Los Alamos National Laboratory.

DARHT використовує лінійні індукційні прискорювачі для генерації високопотужних електронних пучків, які перетворюються на рентгенівське випромінювання на мішені.

Другий прискорювальний канал DARHT-II є багатосекційним LIA. Під час експлуатаційних випробувань він забезпечував пучок приблизно 2 кА та понад 17 МеВ із плоскою частиною імпульсу тривалістю понад 1,6 мкс.

Система застосовується для швидкісної рентгенографії щільних об’єктів у динамічних процесах.

Saturn

Saturn — ще один потужний імпульсний рентгенівський прискорювач Sandia.

Він є модульним джерелом рентгенівського випромінювання зі змінним спектром. Saturn може використовувати різні типи гальмівних діодів і плазмових джерел випромінювання.

Одне з основних призначень Saturn — створення рентгенівських середовищ для дослідження впливу інтенсивного випромінювання на електроніку та матеріали.

HERMES III

HERMES III — високопотужний імпульсний електронний прискорювач Sandia, призначений насамперед для створення інтенсивного гамма-випромінювання.

Назва розшифровується як High-Energy Radiation Megavolt Electron Source.

Установка використовується як симулятор гамма-випромінювання та належить до ключових імпульсних прискорювальних систем Sandia.

NDCX-II

NDCX-II — приклад імпульсного йонного прискорювача.

Це лінійний індукційний прискорювач, здатний формувати короткі інтенсивні йонні імпульси. У дослідженнях на NDCX-II отримували імпульси тривалістю близько 2 нс, десятки нКл заряду на імпульс і кінетичну енергію йонів приблизно до 1,1 МеВ.

Такі пучки використовуються для дослідження взаємодії інтенсивних йонних імпульсів із матеріалами.

MAGPIE

MAGPIE — Mega Ampere Generator for Plasma Implosion Experiments — є прикладом імпульсної системи, яка використовується для досліджень плазми.

Установка Imperial College London використовує чотири Marx-банки, чотири pulse-forming lines та вертикальну передавальну лінію. Система формує імпульс із піковим струмом близько 1,4 MA і часом наростання приблизно 250 нс.

Імпульсні прискорювачі та рентгенівське випромінювання

Високоенергетичний електронний пучок можна направити на металеву мішень.

При гальмуванні електронів у кулонівському полі атомних ядер виникає гальмівне випромінювання.

Енергія фотона може бути значною частиною енергії електрона, а максимальна енергія фотона в ідеалізованому випадку не перевищує енергію падаючого електрона:

E_gamma,max ≈ E_e

Імпульсний електронний прискорювач тому може бути основою потужного імпульсного рентгенівського джерела.

Саме такий принцип використовується в багатьох системах рентгенографії швидкоплинних процесів.

Імпульсні прискорювачі та гамма-випромінювання

Якщо електронний пучок має достатню енергію, гальмівне випромінювання може містити гамма-кванти.

Високопотужні установки можуть створювати короткі імпульси інтенсивного гамма-випромінювання.

HERMES III є прикладом системи, спеціально орієнтованої на створення гамма-випромінювання для радіаційних випробувань.

Імпульсні прискорювачі та нейтрони

Імпульсний пучок заряджених частинок можна направити на відповідну мішень, унаслідок чого виникають ядерні реакції з утворенням нейтронів.

Важливо, що нейтрони електрично нейтральні, тому безпосередньо прискорити їх електричним полем неможливо.

Замість цього прискорюють заряджені частинки, наприклад протони або електрони, а потім використовують ядерні реакції для генерації нейтронів.

Імпульсний режим особливо корисний для методів time-of-flight, де час прибуття нейтронів використовується для визначення їхньої енергії.

Імпульсні прискорювачі та термоядерний синтез

Імпульсна енергетика є одним із підходів до створення екстремальних умов, необхідних для досліджень інерційного та магнітоінерційного термоядерного синтезу.

Основна ідея полягає в тому, щоб передати енергію до плазми за дуже короткий час.

Можуть використовуватися:

  • електронні пучки;
  • йонні пучки;
  • Z-пінч;
  • дротяні матриці;
  • магнітні поля;
  • лазерні системи.

У Z machine електричний імпульс створює надзвичайно сильний струм через навантаження, що породжує потужне магнітне поле. Це поле використовується для стиснення плазми та створення рентгенівського випромінювання.

Імпульсні прискорювачі та Z-пінч

У Z-пінчі через плазму пропускають дуже великий струм.

Магнітне поле навколо провідника приблизно:

B = mu_0 I/(2pir)

де:

mu_0 — магнітна стала;

I — струм;

r — відстань від осі.

Магнітний тиск:

p_mag = B^2/(2*mu_0)

Таким чином, збільшення струму різко збільшує магнітний тиск.

Саме тому мегамперні імпульсні прискорювачі можуть використовуватися для створення надзвичайних тисків у плазмі.

Імпульсні прискорювачі та динаміка матеріалів

Високоінтенсивний пучок може створити в матеріалі:

  • ударну хвилю;
  • сильне нагрівання;
  • фазові переходи;
  • пластичну деформацію;
  • руйнування;
  • надвисокі тиски.

Деякі сучасні концепції імпульсних прискорювачів спеціально проєктувалися для досягнення тисків порядку терапаскалів у матеріалах. Наприклад, концепція Thor була орієнтована на мегаджоульний клас енергії та створення тисків до приблизно 1 ТПа у сантиметрових зразках.

Радіографія швидкоплинних процесів

Одна з найважливіших сфер застосування — імпульсна рентгенографія.

Якщо тривалість рентгенівського спалаху дуже мала, можна отримати зображення об’єкта в певний момент його динамічного руху.

Це дозволяє досліджувати:

  • ударні хвилі;
  • імплозії;
  • високошвидкісні деформації;
  • рух щільних матеріалів;
  • гідродинамічні процеси.

Саме для таких завдань створювалися потужні індукційні прискорювачі, зокрема DARHT.

Промислові застосування

Імпульсні електронні прискорювачі можуть використовуватися для:

  • стерилізації;
  • обробки полімерів;
  • модифікації поверхонь;
  • обробки харчових продуктів;
  • очищення газових потоків;
  • руйнування органічних забруднювачів;
  • генерації рентгенівського випромінювання;
  • неруйнівного контролю.

Історично високопотужні імпульсні прискорювачі розроблялися переважно для наукових і військово-технічних завдань, але технології імпульсної енергетики поступово поширилися на промислові застосування.

Медичні застосування

Імпульсний режим використовується в деяких медичних прискорювачах, зокрема в системах генерації рентгенівського випромінювання.

Однак більшість клінічних прискорювачів не є високопотужними імпульсними прискорювачами в тому значенні, у якому цей термін використовується для Z machine або LIA.

У медицині важливі:

  • стабільність енергії;
  • повторюваність імпульсів;
  • точність дози;
  • надійність;
  • контроль пучка;
  • радіаційна безпека.

Переваги імпульсних прискорювачів

До основних переваг належать:

  • дуже велика пікова потужність;
  • можливість створення надзвичайно великих струмів;
  • коротка тривалість імпульсу;
  • можливість отримання високої густини енергії;
  • точний контроль моменту взаємодії пучка з мішенню;
  • можливість синхронізації з лазерами та іншими діагностичними системами;
  • придатність для дослідження швидкоплинних процесів;
  • можливість масштабування за рахунок модульної архітектури.

Недоліки та обмеження

Одночасно такі системи мають значні інженерні проблеми:

  • складність високовольтної ізоляції;
  • електричний пробій;
  • великі електромагнітні сили;
  • паразитна індуктивність;
  • електромагнітні перешкоди;
  • складність синхронізації;
  • деградація комутаторів;
  • нагрівання компонентів;
  • складність вакуумної системи;
  • нестабільність катода;
  • нестабільність пучка;
  • радіаційна небезпека;
  • великі габарити;
  • висока вартість;
  • необхідність спеціалізованої інфраструктури.

Електромагнітна сумісність

Імпульсний струм із великим dI/dt створює сильне електромагнітне випромінювання.

Паразитні поля можуть впливати на:

  • електроніку;
  • системи керування;
  • датчики;
  • діагностичне обладнання;
  • системи синхронізації;
  • комунікаційні лінії.

Тому конструкція потребує ретельного екранування, заземлення та контролю струмових контурів.

Радіаційна безпека

Потужні електронні та йонні пучки можуть генерувати вторинне випромінювання.

При взаємодії електронів із мішенню виникають рентгенівські та гамма-кванти, а при ядерних реакціях можуть утворюватися нейтрони та інші вторинні частинки.

Тому високопотужні імпульсні прискорювачі потребують:

  • радіаційного екранування;
  • дистанційного керування;
  • блокувань;
  • дозиметричного контролю;
  • контрольованого доступу;
  • спеціальних експериментальних камер.

Діагностика

Без точної діагностики неможливо ефективно експлуатувати сучасний імпульсний прискорювач.

Вимірюють:

  • напругу;
  • струм;
  • час наростання;
  • тривалість імпульсу;
  • форму імпульсу;
  • енергію пучка;
  • заряд пучка;
  • поперечний профіль;
  • емітанс;
  • положення пучка;
  • енергетичний розкид;
  • джиттер;
  • рентгенівський вихід.

Для надшвидких процесів використовують спеціальні широкосмугові датчики та оптичні системи.

Ключові параметри

Імпульсний прискорювач характеризують такими параметрами:

Енергія частинок

E_particle

Пікова напруга

V_peak

Піковий струм

I_peak

Пікова потужність

P_peak = V_peak * I_peak

Тривалість імпульсу

tau

Частота повторення

f

Енергія імпульсу

W_pulse = integral(P(t) dt)

Середня потужність

P_average = W_pulse * f

Заряд імпульсу

Q = integral(I(t) dt)

Середній струм імпульсу

I_average = Q/tau

Емітанс

epsilon

Енергетичний розкид

Delta_E/E

Час наростання

t_rise

Джиттер

sigma_t

Ці параметри взаємопов’язані й визначають придатність установки для конкретного експерименту.

Масштабування

Збільшення потужності імпульсного прискорювача не зводиться просто до збільшення кількості конденсаторів.

Необхідно одночасно контролювати:

  • індуктивність;
  • опір;
  • пробій;
  • електромагнітні сили;
  • синхронізацію;
  • фокусування;
  • імпеданс;
  • теплові навантаження;
  • механічні деформації;
  • стабільність пучка.

Тому великі установки будуються як багатоступеневі модульні системи.

Модульність

Модульна архітектура дозволяє створювати великі установки з великої кількості відносно однакових елементів.

Наприклад, замість одного джерела, здатного забезпечити весь струм, використовують сотні паралельних або послідовних модулів.

Переваги:

  • масштабованість;
  • ремонтопридатність;
  • можливість окремого тестування;
  • зниження вимог до одного компонента;
  • можливість оптимізувати синхронізацію.

Сучасні концепції імпульсних прискорювачів активно використовують саме такий підхід.

Thor

Thor — концепція наступного покоління імпульсного прискорювача Sandia.

За даними Sandia, проєкт передбачав формування точно заданого імпульсу струму до приблизно 7 MA у strip-load і використання до 288 окремих імпульсних модулів.

Концепція ілюструє загальний напрям розвитку технології: підвищення ефективності, зменшення паразитних параметрів і точніше формування імпульсу.

Сучасний напрям розвитку

Розвиток імпульсних прискорювачів спрямований на:

  • збільшення пікової потужності;
  • збільшення середньої потужності;
  • скорочення тривалості імпульсу;
  • підвищення частоти повторення;
  • підвищення ефективності;
  • твердотільні комутатори;
  • модульні Marx-системи;
  • Linear Transformer Drivers;
  • індукційні прискорювачі;
  • нові магнітні матеріали;
  • зменшення габаритів;
  • покращення діагностики;
  • автоматичне керування;
  • підвищення стабільності пучка.

Особливий інтерес становлять твердотільні системи, оскільки вони потенційно дозволяють перейти від одиничних потужних імпульсів до високої частоти повторення.

Імпульсний прискорювач як система перетворення енергії

З точки зору енергетики імпульсний прискорювач можна розглядати як каскад перетворень:

електрична енергія мережі → запасена енергія → імпульсна електрична енергія → енергія пучка → енергія випромінювання або енергія взаємодії з мішенню.

На кожному етапі відбуваються втрати.

Загальна ефективність:

eta_total = eta_storage * eta_switch * eta_transport * eta_accelerator * eta_beam

де кожний множник відповідає ефективності відповідної стадії.

Це показує, чому створення величезної пікової потужності не означає автоматично високої загальної ефективності.

Імпульсний прискорювач і середня потужність

Важливе поняття — відмінність між піковою та середньою потужністю.

Якщо:

P_peak = 100 TW

але:

tau = 100 ns

і:

f = 1 Hz,

то:

W_pulse = P_peak * tau

W_pulse = 10^14 W * 10^(-7) s

W_pulse = 10^7 J

Тоді середня потужність:

P_average = 10^7 J * 1 Hz

P_average = 10 MW

Отже, установка може мати пікову потужність 100 TW, але середню потужність лише близько 10 MW для такого ідеалізованого режиму.

Це принципово важливо при порівнянні імпульсних систем із електростанціями або безперервними прискорювачами.

Історичний розвиток

Ідея прискорення частинок за допомогою змінного електромагнітного поля виникла на ранньому етапі розвитку прискорювальної фізики.

У 1920-х роках Рольф Відерое продемонстрував принцип багатоступеневого прискорення змінним електричним полем. Подальший розвиток індукційного принципу привів до бетатрона.

У 1940 році Дональд Керст створив перший працездатний бетатрон в Університеті Іллінойсу. Він використовував змінний магнітний потік для створення прискорювального електричного поля.

Пізніше індукційний принцип був перенесений із циркулярних машин до лінійної геометрії, що привело до розвитку лінійних індукційних прискорювачів. З середини 1950-х років розпочалися роботи над лінійними варіантами індукційного прискорення.

У другій половині XX століття розвиток ядерної фізики, рентгенографії, фізики плазми та військово-технічних досліджень стимулював створення високопотужних імпульсних прискорювачів.

Особливо значний розвиток отримала імпульсна енергетика в Sandia National Laboratories, де відповідна програма розвивається з 1960-х років.

Високопотужна імпульсна енергетика

У другій половині XX століття сформувалася окрема технологічна галузь — high-power pulsed power.

Її метою стало створення систем, які могли б за десятки або сотні наносекунд передавати енергію мегаджоульного масштабу.

Такі установки поєднали:

  • конденсаторні банки;
  • Marx-генератори;
  • імпульсні трансформатори;
  • pulse-forming lines;
  • швидкодіючі перемикачі;
  • магнітні комутатори;
  • індукційні прискорювачі;
  • вакуумні діоди;
  • системи фокусування.

Саме ця технологічна база привела до сучасних мегамперних і тераваатних установок.

Відмінність від Marx-генератора

Marx-генератор є джерелом високовольтного імпульсу, тоді як імпульсний прискорювач — ширша система, що використовує імпульсну енергію для прискорення частинок.

Marx-генератор може бути частиною прискорювача:

Marx generator → pulse-forming line → diode → electron beam

але сам Marx-генератор не обов’язково є прискорювачем.

Відмінність від pulse-forming line

Pulse-forming line формує або передає електричний імпульс.

Імпульсний прискорювач використовує такий імпульс для створення прискорювального поля або енергії пучка.

Отже:

Marx-генератор — джерело імпульсу;

pulse-forming line — формувач і передавач імпульсу;

прискорювальна секція — перетворює електромагнітну енергію на енергію частинок;

пучок — переносить енергію до експериментальної системи.

Відмінність від Z-пінча

Z-пінч не є різновидом прискорювача частинок у вузькому сенсі.

У Z-пінчі імпульсний струм використовується для створення магнітного поля та стиснення плазми.

Однак імпульсний прискорювач і Z-пінч можуть бути частинами однієї фізичної установки.

У Z machine саме імпульсна силова система забезпечує струм, який створює умови для Z-пінч-процесу.

Відмінність від звичайного лінійного прискорювача

Лінійний прискорювач — геометричне та функціональне поняття.

Імпульсний прискорювач — характеристика режиму роботи та способу подачі енергії.

Тому один і той самий лінійний прискорювач може бути:

  • безперервним;
  • квазібезперервним;
  • імпульсним;
  • багатопакетним;
  • одноімпульсним.

Наукове значення

Імпульсні прискорювачі дозволили експериментально досліджувати фізичні умови, які неможливо створити звичайними джерелами енергії.

Вони стали інструментом для вивчення:

  • екстремальних станів речовини;
  • ударно-хвильових процесів;
  • плазми;
  • астрофізичних явищ;
  • властивостей матеріалів при високих тисках;
  • ядерних процесів;
  • термоядерного синтезу;
  • взаємодії інтенсивного випромінювання з речовиною.

Sandia прямо пов’язує свою імпульсну енергетику з дослідженнями фізики високих густин енергії, астрофізики, динаміки матеріалів та інерційного термоядерного синтезу.

Майбутній розвиток

Перспективи імпульсних прискорювачів пов’язані не лише з подальшим збільшенням пікової потужності.

Важливими напрямами є:

  • підвищення частоти повторення;
  • збільшення середньої потужності;
  • твердотільні ключі;
  • нові магнітні матеріали;
  • компактні індукційні комірки;
  • ефективніші Marx-генератори;
  • Linear Transformer Drivers;
  • точніше формування імпульсу;
  • зменшення джитеру;
  • активне керування профілем пучка;
  • автоматична діагностика;
  • інтеграція з лазерними системами;
  • підвищення ефективності передачі енергії до пучка.

Головна технологічна тенденція полягає в переході від одноразових надпотужних імпульсів до високоповторюваних, ефективних і точно керованих імпульсних систем.

Значення терміна

У широкому значенні імпульсний прискорювач — це будь-який прискорювач заряджених частинок, у якому прискорення відбувається в імпульсному режимі.

У вузькому контексті фізики високих густин енергії та pulsed power під цим терміном часто мають на увазі високопотужний імпульсний прискорювач, який використовує накопичення та швидке вивільнення великої кількості електричної енергії для формування короткого інтенсивного пучка.

Такі системи є своєрідним мостом між високовольтною технікою, імпульсною енергетикою, прискорювальною фізикою, плазмовою фізикою та фізикою високих густин енергії. Їхня головна особливість полягає у здатності перетворювати відносно повільно накопичувану енергію на надзвичайно потужний, короткочасний і керований потік енергії у вигляді пучка заряджених частинок або пов’язаного з ним випромінювання.

Дещо інше: