Почему электростатический ускоритель так неэффективен при преобразовании мощности стены в мощность луча?

Я читал об электростатических ускорителях частиц, когда прочитал статистику эффективности преобразования электрической энергии стены (электрической мощности от розетки) в мощность луча в ускорителе. Я попытался выяснить, почему это так, и сделал некоторые расчеты первого разреза. Максимум, что я мог придумать, это то, что большая часть энергии тратится впустую из-за того, что частицы не эффективно коллимируются, то есть большинство ускоренных частиц ударяются о стену. Теперь я почти уверен, что это не единственная причина, я полагаю, что в зависимости от качества вакуума рассеяние оставшимися молекулами газа также будет способствовать потере мощности луча, а также потерям из-за испускаемого излучения от фокусировки заряженного частицы с магнитными полями.

Я правильно понимаю? Или я упускаю какое-то огромное энергопотребление, которое высасывает большую часть энергии из луча? Я знаю, что эффективность в некоторой степени зависит от максимальной энергии пучка (поскольку лучи с более высокой энергией имеют более высокие потери на торможение и циклотронное излучение), я смотрю на энергоэффективность электростатического ускорителя электронного пучка на 10 МэВ.

Почему электростатические ускорители частиц на 10 МэВ так неэффективны?

Вы должны поддерживать большую разность электростатических потенциалов, верно? Как выглядит схема, которая это делает? Сколько энергии нужно для бега? Не забудьте учесть различные токи утечки. (Просто догадываюсь, кстати, я никогда не разбирался сам.)
Можете ли вы указать источник? По большей части электростатические ускорители вышли из моды много десятилетий назад. Нет внутренней причины, по которой их нельзя сделать достаточно эффективными, вероятно, подобно машине переменного тока на основе клистрона. Коллимация луча не должна тратить много энергии. UHV в наши дни тоже не проблема. Можете ли вы рассказать нам, что вы хотите сделать с машиной на 10 МэВ, которая требует эффективности?
Да, я хочу посмотреть, сможет ли он питать лазер на свободных электронах для преобразования видимого света в гамма-лучи для передачи солнечной энергии с околосолнечной орбиты на околоземную орбиту. Необходима эффективность (не менее 30% энергии видимого света превращается в гамма-лучи), чтобы платформа могла выдавать достаточную мощность, чтобы приносить прибыль (в течение года работы).
@CuriousOne - Электростатические ускорители потеряли популярность в физике элементарных частиц, но повсеместное распространение SEM, TEM, FIB, ионных имплантатов и многого другого предполагает, что их еще много. СВВ не проблема, но не совсем энергоэффективно. Для плаката — очень маленький луч ударит по стенам (если бежать правильно). Однако для высокостабильного управления напряжением ток течет по цепочке высокоточных резисторов на столбе, чтобы установить градиент потенциала. Это должно быть высоким % тока луча, чтобы быть эффективным. Тогда все вспомогательное оборудование быстро добавляется.
@JonCuster: SEM и т. д. обычно работают при энергиях 10-200 кэВ и крошечных токах пучка. Эффективность абсолютно не касается их конструкции. Основной проблемой сверхвысоковольтных электронных микроскопов (начнем с того, что я знаю лишь несколько существующих) является стабильность луча. В наши дни коммерческие высокоэнергетические ионные имплантаты, по-видимому, основаны на конструкциях высокочастотных линейных ускорителей. Известные мне установки для дальнего и среднего луча имеют очень разумную эффективность, в пределах, конечно, технически необходимых. Однако ОП до сих пор не сказал нам, что представляет собой его приложение.
@CuriousOne - но они по-прежнему являются источниками питания Кокрофта-Уолтона со всей присущей конструкции неэффективностью. Думаю, проще сказать, что в целом генерация достаточно стабильных высоких напряжений не является эффективным процессом, если вы превзошли возможности трансформатора. Из комментария к приложению становится ясно, что общая эффективность на самом деле не является достижимой целью проектирования...
@JonCuster: ВЧ-ускоритель не имеет ничего общего с Кокрофтом-Уолтоном, который, кстати, легко может иметь КПД 80-90%. Управление напряжением с помощью резисторных каскадов было технологически устаревшим более 30 лет назад, и я задействовал в одном эксперименте тысячи высоковольтных генераторов с электронным управлением для ФЭУ, которые имеют чрезвычайно высокий КПД.
Ускоритель предназначен для питания лазера на свободных электронах для получения гамма-лучей. Ускоритель является частью системы, которая преобразует энергию видимого света в энергию гамма-излучения для большей передачи с меньшим распространением луча на большие расстояния (около 150 миллионов километров). Ускоритель должен быть максимально эффективным (IE как можно ближе к 100% мощности электрической стенки преобразуется в мощность пучка), чтобы компенсировать неэффективность лазера на свободных электронах.
@CuriousOne - как владелец лаборатории ионного пучка я могу только сказать, что полностью понимаю все различные конструкции ускорителей. А конструкции типа Кокрофта-Уолтона по-прежнему довольно распространены, особенно на напряжение свыше 50 кВ. Очевидно, что линейные ускорители подходят для электронов с энергией 10 МэВ, но я бы не сказал, что они очень эффективны (иначе моему зданию потребовалось бы намного меньше охлаждающей воды...)
Я хотел бы знать источник, поскольку я не знаю какой-либо конкретной причины для этого. В любом случае обратите внимание, что современные ЛСЭ производят только рентгеновское излучение, и им нужен пучок в несколько ГэВ. Возможно, вам больше повезет с комптоновским обратным рассеянием...
Кроме того, вы можете эффективно доставлять энергию к месту назначения через спутники-ретрансляторы или с помощью очень большой передающей апертуры с инфракрасным светом. Я бы предпочел, чтобы на меня не нацеливались гигаваттные мощности гамма-излучения.

Ответы (2)

В качестве одного из показателей эффективности линейного ускорителя я нашел хорошую презентацию на собрании в лаборатории Джефферсона (где CEBAF — Непрерывный ускоритель электронного луча). Это из Google «энергоэффективный линейный ускоритель». В нем они цитируют, что клистроны CEBAF имеют КПД около 25-28%, в то время как их новое предложение по твердотельному усилителю (SBIR, можно увидеть в Far-Tech, я не имею никакого отношения, кроме как погуглить их ) имеет КПД 55%. Это на частоте 1497 МГц и линейном усилении 6,5 кВт.

Теперь, это игнорирует эффективность источника электронов, фокусирующих элементов, рулевых пластин и всех вакуумных компонентов (турбина мощностью 300 литров в секунду плюс резервная мощность потребляет около 700 Вт). Он также игнорирует производство охлаждающей воды и т. д., что будет способствовать общей (не)эффективности (и вам потребуется много охлаждения любой цели, из которой вы пытаетесь получить гамму). Мы даже не будем вдаваться в эффективность преобразования электронов в гамма-излучение, не говоря уже о том, как вы реально собираетесь извлекать энергию из гамма-луча на другом конце.

То, что тяжело передать мощность от стены к балке, является неоспоримым фактом. Странным моментом здесь является то, что DC гораздо менее эффективен, чем RF ... Это также звучит странно для меня, поскольку их приложения довольно сильно различаются.
Я не уверен, что DC, как правило, намного менее эффективен, чем rf. Частично это то, что вы подразумеваете под эффективностью. Например, радиочастотные системы довольно плохи на входе, то есть в первую очередь попадают исходные ионы в систему (хотя группировка помогает, она далека от «эффективности»). Я бы сказал, что ускоритель постоянного тока получает больше мощности луча на цель на единицу потребляемой мощности. Но вы не получите из него пучки в 100 МэВ или> ГэВ ...
Под эффективностью я подразумеваю то, что указано в вопросе: часть мощности настенной розетки, которая попадает в луч. Я думаю, что вопрос ошибочен, ведь ОП не дал для этого никакой ссылки.

Я подозреваю, что «электростатические» ускорители не рециркулируют ток. Это будет конструкция пеллетрона или Ван де Граафа, и ток, проходящий через магнитную структуру лазера на свободных электронах (ондулятор), затем попадает в цель и рассеивает всю энергию, которую он не потерял в излучении. Попадание в цель сбрасывает всю кинетическую энергию.

Синхротрон, с другой стороны, берет сгустки релятивистских зарядов и пропускает их через тот же ондулятор один раз за цикл, циркулируя со скоростью, близкой к скорости света, поэтому небольшое количество кинетической энергии луча может быть потеряно из-за радиационной реакции, но восстановлено обратно. секциями ускорителя в другом месте аппарата. В этих секциях используется синхронизированная радиочастота в нужной фазе, чтобы снова разогнать сгустки до полной скорости, и до тех пор, пока заряды не столкнутся с молекулами газа и не рассеются в стенке лучевой трубы, этот луч может оставаться циркулирующим в течение нескольких часов между заполнениями.

Статическое поле просто создает ток от ВН к земле.

Циркуляция - это более эффективное использование быстро движущихся частиц, чем сброс их в заземленную цель; синхротронную электронную пушку можно выключить после запуска, но Ван де Грааф должен постоянно выпускать новые электроны.

Почему электростатический ускоритель так неэффективен при преобразовании мощности стены в мощность луча?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v