¿Por qué un acelerador electrostático es tan ineficiente para convertir la potencia de la pared en potencia del haz?

Estaba leyendo sobre aceleradores de partículas electrostáticas cuando leí una estadística que indicaba la eficiencia de convertir la energía eléctrica de la pared (la energía eléctrica del tomacorriente) en energía de haz en un acelerador. Traté de averiguar por qué este era el caso y hacer algunos cálculos de primer corte. Lo máximo que se me ocurrió fue que gran parte de la energía se desperdicia porque las partículas no se coliman de manera eficiente, es decir, la mayoría de las partículas aceleradas golpean la pared. Ahora, estoy bastante seguro de que esa no es la única razón, supongo que dependiendo de la calidad del vacío, la dispersión por las moléculas de gas sobrantes también contribuiría a la pérdida de potencia del haz, así como a las pérdidas a través de la radiación emitida al enfocar la carga. partículas con campos magnéticos.

¿Estoy entendiendo esto bien? ¿O me estoy perdiendo un gran consumo de energía que absorbe la mayor parte de la energía del haz? Sé que la eficiencia depende un poco de la energía máxima del haz (dado que los haces de mayor energía tienen mayores pérdidas de radiación de brehmstrahlung y ciclotrón), estoy viendo la eficiencia energética de un acelerador de haz de electrones electrostáticos de 10 MeV.

¿Por qué los aceleradores de partículas electrostáticas de 10 MeV de electrones son tan ineficientes?

Tienes que mantener una gran diferencia de potencial electrostático, ¿verdad? ¿Cómo es el circuito que hace eso? ¿Cuánta potencia se necesita para funcionar? Recuerde permitir varias corrientes de fuga. (Solo adivinando, por cierto, nunca lo he resuelto por mí mismo).
¿Puedes citar la fuente? En su mayor parte, los aceleradores electrostáticos han pasado de moda hace muchas décadas. No hay una razón inherente por la que no puedan hacerse razonablemente eficientes, probablemente de manera similar a una máquina de CA basada en klystron. La colimación del haz no debería desperdiciar mucha energía, si es que hay alguna. UHV tampoco es un problema en estos días. ¿Puede decirnos qué quiere hacer con una máquina de 10MeV que requiere eficiencia?
Sí, estoy mirando para ver si puede alimentar un láser de electrones libres para convertir la luz visible en rayos gamma para transmitir energía solar desde cerca del sol a la órbita terrestre. La eficiencia es necesaria (al menos el 30% de la energía de la luz visible se convierte en rayos gamma) para que la plataforma pueda entregar suficiente energía para ser rentable (dentro de un año de operación)
@CuriousOne: los aceleradores electrostáticos han caído en desgracia para la física de partículas, pero la ubicuidad de SEM, TEM, FIB, implantadores de iones y demás sugiere que todavía hay muchos. UHV no es un problema, pero no es exactamente energéticamente eficiente. Para el póster: muy poco rayo golpeará las paredes (si se ejecuta correctamente). Sin embargo, para un control de voltaje de alta estabilidad, la corriente fluye por una cadena de resistencias de alta precisión en la columna para establecer el gradiente de potencial. Esto tiene que ser un alto % de la corriente del haz para ser efectivo. Luego, todo el equipo auxiliar se acumula rápidamente.
@JonCuster: los SEM, etc. generalmente funcionan con energías de 10-200 keV y corrientes de haz diminutas. La eficiencia no tiene absolutamente ninguna importancia para su diseño. La principal preocupación de los microscopios electrónicos de ultra alto voltaje (solo conozco unos pocos, para empezar) es la estabilidad del haz. Los implantadores comerciales de iones de alta energía parecen estar basados ​​en diseños de RF linac en estos días. Las instalaciones de energía de haz medio y corriente de haz alto que conozco tienen una eficiencia muy razonable, dentro de los límites de lo técnicamente necesario, por supuesto. Sin embargo, el OP aún no nos ha dicho cuál es su aplicación.
@CuriousOne, pero siguen siendo fuentes de alimentación Cockroft-Walton, con todas las ineficiencias inherentes del diseño. Supongo que es más fácil decir que, en general, generar altos voltajes razonablemente estables no es un proceso eficiente una vez que se ha excedido en lo que se puede hacer con un transformador. Del comentario sobre la aplicación, está claro que la eficiencia general no es en realidad un objetivo de diseño alcanzable...
@JonCuster: Un linac de RF no tiene nada en común con un Cockroft-Walton que, por cierto, puede tener fácilmente una eficiencia del 80 al 90 %. El control de voltaje con cascadas de resistencia estaba obsoleto tecnológicamente hace más de 30 años y he implementado miles de generadores de alto voltaje controlados electrónicamente para PMT que tienen una eficiencia extremadamente alta en un solo experimento.
La aplicación del acelerador es alimentar un láser de electrones libres para producir rayos gamma. El acelerador es parte de un sistema que convierte la energía de la luz visible en energía de rayos gamma para una mayor transmisión con menos dispersión del haz en largas distancias (alrededor de 150 millones de km). El acelerador debe ser lo más eficiente posible (es decir, lo más cerca posible del 100 % de la potencia de la pared eléctrica se convierte en potencia del haz) para adaptarse a la ineficiencia del láser de electrones libres.
@CuriousOne: como propietario de un laboratorio de haz de iones, solo puedo decir que entiendo completamente todos los diferentes diseños de aceleradores. Y los diseños de tipo Cockroft-Walton siguen siendo bastante comunes, particularmente por encima de los 50 kV. Los Linacs son claramente el camino a seguir para los electrones de 10MeV, pero no diría que son muy eficientes (o de lo contrario mi edificio necesitaría mucha menos agua de refrigeración...)
Me gustaría saber la fuente ya que no conozco ninguna razón en particular para que esto sea. De todos modos, tenga en cuenta que los FEL de última generación solo producen rayos X y necesitan un haz de varios GeV. Puede que tenga más suerte con algún proceso de retrodispersión de Compton...
Además, puede llevar la energía a su destino de manera eficiente a través de satélites de retransmisión o utilizando una apertura de transmisión muy grande, con luz infrarroja. Preferiría no tener gigavatios de energía de rayos gamma dirigidos hacia mí.

Respuestas (2)

Como un punto de datos para la eficiencia del linac, encontré una buena presentación de una reunión de Jefferson Lab (donde está CEBAF - Instalación de acelerador de haz de electrones continuos). Esto es de buscar en Google 'linac de bajo consumo'. En él, citan que los klistrones CEBAF tienen una eficiencia del 25 al 28 %, mientras que su nueva propuesta de amplificador de estado sólido (un SBIR, se puede ver en Far-Tech, no tengo más afiliación que buscarlos en Google ) tiene una eficiencia del 55 %. Esto es a 1497 MHz y una amplificación de modo lineal de 6,5 kW.

Ahora, eso ignora las eficiencias en la fuente de electrones, los elementos de enfoque, las placas de dirección y todos los componentes de vacío (un turbo de 300 litros/seg más respaldo funciona con alrededor de 700 W). También ignora la producción de agua de enfriamiento, etc., que contribuirá a la (in)eficiencia general (y necesitará mucho enfriamiento de cualquier objetivo del que esté tratando de obtener gammas). Ni siquiera entraremos en la eficiencia de conversión de electrones a gamma, y ​​mucho menos en cómo extraerá energía del haz gamma en el otro extremo de manera realista.

El hecho de que es difícil transferir energía de la pared a la viga es un hecho indiscutible. El punto extraño aquí es que DC es mucho menos eficiente que RF... También me parece una comparación extraña ya que sus aplicaciones son bastante diferentes.
No estoy seguro de que DC sea mucho menos eficiente que rf como regla. Parte de esto es lo que usted entiende por eficiencia. Por ejemplo, los sistemas de rf son bastante malos en la parte delantera, es decir, en primer lugar, obtienen los iones de origen en el sistema (aunque el agrupamiento ayuda, está lejos de ser 'eficiente'). Diría que un acelerador de CC obtiene más potencia de haz en el objetivo por unidad de potencia. Pero, no obtendrá 100 de MeV o haces > GeV de él...
Por eficiencia me refiero a lo que se indica en la pregunta: la fracción de energía del enchufe de pared que termina en el haz. Creo que la pregunta es defectuosa, después de todo, el OP no proporcionó ninguna referencia para eso.

Sospecho que los aceleradores 'electrostáticos' no reciclan la corriente. Este sería un diseño de pelletrón o Van de Graaf, y la corriente que atraviesa la estructura del imán del láser de electrones libres (ondulador) luego golpea un objetivo y disipa toda la energía que no perdió en la radiación. Golpear el objetivo vuelca toda la energía cinética.

Un sincrotrón, por otro lado, toma montones de cargas relativistas y las mueve a través de ese mismo ondulador una vez por ciclo, circulando casi a la velocidad de la luz, por lo que una pequeña cantidad de la energía cinética del haz se puede perder debido a la reacción de radiación, pero se vuelve a acumular. por las secciones del acelerador en otras partes del aparato. Esas secciones usan RF cronometrada en la fase correcta para volver a acelerar los racimos a la velocidad máxima, y ​​hasta que las cargas golpeen las moléculas de gas y se dispersen en una pared del tubo de haz, ese haz puede permanecer circulando durante horas entre llenados.

Un campo estático simplemente genera una corriente de alto voltaje a tierra.

La circulación es un uso más eficiente de partículas que se mueven rápidamente que arrojarlas a un objetivo conectado a tierra; el cañón de electrones sincrotrón se puede apagar después de la puesta en marcha, pero el Van de Graaff tiene que sacar nuevos electrones continuamente.

¿Por qué un acelerador electrostático es tan ineficiente para convertir la potencia de la pared en potencia del haz?
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