Warum ist ein elektrostatischer Beschleuniger so ineffizient bei der Umwandlung von Wandenergie in Strahlenergie?

Ich habe mich über elektrostatische Teilchenbeschleuniger informiert, als ich eine Statistik las, die die Effizienz der Umwandlung von elektrischer Wandenergie (die elektrische Energie aus der Steckdose) in Strahlenergie in einem Beschleuniger angibt. Ich habe versucht, herauszufinden, warum dies der Fall ist, und einige erste Schnittberechnungen durchgeführt. Das Beste, was ich mir einfallen lassen konnte, war, dass viel Energie durch Partikel verschwendet wird, die nicht effizient kollimiert werden, dh die meisten beschleunigten Partikel treffen auf die Wand. Ich bin mir ziemlich sicher, dass dies nicht der einzige Grund ist. Ich nehme an, dass je nach Qualität des Vakuums auch die Streuung durch die übrig gebliebenen Gasmoleküle zur verlorenen Strahlleistung sowie zu Verlusten durch emittierte Strahlung durch Fokussieren der Ladung beitragen würde Teilchen mit Magnetfeldern.

Verstehe ich das richtig? Oder übersehe ich eine enorme Leistungsaufnahme, die den größten Teil der Leistung vom Strahl wegsaugt? Ich weiß, dass der Wirkungsgrad etwas von der maximalen Strahlenergie abhängt (da Strahlen mit höherer Energie höhere Brehmstrahlungs- und Zyklotronstrahlungsverluste aufweisen), betrachte ich die Leistungseffizienz eines elektrostatischen Elektronenstrahlbeschleunigers mit 10 MeV.

Warum sind elektrostatische Teilchenbeschleuniger mit 10 MeV Elektronen so ineffizient?

Sie müssen eine große elektrostatische Potentialdifferenz aufrechterhalten, richtig? Wie sieht die Schaltung dafür aus? Wie viel Kraft braucht man zum Laufen? Denken Sie daran, verschiedene Ableitströme zu berücksichtigen. (Nur eine Vermutung, übrigens, ich habe es selbst nie herausgefunden.)
Kannst du die Quelle nennen? Zum größten Teil sind elektrostatische Beschleuniger vor vielen Jahrzehnten in Ungnade gefallen. Es gibt keinen inhärenten Grund, warum sie nicht einigermaßen effizient gemacht werden können, wahrscheinlich ähnlich wie eine auf Klystron basierende Wechselstrommaschine. Die Strahlkollimation sollte nicht viel Energie verschwenden, wenn überhaupt. Auch UHV ist heutzutage kein Problem mehr. Können Sie uns sagen, was Sie mit einer 10MeV-Maschine machen wollen, die Effizienz erfordert?
Ja, ich möchte sehen, ob es einen Freie-Elektronen-Laser antreiben kann, um sichtbares Licht in Gammastrahlen umzuwandeln, um Sonnenenergie aus der Nähe der Sonne in die Erdumlaufbahn zu übertragen. Die Effizienz ist erforderlich (mindestens 30 % der sichtbaren Lichtenergie werden zu Gammastrahlen), damit die Plattform genug Energie liefern kann, um rentabel zu sein (innerhalb eines Betriebsjahres).
@CuriousOne - Elektrostatische Beschleuniger sind für die Teilchenphysik in Ungnade gefallen, aber die Allgegenwart von SEMs, TEMs, FIBs, Ionenimplantierern und so weiter deutet darauf hin, dass es noch viele gibt. UHV ist kein Problem, aber nicht gerade energieeffizient. Für das Poster - sehr wenig Strahl trifft auf die Wände (wenn er richtig läuft). Für eine hochstabile Spannungssteuerung fließt jedoch Strom über eine Reihe hochpräziser Widerstände an der Säule, um den Potentialgradienten festzulegen. Dies muss ein hoher Prozentsatz des Strahlstroms sein, um wirksam zu sein. Dann summieren sich alle Zusatzgeräte schnell.
@ JonCuster: SEMs usw. arbeiten normalerweise mit Energien von 10-200 keV und winzigen Strahlströmen. Effizienz spielt bei ihrem Design absolut keine Rolle. Das Hauptanliegen bei Ultrahochspannungs-Elektronenmikroskopen (mir sind zunächst nur wenige bekannt) ist die Strahlstabilität. Kommerzielle Hochenergie-Ionenimplanter scheinen heutzutage auf HF-Linac-Designs zu basieren. Die mir bekannten Hochstrahl-Mittelstrahl-Energieanlagen haben einen sehr vernünftigen Wirkungsgrad, natürlich im Rahmen des technisch Notwendigen. Das OP hat uns jedoch immer noch nicht gesagt, was seine Anwendung ist.
@CuriousOne - aber es sind immer noch Cockroft-Walton-Netzteile mit all den inhärenten Ineffizienzen des Designs. Ich denke, es ist einfacher zu sagen, dass die Erzeugung einigermaßen stabiler Hochspannungen im Allgemeinen kein effizienter Prozess ist, wenn Sie die Möglichkeiten eines Transformators überschritten haben. Aus dem Kommentar zur Anwendung geht hervor, dass die Gesamteffizienz eigentlich kein erreichbares Designziel ist ...
@JonCuster: Ein HF-Linear hat nichts mit einem Cockroft-Walton zu tun, der übrigens leicht 80-90% Wirkungsgrad haben kann. Die Spannungsregelung mit Widerstandskaskaden war vor über 30 Jahren technologisch veraltet und ich habe Tausende von elektronisch gesteuerten Hochspannungsgeneratoren für PMTs mit extrem hohem Wirkungsgrad in einem Experiment eingesetzt.
Die Anwendung für den Beschleuniger besteht darin, einen Freie-Elektronen-Laser anzutreiben, um Gammastrahlen zu erzeugen. Der Beschleuniger ist Teil eines Systems, das sichtbare Lichtenergie in Gammastrahlenenergie umwandelt, um eine bessere Übertragung bei geringerer Strahlausbreitung über große Entfernungen (etwa 150 Millionen km) zu erreichen. Der Beschleuniger muss so effizient wie möglich sein (dh so nah wie möglich an 100 % der elektrischen Wandleistung wird in Strahlleistung umgewandelt), um die Ineffizienz des Freie-Elektronen-Lasers auszugleichen.
@CuriousOne - als Besitzer eines Ionenstrahllabors kann ich nur sagen, dass ich alle verschiedenen Beschleunigerdesigns vollständig verstehe. Und Designs vom Cockroft-Walton-Typ sind immer noch weit verbreitet, insbesondere über 50 kV. Linacs sind eindeutig der richtige Weg für 10-MeV-Elektronen, aber ich würde nicht sagen, dass sie sehr effizient sind (sonst würde mein Gebäude viel weniger Kühlwasser benötigen ...)
Ich würde gerne die Quelle wissen, da ich keinen bestimmten Grund dafür kenne. Beachten Sie auf jeden Fall, dass die hochmodernen FELs nur Röntgenstrahlen erzeugen und einen Multi-GeV-Strahl benötigen. Möglicherweise haben Sie mit einem Compton-Rückstreuprozess mehr Glück ...
Außerdem können Sie den Strom effizient über Relaissatelliten oder durch die Verwendung einer sehr großen Sendeapertur mit Infrarotlicht ans Ziel bringen. Ich würde es vorziehen, keine Gigawatt Gammastrahlenleistung auf mich richten zu lassen.

Antworten (2)

Als einen Datenpunkt für die Linac-Effizienz fand ich eine schöne Präsentation von einem Jefferson Lab-Meeting (wo CEBAF ist - Continuous Electron Beam Accelerator Facility). Dies ist von Googeln "energieeffizienter Linac". Darin zitieren sie, dass die CEBAF-Klystrons einen Wirkungsgrad von etwa 25-28 % haben, während ihr neuer Vorschlag für Festkörperverstärker (ein SBIR, kann bei Far-Tech eingesehen werden, ich habe keine andere Zugehörigkeit, als sie zu googeln ) einen Wirkungsgrad von 55 % hat. Dies ist bei 1497 MHz und 6,5 kW Verstärkung im linearen Modus.

Nun, das ignoriert die Effizienz in der Elektronenquelle, den Fokussierelementen, den Lenkplatten und allen Vakuumkomponenten (ein 300-Liter/Sek.-Turbo plus Unterstützung läuft etwa 700 W). Es ignoriert auch die Produktion von Kühlwasser und so weiter, was zur allgemeinen (In-)Effizienz beiträgt (und Sie benötigen viel Kühlung für das Ziel, aus dem Sie Gammas herausholen möchten). Wir werden nicht einmal auf die Umwandlungseffizienz von Elektronen in Gamma eingehen, geschweige denn, wie Sie realistischerweise Energie aus dem Gammastrahl am anderen Ende extrahieren werden.

Die Tatsache, dass die Kraft nur schwer von der Wand auf den Balken übertragen werden kann, ist eine unbestrittene Tatsache. Der seltsame Punkt hier ist, dass DC viel weniger effizient ist als RF ... Es klingt für mich auch nach einem seltsamen Vergleich, da ihre Anwendungen ziemlich unterschiedlich sind.
Ich bin mir nicht sicher, ob DC in der Regel viel weniger effizient ist als HF. Ein Teil davon ist, was Sie unter Effizienz verstehen. Zum Beispiel sind HF-Systeme am Frontend ziemlich schlecht, das heißt, sie bringen die Quellionen überhaupt erst in das System (Bündelung hilft zwar, ist aber alles andere als „effizient“). Ich würde behaupten, dass ein Gleichstrombeschleuniger mehr Strahlleistung auf das Ziel pro Einheit Leistung bringt. Aber Sie werden keine Hunderte von MeV- oder> GeV-Strahlen daraus bekommen ...
Mit Effizienz meine ich, was in der Frage angegeben ist: der Bruchteil der Steckdosenleistung, der in den Strahl gelangt. Ich denke, dass die Frage fehlerhaft ist, schließlich hat das OP keine Referenz dafür angegeben.

Die "elektrostatischen" Beschleuniger recyceln den Strom nicht, vermute ich. Dies wäre ein Pelletron- oder Van-de-Graaf-Design, und Strom, der durch die Freie-Elektronen-Laser-Magnetstruktur (Undulator) fließt, trifft dann auf ein Ziel und zerstreut die gesamte Energie, die er nicht in Strahlung verloren hat. Das Treffen des Ziels entlädt die gesamte kinetische Energie.

Ein Synchrotron hingegen nimmt Bündel relativistischer Ladungen und bewegt sie einmal pro Zyklus durch denselben Undulator, wobei er nahezu mit Lichtgeschwindigkeit zirkuliert, sodass eine winzige Menge der kinetischen Energie des Strahls aufgrund von Strahlungsreaktionen verloren gehen, aber wieder aufgebaut werden kann durch die Beschleunigerabschnitte an anderer Stelle in der Vorrichtung. Diese Abschnitte verwenden zeitgesteuerte HF in der richtigen Phase, um die Bündel wieder auf volle Geschwindigkeit zu beschleunigen, und bis die Ladungen auf Gasmoleküle treffen und in einer Strahlrohrwand gestreut werden, kann dieser Strahl zwischen den Füllungen stundenlang zirkulieren.

Ein statisches Feld erzeugt nur einen Strom von HV nach Masse.

Das Zirkulieren ist eine effizientere Verwendung von sich schnell bewegenden Partikeln, als sie in ein geerdetes Ziel zu werfen. Die Synchrotron-Elektronenkanone kann nach dem Start ausgeschaltet werden, aber der Van de Graaff muss ständig neue Elektronen abgeben.

Warum ist ein elektrostatischer Beschleuniger so ineffizient bei der Umwandlung von Wandenergie in Strahlenergie?
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