МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК H05H9/00 

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к линейным резонансным ускорителям, и может быть использовано при создании новых и реконструкции действующих ускорителей.

Известны многоканальные ускоряющие системы, использующие различные типы фокусировки: фокусировку магнитными или электростатическими квадруполями, пространственно-однородную квадрупольную (ПОКФ) и фазопеременную фокусировки (ФПФ [1]
Недостатком этих систем с квадрупольной фокусировкой является низкая плотность упаковки каналов, поскольку около 70-80% поперечного сечения структуры занимают ускоряюще-фокусирующие элементы и лишь 20-30% сечения приходится на апертурные отверстия для прохождения пучков. При этом повышение тока ускоренных частиц за счет увеличения числа каналов сопровождается значительным ростом поперечных габаритов системы. Кроме того, практическая реализация трубок дрейфа с несколькими квадрупольными линзами, расположенными параллельно друг другу, и юстировка линз сопряжены с серьезными трудностями, а использование многоканальных ускоряющих систем с ПОКФ связано с резким снижением темпа ускорения и приводит к жесткому ограничению выходной энергии.

Наиболее близким к изобретению является многолучевой ускоритель с ФПФ, обеспечивающий высокую плотность упаковки каналов (до 60-70%), обладающий конструктивной простотой и высоким темпом ускорения [1]
Недостаток такого многоканального ускорителя заключается в возрастании радиуса каждого из пучков вдоль длины канала вследствие уменьшения жесткости фокусировки, что приводит к потерям частиц и снижению коэффициента захвата.

Целью изобретения является уменьшение потерь частиц за счет создания жесткости фокусировки, не зависящей от энергии ионов и обеспечивающей сохранение постоянным радиуса пучка в процессе ускорения.

Для этого в многоканальном линейном резонансном ускорителе, содержащем инжектор и ускоряющую систему с многоапертурными трубками дрейфа, подключенными к источнику ВЧ-мощности, период фокусировки которой содержит N зазоров, в зазорах, общее количество которых выбрано четным и не превышающим N, размещены двухэлектродные скрещенные линзы, электроды которых подключены к источнику ВЧ-мощности встречно трубкам дрейфа, в каждом из электродов линз выполнены n параллельных щелей, при этом линзы ориентированы в пределах каждого полупериода фокусировки одинаково, а в каждом последующем полупериоде повернуты на угол 90^оотносительно оси симметрии ускоряющей системы, при этом отверстия в трубках дрейфа расположены соосно образованным апертурным каналам.

Отличительными признаками изобретения являются:
использование скрещенных линз с электродами, подключенными к источнику встречно трубкам дрейфа, позволяющее значительно увеличить градиенты фокусирующих сил за счет выбора напряженностей полей между линзами, совпадающих по направлению с ускоряющим полем;
приведенное соотношение между полным числом зазоров и количеством зазоров с тормозящими полями, формируемыми скрещенными линзами, обеспечивающее незначительное снижение темпа ускорения;
предлагаемое расположение скрещенных линз в зазорах, приводящее к возникновению эффекта жесткой фокусировки в ускорителе.

Предложенный линейный многоканальный ускоритель, основанный на использовании скрещенных линз с тормозящими ВЧ-полями, позволяет получить жесткость фокусировки, не зависящую от энергии частиц, и высокую плотность упаковки каналов.

На фиг. 1 приведено схематическое изображение одного из периодов фокусировки девятиканального линейного ускорителя; на фиг. 2 сечения А-А, Б-Б и В-В на фиг. 1; на фиг. 3 зависимости количества скрещенных линз, обеспечивающих заданную жесткость фокусировки, и темпа ускорения от энергии частиц.

Рассматриваемый период (фиг. 1, 2) содержит четыре зазора (N=4), образованных последовательностью многоапертурных трубок 1 дрейфа исходной ускоряющей системы. С помощью проводящих держателей 3 на трубки подается разноименный ВЧ-потенциал +U_i, i=0,1,N, создающий противофазные поля в соседних зазорах. В каждом из двух ускоряющих зазоров размещают по M (M=1) двухэлектродных скрещенных линз 2 с n(n=3) параллельными щелями во входных и выходных электродах. Линзы 2 ориентируют в пределах каждого полупериода фокусировки одинаково, а в каждом последующем полупериоде их разворачивают на угол 90^о. В трубках 1 дрейфа выполняют n² отверстий соосно с образующимися апертурными каналами скрешенных линз. К электродам линз 2 прикладывают ВЧ-потенциалы ±U_фm^j, j= 1,2,2N₁; m=1,2,M, формирующие в промежутках между линзами и внутри линз электрические поля соответственно с синфазным и противофазным законом изменения напряженности во времени по отношению к ускоряющему полю в исходном зазоре. Подача потенциала на трубки 1 дрейфа и электроды линз 2 может быть обеспечена, например, путем размещения пролетного канала в высоковольтной резонансной системе на основе H-резонатора с встречными штырями, возбуждаемой ВЧ-генератором.

Многоканальный линейный резонансный ускоритель работает следующим образом.

При введении ВЧ-энергии через узел ввода мощности на пролетных трубках 1 и электродах скрещенных линз 2 возникает ВЧ-потенциал. Из электростатического инжектора в ускоритель поступает пучок заряженных частиц. Радиальное движение пучка определяется силами со стороны аксиально-симметричных ускоряющих полей и квадрупольных полей скрещенных линз 2. В режиме автофазировки ускоряющее поле вызывает ВЧ-дефокусировку пучка. Поскольку линзы 2 ориентируют в пределах каждого полупериода фокусировки одинаково, а в каждом последующем полупериоде их разворачивают на угол 90^о, то частицы при своем движении вдоль оси испытывают действие квадрупольных полей с чередующимися знаками градиента. Это приводит к появлению в канале ускорителя эффекта жесткой фокусировки. Радиус пучка в ускоряюще-фокусирующем канале изменяется по закону r ≈ (μ_t/k _Ф)^-1/2 (1) где μ_t набег радиальных колебаний частиц на периоде фокусировки с кратностью k_Ф= S/βλ, где β среднее значение приведенной скорости частиц на периоде фокусировки длиной S; λ длина волны ускоряющего поля.

Из соотношения (1) можно определить набег фазы радиальных колебаний μ_ti на текущем периоде фокусировки с номером i. Известно, что фокусирующие силы с хорошей точностью аппроксимируются действием тонких линз, расположенных на входе и выходе трубок дрейфа и электродов скрещенных линз, где главным образом сосредоточено преломление траектории частиц. В работе [2] получена формула, позволяющая найти набег фазы поперечных колебаний частиц на периоде фокусировки, состоящем из произвольной последовательности тонких линз. Для периода фокусировки типа FODO, содержащего 2M высокочастотных скрещенных линз, эта формула имеет вид
cos=1 + + (τ_m-τ_n)[1-(τ_m-τ_n)]
где τ_j=Z_i/S_i^I безразмерная координата расположения j-й тонкой линзы на периоде фокусировки длиной S_i; ζ_tj коэффициент преломления поперечной траектории частицы j-ой линзой.

Формула (2) является уравнением для определения числа скрещенных линз M в ускоряющем зазоре при заданном μ_ti
Основным достоинством предложенного многолучевого линейного ускорителя является возможность одновременного достижения жесткости фокусировки, не зависящей от энергии частиц, и высокой плотности упаковки каналов (не ниже, чем в прототипе). Описанный способ ВЧ-питания электродов, образующих зазоры с квадрупольной симметрией поля, позволяет, с одной стороны, значительно увеличить градиенты фокусирующих сил в двухэлектродных скрещенных линзах по сравнению с их электростатическими аналогами, так как направления поперечных компонент полей внутри линз и между ними совпадают (при одинаковых напряженностях полей в зазорах и тонких электродах скрещенных линз градиенты увеличиваются вдвое), с другой стороны, такой способ ВЧ-питания обеспечивает противофазное направление электрических полей в соседних зазорах (фиг. 1), что дает возможность использовать резонансную систему исходной ускоряющей структуры без существенных изменений. Снижение темпа ускорения по сравнению с прототипом, обусловленное наличием замедляющих полей в скрещенных линзах, незначительно, поскольку линзы выбирают достаточно узкими, что не уменьшает их оптической силы, и располагают в той части зазора, где изменение энергии частиц мало.

Рассмотрим устойчивость радиального движения протонов на периоде фокусировки S=2βλ( β приведенная скорость частицы, λ длина волны ВЧ-поля), содержащем четыре зазора исходной ускоряющей системы (N=4) с амплитудой поля в каждом из них E_g=160 кВ/см и значением фазы равновесной частицы в центре зазора ϕ_s -30^о. Разместим по M скрещенных линз в четных зазорах.

Проведенный анализ показывает, что при числе линз M=4-10 и поле в них 160 кВ/см на каждом периоде фокусировки достигается набег фазы поперечных колебаний равновесных частиц μ_t=60^о и обеспечивается устойчивость радиального движения ионов внутри сепаратрисы в широком диапазоне изменения энергии от 10 до 100 МэВ. На фиг. 3 видно, что предложенный ускоритель имеет темп ускорения 5-7 МэВ/м и по этому параметру мало уступает известным ускорителям с ФПФ.

Использование: в ускорительной технике, в частности в области линейных резонансных ускорителей при создании новых и реконструкции действующих ускорителей. Цель уменьшение потерь частиц за счет создания жесткости фокусировки, не зависящей от энергии ионов и высокой плотности упаковки каналов и обеспечивающей сохранение постоянным радиуса пучка в процессе ускорения. Сущность изобретения: многоканальный линейный резонансный ускоритель с ВЧ-квадропольной фокусировкой содержит инжектор, узел ввода ВЧ-мощности, ускоряющую систему с многоапертурными пролетными трубками и имеет период фокусировки, включающий N зазоров, в зазорах размещены двухэлектродные скрещенные линзы с N параллельными щелями во входных и выходных электродах. Линзы ориентированы в пределах каждого полупериода фокусировки одинаково, а в каждом последующем полупериоде развернуты на угол 90°. В трубках дрейфа выполнены n² отверстий соосно с образующимися апертурными каналами скрещенных линз. 3 ил.

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ, содержащий инжектор и ускоряющую систему с многоапертурными трубками дрейфа, подключенными к источнику ВЧ-мощности, период фокусировки которой содержит N зазоров, отличающийся тем, что в зазорах, общее количество которых выбрано четным и не превышающим N, размещены двухэлектродные скрещенные линзы, электроды которых подключены к источнику ВЧ-мощности встречно трубкам дрейфа, в каждом из электродов линз выполнены n параллельных щелей, при этом линзы ориентированы в пределах каждого полупериода фокусировки одинаково, а в каждом последующем полупериоде повернуты на угол 90^o относительно оси симметрии ускоряющей системы, при этом отверстия в трубках дрейфа расположены соосно образованным апертурным каналам скрещенных линз.