УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАВНОМЕРНОЙ РАЗВЕРТКИ ИОННОГО ПУЧКА ЦИКЛОТРОНА Российский патент 1999 года по МПК G21K1/87 

Устройство относится к ускорительной технике и предназначено для равномерной развертки пучка тяжелых ионов, полученного на циклотроне, по ширине облучаемой мишени и может использоваться для облучения полимерной пленки при производстве так называемых ядерных фильтров (трековых мембран), для которых равномерность плотности ионного облучения является одним из основных параметров. Известно устройство, в котором используется электростатический метод отклонения пучка (см. М.Талах. Высоковольтный генератор пилообразного напряжения для равномерного распределения циклотронного пучка ионов. - Препринт ОИЯИ, 9-88-846, Дубна, 1988. - 6 с.). Это устройство содержит отключающие пластины, высоковольтный трансформатор, высокочастотный (ВЧ) генератор отклоняющего напряжения. Выход генератора соединен с первичной обмоткой высоковольтного трансформатора, а ко вторичной обмотке трансформатора подключены отклоняющие пластины. ВЧ генератор включает симметричный мультивибратор с двумя выходами, вырабатывающий две последовательности прямоугольных импульсов, причем импульсы на выходах мультивибратора находятся в противоположных фазах, два согласующих каскада, подключенных к ключевой мостовой схеме, состоящей из четырех транзисторных ключей. К одной диагонали моста подключен источник питания, а к другой - первичная обмотка повышающего трансформатора. Импульсы, поступающие от мультивибратора, поочередно открывают и закрывают соответствующие пары ключей моста, и напряжение источника питания через повышающий трансформатор заряжает и разряжает емкость отклоняющих пластин. В результате на пластинах создается пилообразное напряжение высокой частоты. Частота отклоняющего напряжения - 6-12 кГц, а его размах до 30 кВ от пика до пика.

Данное устройство принимаем за прототип.

Недостатком прототипа является влияние нескольких факторов, вызывающих отклонение пилообразного напряжения на пластинах от линейной зависимости напряжения от времени:
а) искажения вследствие экспоненциальной зависимости напряжения на емкости от времени. Величина относительного отклонения напряжения δ при заряде и разряде емкости от линейной зависимости определяется формулой (1). (См. М. Талах. Высоковольтный генератор пилообразного напряжения для равномерного распределения циклотронного пучка ионов. Препринт ОИЯИ, 9-88-846, Дубна, 1988. - с. 3).

где U_c - напряжение, создаваемое на первичной обмотке трансформатора;
U_i - напряжение источника питания моста.

Из этой формулы следует, что для достижения δ ≤ 10% необходимо, чтобы (U_c/U_i)≤0,3. То есть для получения отклоняющего напряжения используется не более 30% напряжения источника питания моста, что не экономично. Например, в прототипе величина размаха высокого напряжения на отклоняющих пластинах ΔU будет определяться выражением ΔU = n•ΔU_c, где n - коэффициент трансформации. В прототипе n= 75-80, U_i≤510 В и для получения размаха отклоняющего напряжения ΔU = 30 кВ необходимо, чтобы U_c>15000/80 = 187,5 В и, следовательно, неоднородность развертки δ = 15%.
б) искажение формы импульса из-за насыщения магнитного потока в сердечнике повышающего трансформатора. Для получения высокого отклоняющего напряжения требуется высокочастотный трансформатор, выполненный на основе ферритового сердечника. Как указывается в описании прототипа, влияние насыщения сказывается на форме напряжения при напряжении более 12,5 В/виток или при ΔU ≥ 25 кВ. В силу этого при использовании отклоняющих напряжений с размахом более 25 кВ неравномерность отклонения пучка будет выше, чем предсказывается по формуле (1). В этом случае для исключения неравномерности необходимо ограничить размах пучка по образцу только линейной частью (с помощью диафрагмы или отклонения пучка за пределы образца) и, следовательно, пойти на потери части пучка. По нашим оценкам, потери составят не менее 18-20%.

Таким образом, существует задача разработки достаточно простого устройства развертки ионного пучка, позволяющего повысить равномерность развертки без увеличения потерь ионного пучка.

Для решения этой задачи, как и в прототипе, отклоняющие пластины соединены со вторичной обмоткой повышающего трансформатора, к первичной обмотке которого, в отличие от прототипа, подключен один выход генератора синусоидального напряжения низкой частоты (НЧ генератор), другой выход которого подключен ко входу формирователя, выходы которого соединены с модулятором ВЧ генератора и модулятором источника ионов циклотрона. НЧ генератор синусоидального напряжения может быть выполнен по следующей схеме: выпрямитель напряжения сети переменного тока мостового типа, резонансный LC фильтр, соединенный с выходом выпрямителя, усилитель мощности низкой частоты, трансформаторный фазовращатель.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для равномерной развертки ионного пучка циклотрона. 1 - НЧ генератор синусоидального напряжения, 2 - формирователь управляющих сигналов, 3 - повышающий трансформатор, 4 - модулятор источника ионов циклотрона, 5 - модулятор ВЧ генератора циклотрона, 6 - отклоняющая система.

На фиг. 2 - эпюры напряжений: 7 - на выходе генератора 1, 8 - на выходе трансформатора 3. 9 - на выходе формирователя управляющих сигналов 2. Генератор 1 синусоидального напряжения низкой частоты соединен с первичной обмоткой повышающего трансформатора 3 и формирователем 2. При этом вторичная обмотка трансформатора 3 присоединена к отклоняющей системе 6, а выход формирователя 1 соединен с модулятором ВЧ генератора 5 и модулятором источника ионов - 4.

На фиг. 3 приведена структурная схема НЧ генератора синусоидального напряжения. 10, 11 - мостовые выпрямители, 12 - усилитель мощности НЧ напряжения, 13 - трансформаторный фазовращатель, 14 - LC фильтр низкой частоты. Выпрямители 10, 11 соединены с усилителем 12 и обеспечивают его питание по постоянному току, вход фильтра 14 соединен с выходом одного из выпрямителей, а его выход со входом усилителя мощности 12. Один выход усилителя 12 соединен с первичной обмоткой трансформатора 3, а другой с фазовращателем 13, выход которого соединен с входом формирователя 2. Фазовращатель 13 обеспечивает выбор требуемого диапазона фаз в случае использования в качестве формирователя 2 формирователя с двумя фиксированными порогами.

Суть изобретения заключается в том, что для отклонения пучка предлагается использовать линейную часть низкочастотного синусоидального напряжения, при этом для исключения потерь пучка ускорение ионов циклотроном производится только в течение времени действия линейной части синусоидального напряжения, прикладываемого к пластинам отклоняющей системы 6. Устройство работает следующим образом. Напряжение 7 с НЧ генератора 1 с помощью трансформатора 3 повышается до требуемой величины 8 и прикладывается к пластинам отклоняющей системы 6. Одновременно напряжение 7 поступает на вход формирователя 2, в котором формируются сигналы 9, начало и окончание которых связано с фазовыми углами напряжения 8. Сигналы 9 поступают на модулятор 4 источника ионов циклотрона и модулятор 5 ВЧ генератора циклотрона. При этом источник ионов и ВЧ генератор циклотрона, находящиеся в нормально запертом положении, отпираются в течение длительности импульса с формирователя 2. Начало импульса 9 с формирователя 2 и его длина выбираются исходя из заданной величины неравномерности δ, а именно в пределах фазовых углов отклоняющего напряжения ϕ, удовлетворяющих условию (sinϕ/ϕ) ≤ (1+δ). Последнее условие можно разрешить относительно ϕ, если разложить sinϕ в ряд по ϕ и оставить в качестве первого приближения два члена. Тогда это условие примет вид:
Данное устройство было реализовано на циклотроне Р7М для развертки пучка ионов при облучении полимерной пленки. Генератор отклоняющего напряжения включал два мостовых трехфазных выпрямителя 10, 11 сетевого напряжения с частотой 50 Гц, к выходу одного из которых подключен вход LC фильтра 14 с резонансной частотой 300 Гц, выход которого соединен с входом усилителя мощности 12. На выходе усилителя 12 возникало напряжение амплитудой до 75 В с частотой 300 Гц, которое поступало в первичную обмотку повышающего трансформатора, ко вторичной обмотке которого подключены пластины отклоняющей системы. Повышающий трансформатор 3 выполнен на унифицированном сердечнике ПЛ 40х40х160 мм из стали Э350 сечением 16 см², первичная обмотка имеет (40х2) витков, вторичная (1600х2) витков. Использование сети переменного тока, питающей циклотрон для формирования отклоняющего напряжения низкой частоты, позволяет синхронизовать работу отклоняющей системы с работой других систем циклотрона и уменьшить нестабильность пучка. Одновременно с усилителя 12 низкой частоты синусоидальное напряжение подается через фазовращатель 13 на вход формирователя 2 управляющих сигналов. На практике для достижения относительной неравномерности развертки δ ≤ 10% достаточно, чтобы в каждом периоде отклоняющего напряжения сигналы с формирователя 2 имели длительность в пределах следующих фазовых углов: -44^o ≤ ϕ ≤ +44^o и -224^o ≤ ϕ ≤ +308^o. При этом управляющее напряжение подавалось на модулятор источника ионов и на модулятор ВЧ генератора циклотрона, обеспечивая ускорение ионов циклотроном только во время действия сигнала с формирователя 2.

По сравнению с прототипом в предлагаемом устройстве достигается практически полное использование ускоренного ионного пучка, повышается степень использования напряжения источника питания задающего генератора с 30 до 70%. В устройстве можно использовать более простой трансформатор, отсутствуют цепи коммутации напряжения, что упрощает устройство.

Устройство относится к ускорительной технике и может использоваться для облучения полимерной пленки при производстве так называемых ядерных фильтров (трековых мембран). Устройство состоит из отклоняющих пластин, повышающего трансформатора, генератора отклоняющего напряжения, при этом вторичная обмотка трансформатора соединена с отклоняющими пластинами, а первичная - с выходом генератора отклоняющего напряжения. Отличием устройства является то, что в качестве генератора отклоняющего напряжения используется генератор низкочастотного синусоидального напряжения и в состав устройства дополнительно введен формирователь управляющих импульсов, вход которого соединен с выходом указанного генератора, а выходы - с источником ионов и ВЧ генератором циклотрона. В устройстве для отклонения пучка используется линейная часть низкочастотного синусоидального напряжения, при этом для исключения потерь пучка ускорение ионов циклотроном производится только в течение времени действия линейной части синусоидального напряжения, прикладываемого к пластинам отклоняющей системы. В результате достигается полное использование пучка ионов при равномерной развертке ионного пучка и упрощается устройство. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для равномерной развертки ионного пучка циклотрона, содержащее отклоняющие пластины, подключенные ко вторичной обмотке повышающего трансформатора, первичная обмотка которого подключена к генератору отклоняющего напряжения, отличающееся тем, что генератор отклоняющего напряжения выполнен в виде генератора синусоидального напряжения и дополнительно введен формирователь управляющих импульсов, вход которого соединен с выходом генератора отклоняющего напряжения, а выход с модулятором источника ионов и модулятором высокочастотного генератора циклотрона. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что начало импульса с формирователя, отпирающего источник ионов и высокочастотный генератор циклотрона, и его длина выбираются в пределах фазовых углов отклоняющего напряжения ϕ, удовлетворяющих условию (sinϕ/ϕ)<(1+δ), где δ - заданная величина неравномерности. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что генератор отклоняющего напряжения содержит два мостовых трезфазных выпрямителя синусоидального напряжения сети, подключенные к усилителю мощности низкой частоты, низкочастотный фильтр, включенный между одним из выходов мостового выпрямителя и входом усилителя мощности, и фазовращатель, подключенный к выходу усилителя мощности.