ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ИОНОВ Российский патент 1999 года по МПК H05H9/04 

Настоящее изобретение относится к ускорительной технике, в частности к области линейных ускорителей ионов, и может быть использовано при создании новых и реконструкции действующих линейных ускорителей. Известна классическая схема, по которой ускоритель состоит из высоковольтного инжектора, ускоряющего резонатора, мишени, системы ВЧ-питания и др. Инжектор представляет собой ускоритель прямого действия, причем энергия инжекции ионов составляет от 50 до 300 кВ. Инжектор содержит обычно высоковольтную стойку, содержащую блоки питания источника. Все блоки и сама стойка находятся на изоляторах и имеют потенциал инжекции относительно земли. Для питания блоков стойки приходится сооружать разделительный трансформатор, обмотки которого изолированы друг от друга на напряжение инжекции. Ускорительная трубка также является сложным инженерным сооружением. Она представляет собой набор металлических и керамических колец, склеенных между собой вакуумноплотно, причем на все металлические пластины должны быть поданы промежуточные потенциалы от высоковольтного делителя. (Линейные ускорители ионов, т.2. Основные системы, Москва, Атомиздат, 1978, с. 3-7, рис. 1.1. Под редакцией Мурина Б.П. Авторы: Мурин Б.П., Кульман В.Г., Ломизе Л.Г., Поляков Б.И., Федотов А.П.).

Наиболее близким аналогом (прототипом) является ускоритель ионов, содержащий вакуумный кожух, ускоряющую структуру, систему ВЧ-питания с высоковольтным вводом мощности, высоковольтный источник напряжения инжекции, высоковольтный инжектор ионов, корпус которого заземлен (патент Великобритании N 1241319, МПК H 05 H 9/04, опублик. 1971 г.). Прототип как и аналог имеет утечки ВЧ-мощности из резонатора через ввод и низкую надежность из-за больших габаритов и высокого напряжения различных узлов ускорителя.

Данное изобретение устраняет указанные недостатки.

Техническим результатом изобретения является уменьшение утечки высокочастотной мощности из резонатора через ввод при повышении надежности ускорителя.

Технический результат достигается тем, что в линейном ускорителе ионов, содержащем вакуумный кожух, ускоряющую структуру, систему ВЧ-питания с высокочастотным вводом мощности, высоковольтный источник напряжения инжекции, высоковольтный инжектор ионов, корпус которого заземлен, высоковольтный ввод напряжения инжекции подключен к точке ускоряющей структуры с минимальным ВЧ-напряжением, причем ввод выполнен в виде неоднородной линии, параметры которой определены выражениями

Ig D₀/d >> Ig D₀/D,
где L - длина тонкой части ввода,
λ - длина рабочей волны резонатора,
D₀, D, d - диаметры экрана, толстой и тонкой частей ввода соответственно,
а петля возбуждения ВЧ-полей выполнена изолированной от ускоряющей структуры.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, где приведена блок-схема ускорителя,
где 1 - источник ионов, 2 - ускоряющая структура, 3 - высокочастотный ввод мощности, 4 - вакуумный кожух, 5 - система высокочастотного питания, 6 - изоляторы ускоряющей структуры, 7 - высоковольтный ввод высоковольтного источника напряжения инжекции 8, 9 - подставки источника ионов 1.

Ускоритель работает следующим образом.

На ускоряющую структуру 2 через высоковольтный ввод 7 подается напряжение отрицательной полярности относительно земли от источника 8. Для уменьшения утечки ВЧ-мощности из резонатора ввод подключен к точке структуры с минимальным ВЧ-напряжением, а сам ввод представляет собой неоднородную линию со скачком волнового сопротивления не менее чем в 10 раз. Пусть диаметр экрана ввода D₀, а внутренний проводник имеет ступенчатую форму с диаметрами d и D соответственно тонкой и толстой частей. Если длина тонкой части L = λ/4, где λ - длина рабочей волны резонатора, а диаметры D₀, D и d выбраны таким образом, что выполняется неравенство
Ig = D₀/d >> Ig D₀/D,
то ввод можно рассматривать как четвертьволновый трансформатор, с одной стороны нагруженный на ускоряющую структуру, а с другой стороны - на коаксиальный конденсатор большой емкости, имеющий на ВЧ сопротивление, близкое к нулю. Таким образом, входное сопротивление этого ввода со стороны структуры по ВЧ будет бесконечно большим, что препятствует утечке ВЧ-мощности из резонатора.

Положительные ионы, ускоренные напряжением инжекции до энергии расчетной величины, поступают на вход ускоряющей структуры. В структуру от системы ВЧ-питания 5 через ввод 3 поступает ВЧ-мощность, что обеспечивает наличие ускоряюще-фокусирующих полей в зазорах структуры. Петля возбуждения выполнена таким образом, что расстояние между ней и ускоряющей структурой выдерживает напряжение инжекции. На выходе структуры ионы, ускоренные до расчетной энергии, тормозятся на величину напряжения инжекции, однако торможение пучка ионов с энергией несколько МэВ на несколько десятков кэВ практически незаметно и не влияет на параметры пучка. На выходе предложенного ускорителя имеется ускоренный пучок ионов, который можно ускорять дальше в любом ускорителе до любой энергии.

Линейный ускоритель ионов предназначен для использования при создании новых и реконструкции действующих линейных ускорителей. Линейный ускоритель ионов содержит вакуумный кожух, ускоряющую структуру, систему ВЧ-питания с высокочастотным вводом мощности, высоковольтный источник напряжения инжекции, высоковольтный инжектор ионов, корпус которого заземлен. Высоковольтный ввод напряжения инжекции подключен к точке ускоряющей структуры с минимальным ВЧ-напряжением, причем ввод выполнен в виде неоднородной коаксиальной линии, параметры которой определены выражениями. Длина тонкой части ввода равна отношению длины рабочей волны резонатора к четырем. Причем десятичный логарифм от отношения диаметра экрана к диаметру тонкой части ввода больше или равен десятичному логарифму от отношения диаметра экрана к диаметру толстой части ввода. Петля возбуждения ВЧ-полей выполнена изолированной от ускоряющей структуры. Изобретение позволяет уменьшить утечки высокочастотной мощности из резонатора через ввод, а также повысить надежность ускорителя. 1 ил.

Линейный ускоритель ионов, содержащий вакуумный кожух, ускоряющую структуру, систему ВЧ питания с высокочастотным вводом мощности, высоковольтный источник напряжения инжекции, высоковольтный инжектор ионов, корпус которого заземлен, отличающийся тем, что высоковольтный ввод напряжения инжекции подключен к точке ускоряющей структуры с минимальным ВЧ напряжением, причем ввод выполнен в виде неоднократной коаксиальной линии, параметры которой определены выражениями

lgD₀/d ≥ lgD₀/D,
где L - дина тонкой части ввода;
λ - длина рабочей волны резонатора;
D₀, D, d - диаметры экрана, толстой и тонкой частей ввода соответственно, а петля возбуждения ВЧ полей выполнена изолированной от ускоряющей структуры.