ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ УСКОРЕНИЯ КЛАСТЕРНЫХ ИОНОВ Российский патент 2015 года по МПК H05H7/00 

Изобретение относится к ускорителям заряженных частиц и может быть использовано в ускорительной технике, энергетике, промышленности, медицине.

Кластерные ионы - сложные структурные образования, состоящие из простых ионов и множества атомов или молекул вещества, характеризуются малой энергией диссоциации и легко разрушаются при взаимных столкновениях.

Аналогом изобретения являются ускорители с широко известными высокочастотными ускоряющими структурами (ВЧ-структурами) с пространственной однородной квадрупольной фокусировкой (И.М. Капчинский. Теория линейных резонансных ускорителей. М.: Энергоиздат. 1982, с. 28-43. 130-144).

Недостатком применения таких ВЧ-структур являются малые сечения ускоряющих апертур и низкий темп ускорения, способствующий увеличению числа малых продольных колебаний заряженной частицы вокруг равновесной фазы, что уменьшает интенсивность кластерных ионов в пучке на выходе ускорителя из-за их разрушения в результате взаимных столкновений при ускорении.

Другим аналогом являются широко известные одноапертурные ускоряющие высокочастотные структуры с асимметричной фазопеременной фокусировкой (Б.П. Мурин, Б.И. Бондарев, В.В. Кушин и др. Линейные ускорители ионов. М.: Атомиздат. 1978. С. 173-200), обладающие высоким темпом ускорения.

Недостатком является малая величина интенсивности ускоренных заряженных частиц в пучке на выходе ускорителя, связанная с низкой эффективностью их захвата в режим ускорения и большой потерей заряженных частиц в результате действия собственного кулоновского поля пучка и взаимных столкновений, вызванных высокой плотностью ускоряемых заряженных частиц в пучках малого сечения.

Наиболее близким аналогом технического решения, принятым за прототип, является многоапертурная высокочастотная ускоряющая структура, реализующая преимущества как принципа асимметричного фазопеременного ускорения, так и одновременного ускорения нескольких ионных пучков, позволяющего уменьшить плотность заряженных частиц в ускоряющих каналах (V. Ganelin. V. Kushin. N Nesterov et all. Multichannel Alternating Phase Focusing Structure for Light Ion Resonant Linac. 5^th Europen Partical Accelerator Conference. Barselona. 1996. Abstracts, p. 157).

Данная ускоряющая высокочастотная структура состоит из резонатора, выполненного в виде бака, внутри которого создано высокочастотное электрическое поле, а на токоведущих шинах, соединенных с землей, установлены трубки дрейфа, выполненные в виде плоских цилиндрических шайб с множеством соосных апертур.

Недостатком является малая интенсивность ионов в пучке на выходе ускоряющей высокочастотной структуры, обусловленная наличием в ускоряющих зазорах между трубками дрейфа поперечного электрического поля.

Целью изобретения является увеличение интенсивности кластерных ионов в пучке на выходе высокочастотной структуры для ускорения кластерных ионов.

Поставленная цель достигается тем, что в высокочастотной структуре для ускорения кластерных ионов, состоящей из резонатора, выполненного в виде бака, внутри которого создано высокочастотное электрическое поле, а на токоведущих шинах, электрически соединенных с землей, установлены трубки дрейфа с множеством соосных апертур, выполненные в виде профилированных цилиндрических шайб, профиль плоских поверхностей которых создает различные расстояния между соосными апертурами соседних трубок дрейфа, соответствующие одинаковой величине напряженности ускоряющего высокочастотного электрического поля между этими апертурами.

Известно, что на трубках дрейфа, одна точка которых соединена с землей, под действием высокочастотного электрического поля возникает разность электрических потенциалов между участками, пространственно удаленными от заземленной точки (эффект антенны). В результате, при неизменном расстоянии между соосными апертурами соседних трубок дрейфа, что имеет место в аналогах, напряженность электрического поля между соосными апертурами смежных трубок дрейфа, удаленных от точки заземления, будет отличаться от величины напряженности электрического поля между соосными апертурами, расположенными вблизи точки заземления. Поэтому в ускоряющих зазорах между трубками дрейфа возникает поперечное электрическое поле, приводящее как к смещению ускоряемых пучков от расчетной траектории их движения, так и к увеличению длины траекторий осцилляции ионов вокруг равновесной фазы ускоряющего электрического поля, обусловленной эффектом существования малых продольных колебаний в ускоряемом сгустке заряженных частиц. Перечисленные факторы способствуют увеличению вероятности разрушения кластерных ионов из-за взаимных столкновений, их потерям при адсорбции на поверхности трубок дрейфа, особенно в трубках дрейфа с малыми размерами проходных апертур, что уменьшает интенсивность кластерных ионов в ускоренном пучке.

Сущность предлагаемого изобретения в том, что в результате создаваемого профилем поверхностей трубок дрейфа изменения расстояний между соосными апертурами, находящимися на различных расстояниях от точек заземления данных трубок дрейфа, происходит выравнивание напряженности ускоряющего электрического поля в зазорах между всеми соосными апертурами соседних трубок дрейфа. Что уменьшает величину поперечного электрического поля в ускоряющих зазорах, тем самым уменьшая смещение пучка кластерных ионов от расчетной траектории ускорения и снижая вероятность столкновений кластерных ионов в ускоряемом сгустке, позволяя увеличить их интенсивность в ускоренном пучке на выходе ВЧ-структуры.

Таким образом, в результате предложенных конструктивных изменений, выразившихся в использовании многоапертурных трубок дрейфа с изменяемым профилем плоских (торцевых) поверхностей, в предлагаемом изобретении появляется новое физическое свойство, а именно, в ускоряющих зазорах между трубками дрейфа исчезает поперечное электрическое поле, что способствует достижению поставленной цели изобретения.

Анализ отличительных существенных признаков и проявленных благодаря им свойств, связанных с достижением положительного эффекта, выразившихся в конструктивных изменениях, вызвавших возникновение новых физических свойств, а именно, исчезновения поперечного электрического поля в ускоряющих зазорах, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию изобретения.

В известном способе генерации высокотемпературной ядерной плазмы с помощью столкновения ускоренных сверхтяжелых (кластерных) ионов показано, что появляется возможность на несколько порядков (4 - 5) уменьшить по сравнению с тяжелыми ионами требуемую для начала термоядерного синтеза энергию ускорения, в пересчете на один нуклон (Окороков В.В., Чувило И.В. Препринт ИТЭФ №108. М. 1986) и (Кингсеп А.С., Окороков В.В., Чувило И.В. ЖТФТ.61. Вып. 10. С. 60.), но показано, что возникают большие потери кластерных ионов при их ускорении в известных типах линейных ускорителей (Е.В. Майоров, В.В. Окороков. Об ускорении кластеров в линейном резонансном ускорителе для целей управляемого термоядерного синтеза. Оценка потерь при ускорении. Приборы и Техника Эксперимента. № 5. 2000 г., с. 5-8).

Предлагаемое изобретение целесообразно использовать для решения таких проблем.

На фиг. 1 показана высокочастотная структура для ускорения кластерных ионов, состоящая из резонатора 1, выполненного в виде бака, в котором создан вакуум и высокочастотное электрическое поле Е, ускоряющее сгустки кластерных ионов 2, трубок дрейфа 3, выполненных в виде цилиндрических шайб с множеством соосных апертур 4, установленных на токопроводящей шине 5, электрически соединенной с землей.

Известно, что пучок кластерных ионов, попадая в резонатор 1, фиг. 1, в процессе ускорения в высокочастотном электрическом поле Е (ВЧ-поле) распадается на отдельные, состоящие из множества кластерных ионов, сгустки 2, частота следования которых совпадает с частотой ускоряющего ВЧ-поля (И.М. Капчинский. Теория линейных резонансных ускорителей. М.: Энергоиздат, 1982). Кластерные ионы, являясь неустойчивыми образованиями, легко разрушаются в процессе ускорения из-за взаимных столкновений (Е.В. Майоров, В.В. Окороков. Об ускорении кластеров в линейном резонансном ускорителе для целей управляемого термоядерного синтеза. Оценка потерь при ускорении. Приборы и Техника Эксперимента. №5. 2000 г., с. 5-8). В этой же работе показано, что на частоту столкновений кластерных ионов влияют как их плотность в ускоряемых сгустках, так и длина дрейфового пути, который проходят кластерные ионы в процессе ускорения, осциллируя внутри ускоряемого сгустка в результате возникновения эффекта малых продольных колебаний. Ускоряемые в линейных резонансных ускорителях ионы движутся по сложным траекториям, испытывая большое количество малых продольных колебаний относительно равновесной фазы ускоряющего напряжения, приводящих к увеличению длины траекторий их движения (И.М. Капчинский. Теория линейных резонансных ускорителей. М.: Энергоиздат. 1982, с. 28-42). Если бы ионы в ускоряемом сгустке были неподвижны относительно друг друга, они бы и не сталкивались. Но, в результате их осцилляции в ускоряющем электрическом поле, с ростом скорости движения и длины пути таких ионов внутри ускоряемого сгустка увеличивается вероятность их взаимных столкновений.

В предлагаемом изобретении для достижения поставленной цели реализован ряд физических принципов, а именно.

1. Для уменьшения длины пути проходимого кластерным ионом в процессе ускорения до требуемой энергии, применен известный способ ускорения с асимметричной фазопеременной фокусировкой, позволяющий за счет высокого темпа ускорения уменьшать время, необходимое для набора ионом заданной энергии и длину ускорителя.

2. Для уменьшения плотности кластерных ионов в ускоряемом пучке использован способ одновременного ускорения многих пучков ионов в многоапертурной ускоряющей структуре. В таких ускорителях пучок заряженных частиц на входе ВЧ-структуры разбит на множество отдельных пучков малого сечения малой плотности и одновременно ускоряется по многим каналам, сохраняя требуемую величину суммарного тока ионов (Б.П. Мурин, Б.И. Бондарев, В.В. Кушин и др. Линейные ускорители ионов. М.: Атомиздат. 1978 г., с. 206-209).

3. Широко известно, при помещении проводника во внешнее электрическое поле его свободные заряды (электроны), перемещаясь в этом поле, распределяются по поверхности проводника и стекают на землю в точке заземления проводника. Поскольку трубки дрейфа обладают электрическим сопротивлением, величина электрического потенциала на их торцевых поверхностях, удаленных от точки их заземления, будет отличаться в большую сторону от электрического потенциала поверхностей, расположенных вблизи точки заземления. Т.о. по трубкам дрейфа в переменном высокочастотном электрическом поле, обладающим электрическим сопротивлением, будут протекать токи, создающие дополнительный прирост электрического напряжения между апертурами, удаленными от точки заземления относительно апертур - вблизи этой точки. Если расстояния в ускоряющем зазоре (как имеет место в прототипе) между всеми соосными апертурами трубок дрейфа неизменны (d₁=d₂, фиг. 1), то величина напряженности Е электрического поля между соосными апертурами, удаленными от точки заземления трубок дрейфа, будет больше, чем между соосными апертурами вблизи точек заземления, отличаясь пропорционально разности электрических потенциалов между соответствующими апертурами на поверхностях трубок дрейфа. При такой конструкции трубок дрейфа ВЧ-структуры в ее ускоряющих зазорах возникают различные по величине ускоряющие электрические напряжения между соосными апертурами, в зависимости от их геометрического расположения, приводящие к формированию поперечного электрического поля. Наличие такого поля вызывает негативные эффекты, способствующие уменьшению величины интенсивности кластерных ионов в ускоряемом пучке, а именно. В ускоряющих промежутках между трубками дрейфа 4, фиг. 1, возникает поперечное смещение ускоряемых кластерных сгустков 2 от расчетной траектории их продольного движения, и часть кластерных ионов адсорбируется на стенках трубок дрейфа. На практике, такое смещение невелико и при ускорении пучков через апертуры большого сечения данными потерями можно пренебречь. Но при использовании принципа одновременного многопучкового ускорения через апертуры малого сечения подобные потери будут существенны.

Выше было показано, на вероятность столкновений кластеров в ускоряемом сгустке влияют подвижность кластерных ионов и длина пути, проходимого ими внутри ускоряемого сгустка. В результате действия на кластерные ионы в ускоряемом сгустке дополнительных электрических сил, обусловленных наличием поперечного электрического поля в ускоряющем зазоре, увеличивается суммарная скорость движения и длина пути, проходимого кластерными ионами внутри ускоряемого сгустка. Тем самым, увеличивается вероятность их разрушения при взаимных столкновениях, уменьшая интенсивность ускоренных кластерных ионов в пучке на выходе ускорителя.

Для устранения перечисленных выше причин, приводящих к возникновению поперечного электрического поля в ускоряющих промежутках, в настоящем изобретении предлагается выполнять торцевые поверхности трубок дрейфа не плоскими, а профилированными. Причем профиль поверхностей должен быть таким, чтобы, с учетом возникающего перепада электрического напряжения между различными точками поверхностей трубок дрейфа, величина напряженности электрического поля в ускоряющих зазорах между всеми соосными апертурами была постоянной.

На фиг. 1 показан вид предлагаемых в изобретении трубок дрейфа 2. Известно, что величина напряженности электрического поля в ускоряющем зазоре пропорциональна величине электрического напряжения на зазоре и обратно пропорциональна длине этого зазора. Поскольку величина электрического напряжения на поверхностях трубок дрейфа 4, фиг. 1, в ускоряющем зазоре между соосными апертурами, расположенными вблизи соединения этих трубок дрейфа с заземленной токоведущей шиной 5, будет меньше, чем между соосными апертурами на верхних концах данных трубок дрейфа. Для выравнивания напряженности электрического поля между этими апертурами необходимо, чтобы величина зазора d₁, фиг. 1, была больше величины зазора d₂ между соосными апертурами, изображенными на данной фигуре настолько, чтобы компенсировать возникающий перепад электрического напряжения, возникающий между верхними и нижними апертурами трубок дрейфа. Величину данных зазоров несложно рассчитать с помощью известного в электротехнике закона Ома, зная удельное сопротивление материала трубок дрейфа и измерив величину протекающего по ним импульсного тока. На фиг. 1 видно, для выравнивания величины напряженности ускоряющего электрического поля между различными группами соосных апертур в предлагаемом изобретении торцевые поверхности трубок дрейфа скошены в сторону апертур, удаленных от точек заземления этих трубок дрейфа. В удаленных от точки заземления областях трубки дрейфа имеют меньшую толщину тела.

В результате выполнения профиля плоских поверхностей трубок дрейфа предложенным способом, позволяющим уменьшать величину поперечного электрического поля в ускоряющих зазорах. Применения трубок дрейфа с большим количеством апертур, позволяющих уменьшать пространственную плотность кластерных ионов в ускоряемом ансамбле заряженных частиц. Применения способа ускорения, реализующего высокий темп ускорения. Уменьшаются потери кластерных ионов в процессе их ускорения, что способствует увеличению интенсивности ускоренного пучка кластерных ионов на выходе предложенной высокочастотной структуры для ускорения кластерных ионов.

Конструкция предложенной высокочастотной структуры для ускорения кластерных ионов позволяет обеспечить захват в режим ускорения широкопрофильных пучков, что способствует увеличению интенсивности кластерных ионов в ускоренном пучке на ее выходе, она отличается простотой изготовления и дешевизной.

Изобретение относится к источникам ионов, предназначенных для ускорителей заряженных частиц, и может быть использовано в ускорительной технике, энергетике, промышленности, медицине. Технический результат - увеличение интенсивности кластерных ионов в пучке на выходе высокочастотной структуры для ускорения кластерных ионов. В высокочастотной структуре для ускорения кластерных ионов, состоящей из резонатора, выполненного в виде бака, внутри которого создано высокочастотное электрическое поле, а на токоведущих шинах, электрически соединенных с землей, установлены трубки дрейфа с множеством соосных апертур, выполненные в виде профилированных цилиндрических шайб, профиль плоских поверхностей которых задает расстояния между соосными апертурами соседних трубок дрейфа, соответствующие одинаковой величине напряженности ускоряющего высокочастотного электрического поля между этими апертурами. 1 ил.

Высокочастотная структура для ускорения кластерных ионов, состоящая из резонатора, выполненного в виде бака, внутри которого создано высокочастотное электрическое поле, а на токоведущих шинах, электрически соединенных с землей, установлены трубки дрейфа с множеством соосных апертур, выполненные в виде цилиндрических шайб, отличающаяся тем, что трубки дрейфа выполнены в виде профилированных цилиндрических шайб, профиль плоских поверхностей которых создает расстояния между соосными апертурами соседних трубок дрейфа, соответствующие одинаковой величине напряженности ускоряющего высокочастотного электрического поля между этими апертурами.