ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ИНЖЕКТОР ЧАСТИЦ ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО УСКОРИТЕЛЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2016 года по МПК H05H7/22 

Настоящее изобретение относится к способу, а также к устройству для инжекции заряженных частиц в резонатор высокочастотного (ВЧ) ускорителя частиц.

Типовой ВЧ ускоритель частиц содержит, по существу, источник ионов, а также ускорительный участок, состоящий из множества объемных резонаторов. Заряженные частицы, испускаемые из источника ионов, попадают в первый объемный резонатор ускорительного участка и оттуда ускоряются каскадным образом в отдельных резонаторах. Под «первым» объемным резонатором понимается первый при рассмотрении в направлении пучка или направлении ускорения объемный резонатор. Необходимая синхронизация резонаторов ускорительного участка или приложенных к резонаторам ВЧ полей достигается посредством соответствующего устройства управления, которое управляет источниками ВЧ напряжения, которые вырабатывают ВЧ напряжения, прикладываемые к отдельным резонаторам. Объемные резонаторы также называются ВЧ резонаторами.

Существенную сложность при конструировании подобных ускорителей частиц представляет инжекция ускоряемых частиц в первый объемный резонатор ускорительного участка ВЧ ускорителя частиц. Здесь целью является инжектировать заряженные частицы, испускаемые из источника ионов, с достаточно высокой скоростью в первый объемный резонатор, так что время пролета частиц через этот первый объемный резонатор составляет меньше половины длительности периода ВЧ, и тем самым может осуществляться эффективное и действенное ускорение.

Из-за очень низкой скорости заряженных частиц из типовых источников ионов предпринимаются, например, следующие меры а) и b):

а) Потенциал напряжения на источнике ионов повышается по отношению к ускорительной структуре, так что частицы до входа в первый объемный резонатор уже предварительно ускоряются. Однако это решение имеет лишь ограниченное действие, так как возможное напряжение между источником ионов и ускорительной структурой очень ограничено необходимой изоляцией от высокого напряжения всего источника ионов и вспомогательных инструментов (обычно в воздухе). Альтернатива ускорительной трубке на высоком напряжении обычно заведомо не допускается. Кроме того, необходим стабильный, точно определенный высоковольтный источник постоянного напряжения, который нагружается током пучка.

b) Передняя в направлении пучка часть ускорителя работает с меньшей частотой, чем задняя часть, посредством чего принимается во внимание первоначально более низкая скорость частиц. При этом отношение частот следует выбирать рациональным и постоянным по фазе. С этим связано более сложное и более затратное управление.

Задачей изобретения является обеспечить возможность инжектировать заряженные частицы, испускаемые из источника ионов ВЧ ускорителя частиц, с достаточно высокой скоростью в первый объемный резонатор ускорительного участка ВЧ ускорителя частиц.

Эта задача решается посредством изобретений, представленных в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.

На соответствующем изобретению ускорительном участке для ВЧ ускорителя заряженных частиц с по меньшей мере одним объемным резонатором, который выполнен с возможностью ускорения частиц, испускаемых из источника ионов, между источником ионов и первым объемным резонатором ускорительного участка осуществляется электростатическое предварительное ускорение на основе потенциальной ямы. При этом источник ионов и ускорительный участок, в частности первый объемный резонатор, находятся под одним и тем же потенциалом.

На первом объемном резонаторе ускорительного участка размещен электрод, который по отношению к источнику ионов находится под потенциалом, так что для частиц, испускаемых из источника ионов, создается потенциальная яма.

Электрод выполнен как кольцевой электрод на входе в первый объемный резонатор и, в частности, выполнен таким образом, что он окружает входное отверстие первого объемного резонатора. При этом выражение «кольцевой электрод» необязательно должно означать, что поперечное сечение электрода должно быть круговой формы. Также возможны и другие сечения, например прямоугольное, эллиптическое и другие. В принципе, можно предположить, что поперечное сечение электрода согласовано с поперечным сечением лучевой трубки.

Электрод отделен от остальной резонаторной структуры первого объемного резонатора посредством изолятора, в частности посредством изоляционного промежутка кольцевой формы. И здесь выражение «кольцевой формы» необязательно должно означать поперечное сечение круговой формы. В идеальном случае форма или поперечное сечение изолятора согласовано с формой электрода.

Альтернативно или дополнительно предусмотрен параллельно включенный конденсатор, который выполнен и размещен таким образом, чтобы подавлять значительное переменное напряжение электрода относительно остальной резонаторной структуры первого объемного резонатора при работе первого объемного резонатора.

Через этот конденсатор электрод соединен с остальной резонаторной структурой первого объемного резонатора.

Потенциальная яма и ВЧ поле, приложенное при работе остальной резонаторной структуры к первому объемному резонатору, таким образом согласованы друг с другом, что тормозящая сила, которая существует ввиду потенциальной ямы при наблюдении в направлении пучка частиц за входом в первый объемный резонатор, компенсируется и превосходится одновременно действующей на частицу ускоряющей силой ВЧ поля.

Первый объемный резонатор находится при наблюдении в направлении пучка частиц, по существу, в области, в которой потенциальная яма оказывает тормозящее воздействие на частицу.

Минимум потенциальной ямы лежит, при наблюдении в направлении пучка частиц, на входе первого объемного резонатора.

В соответствующем изобретению способе для ускорения частицы, испускаемой источником ионов, с помощью ВЧ ускорителя заряженных частиц, который имеет ускорительный участок с по меньшей мере одним объемным резонатором, который со своей стороны выполнен с возможностью ускорения частиц, испускаемых источником ионов, частица электростатически предварительно ускоряется с помощью потенциальной ямы и после прохождения минимума потенциальной ямы ввиду притягивающего действия потенциальной ямы на частицу вновь тормозится.

Частицы полностью проходят через потенциальную яму, то есть вверх и вниз.

Потенциальная яма создается с помощью электрода, который приводится на первый потенциал U1, в то время как по меньшей мере источник ионов и первый объемный резонатор находятся на отличающемся от него втором потенциале U0.

В соответствии с изобретением также предложено применение электростатического предварительного ускорения от источника ионов к первому объемному резонатору ускорительного участка с помощью потенциальной ямы. Для создания электростатического предварительного ускорения формируется постоянное напряжение между источником ионов и первым объемным резонатором, при этом потенциал постоянного напряжения прикладывается к дополнительному электроду, например, на входе в первый объемный резонатор.

Соответствующее изобретению устройство представляет, таким образом, потенциальную яму постоянного напряжения с минимумом потенциала на резонаторном входе первого объемного резонатора, которая ускоряет частицу в направлении от источника ионов и заставляет входить в резонатор с начальной скоростью.

При этом предпочтительно как источник ионов, так и ускорительная структура находятся на одинаковом потенциале, предпочтительно на потенциале земли. При отсутствии обычного применяемого для работы ускорителя ВЧ поля в резонаторе скорость частиц при прохождении через резонатор вновь тормозилась бы до первоначальной, низкой скорости частиц при покидании источника ионов, так как выходное отверстие резонатора имеет тот же потенциал, что и источник, или потому, что частицы полностью прошли через потенциальную яму. В итоге это означает, что предпочтительным образом.

а) электростатическая потенциальная яма не вносит вклад в общую энергию частиц,

b) весь эффект ускорения достигается посредством индукции напряжения в ВЧ резонаторе,

с) источник постоянного напряжения не нагружается током пучка, так что он не требуется, чтобы он был точно регулируемым или высокопроизводительным.

Предпочтительным образом изобретение предоставляет, на основе совместного потенциала источника ионов и ускорительной структуры, в особенности первого объемного резонатора, полностью, то есть вниз и вверх, проходимую потенциальную яму постоянного напряжения. Дополнительно, соответствующий изобретению ВЧ резонатор находится в зоне тормозящей области поля. При обычных инжекторах, в которых, как упомянуто выше, между источником ионов и ускорительной структурой или резонатором приложено дифференциальное напряжение, потенциал проходится только вверх.

Целесообразно ВЧ поле, приложенное на первом объемном резонаторе, в течение ускоряющей фазы имеет достаточную напряженность, чтобы скомпенсировать и превзойти тормозящую силу поля постоянного напряжения посредством одновременной ускоряющей силы в ВЧ поле, так что частица может выйти из первого объемного резонатора с определенной скоростью.

Другие преимущества, признаки и особенности изобретения следуют из описанного далее примера выполнения, а также чертежей, на которых показано следующее:

Фиг. 1 - фрагмент ВЧ ускорителя частиц с источником ионов и первым объемным резонатором с ускоряющим электродом,

Фиг. 2 - характеристика потенциала для частицы, покидающей источник ионов.

Фиг. 1 показывает ВЧ ускоритель 1 частиц с источником 10 ионов и исходящим из источника 10 ионов пучком 20 частиц. В направлении ускорения, то есть на фиг.1 слева направо, сзади источника 10 ионов расположен ускорительный участок 30, который обычно имеет несколько объемных резонаторов. На фиг. 1 показан, однако, только первый объемный резонатор 31 ускорительного участка 30 на виде в сечении. Другие объемные резонаторы по структуре не отличаются от объемных резонаторов обычных коммерчески доступных ВЧ ускорителей.

На передней по направлению пучка стороне первого объемного резонатора 31 размещен электрод 41, который выполнен как кольцевой электрод и окружает входное отверстие 32 первого объемного резонатора 31. Кольцевой электрод 41 отделен от остальной ускорительной структуры первого объемного резонатора 31 изолятором 42, который в идеальном случае выполнен также кольцевым. Под понятием «остальная резонаторная структура» первого объемного резонатора 31 понимаются все остальные компоненты первого объемного резонатора 31, исключая электрод 41 и изоляцию 42. Это изолирующее кольцо 42 подавляет значительное переменное напряжение кольцевого электрода 41 относительно остальной резонаторной структуры первого объемного резонатора 31 при работе резонатора 31. Такое значительное переменное напряжение может, например, обуславливаться емкостной связью с ВЧ полем в резонаторе.

Источник 10 ионов и остальная ускорительная структура, в особенности объемные резонаторы ускорительного участка 30, находятся на одинаковом потенциале. Например, эти компоненты могут быть заземлены.

Дополнительно или альтернативно к этому изолирующему кольцу 42 с той же целью может применяться параллельно включенный конденсатор 43, посредством которого электрод 41 соединен с остальной резонаторной структурой первого объемного резонатора 31. Кроме того, предусмотрен источник 44 постоянного напряжения, который прикладывает к электроду 41 необходимый потенциал.

В то время как только электрод 41 посредством источника 44 постоянного напряжения приведен на определенный потенциал U1 (см. фиг. 1), остальная часть устройства находится под потенциалом U0. При этом U1 и U0 выбраны таким образом, что частицы, испускаемые из источника 10 ионов, ускоряются в направлении кольцевого электрода 41. Устройство представляет, таким образом, потенциальную яму постоянного напряжения с минимумом потенциала на входе резонатора. Частицы, испускаемые из источника 10 ионов, ускоряются в направлении от источника 10 и входят с начальной скоростью в резонатор 31.

Как пояснено выше, источник 10 ионов и ускорительный участок 30, помимо электрода 41, находятся на одинаковом потенциале U0. Это имеет, в конечном счете, следствием то, что при отсутствии ВЧ поля, которое в нормальном режиме приложено к ВЧ резонатору 31, а также к остальным, не представленным резонаторам ускорительного участка 30, резонатор 31 будет сокращать скорость частиц, достигнутую за счет предварительного ускорения ввиду кольцевого электрода 41, после прохождения через резонатор 31 вновь до той первоначальной низкой скорости, которую частицы имеют при выходе из источника 10 ионов, так как выходное отверстие резонатора 31 имеет тот же потенциал, что и источник 10 ионов. Электростатическая потенциальная яма, которая обуславливает предварительное ускорение частиц, испускаемых из источника 10 ионов, в соответствии с этим не вносит вклад в полную энергию частиц.

Фиг. 2 показывает характеристику потенциала для частицы, испускаемой из источника 10 ионов, причем пунктирная кривая представляет потенциальную яму, образованную на основе электрода 41. Как упомянуто выше, источник ионов и ускорительная структура или ускорительный участок 30 находятся на общем потенциале U0. С этим потенциалом частицы испускаются из источника 10 ионов в месте х1. Первый объемный резонатор 31 продолжается в продольном направлении от места х2 до места х3. Для частиц, испускаемых из источника 10 ионов, создается, ввиду приложенного к кольцевому электроду 41 потенциала U1, потенциальная яма, которая воздействует ускоряющим образом на частицы и которая имеет минимум в месте х2. Иными словами, частицы между местом х1 и местом х2 испытывают ускорение. Так как первый объемный резонатор 31 вплоть до электрода 41 находится на потенциале U0, частицы, проходящие мимо кольцевого электрода 41, тормозятся.

Рациональным образом ВЧ поле, приложенное к первому объемному резонатору 31 в течение ускоряющей фазы, то есть когда электрическое поле, образующееся в ВЧ резонаторе 31, имеет ориентацию в направлении пучка, имеет достаточную напряженность, чтобы компенсировать и превысить тормозящую силу потенциальной ямы в области между х2 и х3, посредством одновременной ускоряющей силы ВЧ поля, так что частицы могут покидать первый объемный резонатор с определенной скоростью. Потенциалы U0 и U1, а также ВЧ поле таким образом согласованы друг с другом, что в ускоряющей фазе ВЧ резонатора вызванная ВЧ полем ускоряющая сила больше, чем тормозящая сила, которая формируется посредством потенциальной ямы.

Скорость частиц на выходе первого объемного резонатора 31 получается, таким образом, только из ВЧ поля, приложенного к первому объемному резонатору, при этом кольцевой электрод 41 и приложенный к нему потенциал U1 не оказывают влияния.

На фиг. 2 представлена ситуация в ускоряющей фазе ВЧ поля. При этом соответствующее ВЧ переменное напряжение U_HF имеет амплитуду U2. Показана характеристика потенциала ВЧ переменного напряжения U_HF как в тормозящей фазе (U_HF,dec), так и в ускоряющей фазе (U_HF,асc). Кривая, обозначенная как U_particle,eff, показывает эффективный в ускоряющей фазе потенциал ускоряемых частиц, тождественный их кинетической энергии.

Изобретение относится к области ускорительной техники. На входе первого объемного резонатора предусмотрен электрод, который подключен к источнику постоянного напряжения и на основе которого формируется потенциальная яма, которая обуславливает ускорение частиц, испускаемых источником ионов, к первому объемному резонатору. За счет того что источник ионов и ускорительный участок, то есть объемные резонаторы ускорительного участка, находятся на общем потенциале, в частности потенциале земли, достигается то, что электростатическая потенциальная яма не вносит вклад в полную энергию частиц, полный эффект ускорения достигается за счет индукции напряжения в ВЧ резонаторе, и источник постоянного напряжения не нагружается током пучка, так что он не должен быть точно регулируемым или высокопроизводительным. Технический результат - повышение скорости заряженных частиц. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ускорительный участок для ВЧ ускорителя заряженных частиц с по меньшей мере одним объемным резонатором (31), который выполнен с возможностью ускорения частиц, испускаемых из источника (10) ионов, и при работе резонаторной структуры прикладывается ВЧ поле,
причем между источником (10) ионов и первым объемным резонатором (31) ускорительного участка осуществляется электростатическое предварительное ускорение на основе потенциальной ямы, и
источник (10) ионов и ускорительный участок, в частности первый объемный резонатор (31), находятся под одним и тем же потенциалом (U0).

2. Ускорительный участок по п. 1, отличающийся тем, что на первом объемном резонаторе (31) ускорительного участка размещен электрод (41), который по отношению к источнику (10) ионов находится под потенциалом (U1), так что для частицы, испускаемой из источника (10) ионов, создается ускоряющая потенциальная яма.

3. Ускорительный участок по п. 2, отличающийся тем, что электрод (41) выполнен как кольцевой электрод на входе (xl) в первый объемный резонатор (31), который, в частности, выполнен таким образом, что он окружает входное отверстие (32) первого объемного резонатора (31).

4. Ускорительный участок по п. 2, отличающийся тем, что электрод (41) отделен от остальной резонаторной структуры первого объемного резонатора (31) посредством изолятора (42), в частности посредством кольцевого изоляционного промежутка.

5. Ускорительный участок по п. 3, отличающийся тем, что электрод (41) отделен от остальной резонаторной структуры первого объемного резонатора (31) посредством изолятора (42), в частности посредством кольцевого изоляционного промежутка.

6. Ускорительный участок по любому из пп. 2-5, отличающийся тем, что предусмотрен параллельно включенный конденсатор (43), который выполнен и размещен таким образом, чтобы подавлять значительное переменное напряжение электрода (41) относительно остальной резонаторной структуры первого объемного резонатора (31) при работе первого объемного резонатора (31).

7. Ускорительный участок по п. 6, отличающийся тем, что через конденсатор (43) электрод (41) соединен с остальной резонаторной структурой первого объемного резонатора (31).

8. Ускорительный участок по п. 1, отличающийся тем, что потенциальная яма и ВЧ поле, приложенное при работе остального ускорительного участка к первому объемному резонатору (31), таким образом согласованы друг с другом, что тормозящая сила, которая существует ввиду потенциальной ямы при наблюдении в направлении пучка частиц за входом в первый объемный резонатор (31), компенсируется и превышается одновременной ускоряющей силой ВЧ поля, действующего на частицу.

9. Ускорительный участок по п. 1, отличающийся тем, что первый объемный резонатор (31) находится при наблюдении в направлении пучка частиц, по существу, в области (x2, x3), в которой потенциальная яма оказывает тормозящее воздействие на частицу.

10. Ускорительный участок по п. 1, отличающийся тем, что минимум потенциальной ямы лежит при наблюдении в направлении пучка частиц на входе (x1) первого объемного резонатора (31).

11. Способ для ускорения частицы, испускаемой источником (10) ионов, с помощью ВЧ ускорителя частиц, который имеет ускорительный участок по п. 1 с по меньшей мере одним объемным резонатором (31), который со своей стороны выполнен с возможностью ускорения частицы, испускаемой источником (10) ионов, отличающийся тем, что частицу электростатически предварительно ускоряют с помощью потенциальной ямы и после прохождения минимума потенциальной ямы ввиду притягивающего действия потенциальной ямы на частицу вновь тормозят.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что частица полностью проходит через потенциальную яму.

13. Способ по п. 11 или 12, отличающийся тем, что потенциальную яму создают с помощью электрода (41), который приводится на первый потенциал U1, в то время как по меньшей мере источник (10) ионов и первый объемный резонатор (31) находятся на отличающемся от него втором потенциале (U0).