ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ИОНОВ С АСИММЕТРИЧНОЙ ФАЗОПЕРЕМЕННОЙ ФОКУСИРОВКОЙ Российский патент 2024 года по МПК H05H9/00 

Изобретение относится к области ускорителей заряженных частиц и может использоваться в медицине, областях ядерной энергетики, для решения проблем радиационной стойкости материалов.

В линейных ускорителях с фазопеременной фокусировкой (ФПФ) ускорение заряженных частиц и одновременная устойчивость их продольных и поперечных колебаний осуществляются одним и тем же ускоряющим электрическим полем в результате периодического изменения закона роста длин трубок дрейфа, обеспечивая изменение знака определенной (равновесной) фазы в электрических центрах зазоров (ускоряющих зазоров) между трубками дрейфа периода ускорения, (Б.П. Мурин. «Линейные ускорители ионов». Том 1. М., Атомиздат 1978, с. 200).

Электрическим центром периода ускорения называют такую фиксированную точку в периоде ускоряющей структуры, которую равновесные частицы пролетают при одной и той же равновесной фазе высокочастотного (ВЧ) поля. При ускорении пучка заряженных частиц в электрическом центре с равновесной фазой находящейся на возрастающем участке электрического поля стоячей электромагнитной волны, осуществляется продольная группировка заряженных частиц в направлении ускорения пучка, происходит их фазировка и одновременное радиальное расфокусирование пучка, при ускорении заряженных частиц в электрическом центре с равновесной фазой на спаде такой волны, происходит дефазировка заряженных частиц, с одновременной радиальной фокусировкой пучка, (И.М. Капчинский. «Теория линейных резонансных ускорителей». М., Энергоиздат, 1982, с. 11-21, 111, 112).

В резонаторах высокочастотных электромагнитных колебаний, являющихся волноводами, в направлении от их источника могут распространяться электромагнитные волны Н₁₀. Такие волны могут быть бегущего и стоячего типов, различаясь по характеру изменения во времени амплитуды электрической составляющей поля. В незамкнутых на концах волноводах распространяются бегущие волны Н₁₀, в волноводах с короткозамкнутыми концами, распространяются стоячие волны Н₁₀, рис. 1а, рис. 1б, соответственно (И.П. Соловьянова, Ю.Е. Мительман. «Расчет и измерение параметров электромагнитных волн в направляющих системах и на естественных трассах» Уральский федеральный университет Екатеринбург. 2015. С. 8-12, http://hdl.handle.net/10995/35333).

Модификацией ускорителей с ФПФ являются ускорители с асимметричной фазопеременной фокусировкой (АФПФ). Асимметрия в строении периода изменения равновесной фазы, состоящего из двух полупериодов с различными равновесными фазами, выражается в том, что равновесная частица, переходя от полупериода к полупериоду, попадает в ускоряющее электрическое поле, которое изменяется и по фазе и по амплитуде, (Кушин В.В «О повышении эффективности фазопеременной фокусировки в линейном ускорителе» Труды Радиотехнического. Института АН СССР, 1972, №9, с. 23-35). В результате такой асимметрии, расширяется область захвата заряженных частиц в режим ускорения, создается дополнительная управляемая степень свободы между фазирующей и фокусирующей компонентами ускоряющего электрического поля, способствуя повышению устойчивости пучка зарядов на траектории ускорения, (Б.П. Мурин. «Линейные ускорители ионов». Том 1. М.: Атомиздат, 1978, с. 174-178).

Известно, что потери заряженных частиц при ускорении в линейных ускорителях происходят как из-за их перезарядке на остаточном газе, так и в результате адсорбции зарядов на внутренних стенках полости трубок дрейфа. Уменьшение длины периодов ускорения, при сохранении прироста энергии ускоряемых частиц (темпа ускорения), способствуют сокращению их потерь при ускорении. Периодом изменения равновесной фазы в ускорителях с АФПФ называется ускоряющий период, в течение которого реализуется полный цикл изменения выбранных равновесных фаз, (Б.П. Мурин. «Линейные ускорители ионов». Том 1. М.: Атомиздат, 1978, с. 174-178). Отношение длины ускоряющего зазора между трубками дрейфа к длине периодов ускорения, называют коэффициентом зазора. Практика показала, что для ионных линейных ускорителей его величина составляет 0,25-0,3 от длины периода ускорения, (О.А. Вальднер, А.Д. Власов, А.В. Шальнов, «Линейные ускорители». Атомиздат, 1969, с. 155-159), Коэффициент зазора используют при расстановке трубок дрейфа ускоряющей системы.

Известен ускоритель протонов с АФПФ состоящий из, последовательности двух резонаторов высокочастотных электромагнитных колебаний с волнами типа Н₁₀, имеющими различные частоты ускоряющего электрического поля и установленными на их продольной оси трубками дрейфа таким образом, что они образуют в периодах изменения равновесной фазы последовательность дефазирующих и фазирующих полупериодов с различными равновесными фазами, (Б.П. Мурин. «Линейные ускорители Ионов». Том 1. М.: Атомиздат, 1978, с/ 187).

Недостатки - малый ток ускоряемого пучка (пучка) заряженных частиц и большая длина ускорителя.

Известен 19-канальный ускоритель ионов с АФПФ и электромагнитной волной Н₁₀, в котором, для увеличения ускоряемого тока ионов, реализовано одновременное ускорение нескольких ионных пучков, (В.K. Kondratev, V.V. Kushin, S.V. Plotnicov, et al. "An Injector for a Multibeam Proton Accelerator". Instruments and Experimental Techniques. Vol 47, No 4. 2004, pp. 425-432).

Недостатки - потери заряженных частиц при ускорении, из-за большой протяженности периодов изменения равновесной фазы.

Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является линейный ускоритель ионов с асимметричной фазопеременной фокусировкой состоящий из резонатора высокочастотных электромагнитных колебаний с бегущей электромагнитной волной Н₁₀, последовательно установленных в нем на металлических опорах, соединенных со стенками этого резонатора, разделенных между собой промежутками, трубок дрейфа, таким образом, что два промежутка разделенных трубкой дрейфа и последующая за ними трубка дрейфа, апертуры которых соосны продольной оси ускорителя, образуют; периоды изменения равновесной фазы длиной L_p=1,5⋅β⋅λ,

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

периоды изменения равновесной фазы состоят из чередующихся полупериодов дефазировки, с электрическим центром, равновесная фаза которого находится на спадающем участке волны ускоряющего поля относительно ее гребня, длиной L_d=β⋅λ-(dϕ/π)⋅β⋅λ,

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

dϕ - угол сдвига равновесной фазы относительно среднего значения двух соседних равновесных фаз, которые находятся как на восходящем, так и на спадающем участках электромагнитной волны, относительно ее гребня;

π - известная математическая константа=3,14;

полупериодов фазировки, с электрическим центром, равновесная фаза которого находится на восходящем участке волны ускоряющего поля, относительно ее гребня, протяженностью L_f=β⋅λ/2+(dϕ/π)⋅β⋅λ;

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

dϕ - угол сдвига равновесной фазы относительно среднего значения двух соседних равновесных фаз, которые находятся как на восходящем, так и на спадающем участках электромагнитной волны, относительно ее гребня;

π - известная математическая константа=3,14.

(Б.П. Мурин. «Линейные ускорители Ионов». Том 1. М.: Атомиздат, с. 201, 1978).

Недостатки - малый ток ускоренного пучка, из-за большой протяженности периодов изменения равновесной фазы.

Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является увеличение тока ускоренного пучка заряженных частиц.

Технический результат данного изобретения заключается в решении данной технической проблемы путем применения резонатора высокочастотных электромагнитных колебаний с ускоряющей системой, имеющей меньшую протяженность периодов изменения равновесной фазы.

Это достигается за счет установки на выходе резонатора ВЧ электромагнитных колебаний с электромагнитной волной Н₁₀ металлической заглушки с апертурой, для выпуска ускоряемых заряженных частиц и перекрывающей выход электромагнитной волны из этого резонатора. В результате отражения распространяющейся от источника волны Н₁₀ от данной заглушки, в данном резонаторе возникает электромагнитное поле стоячей волны Н₁₀. Характер изменения электрического вектора стоячей волны Н₁₀ позволяет фокусировать, фазировать и ускорять заряженных частиц различными по величине амплитудами ее электрической составляющей на каждом из полупериодов данной волны, рис. 1б. Такая особенность стоячей волны способствует уменьшению длины периодов изменения равновесной фазы и длины трубок дрейфа в полупериодах, составляющих данные периоды. Предложенная конструкция резонатора высокочастотных электромагнитных колебаний в линейном ускорителе с АФПФ, по сравнению с ближайшем аналогом, позволяет:

- уменьшить длину периода изменения равновесной фазы и составляющих его полупериодов,

- увеличить частоту актов фазировки и фокусировки пучка заряженных частиц,

- уменьшить потери ускоряемых заряженных частиц, из-за их перезарядки на остаточном газе и адсорбции на стенках трубок дрейфа.

Малая величина коэффициента зазора подразумевает, что большую часть длины в ускоряющих полупериодах будут составлять трубки дрейфа, внутри которых экранируется ускоряющее электрическое поле. Это препятствует эффективности ускорения и уменьшает устойчивость пучка на траектории ускорения. Уменьшение длины полупериодов в периоде изменения равновесной фазы и соответствующее уменьшение длины составляющих их трубок дрейфа, позволяет более эффективно использовать энергию стоячей электромагнитной волны Н₁₀ для ускорения и фокусировок заряженных частиц, способствует уменьшению их адсорбции на стенках трубок дрейфа и току пучка ускоряемых заряженных частиц.

При решении технической задачи, было обеспечено достижение не только уменьшение длины периодов изменения равновесной фазы и их полупериодов, но и повышение устойчивости пучка на траектории ускорения, за счет увеличения частоты актов продольной и поперечной фокусировок этого пучка. Факторов, уменьшающих потери зарядов пучка в процессе ускорения и способствующих увеличению тока ускоряемых заряженных частиц, что составляет технический результат предложенного изобретения.

Анализ отличительных и существенных признаков и появившегося в результате предложенных оригинальных технических решений нового полезного физического свойства, а именно, возбуждения в резонаторе высокочастотных электромагнитных колебаний электрического поля стоячей электромагнитной волны Н₁₀, позволившей производить ускорение, фазировку и фокусировку заряженных частиц в течение каждого полупериода этой волны, уменьшив, таким образом, протяженность длины периодов изменения равновесной фазы и потерю заряженных частиц при ускорении, способствующего увеличению тока ускоряемого пучка, позволяет считать, что заявленный линейный ускоритель ионов с асимметричной фазопеременной фокусировкой соответствует критерию изобретения.

В линейных ускорителях ионов с АФПФ равновесные фазы электрических центров периодически изменяются относительно максимального значения амплитуды электрического поля в его полупериодах. Пучок заряженных частиц, в процессе ускорения между трубками дрейфа, испытывает чередующиеся воздействия ускоряющего поля. Периодически осуществляются, его дефазировка или фазировка, реализуемые различными по величине амплитудами электрической составляющей волны ускоряющего поля, группируя, таким образом, заряженные частицы пучка в радиальном и аксиальном направлениях. Показано устройство периода изменения равновесной фазы 7 линейного ускорителя с АФПФ, поясняющее его работу, рис. 2. Данный период изменения равновесной фазы составляют: зазоры между трубками дрейфа 1, 2 и 3, и трубки дрейфа 2, 3, установленные внутри ВЧ резонатора 0. Заряженные частицы инжектируются с некоторой приведенной скоростью 31 через трубку дрейфа 1 предыдущего периода изменения равновесной фазы в электрический центр зазора между трубкой дрейфа 1 и трубкой дрейфа 2, в момент времени, когда ускоряющее поле в зазоре этих трубок соответствует одной из выбранных равновесных фаз. Допустим, что эта фаза расположена на подъеме волны ускоряющего поля. Направление силовых линий 5 этого поля во всех ускоряющих зазорах одно и то же. Заряженные частицы, ускоряясь в направлении его силовых линий 5, приобретают некоторый прирост скорости, увеличивая ее, допустим, до значения β2. Данное приращение скорости зависит как от величины амплитуды ускоряющего электрического поля, так и от выбранной равновесной фазы. В результате хорошо известного эффекта автофазировки, в зазоре между трубками дрейфа 1 и 2 происходит продольная группировка заряженных частиц, их фазировка. Одновременно, ввиду слабости статической фокусировки, ускоряющий зазор с такой равновесной фазой действует на заряженные частицы пучка, как рассеивающая линза, (И.М. Капчинский. «Теория линейных резонансных ускорителей». М., Энергоиздат, 1982, с. 112). После ускорения в этом зазоре, заряженные частицы попадают в трубку дрейфа 2 и дрейфуют с приобретенной скоростью к ее выходу. Величину полупериода фазировки можно рассчитать, используя для этого широко известную в ускорительной технике методику, (О.А. Вальднер, А.Д. Власов, А.В. Шальнов, «Линейные ускорители». Атомиздат, 1969, с. 15-18, 155-159). Заряженные частицы, с приведенным значением скорости β2, равной отношению скорости этой частицы к скорости света в вакууме, из полупериода фазировки инжектируются в электрический центр, имеющий другое значение равновесной фазы, находящейся на спадающем участке электромагнитной волны следующего ускоряющего зазора между трубками дрейфа 2 и 3.

Заряженные частицы, имеющие в начале данного зазора приведенную скорость движения β2, вновь ускоряются электрическим полем 5 этого зазора до приведенной скорости β3, равной отношению приобретенной скорости этой частицы к скорости света в вакууме. Проходя зазор между трубками дрейфа 2 и 3, с электрическим центром равновесная фаза которого находится на спадающем участке волны ускоряющего поля, заряженные частицы фокусируются. При этом исчезает эффект атофазировки. Возникает разброс скоростей данных частиц по направлению их движения, (И.М. Капчинский. «Теория линейных резонансных ускорителей». М.: Энергоиздат, 1982, с. 16). Данный дефазирующий полупериод 6 и фазирующий полупериод, составляют период изменения равновесной фазы 7. Ускоренные таким образом заряженные частицы дрейфуют через трубку дрейфа 3 в ускоряющий зазор, соответствующий подъему волны, следующего периода изменения равновесной фазы.

Предложен линейный ускоритель ионов с асимметричной фазопеременной фокусировкой, состоящий из, резонатора высокочастотных электромагнитных колебаний с электромагнитной волной Н₁₀, и последовательно установленных на металлических опорах, соединенных со стенками резонатора высокочастотных электромагнитных колебаний, трубок дрейфа, апертуры которых соосны продольной оси ускорителя, трубки дрейфа разделены между собой зазорами таким образом, что группы, состоящие из двух зазоров разделенных трубкой дрейфа и последующая за ними трубка дрейфа, образуют периоды изменения равновесной фазы длиной L_p=1,5⋅β⋅λ,

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

каждый из которых содержит два полупериода, полупериод дефазировки длиной L_d=β⋅λ-(dϕ/π)⋅β⋅λ,

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

dϕ - угол сдвига равновесной фазы относительно среднего значения двух соседних равновесных фаз, которые находятся как на восходящем, так и на спадающем участках электромагнитной волны, относительно ее гребня;

π - известная математическая константа=3,14;

и полупериод фазировки длиной L_f=(β⋅λ/2+(dϕ/π)⋅β⋅λ,

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

dϕ - угол сдвига равновесной фазы относительно среднего значения двух соседних равновесных фаз, которые находятся как на восходящем, так и на спадающем участках электромагнитной волны, относительно ее гребня;

π - известная математическая константа=3,14.

В отличие от ближайшего аналога, в оригинальной конструкции раскрытой в настоящей заявке, выход резонатора высокочастотных электромагнитных колебаний перекрыт металлической заглушкой с апертурой для выпуска ионов, центр которой находится на продольной оси ускорителя, заглушка не имеет электрического контакта с трубками дрейфа, периоды изменения равновесной фазы длиной L_p2=0,5⋅β⋅λ,

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

состоят из полупериодов дефазировки, длиной L_d2=β⋅λ/2-(dϕ/π)⋅β⋅λ,

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

dϕ - угол сдвига равновесной фазы относительно среднего значения двух соседних равновесных фаз, которые находятся как на восходящем, так и на спадающем участках электромагнитной волны, относительно ее гребня;

π - известная математическая константа=3,14;

и полупериодов фазировки, длиной L_f2=(dϕ/π)⋅β⋅λ,

где dϕ - угол сдвига равновесной фазы относительно среднего значения двух соседних равновесных фаз, находящихся как на восходящем, так и на спадающем участках электромагнитной волны, относительно ее гребня;

π - известная математическая константа=3,14;

β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля.

Основные характеристики металлической заглушки, предназначенной для формирования в ВЧ резонаторе высокочастотных электромагнитных колебаний стоячей электромагнитной волны Н₁₀, влияющие на реализацию заявленного технического результата, следующие. Заглушка должна быть из металла, чтобы иметь возможность отражать электромагнитную волну внутрь резонатора, препятствовать выходу электромагнитного поля из данного резонатора, иметь апертуру на продольной оси ускорителя, обеспечивающую выпуск ускоренных заряженных частиц из ускорителя. С целью демонстрации вида трубок дрейфа ускоряющей системы, резонатор ВЧ электромагнитных колебаний показан со снятой верхней крышкой, рис. 3. Для каждой конструкции ускорителя, вид заглушки выбирается индивидуально. В данном изобретении металлическая заглушка, перекрывающая выход резонатора ВЧ электромагнитных колебаний, конструктивно совмещена с крышкой, перекрывающей верхнюю плоскость этого резонатора. Вид этой металлической заглушки, совмещенной с крышкой верхней плоскости ВЧ резонатора и являющейся ее торцевой частью, показан на рис. 5.

Краткое описание чертежей

Рис. 1а и рис. 1б - показан характер изменения электрической компоненты бегущей волны Н₁₀ и стоячей волны Н₁₀, соответственно. Рис. 2 - период изменения равновесной фазы, где:

0 - резонатор высокочастотных электромагнитных колебаний,

1, 2, 3, 4 - трубки дрейфа,

5 - направление силовых линий ускоряющего поля в ускоряющих зазорах,

6 - полупериод,

7 - период изменения равновесной фазы.

Рис. 3 - линейный ускоритель ионов с асимметричной фазопеременной фокусировкой, где:

0 - резонатор высокочастотных электромагнитных колебаний,

1, 2, 3-5 - трубки дрейфа,

4 - период изменения равновесной фазы,

Рис. 4 - положение трубок дрейфа в периоде изменения равновесной фазы, на графике напряженности электрической составляющей ускоряющего поля стоячей волны Н₁₀, где:

0 - график изменения напряженности электрической составляющей ускоряющего поля этой волны,

1, 2, 3, - трубки дрейфа,

4 - равновесные фазы электрических центров в полупериодах. (ϕ1 - равновесная фаза полупериода фазировки, ϕ2 - равновесная фаза полупериода дефазировки),

5 - (ϕ0) среднее значение равновесных фаз полупериодов фазировки и дефазировки,

6 - отклонение равновесной фазы от среднего значения равновесных фаз.

7 - период изменения равновесной фазы.

8 - отклонение среднего значения равновесных фаз ϕ0 от максимального значения величины электрического поля в полупериоде волны.

Рис. 5 - металлическая заглушка выходного торца резонатора ВЧ электромагнитных колебаний с крышкой его верхней плоскости, где:

1 - часть металлической заглушки, перекрывающая верхнюю плоскость резонатора ВЧ электромагнитных колебаний,

2 - апертура для выпуска ионов,

3 - металлическая заглушка, которая перекрывает выходной торец резонатора ВЧ электромагнитных колебаний.

Пример технической реализации

Фотография предложенного в настоящей заявке линейного ускорителя протонов с асимметричной фазопеременной фокусировкой, обеспечивающего ускорение пучка протонов до энергии ~2,5 МэВ, показана, рис. 3. Для демонстрации его ускоряющей системы, резонатора ВЧ электромагнитных колебаний снята металлическая заглушка с крышкой. Металлическая заглушка с апертурой для выпуска ионов, конструктивно совмещена с крышкой верхней полости резонатора, рис. 5. В рабочем режиме верхняя плоскость ВЧ резонатора перекрывается металлической крышкой, при этом торец резонатора перекрывается металлической заглушкой, являющейся торцевой частью крышки, препятствуя диссипации энергии ускоряющего электрического поля в пространство. Электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль резонатора ВЧ электромагнитных колебаний от ее источника, отражается от металлической поверхности заглушки на выходе этого резонатора. В результате такого отражения, в этом резонаторе устанавливается электрическое поле стоячей электромагнитной волны Н₁₀. Характер изменения во времени амплитуды электрической составляющей такой волны позволяет проводить ускорение, фазировку и дефазировку пучка заряженных частиц в течение каждого полупериода, рис. 1б.

Положение трубок дрейфа в периоде изменения равновесной фазы, относительно графика изменения напряженности электрической составляющей ускоряющего поля, для отрезка времени, соответствующего одному полупериоду стоячей волны Н₁₀, рис. 4.

Ускоряющая система данного линейного ускорителя состоит из 20 медных трубок дрейфа 1-5 с зазорами между ними, крепящихся к стенкам резонатора ВЧ электромагнитных колебаний 0 с помощью металлических стержней, трубок дрейфа, формирующих пять периодов изменения равновесной фазы 4, рис. 3.

Линейный ускоритель ионов с АФПФ, рис. 3, работает следующим образом. В резонатор ВЧ электромагнитных колебаний 0, с электромагнитной стоячей волной Н₁₀ длиной 1,5 м, и максимальной амплитудой напряженности электрического поля ~ 6 МВ/м. Через апертуру трубки дрейфа 1 инжектируется пучок протонов с энергией 50 КэВ. Для увеличения захвата протонов в режим ускорения, равновесная фаза электрического центра ускоряющего полупериода в зазоре между трубками дрейфа 1 и 2 выбрана на спаде волны, ((Б.П. Мурин. «Линейные ускорители ионов». Том 1. М.: Атомиздат 1978, с. 178). Она задана величиной 60° и соответствует, на графике, положению равновесной фазы ϕ2, на спаде волны 0, рис. 4. В процессе ускорения пучка между трубками дрейфа 1 и 2, рис. 3. Происходит его фокусировка в направлении центральной оси ускорителя и одновременная дефа-зировка заряженных частиц, (И.М. Капчинский. «Теория линейных резонансных ускорителей». М., Энергоиздат, 1982, с. 112). Ускоренный и сфокусированный в радиальных направлениях пучок дрейфует через трубку дрейфа 2 в ускоряющий зазор между трубками дрейфа 2 и 3 следующего полупериода, рис. 3. Равновесная фаза электрического центра этого зазора имеет величину 60° и соответствует положению ϕ1, на подъеме волны 0, рис. 4. В этот период времени производится фазировка пучка в направлении ускорения и одновременно - его радиальная дефокусировка, (И.М. Капчинский. «Теория линейных резонансных ускорителей». М., Энергоиздат, 1982, с. 112). Устойчивость пучка на траектории ускорения зависит от величины равновесных фаз ϕ2, ϕ1 и отклонения (угла сдвига) их среднего значения ϕ0, относительно максимального значения амплитуды волны ускоряющего электрического поля 0 в полупериоде этой волны, рис. 4. В настоящем изобретении угол сдвига 8 составляет 6°.

Ускоренный в зазоре между трубками дрейфа 2 и 3 пучок протонов, после пролета через трубку дрейфа 3, инжектируется в электрический центр с равновесной фазой ϕ2 ускоряющего зазора следующего периода изменения равновесной фазы, рис. 3. В процессе набора пучком энергии, протяженность зазоров между трубками дрейфа, самих трубок дрейфа и периодов изменения равновесной фазы, от трубки дрейфа 1 к трубке дрейфа 5, увеличиваются, по мере роста скорости протонов рис. 3. При длине данного ускорителя 1 м пучок протонов был ускорен до энергии 2,5 МэВ.

Процессы ускорения, дефазировки и фазировки пучка протонов, соответствующее полному периоду изменения равновесной фазы, в настоящем изобретение происходят за время, равное полупериоду волны ускоряющего поля, рис. 4. В ближайшем аналоге, при одинаковых условий ускорения, для этого потребуется время, равное полутора периодам волны ускоряющего поля, (Б.П. Мурин. «Линейные ускорители Ионов». Том 1. М.: Атомиздат, с. 201, 1978). В настоящем изобретении, по сравнению с прототипом, увеличена частота актов продольной и поперечной группировок пучка в 3 раза, что повышает устойчивость пучка на траектории ускорения, уменьшает выпадение зарядов из процесса ускорения и способствует увеличению тока пучка. В прототипе длина трубок дрейфа увеличивается из-за необходимости скрывать внутри трубок дрейфа ускоряемые заряженные частицы на время отрицательных значений амплитуды, каждое из которых равно половине периода волны ускоряющего поля, рис. 1а. В этот период заряженные частицы просто дрейфуют внутри трубок дрейфа, диффундируя на их стенках. По сравнению с ближайшим аналогом, в настоящем изобретении действие перечисленных выше факторов, негативно влияющих на величину тока ускоряемого пучка, ослаблено, что способствует увеличению тока пучка, ускоряемого в предложенном линейном ускорителе ионов с асимметричной фазопеременной фокусировкой.

Изобретение относится к линейному ускорителю ионов с асимметричной фазопеременной фокусировкой и может быть использовано в медицине, в частности для лечения онкологий методами адронной терапии, а также для создания малогабаритных генераторов нейтронов, для диагностики свойств материалов. Для ускорения заряженных частиц используется высокочастотное электрическое поле со стоячей электромагнитной волной Н₁₀, образующееся в резонаторе высокочастотных электромагнитных колебаний с закрытым выходом, в результате отражения распространяющейся от источника электромагнитной волны Н₁₀ от металлической заглушки, перекрывающей выход данного резонатора. Особенности изменения во времени характера электрической составляющей такой волны использованы при конструкции периодов изменения равновесной фазы настоящего изобретения таким образом, что в каждом периоде изменения равновесной фазы данного изобретения ускорение, фазировка и фокусировка пучка заряженных частиц осуществляется в электрических центрах с различными равновесными фазами, отличающимися по величине силами электрической составляющей волны ускоряющего поля, в течение каждого полупериода этой волны. Причем уменьшены длины периодов изменения равновесной фазы и составляющих их трубок дрейфа. Техническим результатом является более эффективное использование энергии ускоряющего электрического поля для ускорения заряженных частиц при повышении устойчивости пучка на траектории ускорения, уменьшении длины ускорителя и увеличении тока ускоряемого пучка. 5 ил.

Линейный ускоритель ионов с асимметричной фазопеременной фокусировкой, состоящий из резонатора высокочастотных электромагнитных колебаний с электромагнитной волной Н₁₀, последовательно установленных на металлических опорах и соединенных со стенками данного резонатора трубок дрейфа, апертуры которых соосны продольной оси ускорителя, трубки дрейфа разделены между собой зазорами таким образом, что группы, состоящие из двух зазоров, разделенных трубкой дрейфа, и последующая за ними трубка дрейфа образуют периоды изменения равновесной фазы длиной L_P=1,5⋅β⋅λ;

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

каждый из которых содержит полупериод дефазировки длиной L_d=β⋅λ-(dϕ/π)⋅β⋅λ;

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

dϕ - угол сдвига равновесной фазы относительно среднего значения двух соседних равновесных фаз, находящихся как на восходящем, так и на спадающем участках электромагнитной волны, относительно ее гребня;

π - известная математическая константа = 3,14; полупериод фазировки протяженностью L_f=β⋅λ/2+(dϕ/π)⋅β⋅λ;

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

dπ - угол сдвига равновесной фазы относительно среднего значения двух соседних равновесных фаз, находящихся как на восходящем, так и на спадающем участках электромагнитной волны, относительно ее гребня;

π - известная математическая константа = 3,14;

отличающийся тем, что выход резонатора высокочастотных электромагнитных колебаний перекрыт металлической заглушкой с апертурой для выпуска ионов, центр которой находится на продольной оси ускорителя, заглушка не имеет электрического контакта с трубками дрейфа, периоды изменения равновесной фазы длиной L_p2=0,5⋅β⋅λ;

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

состоят из полупериодов дефазировки длиной L_d2=β⋅λ/2-(dϕ/π)⋅β⋅λ;

где β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля;

dϕ - угол сдвига равновесной фазы относительно среднего значения двух соседних равновесных фаз, находящихся как на восходящем, так и на спадающем участках электромагнитной волны, относительно ее гребня;

π - известная математическая константа = 3,14;

полупериодов фазировки длиной L_f2=(dϕ/π)⋅β⋅λ;

где dϕ - угол сдвига равновесной фазы относительно среднего значения двух соседних равновесных фаз, находящихся как на восходящем, так и на спадающем участках электромагнитной волны, относительно ее гребня;

π - известная математическая константа = 3,14;

β - приведенная скорость, равная отношению скорости заряженной частицы к скорости света в вакууме;

λ - длина волны ускоряющего электрического поля.