Изобретение относится к области создания линейных ускорителей заряженных частиц. Оно может быть использовано при разработке новых и модернизации уже существующих линейных ускорителей заряженных частиц.
Уровень техники
Известны конструкции ускоряющих структур с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ) на основе 4-камерного резонатора, например, «Four-vane RFQ accelerator section», описанная зарубежными авторами: Wangler, Т. Principles of RF linear accelerators / Thomas Wangler. - Wiley, John & Sons, Incorporated, 1998 (страница 225-234) [1]; или «ускоряющая структура с ПОКФ на основе 4-камерного резонатора», описанная в отечественной литературе: Капчинский, И.М. Теория линейных резонансных ускорителей. - М.: Энергоатомиздат, 1982 (страница 130-143) [2], схема конструкции которых приведена на рис. 1. Как показано на рис. 1, к корпусу резонатора (1) крепятся горизонтальные (2) и вертикальные (3) модулированные электроды, установленные вдоль продольной оси корпуса резонатора.
Общим для указанных конструкций является наличие цилиндрического корпуса, выполняющего роль высокочастотного экрана с симметрично размещенными внутри него, а именно вдоль центральной (продольной) оси корпуса резонатора, 4-мя электродами. Электроды размещаются в корпусе следующим образом: два вертикально, друг напротив друга, и два горизонтально, друг напротив друга. Таким образом, в корпусе формируются четыре продольные камеры, ограниченные плоскостями горизонтальных электродов, стенкой корпуса и вертикальных электродов. На части каждого электрода, которая не крепится к корпусу, выполнена продольная пространственная модуляция, обеспечивающая ускорение определенного типа заряженных частиц. Такая конструкция обладает наилучшими параметрами по энергоэффективности.
Недостатком указанных конструкций из-за их конструктивных особенностей является сложность обеспечения стабильной работы ввиду близости к рабочей частоте частоты дипольного вида колебаний. Как известно, ускоряющая структура представляет собой резонансный высокочастотный контур, в котором рабочей частотой (вид колебаний квадрупольный) является резонансная частота высокочастотных колебаний, на которой происходит ускорение частиц, но при этом возникает еще иная резонансная частота (вид колебаний дипольный), на которой ускорения не происходит и на которой может возбуждаться резонансный контур, что может создавать помехи в работе ускоряющей структуры [2].
Известна конструкция ускоряющей структуры, изображенная на рис. 2 раскрытая в патентном документе US 5422549 А, 06.06.1995 [3], в которой горизонтальные (2) и вертикальные (3) электроды с пространственной модуляцией крепятся к корпусу резонатора (1) через опоры (4), такая конструкция позволяет обеспечить более стабильную работу за счет удаленности рабочей частоты от частоты дипольного вида колебаний, но имеет низкую энергоэффективность.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является известная из патентного документа US 5483130 А, 09.01.1996 [4] ускоряющая структура линейного ускорителя заряженных частиц на основе 4-камерного резонатора. Конструкция линейного ускорителя в прототипе, схема которой приведена на рис. 3, характеризуется радиочастотным 4-камерным резонатором, камеры которого образованы 4-мя плоскими продольными вертикальными (3) и горизонтальными (2) монолитными электродами с прорезанными в средних частях отверстиями, называемые окнами магнитной связи (5). Нижние поверхности электродов (6) закреплены к корпусу резонатора (1), при этом верхние поверхности электродов (7) имеют пространственную модуляцию, обеспечивающую ускорение заряженных частиц, и приближены к центральной оси резонатора для образования ускорительного канала вдоль центральной оси.
Такая конструкция по сравнению с вышерассмотренными аналогами обеспечивает достаточную разность между частотой дипольного вида колебаний и частой рабочего вида, что обеспечивает более стабильную работу ускорителя при сохранении приемлемой энергоэффективности.
Прототип, как и предложенное изобретение, имеет цилиндрический корпус 4-камерного резонатора с системой из 4-х электродов с окнами магнитной связи камер, однако, электроды в прототипе выполнены монолитными (цельными).
Недостатком прототипа является то, что монолитность электродов ограничивает универсальность ускорителя в случае необходимости перехода к ускорению других заряженных частиц, например, ионов с другим отношением заряда к массе, отличных от ионов, на которые первоначально был спроектирован ускоритель.
При использовании монолитных электродов, универсальность ускорителя, с точки зрения расширения диапазона ускоряемых ионов, обычно достигается либо за счет полной переделки электродов под требуемый для ускорения тип иона, либо первоначальным проектированием монолитных электродов на расширенный, но ограниченный диапазон ионов, удовлетворяющих соотношению, например, отношения заряда к массе, равному 1/3 - 1/8. Тип иона определяется атомной массой химического элемента, подлежащего ускорению. Величина заряда иона определяется количеством электронов, удаленных из атома этого элемента. Пользуясь таблицей Менделеева, рассчитываются массы ионов и соответствующие им заряды, которые они должны иметь, чтобы удовлетворить заданному отношению заряда к массе. Из теории ускорителей известно для того, чтобы происходило ускорение частиц необходимо поддерживать синхронизм между частицей и ускоряющим полем, т.е. для каждого типа иона надо обеспечить свои условия продольного распределения ускоряющего потенциала вдоль оси ускорения, что обеспечивается пространственной модуляцией электродов (см., например, [2]).
Раскрытие сущности изобретения.
Техническая проблема
К ускорителям, используемым в прикладных целях, и в частности, к ускоряющим структурам линейных резонансных ускорителей, предъявляется ряд специфических требований, более близких к производственным. В первую очередь: простота в обслуживании, экономичность, надежность.
Техническая проблема заключается в отсутствии конструкции ускоряющей структуры, которая позволит обеспечить ускорение в одной и той же ускоряющей структуре ионов в значительно более широком диапазоне по отношению к созданным устройствам и тем самым расширить универсальность ускорителя.
Техническая задача
В решении этой проблемы заключается техническая задача, а именно, создание конструкции ускоряющей структуры, позволяющей обеспечить ускорение в одной и той же ускоряющей структуре ионов в значительно более широком диапазоне по отношению к созданным устройствам без изменения всей инфраструктуры ускорителя.
Технический результат
Технический результат предложенного изобретения состоит в расширении диапазона типов ускоряемых частиц с различным отношением заряда к массе в одной и той же ускоряющей структуре с сохранением основной части резонансной системы ускоряющей структуры без изменения всей инфраструктуры ускорителя. Технический результат заключается в возможности значительного расширения диапазона типа ускоряемых заряженных частиц, а именно, с возможностью ускорения Н1+; Н2+; Не4+; li7+; Ве9+; В10+ и С12+ в одной и той же ускоряющей структуре с сохранением основной части резонансной системы ускоряющей структуры без изменения всей инфраструктуры ускорителя, что повышает универсальность использования ускорителя для ускорения различных типов ионов, при этом обеспечивается снижение затрат на его дальнейшую модернизацию более чем на 50%.
Каждый электрод для ускоряющих структур с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ, в англоязычной терминологии RFQ) на основе 4-камерного резонатора можно условно разделить на две части с точки зрения выполняемых ими функций.
Так, нижняя часть электрода, которая прилегает к корпусу резонатора, выполняет роль фундамента электрода и должна обеспечивать надежное крепление электрода к корпусу резонатора, а также иметь достаточный электрический контакт с ним. Верхняя часть электрода, расположенная ближе к приосевой области резонатора, выполняется с периодически изменяющимся расстоянием от закругленной поверхности макушки электрода до центральной продольной оси резонатора вдоль длины всего электрода, что называется пространственной модуляцией электрода. Понятие пространственная модуляция электродов в ускорительной технике впервые введено Капчинским И.М. [2] в 1982 году и с тех пор широко используется в области ускорительной техники (см., например, Wangler Thomas, 1998 [1]).
Ускорение в одной и той же ускоряющей структуре ионов с более широким диапазоном отношения заряда к массе предлагается обеспечить за счет замены монолитных электродов на составные электроды, которые предлагается конструктивно разделить продольно по всей длине на две части: верхнюю - более легкую часть с модуляцией (вершину) и нижнюю - массивную, несущую опорную функцию (основание). При этом на верхней поверхности нижней массивной части электрода, скрепленной с корпусом резонатора, закреплена нижняя поверхность верхней, значительно более легкой, части электрода, расположенная в приосевой области резонатора ближе к центральной (продольной) оси резонатора, верхняя поверхность которой выполнена с пространственной модуляцией. Как показано на рис. 4, нижняя (часть Б) и верхняя (часть А) части каждого электрода соединены между собой токопроводящим резьбовым соединением для обеспечения возможности оперативной замены верхней части электрода, которая выполняет функцию ускорения определенного типа заряженных частиц в зависимости от характера модуляции ее поверхности, на другую верхнюю часть, соответствующую ускорению заряженных частиц требуемого типа, оставляя неизменной нижнюю часть, которая выполняет опорную функцию для закрепленной на ней верхней части электрода и обеспечивает электрический контакт всей конструкции электрода с корпусом резонатора.
Как общеизвестно из теории резонансных ускорителей [2], в 4-камерном резонаторе с четырьмя электродами создается продольная ускоряющая компонента электрического поля, если расстояние между противоположными электродами одной полярности периодически изменяется вдоль оси. Пространственный период изменения расстояния между электродами должен быть равен пути, который пролетает равновесная частица, например, ускоряемый ион за период высокой частоты, а фазы изменения расстояний между электродами в перпендикулярных плоскостях сдвинуты на полпериода. Потенциал электрического поля на оси при этом оказывается изменяющимся с периодом ускорения, что и создает резонансный ускоряющий эффект. Таким образом, ускоряемая частица, например, ускоряемый ион, пролетая вдоль оси ускорителя, все время находится в ускоряющей фазе электрического поля, сохраняя синхронизм с электрическим полем. За один период высокочастотного поля равновесная частица проходит расстояние называемое βλ, где β=v/c, v - скорость равновесной частицы; с - скорость света; λ - длина волны высокочастотного поля. Длина периода ускоряющей структуры, сокращенно называемого ускорительным периодом, равна D=Kβλ, где K - целое число (кратность ускорения). Приращение скорости равновесной частицы на ускорительном периоде, как сформулировано Вальднером О.А. [5], равно:
где q - заряд ускоряемого иона; Em - амплитуда ускоряющей волны; λ - длина волны высокочастотного поля; K - целое число; cosϕp - косинус фазы равновесной частицы; m0 - масса ускоряемого иона; с - скорость света.
Для обеспечения ускорения при переходе к другому иону и выполнения условия синхронизма в одной и той же ускоряющей структуре необходимо чтобы приращение скорости Δβ для каждого иона было одинаковым. Параметры λ, K, cosϕp задаются при проектировании ускорителя и не меняются. Изменение Em ограничено величиной электрического пробоя между электродами, m0 это масса иона, который предполагается ускорять. Таким образом, можно менять только заряд этого иона так, чтобы сохранить постоянным отношение заряда к массе иона, на который первоначально проектировался ускоритель. Изменение заряда иона осуществляется в ионном источнике.
Разработка и эксплуатация источника многозарядных ионов составляет отдельную сложную техническую задачу. Для того, чтобы отказаться от использования сложного и дорогостоящего источника многозарядных ионов предлагается использовать источник однозарядных ионов со сменными электродами, который существенно удешевляет и упрощает эксплуатацию ускорителя, в котором для смены типа ускоряемых ионов будет достаточно заменить верхнюю часть электрода, которая выполняет функцию ускорения определенного типа заряженных частиц в зависимости от характера пространственной модуляции ее поверхности, на другую верхнюю часть, соответствующую ускорению заряженных частиц требуемого типа, оставляя неизменной нижнюю часть, которая выполняет опорную функцию для закрепленной на ней верхней части электрода. Обеспечивая, тем самым, быстрый переход на другой тип ускоряемых ионов с сохранением основной части резонансной системы ускоряющей структуры без изменения всей инфраструктуры ускорителя.
Технический результат достигается за счет предложенной конструкции ускоряющей структуры линейного резонансного ускорителя заряженных частиц.
Согласно настоящему изобретению предложена конструкция ускоряющей структуры с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ, в англоязычной терминологии RFQ) линейного резонансного ускорителя, выполненная на основе 4-камерного резонатора, камеры которого образованы четырьмя плоскими продольными электродами с окнами магнитной связи, где электроды симметрично расположены относительно друг друга и центральной оси резонатора, прикреплены к корпусу резонатора и имеют электрический контакт с ним. При этом в предложенной конструкции ускоряющей структуры каждый электрод, установленный внутри корпуса резонатора, разделен вдоль продольной оси на две части - верхнюю часть, расположенную вблизи приосевой области резонатора и обеспечивающую ускорение выбранного типа заряженных частиц, и нижнюю часть, крепящуюся жестко к корпусу резонатора и несущую опорную функцию для закрепленной на ней верхней части электрода, при этом верхняя часть электрода составляет 10-20% от массы и/или объема всего электрода, а нижняя часть электрода составляет 80-90% от массы и/или объема всего электрода, соответственно, где верхняя и нижняя части электрода непосредственно соединены между собой разъемным токопроводящим соединением.
В одном из воплощений предложенного изобретения соединение верхней и нижней частей электрода выполнено в форме гребень-паз и является разъемным попарно симметрично расположенным относительно продольной оси электрода соединением.
Предпочтительно соединение верхней и нижней частей электрода является болтовым или винтовым. При этом доступ к соединению верхней и нижней частей электрода обеспечивается снизу относительно верхней части через технологические отверстия в нижней части электрода в области окон магнитной связи.
Верхняя часть электрода в составе предложенной конструкции ускоряющей структуры направлена в центр ускоряющего канала резонатора и является сменной частью электрода, обеспечивающей ускорение представляющей интерес заряженной частицы.
Технический результат достигается также за счет предложенного способа изменения типа ускоряемой заряженной частицы линейным резонансным ускорителем, предусматривающего использование вышеописанной ускоряющей структуры, где для изменения типа ускоряемой частицы заменяют сменную верхнюю часть электрода на другую верхнюю часть электрода, которая обеспечивает ускорение представляющей интерес заряженной частицы, например, ионов, в диапазоне от легких - ионов водорода до тяжелых - ионов урана.
В предпочтительном воплощении ускоряемая заряженная частица представляет собой ион.
Согласно настоящему изобретению предложена конструкция ускоряющей структуры с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой линейного резонансного ускорителя, выполненная на основе 4-камерного резонатора, камеры которого образованы четырьмя плоскими продольными электродами с окнами магнитной связи, где электроды симметрично расположены относительно центральной оси резонатора, прикреплены к корпусу резонатора и имеют электрический контакт с ним. В отличие от прототипа в предложенной конструкции ускоряющей структуры каждый электрод, установленный внутри корпуса резонатора, разделен вдоль продольной оси на две части - верхнюю часть, приближенную к центральной оси резонатора для образования ускорительного канала и обеспечивающую ускорение выбранного типа заряженных частиц, и нижнюю часть, крепящуюся жестко к корпусу резонатора и несущую опорную функцию для закрепленной на ней верхней части электрода, при этом верхняя часть электрода составляет 10-20% от массы и/или объема всего электрода, а нижняя часть электрода составляет 80-90% от массы и/или объема всего электрода, соответственно.
В одном из вариантов выполнения предложенной конструкции ускоряющей структуры электрод продольно разделен по всей своей длине на две неравные части - меньшую компактную верхнюю часть (А) и большую массивную нижнюю часть (Б) таким образом, что верхняя часть (вершина) электрода составляет 10-20% по объему и/или массе от всего электрода, а нижняя часть (основание) электрода составляет 80-90% по объему и/или массе от всего электрода. Например, вершина может составлять 10% по объему от всего электрода, а основание электрода - 90% по объему от всего электрода, либо вершина может составлять 20% по объему от всего электрода, а основание электрода - 80% по объему от всего электрода, либо вершина может составлять 10% по массе от всего электрода, а основание электрода - 90% по массе от всего электрода, либо вершина может составлять 20% по массе от всего электрода, а основание электрода - 80% по массе от всего электрода, либо вершина может составлять 10% по объему и массе от всего электрода, а основание электрода - 90% по объему и массе от всего электрода, либо вершина может составлять 20% по объему и массе от всего электрода, а основание электрода - 80% по объему и массе от всего электрода. Таким образом, габариты нижней части электрода составляют от 80% до 90% от объема и/или массы всего электрода, а габариты верхней части электрода - от 20% до 10% от объема и/или массы всего электрода, соответственно.
В предложенной конструкции ускоряющей структуры с пространственно-однородной фокусировкой на основе 4-камерного резонатора электроды в системе электродов выполнены в виде двух частей: нижней части (Б) по отношению к корпусу резонатора, которая выполняет функцию фундамента электрода, и верхней части (А) по отношению к корпусу резонатора (вершины электрода), которая обеспечивает ускорение выбранного типа заряженных частиц. Верхние части устанавливаются на нижние и крепятся к ним разъемным токопроводящим соединением, например, болтовым, винтовым или другим, обеспечивающим надежную фиксацию сменной верхней части электрода к нижней части электрода, жестко закрепленной на корпусе резонатора. При этом верх нижних частей электрода выполнен плоским, на этой плоскости посередине по всей длине электрода сформирован прямоугольный гребень, выполняющий роль направляющей. Низ верхней части также выполнен плоским, на этой плоскости посередине по всей длине электрода сформирован продольный паз, в который входит направляющий гребень от нижней части электрода при фиксации на нее верхней части.
Верхние поверхности верхних частей электродов, которые направлены в центр ускоряющего канала резонатора, выполняются с продольной пространственной модуляцией, которая соответствует своему типу ускоряемой частицы. Исходя из того, какой тип ускоряемой частицы, например, иона предполагается ускорять, такую верхнюю часть с соответствующей этому иону модуляцией требуется устанавливать.
Нижние части электродов, являясь основой резонансной системы ускоряющей структуры, изготавливаются один раз и устанавливаются в корпусе резонатора на постоянном месте, образуя систему электродов аналогично прототипу.
Верхние части электродов съемные и соединены с нижними частями электродов разъемным токопроводящим соединением. Таким образом, для смены типа ускоряемой частицы понадобится лишь замена верхней части электрода с пространственной модуляцией, соответствующей типу ускоряемой частицы, на верхнюю часть электрода с модуляцией, соответствующей другому типу ускоряемой частицы, представляющей интерес, с сохранением положения в резонаторе нижней части электрода, которая является основным узлом резонансной системы. Нижняя часть составляет от 80% до 90% от объема и массы всего электрода, а форма составного электрода повторяет форму монолитного электрода аналогично прототипу и изготавливается из тех же материалов с высокой электропроводимостью, что и монолитный электрод, например, меди и ее сплавов, стали, покрытой медью и т.п.
Крепежные элементы (болты, винты и т.п.), фиксирующие между собой части разделенного электрода изготавливаются из тех же материалов с высокой электропроводностью, что и части разделенного электрода, например, меди и ее сплавов, стали, покрытой медью или других подходящих для использования в области ускорительной техники электропроводящих материалов, предпочтительно, с высокой электрической проводимостью.
Одним из параметров модулированного электрода, электрода с изменяющимся расстоянием от верхней поверхности электрода до центральной оси резонатора, является расстояние между ближайшими точками поверхности на верхней поверхности электрода, которые максимально приближены к оси резонатора. Это расстояние равняется ускорительному периоду. В таблице 1, приведенной ниже, показано на примере разных ионов соответствие верхней поверхности электрода приращению ускорительного периода, что характеризует пространственную модуляцию электрода, при условии неизменности амплитуды ускоряющей волны. Расчет проведен для: (K=1; Em=106 В/м; λ=2 м; q=1; ϕр=30°; m0c2=А*938 МэВ, А=1; 2; 12; 56).
Схема предложенной в настоящей заявке конструкции ускоряющей структуры представлена на рис. 4 (А-В).
Как показано на рис. 4 (А-В) каждый из горизонтальных (2) и вертикальных (3) электродов разделен на две части - верхнюю часть (А) разделенного электрода, которая имеет пространственную модуляцию, и нижнюю часть (Б), которая выполняет функцию фундамента электрода и жестко зафиксирована на корпусе резонатора (1). При этом в нижней части электрода выполнены окна магнитной связи (5). Места соединения верхней (А) и нижней (Б) частей каждого электрода расположены выше окон магнитной связи (5), при этом разъемное резьбовое соединение указанных частей электрода фиксируется крепежными элементами, в данном случае винтами (8), вкрученными в сквозные ступенчатые технологические отверстия со стороны нижней части (Б) электрода, доступ к которым осуществляется со стороны нижней части (Б) электрода в области окон магнитной связи (5).
На рисунке 5 приведена схема крепления верхней части (А) электрода с модуляцией к нижней части (Б) электрода, которая прикреплена к корпусу резонатора (1), место соединение указанных частей расположено выше окна магнитной связи и зафиксировано крепежным элементом, в данном случае болтами (9), вкрученными в сквозные ступенчатые технологические отверстия со стороны нижней части (Б) электрода, доступ к которым осуществляется со стороны нижней части (Б) электрода в области окон магнитной связи (5).
Порядок сборки резонатора и смены верхней части электрода следующий (нумерация позиций соответствует указанным на рис. 4 и 5). Сначала вне резонатора производят установку на нижние (Б) части электродов соответствующих им верхних (А) частей. Правильность установки обеспечивается направляющим гребнем, выполненным на верхней плоскости нижней части (Б) электрода, который вставляется в паз, выполненный на нижней плоскости верхней части (А) электрода, как показано на рис. 5. Верхняя часть (А) прижимается к нижней части (Б) электрода крепежными элементами, например, парами винтов (8) или болтов (9), вставленных в технологические отверстия, выполненные в нижней части электрода, и вкрученных в соответствующие резьбовые отверстия верхней части (А). Собранные вертикальные (3) и горизонтальные (2) электроды вносятся в корпус резонатора (1) и закрепляются внутри него. При смене верхних частей, установленных уже на нижних частях, достаточно открутить крепежные элементы, разъединить верхние и нижние части, вынуть из корпуса резонатора верхние части, заменить их на другие с требуемой пространственной модуляцией и закрепить эти части на ранее установленных нижних частях. Доступ к крепежным элементам осуществляется со стороны основания электрода через технологические отверстия в области окон магнитной связи (5).
Краткое описание чертежей
Рисунок 1. Схема ускоряющей структуры, описанной в аналогах [1] и [2], где:
1 - корпус резонатора;
2 - горизонтальные модулированные электроды;
3 - вертикальные модулированные электроды.
Рисунок 2. Схема ускоряющей структуры на основе 4-проводной линии согласно [3], где:
1 - корпус резонатора;
2 - горизонтальные модулированные электроды;
3 - вертикальные модулированные электроды;
4 - опоры.
Рисунок 3. Схема ускоряющей структуры на основе 4-камерного резонатора с окнами связи согласно [4], где:
1 - корпус резонатора;
2 - горизонтальные модулированные электроды;
3 - вертикальные модулированные электроды.
5 - окно магнитной связи,
6 - нижние поверхности электродов.
7 - верхние поверхности электродов.
Рисунок 4 (А) Схема ускоряющей структуры согласно настоящему изобретению, вид в изометрии, где:
А - верхние части электродов с модуляцией;
Б - нижние части электродов;
1 - корпус резонатора;
2 - горизонтальные модулированные электроды;
3 - вертикальные модулированные электроды; 5 - окно магнитной связи;
8 - винт.
Рисунок 4 (Б) Схема ускоряющей структуры согласно настоящему изобретению, вид спереди, где:
А - верхние части электродов с модуляцией;
Б - нижние части электродов;
1 - корпус резонатора;
3 - вертикальные модулированные электроды;
5 - окно магнитной связи
Рисунок 4 (В) Схема ускоряющей структуры согласно настоящему изобретению, вид сбоку, где:
А - верхние части электродов с модуляцией;
Б - нижние части электродов;
1 - корпус резонатора;
2 - горизонтальные модулированные электроды;
3 - вертикальные модулированные электроды.
Рисунок 5. Схема крепления верхней части электрода к нижней части электрода, где:
А - верхние части электродов с модуляцией;
Б - нижние части электродов;
1 - корпус резонатора;
5 - окно магнитной связи
9 - болт.
Осуществление изобретения (примеры выполнения)
Пример 1 Сравнительный, демонстрирующий переход на ускорение другого типа ускоряемых частиц, осуществляемый согласно прототипу.
В прототипе переход на ускорение других ионов происходит либо проектированием новой ускоряющей структуры с монолитными электродами верхняя поверхность которых модулирована под требуемый ион (параметры модуляции электрода для разных типов ионов представлены выше в таблице 1), с последующей полной заменой действующей ускоряющей структуры на вновь спроектированную, либо проектированием заранее ускоряющей структуры с модуляцией электродов на такое отношение заряда к массе, чтобы перекрыть ограниченный диапазон ионов, например, с отношением заряда к массе как 1/3 и тогда для работы ускорителя потребуется разработка и эксплуатация ионного источника многозарядных ионов. В ускоряющей структуре, спроектированной с отношением заряда к массе равной 1/3, согласно формуле (1), приращение ускорительного периода, характеризующее пространственную модуляцию электрода как Δβλ=0,0012 м (значения переменных в формуле (1) приведены выше), возможно ускорять ионы Ве9+3; С12+4; Mg24+8. В первом и во втором случаях переход на ускорение других ионов приводит к большим временным и материальным затратам.
Стоимость проектирования и изготовления ускоряющей структуры с ПОКФ на энергию 1 МэВ составляет 700-1000 тысяч долларов, при этом срок изготовления занимает 3-4 года. Стоимость проектирования и изготовления источника многозарядных ионов на электронно-циклотронном резонансе составляет 2000 тысячи евро.
Пример 2. Использование конструкции ускоряющей структуры согласно предложенному изобретению, демонстрирующий переход на ускорение другого типа ускоряемых частиц по сравнению с прототипом.
В конструкции предложенного изобретения для перехода на другой тип ионов достаточно заменить верхнюю (А) съемную часть электродов на другую с требуемой модуляцией и использовать всю прежнюю резонансную систему и остальную инфраструктуру всего ускорителя. Предлагаемое соотношение нижней части электрода к верхней составляет от 80:20 до 90:10 и подобрано с учетом сохранения приемлемой энергоэффективности конструкции ускоряющей структуры со сменными электродами в сравнении с конструкцией с монолитными электродами. В таблице 2 приведено соотношение энергоэффективности ускоряющих структур со сменными электродами и монолитными.
Стоимость изготовления верхней (сменной) части электродов составляет 100-200 тысяч долларов. Замена верхней части электродов по времени может занимать от 40 до 80 часов в зависимости от длины ускоряющей структуры. Стоимость ионного источника однозарядных ионов на электронно-циклотронном резонансе составляет 30 тысяч евро. Стоимость ускоряющей структуры составляет, как правило, до 50% от стоимости всего ускорителя. Использование одной ускоряющей структуры со сменными электродами, как раскрыто в настоящей заявке, позволяет снизить затраты на дальнейшую модернизацию ускорителя более чем на 50%. Использование сменных электродов в ускоряющей структуре, согласно предложенному изобретению, позволило ускорить значительно более широкий диапазон ионов, а именно: Н1+; Н2+; Не4+; li7+; Ве9+; В10+; С12+, по сравнению с прототипом, с сохранением при этом основной части резонансной системы ускоряющей структуры без изменения всей инфраструктуры ускорителя.
Литература
[1] Wangler, Т. Principles of RF linear accelerators / Thomas Wangler. - Wiley, John & Sons, Incorporated, 1998;
[2] Капчинский, И.М. Теория линейных резонансных ускорителей. - М.: Энергоатомиздат, 1982.
[3] патентный документ US 5422549 А, 06.06.1995
[4] патентный документ US 5483130, 09.01.1996
[5] Вальднер О.А. и др., Линейные ускорители. – М.: Атомиздат, 1969.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| УСКОРЯЮЩАЯ СТРУКТУРА ЛИНЕЙНОГО РЕЗОНАНСНОГО УСКОРИТЕЛЯ С КОМБИНИРОВАННЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ | 2023 |
|
RU2822561C1 |
| ЮСТИРОВОЧНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ УСКОРЯЮЩЕЙ СТРУКТУРЫ | 2023 |
|
RU2829083C1 |
| ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ИОНОВ С ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ КВАДРУПОЛЬНОЙ ФОКУСИРОВКОЙ | 2013 |
|
RU2562452C2 |
| МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ | 1992 |
|
RU2045135C1 |
| СПОСОБ ФОКУСИРОВКИ ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ЛИНЕЙНОМ РЕЗОНАНСНОМ УСКОРИТЕЛЕ | 1992 |
|
RU2045136C1 |
| Линейный резонансный ускоритель ионов | 1990 |
|
SU1757134A1 |
| Ускоряющая система линейного ускорителя | 1980 |
|
SU890957A1 |
| Способ фокусировки и ускорения заряженных частиц | 1987 |
|
SU1600007A2 |
| Ускоряющая система с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой | 1986 |
|
SU1386005A1 |
| СИЛЬНОТОЧНЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ИОНОВ | 2000 |
|
RU2183390C2 |
Изобретение относится к области создания линейных ускорителей заряженных частиц и представляет собой ускоряющую структуру линейного резонансного ускорителя. Ускоряющая структура с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой линейного резонансного ускорителя выполнена на основе 4-камерного резонатора с системой составных электродов внутри корпуса резонатора. Каждый электрод, установленный внутри корпуса резонатора, разделен вдоль продольной оси на две части - верхнюю часть, расположенную вблизи приосевой области резонатора и обеспечивающую ускорение выбранного типа заряженных частиц, и нижнюю часть, крепящуюся к корпусу резонатора и несущую опорную функцию для закрепленной на ней верхней части электрода. Причем верхняя часть электрода составляет 10-20% от массы и/или объема всего электрода, а нижняя часть электрода составляет 80-90% от массы и/или объема всего электрода, соответственно, где верхняя и нижняя части электрода непосредственно соединены между собой разъемным токопроводящим соединением. Технический результат предложенного изобретения состоит в обеспечении возможности ускорения в одной и той же ускоряющей структуре заряженных частиц, в частности ионов, с различным отношением заряда к массе с сохранением основной части резонансной системы. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.
1. Ускоряющая структура с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой линейного резонансного ускорителя, выполненная на основе 4-камерного резонатора, камеры которого образованы четырьмя плоскими продольными электродами с окнами магнитной связи, где электроды симметрично расположены относительно центральной оси резонатора, прикреплены к корпусу резонатора и имеют электрический контакт с ним, отличающаяся тем, что каждый электрод, установленный внутри корпуса резонатора, разделен вдоль продольной оси на две части - верхнюю часть, расположенную вблизи приосевой области резонатора и обеспечивающую ускорение выбранного типа заряженных частиц, и нижнюю часть, крепящуюся к корпусу резонатора и несущую опорную функцию для закрепленной на ней верхней части электрода, при этом верхняя часть электрода составляет 10-20% от массы и/или объема всего электрода, а нижняя часть электрода составляет 80-90% от массы и/или объема всего электрода, соответственно, где верхняя и нижняя части электрода непосредственно соединены между собой разъемным токопроводящим соединением.
2. Ускоряющая структура по п. 1, в которой соединение верхней и нижней частей электрода выполнено в форме гребень-паз и является попарно симметрично расположенным относительно продольной оси электрода соединением.
3. Ускоряющая структура по п. 2, в которой соединение верхней и нижней частей электрода является болтовым или винтовым соединением.
4. Ускоряющая структура по п. 2, в которой доступ к соединению верхней и нижней частей электрода обеспечивается снизу относительно верхней части через технологические отверстия в нижней части электрода в области окон магнитной связи.
5. Ускоряющая структура по любому из пп. 1-4, в которой верхняя часть направлена в центр ускоряющего канала резонатора и является сменной частью электрода, обеспечивающей ускорение представляющей интерес заряженной частицы.
6. Ускоряющая структура по п. 5, где ускоряемая заряженная частица представляет собой ион.
7. Способ изменения типа ускоряемой заряженной частицы линейным резонансным ускорителем, предусматривающий использование ускоряющей структуры по любому из пп. 1-6, где для изменения типа ускоряемой частицы заменяют сменную верхнюю часть электрода на другую верхнюю часть электрода, которая обеспечивает ускорение представляющей интерес заряженной частицы.
8. Способ по п. 7, где ускоряемая заряженная частица представляет собой ион.
| US 5483130 A1 (Axelerator, Inc.), 09.01.1996 | |||
| US 5422549 A1 (SHEPARD и др.), 06.06.1995 | |||
| И.М | |||
| Капчинский,Теория линейных резонансных ускорителей | |||
| - М.: Энергоатомиздат, 1982, с | |||
| Реверсивный дисковый культиватор для тросовой тяги | 1923 |
|
SU130A1 |
| МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ | 1992 |
|
RU2045135C1 |
| ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ УСКОРЕНИЯ КЛАСТЕРНЫХ ИОНОВ | 2014 |
|
RU2560108C1 |
| УСКОРЯЮЩИЙ МОДУЛЬ ЛИНЕЙНОГО РЕЗОНАНСНОГО УСКОРИТЕЛЯ С ОПОРАМИ ТРУБОК ДРЕЙФА УВЕЛИЧЕННОГО ДИАМЕТРА | 2022 |
|
RU2794513C1 |
| US 6777893 B1, 17.08.2004 | |||
| EP 4044773 A1, 17.08.2022 | |||
| EP 3397032 B1, 08.06.2022 | |||
