ЮСТИРОВОЧНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ УСКОРЯЮЩЕЙ СТРУКТУРЫ Российский патент 2024 года по МПК H05H7/18 

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 опор электродов в форме трубок дрейфа в резонаторах ускоряющих структурах линейных ускорителей, например, описанные в книгах: Под редакцией Мурина Б.П., Линейные ускорители ионов, т. 2, М.: Атомиздат, 1978, стр. 50-54 [1]; О.А. Вальднер и др., Линейные ускорители, М.: Атомиздат, 1969, стр. 153-154 [2]. Общим для указанных конструкций является наличие цилиндрического корпуса, выполняющего роль высокочастотного экрана с размещенными внутри него, а именно, вдоль центральной (продольной) оси корпуса резонатора, электродами в форме трубок дрейфа, поддерживаемые опорами, установленными на котировочных механизмах. Причем места расположения котировочных механизмов вынесены за пределы высокочастотного экрана. Конструкции опор трубок дрейфа согласно указанным выше аналогам изображены на рис. 1. Как показано на рис. 1, к корпусу резонатора (1) изнутри крепятся опоры (3), к опорам крепятся трубки дрейфа (электроды) (2), установленные вдоль центральной оси корпуса резонатора. Такая конструкция позволяет с помощью юстировочного механизма проводить индивидуально юстировку каждого электрода (трубки дрейфа).

Недостатком такой конструкции является, то, что количество опор и соответственно котировочных механизмов совпадает с количеством электродов, что в случае длинного резонатора с большим количеством электродов значительно усложняет процесс их юстировки.

Известна конструкция ускоряющей структуры, изображенная на рис. 2, раскрытая в патентном документе US 5422549 А, опубл. 06.06.1995 [3], в которой горизонтальные и вертикальные электроды с пространственной модуляцией (2) крепятся неподвижно к корпусу резонатора (1) через опоры (3). Такая конструкция позволяет упростить установку электродов за счет снижения количества опор, но к технологии изготовления всей конструкции предъявляются высокие требования, что значительно увеличивает стоимость всего изделия.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является конструкция юстировочного узла для ускоряющей структуры, раскрытая в патентном документе US 5430359 А, опубл. 04.07.1995 [4]. В прототипе используется конструкция линейного ускорителя ионов на основе 4-х камерного резонатора, в которой вертикальные и горизонтальные модулированные электроды (2) крепятся к корпусу резонатора (1) через котировочные узлы (4), выполненные на основе микрометрических винтов и расположенные на корпусе резонатора, как показано на рис. 3А. Конструкция линейного ускорителя в прототипе, как показано на рис. 3Б, характеризуется радиочастотным 4-камерным резонатором, камеры которого образованы 4-мя плоскими продольными монолитными электродами (2) с прорезанными в средних частях отверстиями, называемые окнами магнитной связи (В). Нижние поверхности электродов (6) закреплены к корпусу резонатора (1), при этом верхние поверхности электродов (5) имеют пространственную модуляцию, обеспечивающую ускорение заряженных частиц, и приближены к центральной оси резонатора для образования ускорительного канала вдоль центральной оси. Юстировка электродов в прототипе осуществляется установкой котировочных узлов в местах сопряжения электродов с корпусом резонатора, в отдалении от приосевой области. При таком расположении котировочные узлы подвергаются повышенным механическим нагрузкам под весом электродов, особенно эта нагрузка возрастает на котировочные узлы электродов, расположенных горизонтально, что со временем приводит к потере точности первоначальной юстировки и сокращению периода бесперебойной работы ускорителя.

Общим недостатком указанных выше аналогов настоящего изобретения является удаленность юстировочного узла от приосевой области резонатора, где как раз и необходимо обеспечить соответствие высоким требованиям по установке электродов. Сложности, возникающие при выполнении этих требований, следующие. Во-первых, электроды, выполненные как правило из меди, имеют высокую массу, а в случае электродов с пространственной модуляцией и внушительные габариты. Длина модулированных электродов может достигать 100 см, а высота 30 см, масса одного электрода доходит до 200 кг. Во-вторых, узел юстировки электрода находится далеко от области, где необходимо соблюсти требуемую точность установки массивных электродов. Местом расположения юстировочного узла является место сочленения массивного электрода и корпуса резонатора. В-третьих, необходимо обеспечить неизменность положения (точность юстировки) массивных электродов в процессе эксплуатации ускорителя. Иногда, чтобы избежать этих трудностей, отказываются от юстировочного узла и юстировку обеспечивают за счет точности изготовления корпуса резонатора и электродов. Учитывая большие масс-габаритные параметры ускоряющей структуры, изготовление такой конструкции с высокой точностью приводит к значительному возрастанию ее стоимости.

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 малогабаритных опор для ускоряющих структур с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой на основе 4-х камерного резонатора, позволяющей обеспечить перемещение электродов для юстировки с сохранением высокой стабильности, выполненной юстировки электродов в приосевой области и с поддержанием требуемой электропроводности.

В контексте предложенного изобретения под юстировкой понимается совокупность операций по выравниванию конструкций и конструктивных элементов вдоль выбранного направления, например, «осевого» (см., например, https://ru.wikipedia.org/wiki/Юстировка [5].

Техническая задача

В решении указанной проблемы заключается техническая задача, а именно, создание конструкции юстировочного узла в форме малогабаритной токопроводящей юстировочной опоры электродов для ускоряющих структур с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой на основе 4-х камерного резонатора линейного ионного ускорителя, обеспечивающей юстировку электродов в приосевой области с сохранением надлежащего электрического контакта между электродом и корпусом.

Технический результат

Технический результат предложенного изобретения состоит в обеспечении и долговременном сохранении требуемой точности юстировки электродов в приосевой области ускоряющей структуры без существенного снижения энергоэффективности. При этом достигается снижение нагрузки на котировочный узел по меньшей мере на 80% по сравнению с прототипом и увеличение времени работы установки без потери рабочих характеристик по меньшей мере в 5 раз. Точность юстировки электродов в приосевой области с использованием предложенной конструкции токопроводящих котировочных опор составляет около 25 мкм, то есть в пределах требуемой точности установки электродов ускоряющей структуры в приосевой области резонатора. Малонагруженные котировочные опоры позволяют долговременно сохранять точность установки электродов, при этом электропроводность конструкции электрода с предложенными опорами сопоставима с электропроводностью монолитного электрода.

В контексте предложенного изобретения под энергоэффективностью понимается общепринятое эффективное расходование энергии (см., например, https://ru.wikipedia.org/wiki/Энергоэффективность [6]). В радиотехнике энергоэффективность характеризуется понятием добротности. (Добротность резонатора - это отношение запасенной энергии в резонаторе к энергии потерь за период высокочастотного колебания (безразмерная величина).

Малогабаритность предложенной конструкции юстировочного узла, выполненного в виде токопроводящей юстировочной опоры цилиндрической формы, позволяет разместить его ближе к приосевой области резонатора и установить на него не весь электрод полностью, а только часть электрода, подлежащую точной юстировке, а именно верхнюю часть электрода с нанесенной пространственной модуляцией, обеспечивающей ускорение определенного типа заряженных частиц, тем самым уменьшая нагрузку на котировочный узел, предоставляя при этом гибкую возможность выбора модулированной части электрода под различные типы ускоряемых частиц.

Каждый электрод для ускоряющих структур с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ, в англоязычной терминологии RFQ) на основе 4-х 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. [7] в 1982 году и с тех пор широко используется в области ускорительной техники (см., например, Wangler Thomas, 1998 [8]). Учитывая, что в верхней части электрода протекают меньшие высокочастотные токи, по сравнению с нижней частью электрода, можно использовать прижимной контакт опор и отказаться от более сложного по исполнению сварного контактного соединения без нарушения работы ускорителя.

Технический результат достигается за счет предложенной конструкции юстировочного узла электрода для ускоряющей структуры ионного линейного ускорителя на основе 4-х камерного резонатора.

Согласно настоящему изобретению предложена конструкция юстировочного узла для ускоряющей структуры ионного линейного ускорителя на основе 4-х 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, где конструкция юстировочного узла выполнена в виде токопроводящей юстировочной опоры цилиндрической формы, которая располагается вблизи приосевой области резонатора и соединяет продольно разделенный на две неравные части электрод таким образом, что верхняя меньшая (более легкая, компактная) часть - вершина электрода и нижняя большая (более массивная) часть - основание электрода образуют соединение посредством указанной опоры с сохранением электрического контакта всей конструкции разделенного электрода с корпусом резонатора.

Предложенная токопроводящая юстировочная опора состоит из внешнего токопроводящего сильфона, который неразрывно соединен с верхней по отношению к основанию электрода гайкой и нижней по отношению к вершине электрода гайкой; прижимного болта, расположенного внутри сильфона и соединенного с нижней гайкой посредством резьбового соединения, в теле которого предусмотрено отверстие для центрального юстировочного винта, который в нем расположен и соединен с верхней гайкой посредством резьбового соединения, также в теле прижимного болта предусмотрены два симметрично расположенных относительно центрального юстировочного винта боковых отверстия для установочных винтов с упорными концами, которые расположены в них; пружины для устранения люфта, охватывающей котировочный винт и опирающейся на внутреннюю плоскость верхней гайки и на торцевую плоскость прижимного болта; и где указанные верхняя и нижняя гайки снабжены прокладками из электропроводящего материала, которые обеспечивают электрический контакт между указанной опорой и соединяемыми деталями электрода.

В одном из вариантов выполнения предложенной конструкции токопроводящей юстировочной опоры указанные гайки имеют цилиндрическую форму, при этом верхняя гайка имеет внешнюю резьбу для соединения с вершиной электрода и внутреннюю резьбу для соединения с центральным котировочным винтом, а нижняя гайка имеет внутреннюю резьбу для соединения с прижимным болтом.

В одном из вариантов выполнения предложенной конструкции токопроводящей юстировочной опоры указанные прокладки закреплены с натягом на верхней и нижней гайках и при установке указанной опоры прижимаются к соединяемым поверхностям верхней и нижней частей разделенного электрода, соответственно.

В одном из вариантов выполнения предложенной конструкции токопроводящей юстировочной опоры электрод продольно разделен по всей своей длине на две части таким образом, что вершина электрода составляет 10-20% по объему и/или массе от всего электрода, а 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 предпочтительном варианте предложен котировочный узел для ускоряющей структуры ионного линейного ускорителя на основе 4-х камерного резонатора, камеры которого образованы четырьмя плоскими продольными электродами с окнами магнитной связи, где электроды симметрично расположены относительно центральной (продольной) оси резонатора, прикреплены к корпусу резонатора и имеют электрический контакт с ним,

где конструкция юстировочного узла выполнена в виде токопроводящей юстировочной опоры цилиндрической формы, которая располагается вблизи приосевой области резонатора и соединяет продольно разделенный на две части электрод с сохранением электрического контакта всей конструкции разделенного электрода с корпусом резонатора, где 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,

где указанная опора состоит из внешнего токопроводящего сильфона, который неразрывно соединен с верхней по отношению к основанию электрода гайкой, имеющей внешнюю резьбу для соединения с вершиной электрода и внутреннюю резьбу для центрального юстировочного винта, и нижней по отношению к вершине электрода гайкой с внутренней резьбой для соединения с прижимным болтом; прижимного болта, расположенного внутри сильфона и соединенного с нижней гайкой посредством резьбового соединения, в теле которого предусмотрено отверстие для центрального юстировочного винта, который в нем расположен и соединен с верхней гайкой посредством резьбового соединения, также в теле прижимного болта предусмотрены два симметрично расположенных относительно центрального юстировочного винта боковых отверстия для установочных винтов с упорными концами, которые расположены в них; пружины для устранения люфта, охватывающей котировочный винт и опирающейся на внутреннюю плоскость верхней гайки и на торцевую плоскость прижимного болта; и

где указанные верхняя и нижняя гайки снабжены прокладками из электропроводящего материала, которые обеспечивают электрический контакт между указанной опорой и соединяемыми деталями и при установке указанной опоры прижимаются к соединяемым поверхностям верхней и нижней частей разделенного электрода, соответственно. Таким образом, предложена конструкция юстировочного узла электрода для ускоряющей структуры линейного ионного ускорителя на основе 4-х камерного резонатора, в резонаторе которого электроды разделены продольно по всей длине на две неравные части - вершину (А) и основание (Б), где нижние части Б соединены с корпусом резонатора, а верхние части (А) закреплены на нижних частях (Б) посредством котировочных узлов, которые выполнены в виде токопроводящей юстировочной опоры цилиндрической формы. Предложенная конструкция токопроводящей юстировочной опоры состоит из:

- внешнего гибкого сильфона с гладкой поверхностью, выполненного из электропроводящего материала и неразрывно соединенного, например, пайкой или сваркой с верхней гайкой и нижней гайкой, при этом верхняя гайка предназначена для соединения с верхней (А) частью электрода, а нижняя соответственно с его нижней (Б) частью;

- прижимного болта, который вкручен в нижнюю гайку, при этом в теле прижимного болта предусмотрено центральное отверстие, в котором размещен центральный котировочный винт, и два симметричных боковых отверстия, в которых размещены установочные винты с упорными концами;

- пружины для устранения люфта, охватывающей котировочный винт и опирающейся на торцевую плоскость прижимного болта и внутреннюю поверхность верхней гайки, при этом жесткость пружины подбирают в диапазоне (1200-1400) Н/м;

- пары прокладок из электропроводящего материала, где верхняя прокладка, надетая с натягом на верхнюю гайку, при соединении верхней (А) и нижней (Б) частей разделенного электрода с помощью указанной опоры располагается между верхней гайкой и нижней поверхностью верхней (А) части разделенного электрода, а нижняя прокладка, надетая с натягом на нижнюю гайку, располагается между нижней гайкой и верхней поверхностью нижней (Б) части электрода, так что обеспечивается электрический контакт между юстировочной опорой и соединяемыми деталями разделенного электрода.

Элементы юстировочного токопроводящего узла могут быть изготовлены из электропроводящих материалов, в частности, из стали, меди, алюминия, их сплавов или других подходящих для использования в области ускорительной техники электропроводящих материалов, предпочтительно, с высокой электропроводностью. Например: прокладки и сильфон могут быть выполнены из меди, алюминия, их сплавов и т.п., пружина - из стали, а гайки, болты и винты - из стали, покрытой медью.

Схема конструкции юстировочного узла приведена на рисунке 4, где предложенная токопроводящая юстировочная опора показана в составе разделенного электрода и соединяет его верхнюю часть - вершину (А) с пространственной модуляцией с его нижней частью - основанием (Б).

Как показано на рис. 4 токопроводящая юстировочная опора состоит из:

- внешнего токопроводящего гибкого сильфона (9) - упругой гофрированной оболочки из электропроводящего материала, который неразрывно соединен с верхней по отношению к основанию (Б) электрода гайкой (7), закрепленной в отверстии на нижней поверхности вершины (А) электрода, и нижней по отношению к вершине (А) электрода гайкой (13), закрепленной в отверстии на верхней поверхности основания (Б) электрода, где верхняя гайка (7) имеет внешнюю резьбу для соединения с вершиной (А) электрода и внутреннюю резьбу для центрального юстировочного винта (11), а нижняя гайка (13) имеет внутреннюю резьбу для соединения с прижимным болтом (14);

- прижимного болта (14), расположенного внутри сильфона (9) и соединенного с нижней гайкой (13) посредством резьбового соединения, при этом в теле прижимного болта (14) предусмотрено центральное отверстие для центрального юстировочного винта (11), который в нем расположен и соединен с верхней гайкой (7) посредством резьбового соединения, и два симметрично расположенных относительно центрального юстировочного винта (11) боковых резьбовых отверстия для установочных винтов с упорными концами (12), которые расположены в них;

- пружины (10), охватывающей котировочный винт (11) и опирающейся на внутреннюю плоскость верхней гайки (7) и на торцевую плоскость прижимного болта (14), при этом пружина (10) выполнена из пружинистой стали для повышения механической стабильности юстировочного механизма в момент тонкой подстройки и выбирания люфта;

- пары прокладок (8) из электропроводящего материала, которые надеты с натягом на верхнюю (7) и нижнюю (13) гайки для обеспечения надежного электрического контакта между токопроводящей юстировочной опорой и соединяемыми деталями - основанием электрода (Б) и его вершиной (А), используются прокладки.

Токопроводящие котировочные опоры могут быть расположены одинарно или попарно равномерно через одинаковые расстояния по всей длине электрода, предпочтительно на расстоянии от приблизительно 80 до приблизительно 170 мм от одной опоры до другой, либо от одной пары опор до другой пары опор, соответственно. При парном размещении опор их количество на метр длины электрода будет составлять от 6 до 12 пар, предпочтительно 8 пар. В случае одинарного размещения опор их количество на метр длины электрода будет составлять от 6 до 12 штук, предпочтительно 8 штук.

Технический результат достигается также за счет предложенного способа юстировки электрода ускоряющей структуры ионного линейного ускорителя на основе 4-х камерного резонатора с использованием предложенной конструкции юстировочного узла, где способ включает:

- вкручивание в соответствующее отверстие, выполненное со стороны нижней поверхности вершины электрода, указанной верхней гайки опоры с сильфоном и прокладкой из электропроводящего материала, что обеспечивает электрический контакт между указанной опорой и вершиной электрода,

- совмещение вершины электрода, с установленной в ней указанной верхней гайкой, с основанием электрода таким образом, чтобы нижняя гайка указанной опоры была отцентрирована в соответствующем сквозном ступенчатом отверстии верхней ответной поверхности основания электрода,

- вкручивание прижимного болта указанной опоры в нижнюю гайку, обеспечивая при этом прижатие прокладки из электропроводящего материала на нижней гайке с достижением электрического контакта между указанной опорой и основанием электрода,

- установку в центральном отверстии в прижимном болте юстировочного винта с проходом через предварительно установленную между верхней гайкой и прижимным болтом пружину и вкручиванием юстировочного винта в верхнюю гайку;

- вкручивание в два симметрично расположенных относительно юстировочного винта боковых отверстия в прижимном болте двух установочных винтов с упорными концами так, что они упираются в верхнюю гайку;

- размещение собранной конструкции электрода в резонаторе путем фиксации нижней поверхности основания электрода к корпусу резонатора,

- выполнение требуемой настройки положения вершины электрода относительно центральной оси резонатора путем закручивания или выкручивания центрального юстировочного винта в указанной опоре и фиксацией выбранного положения вершины электрода в резонаторе с помощью установочных винтов с упорными концами в составе указанной опоры.

При осуществлении предложенного способа доступ к юстировочному узлу для юстировки электродов обеспечен со стороны основания электрода в области окон магнитной связи, где расположены котировочные отверстия.

В одном из вариантов предложенный способ включает вкручивание в отверстие, расположенное снизу вершины электрода верхней гайки указанной опоры с неразрывно соединенным с ней и нижней гайкой опоры гибким сильфоном из электропроводящего материала, при этом между нижней поверхностью вершины электрода и верхней гайкой расположена верхняя токопроводящая прокладка из электропроводящего материала, которая надета с натягом на верхнюю гайку. Вершину электрода с установленной на нее верхней гайкой указанной опоры размещают относительно верхней плоскости основания электрода так, чтобы нижняя гайка указанной опоры была отцентрирована в ступенчатом отверстии в теле основания электрода, между верхней плоскостью основания электрода и нижней гайкой указанной опоры расположена нижняя прокладка из электропроводящего материала, которая надета с натягом на нижнюю гайку, и производят сжатие нижней прокладки при помощи вкручивания прижимного болта указанной опоры, далее при помощи закручивания или выкручивания центрального юстировочного винта производят точную настройку высоты вершины электрода относительного центральной оси резонатора, после чего фиксируют положение вершины электрода установочными винтами с упорными концами.

Порядок сборки всех частей резонатора и юстировки электродов с использованием токопроводящих котировочных опор, следующий:

Вне корпуса резонатора в верхние части электродов (А) вкручиваются верхние гайки опоры токопроводящими прокладками. Верхние части (А) располагают над нижними частями (Б) так, чтобы сквозные ступенчатые отверстия в нижних частях расположились напротив нижних гаек. Верхние части электродов (А) опускают вниз так, чтобы нижние гайки с токопроводящими прокладками вошли своей внешней гладкой поверхностью в соответствующие им сквозные ступенчатые отверстия нижней части электрода (Б). Прижимными болтами, вставленными в ступенчатые отверстия, притягивают нижние гайки к нижним частям электрода. Вставляют в центральное отверстие в прижимном болте котировочный винт таким образом, что он проходит сквозь предварительно установленную между верхней гайкой и прижимным болтом пружину и вкручивают в верхнюю гайку. В два симметрично расположенных относительно юстировочного винта боковых отверстия в прижимном болте вкручивают установочные винты с упорными концами, упирающимися в верхнюю гайку. Далее собранные вместе части электродов вносят в корпус резонатора и там закрепляют нижними частями к внутренней поверхности корпуса резонатора, например, сваркой, пайкой, резьбовым соединением и т.п. Далее осуществляют процесс юстировки электродов через котировочные отверстия в нижней части электродов в области окон магнитной связи путем вкручивания или выкручивания юстировочного винта до достижения требуемого положения вершины электрода с последующей его финальной фиксацией с помощью установочных винтов с упорными концами. Точность установки электродов контролируется с помощью промышленного телескопа Тейлор-Гобсон, который задает оптическую ось, по которой проводится юстировка, как это описано, например, у Мурина Б.П. [1].

Последовательность этапов сборки предложенного токопроводящего юстировочного узла, схема которого приведена на рисунке 4, следующая.

В соответствующее отверстие, выполненное со стороны нижней поверхности вершины (А) электрода, вкручивают верхнюю гайку (7) опоры с сильфоном (9) и прокладкой (8) из электропроводящего материала, что обеспечивает электрический контакт между указанной опорой и вершиной (А) электрода.

Совмещают вершину (А) электрода, с установленной в ней указанной верхней гайкой (7), с основанием (Б) электрода таким образом, чтобы нижняя гайка (13) указанной опоры была отцентрирована в соответствующем ступенчатом отверстии верхней ответной поверхности основания (Б) электрода

Вкручивают прижимной болт (14) указанной опоры в нижнюю гайку (13), обеспечивая при этом прижатие прокладки (8) из электропроводящего материала на нижней гайке с достижением электрического контакта между указанной опорой и основанием (Б) электрода.

Устанавливают в центральном отверстии в прижимном болте (14) котировочный винт (11) с проходом через предварительно установленную между верхней гайкой (7) и прижимным болтом (14) пружину (10) и вкручиванием юстировочного винта (11) в верхнюю гайку (7).

Вкручивают в два симметрично расположенных относительно юстировочного винта боковых отверстия в прижимном болте два установочных винта с упорными концами (12) так, что они упираются в верхнюю гайку (7).

Далее, как показано на рис. 5, размещают собранные конструкции комбинированных электродов в 4-х камерном резонаторе, симметрично располагая их относительно центральной оси резонатора и друг друга, путем фиксации нижних поверхностей оснований (Б) электродов (2) к корпусу (1) резонатора, где вершины (А) электродов направлены в центр резонатора для образования ускорительного канала вдоль центральной оси резонатора.

Выполняют требуемую настройку положения вершины электрода относительно центральной оси резонатора путем закручивания или выкручивания центрального юстировочного винта в указанной опоре и фиксацией выбранного положения вершины электрода в резонаторе с помощью установочных винтов с упорными концами в составе предложенной токопроводящей юстировочной опоры.

Проведенный расчет программой CST-studio [9], широко используемой в области расчета параметров резонаторов, показывает, что для достижения приемлемой энергоэффективности 4-х камерной резонансной системы с учетом надлежащего высокочастотного электрического контакта (на рабочей частоте 40 МГц), сравнимой с энергоэффективностью этой же системы с монолитными электродами, достаточно иметь на 1 м длины электрода количество опор от 6 до 12 штук, предпочтительно 8 штук (см. рис. 6). Одновременно такое количество опор обеспечивает и требуемую жесткость конструкции. При установке в конструкцию резонатора диаметром 1 м, длиной резонатора 0,9 м, высотой электродов 0,5 м и высотой юстируемой части 0,05 м минимальная высота опор может составлять 30 мм, а их диаметр не менее 25 мм. Предпочтительно, высота опор составляет приблизительно 30-50 мм, а их диаметр приблизительно 25-35 мм.

Предложенная конструкция юстировочного узла позволяет проводить дополнительную юстировку ускоряющей структуры в процессе эксплуатации ускорителя, если это потребуется, без демонтажа ускоряющей структуры.

На рис. 5 приведена схема ускоряющей структуры, в которой установлена предложенная в настоящем изобретении конструкция токопроводящего юстировочного узла. Как показано на рис. 5 каждый из горизонтальных и вертикальных электродов (2) 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 выполнены окна магнитной связи (В). Юстировочные узлы (4) выполнены в виде токопроводящих котировочных опор, смещенных ближе к центральной оси резонатора по сравнению с прототипом и, таким образом, расположенных вблизи приосевой области резонатора и соединяющих разделенные продольно на две части электроды. Место соединения верхней (А) и нижней (Б) частей каждого электрода расположено выше окон магнитной связи (В) и доступ к котировочным опорам осуществляется со стороны нижней части (Б) электрода через юстировочные отверстия (15) в области окон магнитной связи.

Проверка точности юстировки электродов в приосевой области, согласно предложенному изобретению, осуществляется следующим способом.

Заранее установленный промышленный телескоп Тейлор-Гобсон задает оптическую ось, по которой проводится юстировка [1]. Точность установки на оптическую ось телескопа определяется самим устройством оптики телескопа. Вкручивая или выкручивая котировочный винт и фиксируя установочные винты через юстировочные отверстия в нижней части электродов в области окон магнитной связи, производят точную установку электрода на оптическую ось. После проверки точности установки электродов на ось корпуса резонатора проводится дополнительная подстройка, если это требуется.

Краткое описание чертежей

Рисунок 1. Схема ускоряющей структуры с электродами в форме трубок дрейфа, описанная в аналогах [1] и [2], где:

1 - корпус резонатора;

2 - электроды;

3 - опоры.

Рисунок 2. Схема ускоряющей структуры на основе 4-х проводной линии согласно аналогу [3], где:

1 - корпус резонатора;

2 - электроды;

4 - котировочный узел.

Рисунок 3 А. Схема ускоряющей структуры на основе 4-х камерного резонатора с узлами юстировки электродов согласно прототипу [4], где:

1 - корпус резонатора;

2 - электроды;

4 - юстировочный узел

Рисунок 3Б. Схема ускоряющей структуры на основе 4-х камерного резонатора с окнами магнитной связи электродов согласно прототипу [4], где:

1 - корпус резонатора;

2 - электроды;

5 - верхняя поверхность монолитного электрода с пространственной модуляцией;

6 - нижняя поверхность монолитного электрода;

В - окна магнитной связи.

Рисунок 4. Схема конструкции юстировочного узла для электродов ускоряющей структуры согласно настоящему изобретению в составе разделенного электрода, где:

А - верхняя часть (вершина) разделенного электрода, которая имеет пространственную модуляцию;

Б - нижняя часть (основание) разделенного электрода;

7 - верхняя гайка;

8 - токопроводящая прокладка;

9 - токопроводящий гибкий сильфон;

10 - пружина;

11 - котировочный винт;

12 - установочный винт с упорным концом;

13 - нижняя гайка;

14 - прижимной болт.

Рисунок 5. Схема конструкции ускоряющей структуры, в которой использованы токопроводящие юстировочные опоры согласно настоящему изобретению:

1 - корпус резонатора;

2 -электроды;

А - верхняя часть (разделенного) электрода, которая имеет

пространственную модуляцию;

Б - нижняя часть (разделенного) электрода;

В - окна магнитной связи;

4 - юстировочные узлы;

15 - юстировочные отверстия в области окон магнитной связи.

Рисунок 6. Зависимость энергоэффективности 4-х камерного резонатора от количества токопроводящих котировочных опор.

Осуществление изобретения (примеры выполнения)

Пример 1. Сравнительный, демонстрирующий юстировку электродов, осуществляемую согласно прототипу.

Юстировка электродов в прототипе осуществляется установкой котировочных узлов в местах сопряжения электродов с корпусом резонатора. В этом случае юстировочные узлы будут далеко расположены от приосевой области и такие устройства электродов, особенно горизонтальных, будут подвержены повышенным механическим нагрузкам под весом электродов. Повышенные нагрузки на котировочный узел со временем приводят к потере точности первоначальной юстировки. Чтобы избежать этого приходиться увеличивать запас прочности конструкции юстировочного узла, а это приводит к увеличению его габаритов и себестоимости. Увеличенный котировочный узел, крепящийся на поверхности корпуса резонатора, занимает место на корпусе резонатора и усложняет установку на нем другого необходимого оборудования, например, вакуумного. Расчет провисания верхней поверхности электрода был проведен программой CATIA V5R21 [10] в случае монолитного электрода для ускоряющей структуры на рабочую частоту 40 МГц. При этом типичные для такой частоты размеры корпуса (цилиндрического бака) составляют: диаметр 1 м и высота электродов 0,5 м. Результаты, представленные в таблице 1, показали, что отклонения верхней поверхности горизонтального монолитного электрода с пространственной модуляцией в приосевой области под собственным весом выше допустимых (допустимое отклонение не должно превышать приблизительно 25 мкм). Также расчет показал, что для уменьшения этого отклонения нужно значительно увеличивать габариты юстировочного узла.

Пример 2. Использование конструкции токопроводящих котировочных опор согласно предложенному изобретению, демонстрирующий преимущества по сравнению с прототипом.

Использование котировочных узлов в виде предложенных малогабаритных токопроводящих опор позволяет провести юстировку только верхней части электрода с пространственной модуляцией, имеющей меньшую массу и объем в сравнении с нижней частью электрода 4-х камерного резонатора. Приближение юстировочного узла к приосевой области снижает на него нагрузку, что позволяет плавно и равномерно перемещать юстируемую часть электрода и сохранять точность установки электрода на протяжении продолжительного периода работы ускорителя, что обеспечивает его долговременную бесперебойную работу. Плавность перемещения обеспечивается использованием в конструкции опоры резьбового соединения, чем достигается требуемая точность юстировки.

Предложенная в настоящей заявке конструкции юстировочного узла была установлена в корпусе 4-х камерного резонатора линейного ускорителя ионов. В резонаторе диаметром 1000 мм, рассчитанном на частоту 40 МГц, были установлены комбинированные электроды, нижние части (Б) которых посредством котировочных узлов в виде токопроводящих котировочных опор предложенной конструкции (высота токопроводящих котировочных опор - 30-50 мм, а их диаметр - 25-35 мм) были связаны с их верхним частями (А). Через юстировочные отверстия, расположенные в области окон магнитной связи, обеспечивался доступ к котировочным узлам для юстировки электродов предложенным в настоящей заявке способом.

Расчет провисания верхней поверхности вершины электрода был проведен для случая, когда опора электрода приближена к приосевой области для ускоряющей структуры на рабочую частоту 40 МГц. Типичные для такой частоты размеры корпуса (цилиндрического бака) резонатора составляют: диаметр 1 м, длина 0,9 м, высота электродов 0,5 м, высота юстируемой части 0,05 м, диаметр опор по медному сильфону 30 мм, высота 30 мм.

Результаты, представленные в таблице 2, демонстрируют, что отклонения верхней поверхности верхней части (вершины) горизонтального-электрода в приосевой области под собственным весом не превышают допустимых значений (допустимое отклонение не должно превышать приблизительно 25 мкм). Также расчет показал, что для уменьшения этого отклонения достаточно незначительного увеличения габаритов юстировочного узла.

Также было установлено, что нагрузка на опору в случае составного электрода по меньшей мере на 80% ниже по сравнению с прототипом (см. таблицу 3). Снижение силовой нагрузки на опоры обеспечивает более долговременную сохранность результата юстировки по сравнению с прототипом, при этом время работы установки без потери рабочих характеристик увеличивается по меньшей мере в 5 раз (см. таблицу 3).

Использование предложенных опор позволяет проводить дополнительную юстировку электродов в процессе эксплуатации ускорителя, если это потребуется, без демонтажа ускоряющей структуры.

Юстировочный механизм предлагаемой опоры окружен сильфоном, соединяющим верхнюю и нижнюю гайки опоры, которые снабжены прокладками, при этом сильфон и прокладки выполнены из материала с высокой электропроводностью, в данном примере, меди, что обеспечивает сохранение приемлемой энергоэффективности резонатора.

Проведенный расчет программой CST-studio [10], широко используемой в области расчета резонаторов, показывает, что энергоэффективность 4-х камерной резонансной системы с приемлемым высокочастотным электрическим контактом при использовании медного сильфона и медных прокладок (на рабочей частоте 40 МГц) была меньше всего на 10% по сравнению с конструкцией с монолитными опорами электродов. Как показано на рис. 6 достаточно иметь на 1 м длины электрода 8 штук котировочных токопроводящих опор. Минимальная высота опор может составлять 30 мм, а их диаметр не менее 25 мм. Тем самым, все это позволяет отказаться от более сложного по исполнению сварного контактного соединения без нарушения работы ускорителя и повышает технологичность конструкции для серийного производства.

Литература

[1] Под редакцией Мурина Б.П. Линейные ускорители ионов, т. 2 - М.:Атомиздат, 1978.

[2] Вальднер О.А. и др. Линейные ускорители. М.: Атомиздат, 1969.

[3] патентный документ US 5422549 А, опубл. 06.06.1995.

[4] патентный документ US 5430359 А, опубл. 04.07.1995.

[5] Статья Википедии «Юстировка», размещенная по адресу https://ru.wikipedia.org/wiki/Юстировка в редакции на 25.11.2023.

[6] Статья Википедии «Энергоэффективность», размещенная по адресу https://ru.wikipedia.org/wiki/Энepгoэффeктивнocть в редакции на 25.11.2023.

[7] Капчинский И.М., Теория линейных резонансных ускорителей. М: Энергоиздат, 1982.

[8] Wangler Thomas, Principles of RF linear accelerators/ ISBN 0-471-16814-9. 1998 г, стр. 230.

[9] CST Studio Suite, https://www.3ds.com/ru/.

[10] CATIA V5R21 Dassault Systèmes, https://www.3ds.com/.

Изобретение относится к области создания линейных ускорителей заряженных частиц и представляет собой конструкцию токопроводящих котировочных узлов для ускоряющих структур с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой линейного резонансного ускорителя, выполненную на основе 4-х камерного резонатора с системой электродов. Конструкция юстировочного узла выполнена в виде токопроводящей юстировочной опоры цилиндрической формы, которая располагается вблизи приосевой области резонатора и соединяет продольно разделенный на две неравные части электрод таким образом, что верхняя меньшая часть - вершина электрода - и нижняя большая часть - основание электрода - образуют соединение посредством указанной опоры с сохранением электрического контакта всей конструкции разделенного электрода с корпусом резонатора. Техническим результатом является обеспечение и долговременное сохранение требуемой точности юстировки модулированных электродов в приосевой области ускоряющей структуры без существенного снижения ее энергоэффективности. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил., 3 табл.

1. Котировочный узел для ускоряющей структуры линейного ускорителя на основе 4-х 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, отличающийся тем, что

конструкция юстировочного узла выполнена в виде токопроводящей юстировочной опоры цилиндрической формы, которая располагается вблизи приосевой области резонатора и соединяет продольно разделенный на две неравные части электрод таким образом, что верхняя меньшая часть - вершина электрода - и нижняя большая часть - основание электрода - образуют соединение посредством указанной опоры с сохранением электрического контакта всей конструкции разделенного электрода с корпусом резонатора,

где указанная опора состоит из внешнего токопроводящего сильфона, который неразрывно соединен с верхней по отношению к основанию электрода гайкой и нижней по отношению к вершине электрода гайкой; прижимного болта, расположенного внутри сильфона и соединенного с нижней гайкой посредством резьбового соединения, в теле которого предусмотрено отверстие для центрального юстировочного винта, который в нем расположен и соединен с верхней гайкой посредством резьбового соединения, также в теле прижимного болта предусмотрены два симметрично расположенных относительно центрального юстировочного винта боковых отверстия для установочных винтов с упорными концами, которые расположены в них; пружины для устранения люфта, охватывающей юстировочный винт и опирающейся на внутреннюю плоскость верхней гайки и на торцевую плоскость прижимного болта; и где указанные верхняя и нижняя гайки снабжены прокладками из электропроводящего материала, которые обеспечивают электрический контакт между указанной опорой и соединяемыми деталями электрода.

2. Юстировочный узел по п. 1, где указанные гайки имеют цилиндрическую форму, при этом верхняя гайка имеет внешнюю резьбу для соединения с вершиной электрода и внутреннюю резьбу для соединения с центральным котировочным винтом, а нижняя гайка имеет внутреннюю резьбу для соединения с прижимным болтом.

3. Юстировочный узел по п. 1, где указанные прокладки закреплены с натягом на верхней и нижней гайках и при установке указанной опоры прижимаются к соединяемым поверхностям верхней и нижней частей разделенного электрода, соответственно.

4. Юстировочный узел по любому из пп. 1-3, в котором вершина электрода составляет 10-20% по объему и/или массе от всего электрода, а основание электрода составляет 80-90% по объему и/или массе от всего электрода.

5. Способ юстировки электрода ускоряющей структуры ионного линейного ускорителя на основе 4-х камерного резонатора с использованием юстировочного узла по любому из пп. 1-4, где способ включает:

- вкручивание в соответствующее отверстие, выполненное со стороны нижней поверхности вершины электрода, указанной верхней гайки опоры с сильфоном и прокладкой из электропроводящего материала, что обеспечивает электрический контакт между указанной опорой и вершиной электрода,

- совмещение вершины электрода, с установленной в ней указанной верхней гайкой, с основанием электрода таким образом, чтобы нижняя гайка указанной опоры была отцентрирована в соответствующем сквозном ступенчатом отверстии верхней ответной поверхности основания электрода,

- вкручивание прижимного болта указанной опоры в нижнюю гайку, обеспечивая при этом прижатие прокладки из электропроводящего материала на нижней гайке с достижением электрического контакта между указанной опорой и основанием электрода,

- установку в центральном отверстии в прижимном болте юстировочного винта с проходом через предварительно установленную между верхней гайкой и прижимным болтом пружину и вкручиванием юстировочного винта в верхнюю гайку;

- вкручивание в два симметрично расположенных относительно юстировочного винта боковых отверстия в прижимном болте двух установочных винтов с упорными концами так, что они упираются в верхнюю гайку;

- размещение собранной конструкции электрода в резонаторе путем фиксации нижней поверхности основания электрода к корпусу резонатора,

- выполнение требуемой настройки положения вершины электрода относительно центральной оси резонатора путем закручивания или выкручивания центрального юстировочного винта в указанной опоре и фиксацией выбранного положения вершины электрода в резонаторе с помощью двух установочных винтов с упорными концами в составе указанной опоры.

6. Способ по п. 5, где доступ к юстировочному узлу для юстировки электродов обеспечен со стороны основания электрода в области окон магнитной связи, где расположены котировочные отверстия.