Линейный ускоритель ионов Советский патент 1991 года по МПК H05H9/00 

Изобретение относится к области ускорительной техники, а точнее - к линейным ускорителям ионов, и может быть использовано в качестве ускорителя-группирователя ионов.

Целью изобретения является повышение эффективности группировки и ускорения.

.Нафиг.1 изображен вариант ускорителя с вибраторами Я /4 , где А - длина электромагнитной волны в высокочастотной системе; на фиг.2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг.З

- вариант ускорителя с вибраторами ; на

фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.З.

Линейный ускоритель ионов содер.жит источник ионов, высокочастотную систему, магнитный ондулятор и источник высокочастотной мощности. Высокочастотная система выполнена в виде двух идентичных вибраторов 1, закрепленных в металлическом вакуумном корпусе 2. В ускорителе (см. фиг.3,4) концы вибраторов крепятся (как вариант) к боковой стенке корпуса 2 с помощью элементов 3. Высокочастотная система подключена к источнику высокочастотной мощности с помощью элемента 4 связи. В торцовых стенках корпуса 2 выполнены соосные отверстия: 5 - для инжекции частиц из источника ионов и 6 - для вывода ускоренных частиц. Ондулятор представляет последовательно расположенные магниты 7 с чередующейся ориентацией полюсов N и S. При этом высокочастотная система расположена внутри ондулятора, а оси вибраторов и ось симметрии высокочастотной системы лежат в одной плоскости, которая совпадает с плоскостью антисимметрии ондулятора по магнитному полю.

В качестве магнитов ондулятора могут быть использованы постоянные подковообразные магниты, С и Ш-образные электроО

о. о- ю

Os

магниты, неявноп олюсные магниты диполь- ного типа (в том числе и сверхпроводящие), а также гибридная система, когда поле постоянного магнита дополняется и корректируется за счет электромагнитов, В по- следних трех случаях к ондулятору подводят систему питания.

Ускоритель работает следующим образом.

Включают источник высокочастотной мощности и возбуждают высокочастотную систему на частоте, при которой на вибраторах 1 высокочастотное напряжение находится в противофазе. При этом напряженность поперечного электрического полюса оси высокочастотной системы меняется по следующему закону:

Е ЕЗ sin (+95о) cosWt,

где ЕВ - амплитуда электрического компонента волны;

Z- продольная координата:

А-длина волны;

РО - фаза;

W - угловая частота.

Поперечное магнитное поле ондулятора на оси имеет следующий вид:

В Во cos 2 я/,

где амплитуда Во и период До могут меняться вдоль продольной координаты. Включают источник ионов и инжектируют ионы через отверстие 5 в высокочастотную систему, где под действием высокочастотного электрического поля волны, и магнитного поля ондулятора частицы совершают быст- рые поперечные колебания. Высокочастотное поле фокусирует частицы пучка в плоскости, где расположены вибраторы, и дефокусирует в перпендикулярном направ- лении. Однако, если величина амплитуды магнитного поля ондулятора удовлетворяет условию:

sin

2jtZ

(+i)Po)(),

(1)

где С - скорость света в вакууме, то существует равновесная траектория и пучок фокусируется в поперечной плоскости. При выбранной конфигурации полей и при условии, при котором продольная скорость часV близка

тиц V олизка к величине поперечное магнитное поле ондулятора пеV5 C,

реводит энергию поперечных колебаний пучка в энергию продольного движения. Ускоренные частицы выпускают из высокочастотной системы через отверстия 6.

Прирост энергии на периоде ондулятора АО равен

А AW

Ду : Д.ф cos t/15 .

m

(2)

А Ев ч 9 . 2/2 Л2

гдеАзф(-)2з1п2(),

(2,3)

-VV(-t) .

10 15

20

25

30

5

« .g

0

5

Y средняя за период ондулятора величина приведенной энергии частиц пучка.

Таким образом, амплитуда эффективного ускоряющего поля комбинационной волны Азф на основном участке ускорения

() нарастает пропорционально

sin

2,2Я

(2Г ), что позволяет при соответствующем выборе закона изменения Ao(Z) обеспечить захвати ускорение болгьшей части частиц несгруппироваимого пучка. При использовании вибраторов Я/2 пучок может ускориться и при Z А/4. Однако, при этом Аэф будет убывать, если расстояние между вибраторами (электродами) не меняется. А чтобы не произошло разгруп- пировки пучка, целесообразно длину электродов не делать больше L 3/8 А , выбрав соответствующим образом длину элементов крепления 3.

В качестве примера технической реализации рассмотрим ускорение протонного пучка с начальной энергией Win 50 кэ8. Будем рассматривать вариант ускорителя, изображенного на фиг. 1,2. Пусть А 2 м. В качестве вибраторов, имеющих длину 0,5 м, возьмем цилиндрические медные электроды диаметром ,5 см, расположенные параллельно оси ВЧ-системы, Расстояние между осями вибраторов постоянно и равно 3 см. Максимальный поперечный размер корпуса равен б см. При мощности ВЧ-гене- ратора р -400 кВт, максимальная величина

мчК

электрического поля на оси Ее 19--

М

Выбрав амплитуду и период поля ондулятора в соответствии с формулой (1), получим одновременно и фокусировку и ускорение пучка.

Качественный анализ динамики хорошо согласуется с тем, что дают результаты численного моделирования, В рассматривавMOM случае из расчета динамики на ЭВМ получают следующие результаты: коэффициент захвата Кз -90%, прирост энергии на длине L 0,5 м - AW 0,5 мэВ. Фазовый размер пучка на выходе , максимальный размер апертуры канала 1,5 см.

Заметим, что зффект йиость гсуппи- ройкк и ус :орен ,я можг-ю еще оолзе увели ить, если использовать полуволновые ви..раторы, рас ::тояни8 S jexfly котсрым; на

чэcткe о

.. MeH i9TCR так,

ТСбь

оодспечить опт1/ :лзльный закон ..чек(лй

л

АЭФ(-;Темг: -скорения можмо увеличить i/i зз С - ет увеличения а плитуду ВЧ-поля, 3 предлагаемой конструкции предельная ча- поя ленност .. псля fyner большой, так как вблизи псЕгерхности проводников ве-стсрэ зг-ектрическ сго ЕЧ-поля у, магяктногс ПОЛР ондулятора ззаимоортогональны.

.- обра,пм. уже из приведенного примера зиднс. что з предлагаемом усксри- теле удается при ;-1; з1сой знерг г1и инжекции получить Г) к единице коэсЬфициент заха-:л э частмц /ес руппировзнного пучка, ciracneui Tb хорошую группировку на выходе ускср /-аля (ко ффициент группирозк / ip - 6) к .: , те;мп набора энергии 1 мэВ/м, Это намн1.:-о превышает результаты, которые мпх--:о г олучить э ускорителе- пэотоп Ше, где. к&;г г:оказыаают расчеты, дп::- по-.ученик такого же то;мпя набора энер- rwA Н8обхсдй1 i мощг.сгть- пит8Н.1я увели- более, ем на поояцка, поичем

G

5 0

коэффициенты захвата и группировка будут меньше, чем в предложенном ускорителе.

С другой стороны 8 рассматриваемом ускорителе по сравнению с лучшими аналогами в классе ионных ускорителей с низкой энергией инжекции и с большим коэффициентом усксрения можно увели- чить ПОЧТ, ;s два ..аза, г поггречный размер Еусо очастотно -.истй-.ы сделать гораздо меньше .ергуре канзла. ..р.о- Г1е-сге.еотл;.1ч.,г;й ус; ор1 теля с ПОКФ, где можно ускорять -:с :пну толь,о при энергиях.к ен Ш: х -:.5 мз8, тгедлагаемоб устрой- ускор-re-f -.о Боляет обзспечить эффех-:Ч ;Ену 0 гсунпиоозку м угь:ореяие пучка м npti больших непг;1ях.

кзобретеиия Л11|-;эйнь й уг:кор 1тэль ионое, содержа- сто пи.с ;:OHGH, ваггуумный корпус. Еы- сокэчастэтную ;л стему, узсположенную 2нутр1 1 .Ms.-HWTKoro ондулятора и подклю- . знную к сточнику еысок-0 астотной мош.- . о т л и ч а ю 1ц и и с fi тем, что, с целью позь;шения эффекплвности группировки и ускоренк.я, выс::кочастотная система вы- ПОЛН8НЭ 3 вг де двух идентичных нибрзто- рев, закреплен .-;х з металлическом вакуумном корпусе, а ондулятор - в форме п о ел ед о г ате л ь н о расположенных магнитов с чередующ& ся ориентацией полюсов, при- 8М OCt ам&рЭТОрОЕ и ось Cl SMfviBTpMi ; ВЬ СОкочастстном системы лежчт г- одной ПЛОСКОСГ1 ;, когор;;л совпадает с плоскостью ант С м1- 1Этр : ждулятора по магнитному полю

Предлагаемое устройство относится к линейным ускорителям заряженных частиц и наиболее эффективно может быть использовано в качестве ускорителя-группиро- вателя ионов. Цель - повышение эффективности группировки и ускорения. Ускоритель состоит из высокочастотной системы, содержащей два вибратора 1 и вакуумный корпус 2 с отверстиями 5,6 для пролета пучка, и магнитного ондулятора, выполненного в виде последовательности двухполюсных магнитов 7. ВЧ-система помещена между полюсами магнитов так, что плоскость, где расположены вибраторы, совпадает с плоскостью антисимметрии по магнитному полю ондулятора.4 ил.

EKJsa sssK ffi

-г-;, ,

/ -

i S SfsS S SSSSf

I V..

VV

.- -.-.-L. -- -- Ч.

ЧГ-l j f. J

. .

б б

.Л

fpus.