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

Изобретение относится к ускорительной технике, а точнее к линейным ускорителям ионов, может быть использовано в качестве линейного ускорителя-группиро- вателя ионов и может быть применено для получения высокоинтенсивных ускоренных пучков ионов.

Цель изобретения - повышение эффективности ускорения путем повышения темпа ускорения и коэффициента захвата.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема ускорителя; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - подключение вибраторов при числе парных продольных стержней, равном трем.

Устройство содержит источник 1 ионов, который закреплен на боковом фланце вакуумного корпуса 2. Во внутренней полости корпуса 2 размещена ВЧ-ускоряющая система 3. которая выполнена в виде высокочастотного кожуха 4. Внутри кожуха 4 размещены полуволновые вибраторы 5, середины которых закреплены на высокочастотном кожухе 4 с помощью диэлектрических и металлических подставок 6 и 7 соответственно.

Высокопотенциальные концы вибраторов подключены к продольным стержням 8. к которым крепятся поперечные электроды 9.

о о ю о

со

Ю

Устройство также содержит источники питания ВЧ-ускоряющей системы и источ пика ионов, а также источник постоянного напряжения, разноименные полюсы которого подключены к парным продольным стержням. В общем случае число рядов вибраторов может быть любым и располагаться они могут в плоскости сечения резонатора произвольным образом.

Устройство работает следующим образом.

Источник 1 ионов генерирует ленточный пучок заряженных частиц, который поступает в ВЧ-ускоряющую систему 3 В силу того, ч го в системе 3 развиваются высокие напряжения, а также осущг ствля- i гея ускорение ионов, в вакуумном корпу- со 2 предварительно обеспечивают вакуум не хуже 1СГ3 Па. К ускоряющей системе прикладывают постоянное и ВЧ-напряже- ние для получения требуемых амплитуд полей п пространстве взаимодействия. Причем на продольных стержнях, принадлежащих своему ряду вибраторов, наводятся ВЧ-потенциал ы противоположного опака, а по отношению к другому ряду вибраторов - произвольно в соответствии с вы- брлшым рабочим видом колебаний Например, в конструкции, приведенной на фиг. 1, 2, низшим видом колебаний является прогппофазный, когда противоположно расположенные продольные стержни, принадлежащие разным рядом вибраторов, возбуждены противофазно. Однако рабочим следует считать синфазный вид колебаний, при котором в резонаторе присутствует наименьшая паразитная емкость, образованная между противоположными продольными стержнями Инжектируемый пучок поддейсгвием статических ii ВЧ-полей на начальном участке группируется в сгустки протяженностью СО 70 град, а затем ускоряется до заданной jneprnH.

Конструктивное исполнение устройства позволяет реализовать оптимальные, с точки зрения динамики частиц, законы распределении полей и снять ограничения на длину ускорителя. Напряженности высокочастотного и электростатического полей в рассматриваемой системе имеют следующий вид с °°

Гь

1 - iL v.,

П (

a Z

, тип Ch

Лл

4cos4 } -jb;nQti

Ч,- Ebiuiz:«2ll,,

n i. о

Ч 5 1Пг { 5,Qi j

с, U-E.IPIzliE,,,..,

5

dz

4 cos2(2m-l)Tr f

oa J о

oz q-UlZ 2m-,5b

ГП.1J

5m2(2m ()7j di

2(2

m I) в

К

Ъ„

где Еь. Ео - амплитуды электрического ВЧ- поля и статического поля (В/М);

7 -- продольная координата, м;

у - поперечная координата, м;

Яо() - период расстановки поперечных электродов м,

Я- длина волны ВЧ-поля, м;

м- угловая частота ВЧ-поля, 1/с;

/I K.QK - относительные величины амплитуд К-й гармоники ВЧ- и статического полей.

Прирост энергии синхронной частицы на единицу длины равен

Aw АГ

е ТЕь f / cos t

(2)

20

где V (1 ( jt) -И/ь - фаза в поле

комбинационной волны;

Т- -g - коэффициент эффективности ускорения.

ws - кинетическая энергия синхронной частоты с фазой / s

С помощью специального выбора функций f(z) и ), отвечающих за продольные распределение полей, можно обеспечить как эффективное ускорение согласно (2), так и группировку и фокусировку пучка. Вблизи равновесной траектории уравнение продольного движения при

g 2m - 1 1 (т 1)

можно запи

dЈz 2 я b2 f ( z ) у ( z ) с) Т

$(0

cos V(3)

45

где

Ь2

е2 ЕоЕьА2

0

( 2 л тс2 )2 Выбирая функции f(z) и (f(z) нарастающими, можно обеспечить почти стопроцен- тн11и захват пучка и его хорошую группировку. От функций f(z) и f(z) зависит также и поперечная устойчивость пучка. Условие поперечной устойчивости имеет вид

55

2 ch

5fX2ttchlpLs,nV;i (4)

ДоДо

Еь

Ёо

Ф-1

/чо

Соответствующим выбором f и у можно добиться устранения влияния мараметри е- ских резонансов связи поперечного и продольного движения на фокусировку частиц Так, продольно-поперечный резонанс п первой и второй областях устойчивости отсутствует при

:,п ( 2 д г ). О z г(Уг;

I7 2о/Г,

, , Vr- - - ft О Z ZQ/V .

Л

Z Zn V ,

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к линейным ускорителям ионов, и может быть использовано в качестве линейного ускорителя-группирователя. Цель изобретения - повышение эффективности ускорителя путем повышения темпа ускорения и коэффициента захвата. Ускоритель содержит источник ионов, вакуумный кожух, во внутренней полости которого размещена высокочастотная ускоряющая система, включающая высокочастотный кожух 4. Внутри кожуха 4 размещены полуволновые вибраторы 5, середины которых закреплены на кожухе 4. Высокопотенциальные концы вибраторов подключены к продольным стержням 8, к которым крепятся поперечные электроды 9. Источник постоянного напряжения разноименными полюсами подключен к парным продольным стержням. Ускоритель обеспечивает повышение коэффициента захвата и доведение его до величин К_захвъ90%, а также снимает ограничения на длину ускоряющей системы, обусловленные распределением ускоряющих полей, что обеспечивает повышение темпа ускорения. 3 ил.

8

-g )sln

- а

8

(4 -gV2)slnVb

1

а

1

sin ( s + g ) sin V% а поперечно-продольный - при

0 а

(1 + 10 (ki ) + 12 (ka )) sin V s

1

- a

slntA - (lo(ka)+1)

a

Sin J/Vi

(6)

Здесь g- 2 Фад V s. Ф- мгновенное значение амплитуды фазовых колебаний;

а - радиус апертуры канала;

. 2я

Таким образом, при фиксированных значениях амплитуд полей Е0 и EI, ограниченных требованиями электрической прочности, от выбора функций f и рзависят фактически все основные параметры ускорителя. Для существенного увеличения энергии частиц требуется снять ограничение на длину ускорителя, характерное для известной ВЧ-системы.

В качестве численного примера проведено моделирование на ЭВМ динамики непрерывного ленточного пучка протонов в полях. Пусть энергия инжек- ции равна 50 кэВ при длине волны ВЧ-поля

м, амплитудных полей кВ

кВ

и

см

Е0 100

см

и одинаковых законах

f(z)- f(z). При этом и выполняются условия как поперечной устойчивости (4), так и отсутствия параметрических резонансов (5) и (6) для частиц в пределах сгустка.

Положим функции f(z) и yXz) равными

где zr.--длина участка группировки и фаза частицы При z0 0,5 м. i« 1, /( 0,5,

т

i/Ь v- получим при Z-ZQ коэффициент захвата К,,М 90%. среднюю энергию пучка w 3CO кэВ, фазовый размер сгустка Д 70°. На длине ускорителя ,5 м достигается энергия 1 MB. Темп ускорения можно повысить если сделать зависимости f() и yXz)

более крутыми Так, при v 1,8, fi

л

/Ь при z z0 можно достичь энергии

кэВ при К3,, а на длине ,1 м получить МэВ Таким образом, варьируй функции f и (Да также иу) можно менять эффективность ускорения и коэффициент

захвата

В предложенном линейном ускорителе ионоо можно в принципе реализовать любые законы f(z) и ). В частности, на участке ускорения сгруппированного пучка можно обеспечить f(z)- (, что невозможно сделать в прототипе Функция уз(г) может варьироваться изменением расстояния между

поперечными электродами в продольном направлении При этом распределение ВЧ- поля функция f(z)j можно менять независимым образом, задавал различные ВЧ-потенциалы на электродах с помощью

специальной настройки ВЧ-резонансной системы Суть настройки сводится к выбору закона изменения периода расстановки резонансных полуволновых вибраторов для каждого ряда. По сути вибраторы представляют собой индуктивность, а поперечные эпектроды образуют емкость резонатора. Зная зчкон расстановки поперечных электродов (функция уХг)) можно оценить значения емкостей и в соответствии с заданным

законом распределения поперечного ВЧ- поля пдоль оси резонатора выбрать период расстановки вибратора Величина резонансной частоты определяется длиной вибраторов и настраивается на конечном этапе.

Величины высших гармоник ВЧ-поля

/02п() и электростатического поля g2m-i(). зависящие от формы и размеров поперечных электродов и приводящие в об- шем случае к ухудшению поперечной устойчивости пучка и снижению продольного захвата, могут быть уменьшены выбором формы поперечного сечения и размеров этих электродов. С ростом энергии частиц и увеличением периода расстановки электродов возрастает противоречивость требования одновременного создания системой электродов равномерного распределения ВЧ-по- ля и синусоидального распределения статического поля. Как показали численные и аналитические расчеты, наиболее сильное влияние на динамику пучка оказывают высшие гармоники ВЧ-поля. Возможно выравнивание ВЧ-поля за счет увеличения продольного размера электрода. Дополнительным средством такого выравнивания может служить введение дополнительных пар электродов, находящихся под промежуточными по величине статическими потенциалами и расположенными вблизи областей наибольшего отличия ВЧ-поля от равномерного. Эти же электроды могут быть использованы для формирования заданного распределения статического поля.

Для экспериментальной проверки электродинамических особенностей устройства создан макет ускоряющей системы. На рабочей длине волны 2 м поперечные электроды представляют собой круглые стержни радиусом 5 мм, установленные С периодом 20 мм. Расстояние между стержнями (радиус канала) 10 мм. Количество продольных электродов 2, поперечных - 32. Экспериментально проверена возможность настройки распределения ВЧ-поля в системе. Получено согласие с данными расчетов. Радиотехнические пара- метры по результатам измерений таковы: Ru./Q -40кОм/м, .

Формула изобретения Линейный ускоритель ионов, содержа- 0 щий источник ионов, вакуумный корпус, во внутренней полости которого размещена высокочастотная ускоряющая система, выполненная в виде высокочастотного кожуха с расположенными внутри поперечными 5 электродами, смещенными относительно оси источника ионов и закрепленными на парных продольных стержнях, источники питания высокочастотной ускоряющей системы и источника ионов, источник постоян- 0 ного напряжения, разноименные полюса которого подключены к парным продольным стержням высокочастотной ускоряющей системы, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности ускори- 5 теля путем повышения темпа ускорения и коэффициента захвата, в высокочастотную ускоряющую систему введены расположенные последовательно в поперечных относительно оси источника ионов плоскостях 0 полуволновые вибраторы, середины которых закреплены на высокочастотном кожухе, а высокопотенциальные концы вибраторов подключены к продольным стержням высокочастотной ускоряющей си- 35 стемы.А

Фиа.1

Л Л5

8

/

L-T

фиг. 3