Линейный резонансный ускоритель ионов Советский патент 1992 года по МПК H05H7/00 

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к линейным резонансным ускорителям ионов, и может быть использовано при создании новых и реконструкции действующих ускорите- лей.

Известен линейный резонансный ускоритель ионов, содержащий электростатический инжектор с длиннофокусной ионно-оптической системой и ускоряющую систему, включаю щую резонатор начальной части с трубками дрейфа, которые запиты- ваются ВЧ-мощностью в режиме ускорения тяжелых ионов и отключаются при ускорении протонов, и оконечную часть, содержащую резонатор с трубками дрейфа, в которые протоны ускоряются о стандартном режиме, а тяжелые ионы ускоряются в режиме кратного дрейфа.

Недостатком такого ускорителя является сравнительно длительный процесс перехода от ускорения протонов к ускорению тяжелых ионов, что связано с трудоемким процессом переналадки режимов работы ускорителя. Кроме того, при переходе к ускорению ионов с отношением заряда к массе 1 /4 и ниже происходит резкое снижение иитенси вносги ускоренных ионов из-за неоптимальной фокусировки пучка ионов в канале ионно-оптической системы.

Известен также линейный резонансный ускоритель ионов (прототип), содержащий электростатический инжектор с длиннофокусной ионно-оптической системой и ускоряющую структуру, включающую основную стационарную часть, выполненную на основе резонаторов типа Альвареца с трубками дрейфа и рассчитанную на ускорение ионов с заданным отношением к массе qo/m0, и участок предварительного ускорения с набором из k сменных секций, выполненных на основе компактных ускоряющих Н-резонагоров с фазопеременной фокусировкой для ускорения более тяжелых ионов с отношением заряда к массе qi/m, (i 1,2k), каждяя из которых устанавливается при необходимости перед входом в резонаторы Альвареца на участке согласующего канала для предварительного ускорения ионов до скорости, необходимой для перезахвата и дальнейшего ускорения ионов в основной стационарной части ускоряющей структуры в режиме кратного дрейфа.

Недостатком этого ускорителя также является длительный процесс перехода от ускорения протонов к ускорению ионов и обратно, так как это связано с необходимостью установки и снятия дополнительной секции в канале действующего ускорителя,

что не всегда возможно из-за загруженности программы работы ускорителя. Кроме того, поскольку фокусное расстояние ионо- оптической системы выбрано из расчета

обеспечения кроссовера пучка на входе резонаторов Альвзреца, то при размещении дополнительной секции в середине согласующего канала происходит потеря значительной части пучка.

Целью изобретения является повышение эффективности использования ускорителя за счет сокращения времени перехода к ускорению ионов с различными отношениями заряда к массе и увеличение интенсивности ускоренных пучков.

Поставленная цель достигается тем, что в линейном резонансном ускорителе, содержащем ускоряющую структуру, состоящую из основной части в виде

стационарных ускоряющих резон аторов для ионов с заданным отношением заряда к массе qo/mo иучастка предварительного ускорения, включающего набор из k сменных ускоряющих резонаторов с трубками дрейфа, каждый из которых рассчитан на ускорение ионов с конкретным отношением

заряда к массе qi/rru (i 1,2k), систему

ВЧ-питания ускоряющих резонаторов, блок перезарядки ускоренного пучка, размещенный между участком предварительного ускорения и основной частью ускоряющей структуры, согласующую линзу с кроссовером пучка на входе в основную часть структуры и электростатический инжектор.

формирующий параллельный пучок ионов диаметром D, система ВЧ-питания снабжена коммутирующим устройством для подачи мощности в 1-й сменный резонатор при ускорении ионов с отношением заряда к массе qi/mi, сменные резонаторы размещены в общем вакуумном кожухе, электрически разделены друг от друга металлическими экранами и закреплены на обечайке вакуумного кожуха с помощью вертикальных металлических опор с подвижными контактными группами для поперечнсго сдвига каждого из сменных резонаторов на расстояние h, в каждой трубке дрейфа выполнено N отверстий и перед каждым из сменных ускоряющих резонаторов на расстоянии L от первой трубки дрейфа размещен соосный с трубками дрейфа N-апертурный коллиматор, который жестко соединен с корпусом этого резонатора, причем каждая трубка дрейфа имеет диаметр приблизительно равный D, а величина D, d, h, L связаны соотношениями

d D/VrN i D, L n/U (n-1.2)

В блоке перезарядки размещены N обдирочных мишеней, соосных с аппертурны- ми отверстиями трубок дрейфа сменных резонаторов.

Введение металлических опор с подвижными контактными группами позволя- ет оперативно, в течение нескольких минут, перестраивать ускоряюще-фокусирующий канал для перехода к ускорению другого сорта ионов и тем самым значительно сокращает время простоя ускорителя.

Введение подвижного многоапертур- ного коллиматора позволяет подготовить широкий исходный пучок к ускорению в многоканальной ускоряющей структуре и снизить нагрузку пучков в резонаторе.

Использование многоканальных трубок дрейфа позволяет повысить интенсивность ускоренного пучка в системе с длиннофокусной ионно-оптической системой, неоптимальной для ионов с отношением заряда к массе, отличным от расчетного

Ведение в систему ВЧ-питания коммутирующего устройства позволяет регулировать фазоамплитудные характеристики мощности, подаваемой в каждый из смен- ных резонаторов ускорителя, обеспечить ВЧ-согласование и устойчивость работы ускорителя.

Размещение всех сменных резонаторов в общем вакуумном кожухе упрощает конст- рукцию вакуумной системы

Введение металлических экранов между сменными резонаторами обеспечивает ВЧ-развязку резонаторов друг от друга

Разбиение ширкоой обдирочной мишени диаметром D на N малых мишеней диамиетром d D/N упрощает технологию изготовления мишеней и повышает их прочность и эксплуатационную надеж- ность.

На фиг. 1 приведена схема построения ускорителя джля ионов с различными отношениями заряда к массе (для случая k 2); на фиг.2 - одна из ячеек участка пред- верительного ускорения, поперечное сечение.

Ускоритель содержит инжектор 1, формирующий параллельный пучок ИОНОЁ, ускоряющую структуру 2, систему ВЧ-питания ускоряющих резонаторов 3, блок 4 перезарядки ускоренного пучка и согласующую линзу 5.

Ускоряющая структура 2 состоит из участка 6 предварительного ускорения и основ- ной части 7. Участок предварительного ускорения содержит k расположенных друг за другом компактных сменных Н-резонато- pos 8 с многоапертурними трубками 9 дрейфа Сменные резонаторы раэделяены дру| от друга электрически с помощью металлических экранов 10 и размещены в общем вакуумном кожухе 11, Каждый из гменних резонаторов закреплен на обечайке кожуха с помощью металлических опор 12, снабженных подвижными контактными группа ми 13, которые обеспечивают возможногт поперечного перемещения резонаторов дня сывода трубок дрейфа с оси ускорения На входе каждого из сменных резонаторов установлен многоапертурный колллиматор 14, который жестко закреплен на корпусе резонатора с помощью металлического де ржателя и расположен на расстоянии п/ЗД от первой трубки дрейфа данного резона тора.

Как видно из фиг.2, резонатор имеет прямоугольное поперечное сечение и к его боковым стенкам поочередно присоединены трубки 9 дрейфа, а со стороны входа к середине днища корпуса Н-резонатора 8 присоединен коллим атор 14 Основная часть структуры (фиг.1) состоит из стацио парных резонаторо в 15, рассчитанных на ускорение ионов с определенным отношением заряда к массе qj/mi

Система ВЧ-питания снабжена коммутирующим устройством 16 для подачи мощ- Hocni в каждый из сменных резонаторов например в i-й резонатор при ускорении ионов с отношением заряда к массе qi/mi (I 1,2.....k)

В блоке 4 перезарядки пучка предусмотрены мишени 17 для обдирки каждого из ускоренных пучков.

Ускоритель работает следующим образом

В исходном положении все трубки дрейфа, закрепленные на сменных резонаторах, выведены с оси ускорения за счет поперечного смещения резонаторов на расстояние h D Пучок ионов с отношением заряда к массе q0/m0, сформированный в форинжек- торе, дрейфует через канал предварительного ускорения и попадает на вход стационарных резонаторов, где осуществляется его ускорение до заданной энергии При необходимости ускорения ионов с отношением заряда к массе qi/m, производятся следующие процедуры.

Производится вертикальное перемещение 1-го резонатора 8 из участка 6 предварительного ускорения с помощью опор 12 с тем, чтобы оси установленных на нем мно- гозпертурных трубок 9 дрейфа и коллиматора 14 совпали с осью ускорения.

Производится установка мишеней 17 блока 4 перезарядки и совмещение осей

каналов ускорения (апертур трубок дрейфа 1-го резонатора) и мишеней

Производится переключение коммутирующего устройства 16 системы ВЧ-пита- ния резонаторов 3 в положение, соответствующее подаче мощности в 1-й резонатор.

В инжекторе 1 формируются ионы с отношением заряда к массе qi/mi, и сформированный параллельный пучок дрейфуют до входа в 1-й резонатор, где производится его разбиение на N каналов и ускорение до энергии, при которой осуществляется перезахват и ускорение ионов в стационарных резонаторах 15 основной части 7 ускоряю- щей структуры.

Каждый из N ускоренных гтучков проходит через соответствующую обдирочную мишень 17 и изменяет заряд таким образом, чтобы равновесный заряд соответствовал значению qi/mi или был по крайней мере кратен этому отношению.

Ускоренные и перезаряженные пучки проходят согласующую линзу 5 с кроссовером суммарного пучка, совпадающим с вхо- дом в первую трубку дрейфа стационарных резонаторов 15, где производится их перезахват и дальнейшее ускорение до заданной энергии.

При переходе к ускорению ионов с другим отношением заряда к массе на ось ускорителя вводятс я трубки дрейфа соответствующего резонатора а трубки дрейфа 1-го резонатора выводятся с оси. И повторяются все описанные процеду- ры.

По сравнению с прототипом в предложенном решении удается свести к минимуму время переходи к ускорению ионов с разными отношениями заряда к массе и по- высить максимальный ускоряемый ток при использовании в согласующем канале длиннофокусной ионно-оптической системы за счет введения подвижного многоапертурно- го коллиматора и многоапертурных трубок дрейфа.

Формула изобретения 1. Линейный резонансный ускоритель ионов, содержащий ускоряющую структу- ру, состоящую из основной части, выполненной в виде стационарных ускоряющих резонаторов для ионов с одним отношением заряда к массе qo/m0 и участка предварительного ускорения, включающего несколько сменных ускоряющих резонаторов с вакуумным кожухом и трубками дрейфа, каждый из которых рассчитан на ускорение ионов со своим отношением заряда к массе qi/mi (i 1.2k), систему

ВЧ-питания ускоряющих резонаторов, сменный блок перезарядки ускоренного пучка, размещенный между участком предварительного ускорения и основной частью ускоряющей структуры, согласующую линзу с кроссовером пучка на входе в основную часть ускоряющей структуры и электростатический инжектор с одним ускоряющим напряжением, отличаю-щийся тем, что, с целью повышения эффективности использования ускорителя за счет сокращения времени перехода к ускорению ионов с различным отношением заряда к массе и повышения интенсивности ускоренных пучков, в ускоритель ионов введены коммутатор и несколько коллиматоров, коммутатор выполнен с возможностью подключения системы ВЧ-питания к каждому из сменных ускоряющих резонаторов при установке их соосно со стационарным ускоряющим резонатором, каждый из коллиматоров размещен перед каждым из сменных ускоряющих резонаторов соосно с его трубками дрейфа и жестко соединен с корпусом этого резонатора, сменные резонаторы размещены в общем вакуумном кожухе, электрически разделены друг от друга металлическими экранами и закреплены внутри вакуумного кожуха на опорах с подвижными контактными группами для поперечного сдвига каждого из сменных резонаторов, при этом выполнены условия

h D, L ,

где h - величина поперечного сдвига каждого из сменных резонаторов, м;

D - диаметр трубок дрейфа, м;

L - расстояние между коллиматором и первой трубкой дрейфа каждого из сменных резонаторов, м;

А-длина волны системы ВЧ-питания, м,

/3- нормированная на скорость света фазовая скорость ускоряющей волны в начальной части первого сменного ускоряющего резонатора (безразмерна);

п 1,2,3,... - порядковый номер сменного ускоряющего резонатора.

2. Ускоритель поп.1,отличающий- с я тем, что каждая трубка дрейфа сменного ускоряющего резонатора и каждый коллиматор содержит несколько апертурных отверстий, а сменный блок перезарядки ускоренного пучка содержит несколько мишеней, соосных с апертурными отверстиями трубок дрейфа и коллиматоров, пои этом выполнены условия

d D/ VKT

где d - диаметр апергурных отверстий, м; ; D- диаметр труфрк дрейфа, м; - N - число зпертурйых (Отверстий,

Использование: ускорительная техника, ускорители заряженных частиц с широким диапазоном массового состава. Сущность изобретения: за инжектором 1 расположена ускоряющая структура 2, в которой содержатся несколько сменных резонаторов 8, размещенных в общем вакуумном кожухе 11. Смена резонаторов 8 и установка их под пучок, поступающий из инжектора 1, осуществляется без нарушения вакуума. Общая система ВЧ-питанИя обеспечивает подачу ВЧ-мощности в каждый из резонаторов 8 после установки его под пучок Основная часть 7 ускорителя является стационарной и рассчитана на ускорение частиц с постоянным отношением заряда к массе, которое обеспечивается перезарядной мишенью. В ускорителе предусмотрена установка мно- гоапертурных трубок дрейфа , обеспечивающих повышение интенсивности пучка. 1 з.п. ф-лы, 2 ил, 17 4 5 7 (Л С М СП м со 15

. г.-

Редактор Ь.Юрковецкёя Техред М.Моргентал

Заказ 3101ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Корректор И. Шулла