Резонансная система циклотрона Советский патент 1993 года по МПК H05H13/00 

сочленение идет по всему периметру верхней части резонаторного бака и имеет линейную протяженность 1-3 м. Известно, что из-за больших величин высокочастотных токов, протекающих через это сочленение, а также отсутствия доступа к нему при работе циклотрона конструкция этого сочленения достаточно сложна, а эксплуатационная надежность невысока, что и приводит к трудностям при эксплуатации.

Цель изобретения - защита резонансной системы циклотрона от вторичного облучения нейтральными частицами и повышение удобства эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что резонансная система, состоящая из дуанта, горизонтально расположенного штока, на котором закреплен дуант, резонаторного бака, на фланце которого закреплен шток, земляной плакировки дуанта и элемента связи для подвода высокочастотной мощности, выполнена из двух раздельных половин, зеркально симметричных относительно медианной плоскости циклотрона, а элемент связи для подвода высокочастотной мощности от генератора к системе подключен к одной из этих половин..

Сущность предполагаемого изобретения поясняется схемой резонансной системы циклотрона, изображенной на фиг. 1, где 1,1- верхняя и нижняя крышки дуанта; 2,2 - верхняя и нижняя половины штока; 3.3 - верхний и нижний резонаторные баки; 4,4- еерхняя и нижняя земляные плакировки; 5,5 - верхняя и нижняя антидуантные рамки; 6 - полюса электромагнита циклотрона; 7- вакуумная камера с крышкой; 8-защитные экраны; 9 - болтовое разъемное соединение; 10.- элемент связи для подвода высокочастотной мощности; на фиг. 2 представлена эпюра 1/4-волнового мода электрического напряжения; на фиг. 3 изображено сечение резонансной системы поперек резонаторных баков no E-E.

Как видно из фиг, 1, предлагаемая конструкция резонансной системы состоит из двух раздельных частей - верхней и нижней половин. Верхняя половина состоит из верхней крышки дуанта 1, верхней половинки штока 2, верхнего резонаторного бака 3 и верхней плакировки дуанта 4. Аналогичным образом, нижняя половина резонаторной системы состоит из нижней крышки дуанта V, нижней половинки штока 2, нижнего резонаторного бака 3 и нижней плакировки дуанта 41. Обе половины конструктивно зеркально-симметричны друг другу, а их расположение в вакуумной камере циклотрона симметрично относительно медианной плоскости ММ. Элемент связи для подвода высокочастотной мощности-10 от генератора (ГВЧ) к резонансной системе соединяет выход ТВ Ч с одним из резонаторных баков,

например, нижним при помощи индуктивной петли связи.

В предложенной резонансной системе возбуждается 1/4-волновый мод электромагнитных колебаний с пучностью напряже0 ния на крышках дуантов и узлом в основании штоков, эпюра этого мода изображена на фиг. 2.

Возбуждение резонансной системы происходит следующим образом. Каждая из

5 половин (изолированных друг от друга) с радиотехнической точки зрения представляет собой резонансный контур с распределенными параметрами, в котором может быть возбужден 1/4-волновый мод колеба0. ний на собственной резонансной частоте

ah с пучностью напряженности электрического поля на крышке дуанта иузлом вТорце половинки штока (Схематично этот контур может быть представлен состоящим из эквивалентной емкости, образованной зазором между крышкой дуанта и земляной плакировкой, и эквивалентной индуктивности, образованной стенками резонаторного бака и штоком), В силу симметрии обеих полусистем их радиотехнические параметры близки друг к другу (различие обусловлено лишь точностью изготовления и сборки), поэтому практически равны между собой и их резонансные парциальные частоты

(.

Обе такие полусистемы, будучи помещенными в вакуумную камеру циклотрона и находясь в непосредственной близости

0 ДРУ от друга, образуют с радиотехнической точки зрения систему связанных контуров (точнее, распределение-связанных линий). Связь двух полусистем происходит в основном за счет общего для обеих половин маг5 нитного потока, пронизывающего оба резонансных объема и обуслаливающего взаимойндуктивность верхнего и нижнего резонаторных баков 3 и 3 , а также за счет емкостной связи между верхней и нижней

0 крышками дуанта 1 и 1.

На фиг. 3 приведено примёрное распре- деление магнитных силовых линий Н в резонаторных баках для предлагаемой системы. Как видно, связь обеих полусистем осущестg вляется по общему магнитному потоку Н в верхнем и нижнем резонаторных баках 3 и 3, охватывающему верхнюю и нижнюю половинки штока 2 и 2.

Расчеты показывают, что величина коэффициента связи между полусистемами

5

0

5

бака, выполненные из медных листов, прикреплены к внутренним стенкам и крышке вакуумной камеры и к полюсам электромаг- нита. Система крепления удерживает всю резонансную систему внутри вакуумной ка- меры симметрично относительно медианной плоскости магнитного поля циклотрона.

Недостатком описанной выше резонансной системы является ее незащищенность от вторичного облучения нейтральными ча- стицам и Н° и связанные с ее радиоактивацией неудобства при эксплуатации.

Дополнительным недостатком являются также неудобства при эксплуатации системы, обусловленные конструкцией системы.

Действительно, известно, что Н ионы водорода, в отличие от Н (протонов), являются легко разрушаемыми образованиями из-за слабой связи дополнительного электрона с атомом водорода (энергия связи 0,75 эВ). В процессе ускорения Н ионов происходит отрыв дополнительного электрона в магнитном поле ускорителя (электродиссоциация), а также перезарядка Н ионов на остаточном газе вакуумной камеры. Об- разуемые в результате этих процессов нейтральные частицы Н°, больше не удерживаемые магнитным полем циклотрона, разлетаются в медианной плоскости по касательным к спиральной траектории уско- ряемых Н ионов. В конечном итоге нейтра- ли Н° попадают на стенки вакуумной камеры, а также на участки резонансной системы, находящиеся в медианной плоскости, т.е. на шток и стенки резонаторного бака. Несмотря на принятие известных мер, уменьшающих развал Н ионов в процессе их ускорения (повышенный вакуум и пониженное магнитное поле), потери Н ионов и превращение их в Н° для различных цикло- тронов составляют величины 5-30% от количества (тока) ускоряемых ионов. Так как диапазон энергий образующихся Н° частиц простирается вплоть до максимальной энергии ускорения то в результате столкно- вения Н° с резонансной системой и стенками вакуумной камеры происходит их радиоактивация. Величина этого вторичного радиоизлучения значительна и представ- ляет радиационную опасность для обслуживающего персонала, в особенности при демонтажных работах внутри вакуумной камеры. Так, например, расчеты показывают, что для циклотрона с энергией Н ионов 80 Мэв и током пучка 100 мкА мощ- ность дозы внутри вакуумной камеры составляет несколько крад/ч, а источниками вторичного радиоизлучения в основном являются стенки вакуумной камеры и элементы резонансной системы при примерно

одинаковом вкладе в величину мощности дозы. Для уменьшения радиационной опасности и снижения дозы облучения персонала на некоторых циклотронах принимают известные меры защиты. Так, например, стенки вакуумной камеры изнутри облицовывают легкосъемными защитными экрана- ми-стенКами, Эти защитные экраны (Baffle) из графита, алюминия и т.п. располагаются по периметру вакуумной камеры в медианной плоскости циклотрона. При работе циклотрона экраны перехватывают Н° частицы, защищая стенки вакуумной камеры от облучения Н° частицами, сами становясь радиоактивными. При демонтажных работах эти легкосъемные экраны быстро эвакуируются из вакууммной камеры в могильник, что снижает радиационный фон в камере ускорителя. При запуске циклотрона в камеру помещают новый чистый комплект таких экранов-перехватчиков.

Однако резонансная в.ч. система циклотрона остается не защищенной от вторичного Н° излучения. Шток и стенки резонаторного бака находящиеся в медианной плоскости циклотрона, при облучении их Н° частицами активируются и при работах с резонансной системой внутри вакуумной камеры становятся источниками радиационных облучений для обслуживающего персонала, причем, как было отмечено выше, величина мощности дозы от элементов резонансной системы одного порядка с мощностью дозы от стенок вакуумной камеры. Все это и создает известные трудности при эксплуатации циклотрона.

Кроме того, дополнительные трудности при эксплуатации обусловлены самой конструкцией резонансной системы-прототипа.

Действительно, доступ внутрь вакуумной камеры при эксплуатационно-монтажных работах для большинства циклотронов осуществляется путем поднятия верхнего полюса электромагнита вместе с прикрепленной к нему крышкой вакуумной камеры. Крышка крепится к вакуумной камере при помощи наружного болтового соединения, которое перед поднятием полюса разъединяют. Однако т.к. части резонансной системы, а именно земляная плакировка дуанта и стенки резонаторного бака, крепятся непосредственно к полюсу магнита и крышке вакуумной камеры, а доступ к резонансной системе отсутствует, то для поднятия полюса магнита с крышкой вакуумной камеры вверх необходимо, чтобы резонаторный бак системы имел разъемное сочленение, например, типа вилка-гнездо с силовым прижимным контактом. Это разъемное

Формула изобретения Резонансная система циклотрона, содержащая дуант, горизонтально расположенный шток для крепления дуанта, резонаторный бак, на фланце которого закреплен шток; плакировку дуанта, гальванически соединенную с шиной Земля, знтидуантную рамку и элемент связи с источником высокочастотной мощности, о г- л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью упрощения условий эксплуатации за счет уменьшения

радиационного излучения из-за бомбардировки вторичными частицами элементов конструкции, все узлы резонансной системы, за исключением элемента связи с источником высокочастотной мощности, выполнены из двух идентичных раздельных частей, расположенных зеркально симметрично относительно медианной плоскости циклотрона, а элемент связи с источником высокочастотной мощности подключен к одной из половин резонаторного бака.

Использование: относится к ускорительной технике. Сущность изобретения заключается в том, что такие элементы резонансной системы циклотрона, как дуант 1, шток 2 для его крепления, резонаторный бак 3, плакировка дуанта 4, антидуантная рамка 5, выполнены в виде двух идентичных частей, зеркально симметрично расположенных относительно медианной плоскости циклотрона, а элемент связи 10 резонансной системы с источником высокочастотной мощности подключен к одной из половин резонатор- ного бака 3. Такое конструктивное выполне- ние уменьшает количество вторичных частиц, попадающих на элементы конструк- : ции циклотрона, а следовательно, уменьша- s ется их активация и величина радиационного излучения, что упрощает его С/) эксплуатацию. 3 ил. g Ј .IV.

Редактор С.Кулакова

Составитель С.Дмитриев Техред М.Моргентал

Заказ 511Тираж Подписное

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

Фиг.г

Фиг.З

Корректор В.Петраш

много меньше критической, и поэтому система, состоящая из таких связанных полусистем, имеет резонансную частоту #о (на 1 /4-волновом моде), которая мало отличается от значения парциальных частот полусистем, т.е. (DO (I)Q (j)0. По этой же причине резонансная характеристика системы имеет одногорбовый характер с единственным максимумом, как это имеет место для одиночного контура.

Возбуждение предлагаемой резонансной системы производится через элемент связи генератора с одним из резонаторных баков. На фиг, 1 элемент связи 10 соединяет выход генератора ГВЧ с нижним резонатор- ным баком индуктивной петлей, обеспечивая согласование ГВЧ с резонансной системой. За счет взаимосвязи контуров возбуждение обеих половин системы про- ,исходит синфазно. Возникающее между кромками верхней и нижней половинок ду- анта 1,1 и соответствующими им антидуан- тными рамками 5,5 электрическое в.ч. поле производит резонансное ускорение заряженных частиц.

Реализация предлагаемой резонансной системы не приводит к изменению основных геометрических размеров по сравнению с системой-прототипом, рассчитанной на одну и ту же резонансную частоту ы0 . По существу, предлагаемая резонансная система получается из системы-прототипа путем разрезания последней по всей медианной плоскости. Однако наличие такого разреза не приводит к существенному изменению радиотехнических параметров системы. Действительно, как известно, в.ч. токи протекают по поверхностям резонансной системы, обращенным внутрь резонансного объема. Линия пересечения этой поверхности с медианной плоскостью (линия раздела) делит поверхность на верхнюю и нижнюю половины. В силу симметрии верхней и нижней половин, составляющие токов, протекающих через линию раздела, отсутствуют. Поэтому разрез системы, совпадающий с линией раздела, практически не влияет на распределение токов, протекающих по поверхностям других элементов разделенной таким образом резонансной системы и, следовательно, не изменяет радиотехнические параметры системы, т.е. не изменяет значение ее резонансной частоты и добротности. Таким образом,реализация предлагаемой резонансной системы не требует изменения основных геометрических размеров по сравнению с прототипом.

Итак, основными преимуществами предлагаемого изобретения являются защищенность от вторичного пучка нейтра:

-

°

ных частиц Н , т.к. система становится как бы прозрачной для этих частиц: удобство эксплуатации, т.к. система не активируется, что снижает опасность облучения при рабо5 те.

Дополнительное преимущество также связано с повышением удобства эксплуатации. Действительно, как отмечалось выше, недостатком системы-прототипа является

10 наличие разъемного сочленения на резона- торном баке, необходимого для доступа внутрь вакуумной камеры при демонтажных работах при поднятии полюса магнита с крышкой вакуумной камеры вверх.

15 Предлагаемая система выгодно отличается от прототипа, т.к. выполненная из двух половин, в принципе, не требует такого сочленения. В процессе демонтажных работ, при подъеме верхнего полюса магнита, вер20 хняя половинка резонансной системы вместе с крышкой камеры автоматически перемещается вверх, открывая доступ ко всем устройствам внутри вакуумной камеры и к самой резонансной системе, что приво25 дит к повышению удобства эксплуатации.

В лаборатории физики и техники ускорителей ЛИЯ Ф им. Б.П. Константинова АН СССР был построен макет резонансной системы по предполагаемому изобретению

30 для проектируемого двухметрового цикло- трона,ускоряющего отрицательные Н ионы до энергии 80 Мэв. Резонансная частота - 41,2 мГц. На макете была подтверждена работоспособность предложенной системы и

35 практическое совпадение ее основных радиочастотных параметров(резонансной частоты, добротности, распределения в.ч. поля и т.п.) с аналогичной ей системой по схеме прототипа. Величина вертикального 40 зазора между половинками резонансной системы для пропуска Н° частиц зависит от максимальной энергии циклотрона и для большинства работающих ускорителей составляет 5-30 мм, т.к. излучение локализо45 вано в медианной плоскости, а угол рассеяния незначителен. Для проектируемого в ЛИЯФ циклотрона величина зазора была выбрана 25 мм и промоделирована на макете резонансной системы. 50 Расчеты по радиационной опасности при эксплуатационных работах в камере проектируемого циклотрона на 80 МэВ показывают, что при токе выведенного пучка 100 мкА и потере частиц при ускорении 30%

55 мощность дозы внутри вакуумной камеры составляет несколько крад в час (сразу после выключения пучка),

Реализация предложенного изобретения приводит к снижению мощности дозы как минимум в 100 раз.