Ускоряющая система линейного ускорителя Советский патент 1985 года по МПК H05H9/04 

Изобретение относится к области ускорительной техники, в частности к линейным ускорителям ионов.

Известны ускоряющие системы с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой, в которых электроды, ускоряющие и фокусируклцие пучок ионов, запитываются с помощью объемных резонаторов. В качестве объемных резонаторов, используемых для питания электродов с квадрупольной симметрией поля, были предложены четьфехкамерные резонаторы { . Таки системы обладают достаточно малыми размерами и малым весом при частотах ускорякяцего поля не ниже 50 МГц, В этом диапазоне частот можно ускорять ионы с начальными скоростями не ниже /3 0,005. Однако тяжелые ионы (например, ионы урана) с энергией инжек ции 100-200 кэВ, обеспечивающей достаточно высокую интенсивность пучка, обладают скоростями до 3 0,001. Ускорение таких ионов в системе с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой возможно, если частота ускоряющего поля не вьше 6-12 МГц. Обхемные резонаторы, обеспечиваю11 ие квадрупольную симметрию , поля между электродами, в этом диапазоне частот оказьшаются весьма громоздкими и дорогими.

Наиболее близким техническим решением является ускорякяцая система типа многоприводной линии спространственно-однородной квадрупольной фокусировкой, содержащая продольные электроды - вибраторы с периодически меняющимся по длине поперечньм сечением, причем диаметрально расположенные электроды соединены попе- речными перемычками 2J . Недостатком этой системы является то, что при работе на низких частотах порядка 6-12 МГц и ниже размеры системы оказываются очень большими; напряжение между электродами .распределяется вдоль оси ускорителя неравномерно, что снюкает средний темп ускорения и эффективность фокусировки.

Целью изобретения является уменьшение размеров и веса ускоряющей системы и повышение степени равномерности распределения напряжения по длине структуры..

Цель достигается тем, что в ускоряющей системе линейного ускорителя тяжелых ионов с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой, содержащей высокочастотный резонатор с ускоряющей структурой, вьтолненной в виде ускоряюще-фокусирующих электродов с периодически изменяющимися поперечными размерами и диагональными электродами, соединенными поперечными перемычками, высокочастотньй резонатор выполнен в виде последовательно соединенных продольных отрезков резон рующей длинной линии, имеющих протяженность меньше четверти длины волны, точки соединения которых заземлены через поперечные шлейфы.

Продольные участки резонирующих длинных линий выполнены в виде двухпроводной линии, каждьй проводник которой подключен к соответствукщим перемычкам, соединяющим диагонально расположенные электроды.

Ускоряюще-фокусируюрще электроды выполнены в виде продольных участков резонирующих линий.

Шлейфы выполнены в виде сосредоточенных индуктивностей с эквивалентным импедансом.

На фиг. 1 приведена предлагаемая ускоряющая система, в которой ускоряюще-фокусирующие электроды запитываются от двухпроводной опорной линии; на фиг. 2 - двухпучковый вариант системы; на фиг, 3 - коаксиальная конструкция ускоря ощей структуры; на фиг. 4 - конструкция, в которой продольные участки длинной линии одновременно являются ускоряющефокусирунлцими электродами, создающи - и ускоряющее и фокусирукяцее поле квадрупольной конфигурации.

Ускоряняцая система, приведенная на фиг. 1, содержит опорную двухпроводную линию 1, шлейфы 2, ускорякщефокусирующие электроды 3, укрепляемые на штангах 4.

Для создания высокочастотного поля с приблизительно постоянной амплитудой напряжения между электродами двухпроводная линия 1 разбивается на продольные участки таким образом, чтобы на каждом участке были использованы только части полуволн ускоряющего напряжения. Для этого длина продольного участка должна быть 7i /4. Настройка каждого участка двухпроводной линии в резонанс производится с помощью шлейфов 2. Подбором параметров шлейфон продольное распределение амплитуд высокочастотного поля может быт выбрано близким к постоянному. Медные электроды 3, создакщие.квадрупольное поле, модулированы по поперечным размерам с периодом /J . Эт электроды попарно соединены кольцевыми перемычками и укреплены на двух проводной линии с помощью штанг 4. Работа системы осуществляется следующим образом. При возбуждении опорной двухпроводной линии 1 на ней создаетс благодаря настроенным шлейфам 2 высокочастотное напряжение, почти не . зависящее от продольной координаты, сколько бы волн не уло жилось на всей длине опорной линии. С помощью штанг 4 это напряжение подается на четьфехпроводную систему электродов, создающих в пространстве взаимодействия с пучко квадрупольное поле. Модуляция, электродов по поперечным размерам обеспе чивает образование, помимо поперечного фокусирующего поля, также и про дольного поля, используемого для ускорения и автофазировки ионов. Ускоряющая система совместно с питакяцей линией должна быть помещена в вакуум ный кожух. В ряде случаев, например для увеличения вдвое тока пучка, можно параллельно ускорить второй пучок с помощью второй, соединенной с той же питающей линией, ускорякядей системы (см. фиг. 2). Если ионный источник дает пучок с малым током,или если условия по плотности пространственного заряда не позволяют ускорить весь необходимый пучок одновременно, то в одном вакуумном кожухе можно помес тить четыре или более систем квадру польных электродов, запитав их от единой опорной линии. Кроме двухпроводной линии типа Лахера, в качестве резонансных злементов может быть использована коаксиальная линия (см. фиг. 3), содержащая внешний проводник 5 коаксиальной питакицей линии, внутренний проводник 6 коаксиала, система 3 ускоряюще-фокусирукнцих электродов, шлейфы 2. Конструкции, в которых резонансные элементы и ускоряющая структура разделены, могут быть выгодны тем, что позволяют раздельно оптимизировать параметры системы высокочастотного питания и параметры системы ускоряющих - фокусируюпрте электродов. В этих конструкциях упрощается также обеспечивание механической поперечной жесткости ускоряющей структуры, электроды которой имеют сложный профиль и прецизионные допуски, передав функцию обеспечения жесткости питающей и одновременно механической опорной линии. Однако использование опорной питающей линии не всегда оправдано. Более простой является конструкция, где в качестве участков длинной линии с приблизительно равномерным распределением амплитуд высокочастотного напряжения используются сами модулированные электроды, создающие квадрупольное поле. В этом случае попарно соединенные электроды непосредственно нагружаются шлейфами для настройки линии на заданную частоту (см. фиг. 4). Работа системы, представленной на фиг. 4, аналогична описанной Bbmie работе системы с опорной линией. Шлейфы, обеспечивающие резонансную настройку отрезков длинной линии, имеют положительный входной импеанс. При низких частотах ускоряющего поля, когда длина линейных шпейов может оказаться слишком большой, последние могут быть заменены сосредоточенными индуктивностями с эквивалентными линейными шлейфами импеданс ами.

1. УСКОРЯЮЩАЯ СИСТЕМА ЛИНЕЙНОГО УСКОРИТЕЛЯ тяжелых ионов с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой, содержащая высокочастотный резонатор с ускоряинцей структурой, выполненной в виде ускорягацефокусирующих электродов с периодически изменяющимися поперечными размерами, причем диагональные электроды соединены поперечными перемычками, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения размеров и веса системы и повьппения степени равномерности распределения наг.ряжения по длине структуры, высокочастотный резонатор вьтолнен в виде последовательно соединенных продольных отрезков резонирующей длинной линии, имеющих протяженность меньше четверти длины волны, точки соединения которых заземлены через поперечные шлейфы. 2.Система поп.1, отличающаяся тем, что продольные отрезки резонирующих длинных линий вьтолш нены в виде двухпроводной линии, каждый проводник которой подключен к соответствующим перемычкам, соединяющим диагонально расположенные электроды. 3.Система поп.1, отличающаяся тем, что ускоряюще-фокусирующие электроды выполнены в виде продольных участков резонируюпцлс 00 линий. со 4.Система поп.1, отличаюО СР щаяся тем, что шлейфы выполнены в виде сосредоточенных индуктивностей с эквивалентным импедансом. ел s|