Линейный ускоритель ионов
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<SB POS="POST">захв</SB>ъ90%, а также снимает ограничения на длину ускоряющей системы, обусловленные распределением ускоряющих полей, что обеспечивает повышение темпа ускорения. 3 ил.
СОЮЗ СОНЕ1СКИХ
СОЦИАЛИСТИЦЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕ >1НЫИ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4720655/21 (22) 20.07.89 (46) 07.08.91. Бюл. ¹ 29 (71) Московский инженерно-физический институт (72) Э. С. Масунов, В. Н. Леснов, А. П. Новиков и Н. В. Аврелин (53) 621.384,6(088.8) (56) Гасс В. Ф„Кривоносов А.И., Леонов В.Н. Создание статических полей в зазорах резонансной системы для ускорения ионов. / Линейные ускорители. — М,: Энергоатомиздат, 1987, с. 22, Авторское свидетельство СССР № 1568875, кл. Н 05 Н 9/00, 1988, (54) ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ИОНОВ (57) Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к линейны л ускорителям ионов, и может быть использовано в качестве линейного ускорителя-группирователя. Цель изобретения — повышение эфИзобретение относится к ускорительной технике, а точнее к линейныл1 ускорителям ионов, может быть использовано в качестве линейного ускорителя-группирователя 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. „„5Ц, „1669089 А1 фективности ускорителя путем повышения темпа ускорения и коэффициента захвата. Ускоригель содержит источник ионов, вакуумный кожух, во внутренней полости которого ра3 1ещена высокочdñтогная ускоряющая fèñòåë à, BKëþ÷ýþùàÿ высокочас1отный кожух 4. Внутри кожуха 4 размещены полуволновые вибраторы 5, середины которых закреплены на кожухе 4. Высокопотенциальные концы вибраторов подключены к продольным стержнял1 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 л п- 90%, а так>хе спи.лает ограничения на длину ускоряющей системы, обусловленные распределением ускоряющих полей, что обеспечивает повышение темпа ускорения. 3 ил. 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 BblcoKo÷çстотном кожухе 4 с помощью диэлектрических и л еталлических подставок 6 и 7 соответственно. Высокопотенциальные концы вибраторов подключены к продольным стержням 8, к которыл1 крепятся поперечные электроды 9. 1669089 Устройство также содержит источники питания B×-ускоряющей сисгемы и истач ника ионов, а также источник постоянного напряжения, разноименные полюсы которого подключены к парны л продольным стержням, В общем случ,;ло рядов оиб. раторов может быть любым и располагат ься они могут в плоскости сечен 1я резонатора произвольны л образом. Устройство работает следующи л образом, Источник 1 ионов генерирует ленточный пучок заряженных частиц, который поступает в ВЧ-ускоря1ощу1о систему 3. В силу того, что в системе 3 раэоива атся сь1сакиo Ilаllряжения, а также осущг.ствля«гся ускорение ионов, о вакуумнс>м корпусе 2 предварительно обеспечив31от вакуугл .Io хуже 10 Па. К ускоряющей система приклэдыв31ат постоянное и Б I-напря>кение для получения требуемых амплитуд полсй I! простра>1стве взаимодействия. Причем на продольных стержнях, принадлежащих своему ряду вибраторов, наводятся ВЧ-потенциалы пративополо>кного ;;l 3I;3, а па отношению к другому ряду вибра г 1рао — произвольно в соответствии с Bblбра,1ным рабочим видо л колебаний. Например, о конструкции, приведенной на фиг. 1,2. низшим видом колебаний является прогивофаэный, когда противоположно расположенные продольные стержни, при 1адлежащие разным рядам вибратарав, Do3бу>кде11ы противофазно. Однако рабочим следует считать синфазный вид колебании, при котором в реэон31оре присутствует наименьшая паразитная емкость, образованная между пратиоапаложIIbI.1è продольными стер>vIIqìè. Иllûoêòèpóoìblé пучок поддействием статических и ВЧ-палей II3 начальном участке руппируется и сгустки протя>кенносгью 00-70 град, а за1ем ускоряется до заданной энергии. Конструктивное исполнение устройства позволяет реализовать оптимальные, с тачки зрения динамики частиц, законы распределения полей и снять ограничения на длину ускорителя. Наг1ряженности высокочастотного и электростатического полей s рассматриваемой системе имеют следующии вид с Е fI ruil ° 1СоЬ4 и !— ь ь1 (21 > lt ) 5Itl 4u p,, д . (uIZ > о t =Е р(г);> g с1 2I2m 4" с СС 5 а (2m-I) F. = E. (z) + Я,„, bh x ° ) Ып 2(2гл -i)7 J о 5 где FI>, Ео — амплитуды электрического ВЧполя и статического поля (В/1Л); z — продольная координата, м; у — поперечная координата, м; L(z) — период расстановки поперечных 10 электродов, м, л.— длина вал11ы ВЧ-поля, м; (i)- угловая частота ВЧ-поля, 1/с; I y,qy, — отllîcèòåëьнblå величины амплитуд К-й гар лоники ВЧ- и статического полей. 15 Прирост энергии синхронной частицы на единицу длины равен Aw — =е TEI f I/> cost, лz 20 (2) 40 г1 Д 2 >т Ь ((г ) > г ) 7Р2 (z) 45 2 е Ео Е1>1 2 2 где h (2 гг ITIC )2 Выбирая функции f(z) и I/>(z) нарастающи л11, можно обеспечить почти стопроцентный захват пучка и его хорошую группировку. От функций f(z) и I/>(z) зависит также и поперечная устойчивость пучка, Условие поперечной устойчивости имеет вид 55> 2 ch — -л- — > а ch - — sin t/!, (4) 4 угу 2лу EI> f(z1 ле Ео I/>(Z ) гДЕ 1/. =И(— -- t ) +1/> — фаэа В ПОЛЕ » Ь комбинацианнойл волны; O I-n T- — - - -- — — коэффи циент эффективноЗ 8лч ; ст!1 ig с карения; I,J-, — кинетическая энергия синхронной частоты с < >аэай 1/ . С помощью специального выбора функций f(z) и Qz), отвечающих 33 продольные распределение полей, можно обеспечить как эффективное ускорение согласно (2), так и группировку и фокусировку пучка. Вблизи равновесной траектории уравне35 ние продольного движения при iэ, ((1, 92„— 1 ((1 (n)1) (m)1) C3Tb так 1669089 Соответствующим выбором f и 2/> можно дОбИтЬСя уСтраНЕНИя ВЛИя12Ия ПараМЕтрИчЕских резонансов связи поперечного и продольного движения на фокусировку частиц. Так, продольно-поперечный резонанс в 5 первой и второй областях устойчивости отсутствует при 0 z (z,,7т; (4 — 9 /2 ) з1п 1/Ъ 25 (5) (6) 2 71 k= — —. <а< sin 1/Ъ (s + д ) sin 1/q а поперечно-продольный — при 1 1 -но 2 ат+ l ka 1 $2 1 1, 1 2 — (а(kin ф>k (t1o ka 1 +1 ) sin 1/>, Здесь g=- 2 Фстд 1/ ; Ф- мгновенное значение амплитуды фа зовых колебаний; а — радиус апертуры канала; Таким образом, при фиксированных значениях амплитуд полей Ео и Е2, ограниченных требованиями электрической прочности, от выбора функций f 21 2/1зависят 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 ин>кекции равна 50 кэВ при длине волны ВЧ-поля кВ 2=2 м, амплитудных полей Е2>=200 и см Ep= 100 кВ и одинаковых законах см f(z)- i/>(z). При этом a=2 и выполняются условия как поперечной устойчивости (4), так и отсутстьия параметрических резонансов (5) и (6) для частиц в пределах сгустка, Положим функции f(z) и i/>(z) равными ЗО 2 т 7 sill (1 g . ), 0 2 (lpga 2 1 7..> 7<. 2, где z,> длина участка группировки и 1/>- фаза частицы. При zp=- 0,5 м. 1 1, /1= 0,5, ."г 1/„= — получим при z=zp коэффициент за хвата V,-„,,„„- 90%. среднюю энергию пучка w->00 кэБ, фазовый размер сгустка Лт/7=70 . Нэ д;2111е ускорителя z=1,5 м достигается энергия 1 МВ, Те1.1п ускорения можно повысить, если сделать зависимости f(7) и f/>(z) 2 боле- круть ми Так при 1=18 /(= 3 1 1/„= — — пРи z= zp можно Достичь энеРгии w=500 кэВ при Кзлх(75, а на длине z=1,1 м полу1112 w=1 МэВ. Таким образом, варьируя фупхцИ2 f И <г(а таКжЕ И f/>), МОЖНО МЕНятЬ эффективность ускорения и коэффициент захвата. В предло>кенном линейном ускорителе ионon можно в принципе реализовать любые законы f(z) и igz). В частности, на участке ускорения сгруппированного пучка можно обеспечить f(z)=- if(z)=1, что невозможно сделать в прототипе. Функция f/>(z) может варьироваться изменением расстояния между поперечными электродами в продольном 12аправлении. При этом распределение ВЧполл (функция f(z)) можно менять независимым образом, задавая 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 ка>кдого ряда. По сути вибраторы представляют собой индуктивность, а поперечные электроды образуют емкость резонатора, Зная закон расстановки поперечных электродов (функция у2(г)), можно оценить значения емкостей и в соответствии с заданным законом распределения поперечного ВЧполя вдоль оси резонатора выбрать период расстановки вибратора. Величина резонансной частоты определяется длиной вибраторов и настраивается на конечном этапе. Величины высших гармоник ВЧ-поля ч (п 1) и электростатического поля gzm-1(п»1), зависящие от формы и размеров поперечных электродов и приводящие в общем случае к ухудшению поперечной устой1669089 чивости 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-поля 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 ускбряющей 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 возмо>кность настройки распределения ВЧ-поля в системе. Получено согласие с данными расчетов. Радиотехнические пара5 метры по результатам измерений таковы: Рц,/0 40 кОм / м, 0=-4000. Формула изобретения Линейный ускоритель ионов, содержа10 щий источник ионов, вакуумный корпус, во внутренней полости которого размещена высокочастотная ускоряющая система, выполненная в виде высокочастотного кожуха с расположенными внутри поперечными 15 электродами, смещенными относительно оси исто ника ионов и закрепленными на парных продольных стержнях, источники питания высокочастотной ускоряющей системы и источника ионов, ис1очник постоян20 ного напряжения, разноил1енные полюса которого подключены к парным продольным стержням высокочастотной ускоряющей системы, отл ич а ю щи йс ятем,что, с целью повышения эффективности ускори25 тела путем повышения темпа ускорения и коэффициента захвата, в высокочастотную ускоряющую систему введены расположенные последовательно в поперечных относительно оси источника ионов плоскостях 30 полуволновые вибраторы, середины которых закреплены на высокочастотном кожухе, а высокопотенциальные концы вибраторов подключены к продольным стер>кням высокочастотной ускоряющей сиI 1Г>69089 А-A Фиг. 2 4 4 /Г 3 Составитель Ю.Самошенков Редактор С.Патрушева Техред М.Моргентал Корректор Н.Кроль Заказ 2660 Тираж 457 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
