Линейный резонансный ускоритель ионов

 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при сооружении линейного ускорителя ионов большой мощности. Техническим результатом изобретения является существенное увеличение надежности ускорителя и снижение наведенной активности. Ускоритель представляет собой последовательность резонаторов, каждый из которых питается от отдельного источника высокочастотной мощности. Параметры резонаторов выбираются таким образом, чтобы величина набора энергии ионами в каждом из них была бы относительно небольшой, что обеспечивает при выходе из строя какого-либо источника высокочастотной мощности возможность устойчивого ускорения ионов в последующих резонаторах. Снижение активации узлов ускорителя до уровня, обеспечивающего его ручное обслуживание, достигается применением в качестве основного конструкционного материала резонаторов вещества с малым уровнем наведенной активности, например графита. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к ускорительной технике, в частности к ускорителям заряженных частиц, и может быть использовано при построении высокоинтенсивного, надежного и радиационно-безопасного линейного ионного ускорителя для использования в ядерной энергетике, в частности для трансмутации ядерных отходов и переработки плутония.

Известны резонансные линейные ускорители, в которых ускорение ионов осуществляется в резонаторах, представляющих собой высокочастотные резонансные структуры, в которых формируются области взаимодействия ионов с высокочастотным электрическим полем - ускоряющие зазоры. Разность потенциалов на электродах, формирующих зазор, и расстояние между зазорами выбираются таким образом, чтобы осуществлялся режим автофазировки, то есть колебания импульса иона и фазы высокочастотного поля, в которую ион проходит зазор, были бы устойчивы. Резонаторы, как правило, запитываются от независимых генераторов, а требуемая разность фаз высокочастотных колебаний в них поддерживается системой автоматического регулирования. Длина отдельного резонатора определяется, в основном, единичной мощностью используемых генераторов. Для ускорения ионов до энергий порядка 100 МэВ/н и выше применяются последовательности резонаторов, которые могут различаться по своим радиотехническим и конструктивным параметрам.

За прототип предлагаемого изобретения может быть принят протонный ускоритель Московской мезонной фабрики (1), с выходной энергией протонов порядка 600 МэВ. Ускоритель представляет собой последовательность из 33 резонаторов.

Основным недостатком прототипа является то, что при выходе из строя одного из ВЧ генераторов пучок не приобретает энергию в соответствующем резонаторе, попадает в следующий за вышедшим из строя резонатор с энергией, существенно меньшей расчетной величины, что при длинных резонаторах не дает возможность продолжить ускорение в остальных резонаторах. При существующей надежности мощных ВЧ генераторов длительность непрерывной работы ЛУ, построенного по схеме Московской мезонной фабрики, будет относительно невысокой. В настоящее время рассматриваются предложения по использованию линейных ионных ускорителей большой мощности в качестве основы ядерных энергетических установок. Использование ускорителей позволяет достичь ряда положительных эффектов, в частности, значительно повысить радиационную безопасность ядерных энергетических установок. Однако применение ускорителей для этих целей требует обеспечить уровень надежности их работы, значительно превосходящий существующий.

Так как резонаторы ускоряющей структуры прототипа рассчитаны на питание от мощных ВЧ генераторов (≥1 МВт), обеспечивающих питание большого числа ускоряющих зазоров каждой секции, то выход из строя одного из ВЧ генераторов приведет к остановке всего энергетического комплекса. Кроме того, пучок при этом теряется на стенках ускоряющей структуры, что при мощности пучка порядка 10 - 100 МВт может приводить в следствие увеличения потерь частиц, к дополнительному радиационному загрязнению и даже к разрушению узлов ускорителя.

Техническим результатом применения предлагаемого изобретения является создание высоконадежного интенсивного линейного ускорителя, работоспособность которого не зависит от надежности высокочастотных генераторов, а остаточная активность узлов будет снижена до уровня, обеспечивающего его ручное обслуживание.

Указанная цель достигается тем, что ускоритель построен как последовательность резонаторов, состоящих из небольшого числа ускоряющих зазоров, каждый из которых питается от отдельного относительно маломощного ВЧ генератора. Напряжение на ускоряющих зазорах выбрано таким, чтобы приращение импульса ионов в любом из резонаторов было относительно небольшим. Это позволяет осуществить такой режим работы ускорителя, который позволяет продолжить ускорение ионов до конечной энергии при выходе из строя любого из резонаторов.

Ситуация выхода из строя одного из резонаторов схематически представлена на чертеже. На чертеже изображены области, занимаемые пучком на фазовой плоскости энергия-фаза для случая нормальной работы (1) и для случая выхода строя какого-либо резонатора (2). Кривая (3) представляет собой границу области устойчивости продольного движения частиц. Видно, что при выходе из строя какого-либо резонатора частицы будут продолжать устойчиво ускоряться, если сдвиг энергии ионов не будет превышать разности между шириной области устойчивости и величиной разброса частиц по энергиям.

Литература 1. Бацких Г. И. и др. Линейный ускоритель мезонной фабрики. - М.: РИАН СССР, 1974, N16, с. 9.

Формула изобретения

1. Линейный резонансный ускоритель ионов, состоящий более чем из одного резонатора, каждый из которых содержит один или более ускоряющих зазоров, и системы высокочастотного питания, которая содержит по крайней мере два генератора, каждый из которых подключен к отдельному резонатору, отличающийся тем, что напряжение на зазорах каждого резонатора выбирается таким, что величина приращения энергии ионов в каждом резонаторе не превышает разности между шириной области устойчивости продольного движения по энергиям и величиной разброса частиц по энергиям для этого резонатора.

2. Линейный резонансный ускоритель ионов по п.1, отличающийся тем, что резонатор в пределах конуса поглощения ионов, выбывших из ускорения, не менее чем на 90% по объему состоит из углерода.

РИСУНКИ

Рисунок 1