Сильноточный линейный ускоритель ионов

 

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к устройствам, в которых происходит ускорение заряженных частиц за счет их эффективного взаимодействия с высокочастотным электрическим полем, и может применяться при создании барнер-реактора для трансмутации долгоживущих радионуклидов, содержащихся в радиоактивных отходах атомных электростанций и атомных подводных лодок, а также в микроэлектронике при формировании комбинированных слоев ионов. Технический результат - увеличение межэлектродной емкости и суммарной индуктивности колебательного контура, что приводит к значительному уменьшению резонансной частоты колебательного контура или к увеличению длины волны, а следовательно, к возрастанию области захвата частиц и повышению предельного тока ускоренных ионов в каждом отдельном канале. Ускоритель содержит цилиндрический экран с торцевыми фланцами. Внутри экрана перпендикулярно оси установлены токопроводящие кольца, на которых равномерно по окружности размещены трубки дрейфа со встроенными фокусирующими квадруполями на постоянных магнитах. Каждое кольцо закреплено между собой посредством двух диаметрально расположенных опор так, что опоры соседних колец взаимно перпендикулярны. На каждом торцевом фланце резонатора выполнен кольцевой выступ с полутрубками, на внешней цилиндрической поверхности которого установлены с возможностью азимутального перемещения четыре взаимно перпендикулярных штыря, которые не имеют электрического контакта с внутренней поверхностью экрана, а также между собой, а на каждом из колец с трубками дрейфа установлены подвижные контактные устройства, соединяющие внешнюю поверхность кольца и внутреннюю поверхность экрана, а также внутреннюю поверхность одного кольца с внешней поверхностью другого концентрически расположенного кольца. По оси резонатора размещен узел генерации ВЧ-колебаний, включающий высоковольтный источник электронов, систему формирования и канал для электронного пучка. Канал содержит отверстия в торцевых фланцах, выполненные на оси резонатора, трубку дрейфа электронов с фокусирующими магнитами и зазоры в начале и конце резонатора. Каждый из концов трубки дрейфа закреплен на внутренней поверхности кольцевого выступа посредством двух или более держателей. 2 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к устройствам, в которых происходит ускорение заряженных частиц за счет их эффективного взаимодействия с высокочастотным электрическим полем и может применяться при создании барнер-реактора для трансмутации долгоживущих радионуклидов, содержащихся в радиоактивных отходах атомных электростанций и атомных подводных лодок, а также в микроэлектронике при формировании комбинированных слоев ионов.

Известен многопучковый линейный резонансный ускоритель ионов аргона [1], основу которого составляет многоканальный ускоряющий резонатор. В нем традиционные трубки дрейфа при одноканальном варианте представляют собой пластины с несколькими отверстиями, которые совместно с соосными отверстиями соседних пластин образуют набор ускоряющих каналов. Наличие нескольких ускорительных каналов дает возможность повысить суммарный ускоренный ток.

Однако за счет возрастания дополнительной межэлектронной емкости многократно увеличивается требуемая мощность ВЧ-питания, которая и ограничивает достигаемый ускоренный ток пучка. В нем отсутствует возможность вносить самостоятельную юстировку каждого из ускорительных каналов, если будут иметь место погрешности изготовления пластин электродов. К тому же возникают трудности с размещением в каналах фокусирующих линз, а рекомендуемая для таких систем фазопеременная фокусировка неэффективна для больших токов, чувствительна к неравномерности распределения ВЧ-потенциала вдоль поверхности пластин и не позволяет ускорять сильноточные ионные пучки без потерь, что является необходимым условием для обеспечения радиационной чистоты ускорителя.

Наиболее близким к предлагаемому является сильноточный линейный ускоритель ионов [2], основу которого составляет многоканальный ускоряющий резонатор, совмещенный с мощным ВЧ-генератором. Резонатор содержит цилиндрический экран с торцевыми фланцами. Внутри экрана перпендикулярно оси установлены токопроводящие кольца, на которых равномерно по окружности размещены трубки дрейфа со встроенными фокусирующими квадруполями на постоянных магнитах. Каждое кольцо закреплено на внутренней поверхности экрана посредством двух диаметрально расположенных опор. Для совмещения мощного ВЧ-генератора с многоканальным ускоряющим резонатором каждый из ускоряющих каналов снабжен высоковольтным источником электронов и системой электродов, формирующей электронный пучок, соосный ионному.

Однако суммарный ускоренный ток такого ускорителя ограничен рядом факторов, таких как небольшая область захвата частиц, а следовательно, ограничение на значение предельного тока ускоренных ионов в каждом отдельном канале, слабая интенсивность пучка, а также высокое значение энергии инжекции частиц. К тому же линейный ускоритель [2] не позволяет ускорять сильноточные ионные пучки без потерь, что является необходимым условием для обеспечения радиационной чистоты ускорителя, а также незначительно решает проблему использования мощного ионного пучка и его ослабления.

Технический результат заключается в том, что в известном сильноточном линейном ускорителе ионов, содержащем генератор ВЧ-колебаний, многопучковый ионный источник, многопучковый ускоряющий резонатор, выполненный в виде цилиндрического экрана с торцевыми стенками и расположенных в нем трубках дрейфа с держателями, закрепленными на внутренней поверхности экрана, держатели выполнены в виде токопроводящих колец, установленных в экране перпендикулярно его оси, при этом равномерно по окружности на токопроводящих кольцах размещены трубки дрейфа, снабженные магнитотвердыми квадруполями, крепление токопроводящих колец осуществлено посредством двух диаметрально расположенных основных опор таким образом, что в соседних кольцах они расположены в ортогональных плоскостях, дополнительно введены токопроводящие кольца, установленные концентрически внутри экрана перпендикулярно его оси симметрии. Данный эффект достигается путем добавления токопроводящих колец, концентрически расположенных внутри экрана перпендикулярно его оси симметрии, которые приводят к увеличению межэлектродной емкости и суммарной индуктивности колебательного контура, что в свою очередь приводит к значительному уменьшению резонансной частоты колебательного контура или к увеличению длины волны, а следовательно, к возрастанию области захвата частиц и повышению предельного тока ускоренных ионов в каждом отдельном канале. Число параллельных ускорительных каналов n по азимуту с фиксированным радиусом, кроме конструктивных соображений, будет определяться предельным током ускоренных частиц в одном канале I _пред.. Если требуемый ток равен I, то число каналов n=I/I_пред.. Тогда полный ток в сильноточном линейном ускорителе ионов будет определяться, как I_пол=m•n•α•I_пред; где m - число фиксированных радиусов, α - коэффициент повышения тока ускоренных ионов в каждом канале. Например, на кольце диаметром 50 см можно разместить 30 трубок дрейфа диаметром по 5 см каждая. Если принять ускоренный ток в каждом канале равным 10 мА, то общий ток, для одного ряда токопроводящих колец ускорителя, составит 0,3 А. Теперь если добавить по радиусу ряды токопроводящих колец, то тогда полный ток будет возрастать в зависимости от числа фиксированных радиусов, а также за счет увеличения длины волны λ. Так, например, если учесть только добавление второго ряда токопроводящих колец, то это приведет к увеличению полного тока до значения, равного α0,6 A. Это значение не является пределом для предлагаемой ускорявшей системы и может быть повышено как за счет увеличения количества каналов, при помощи добавления токопроводящих колец по радиусу, так и за счет ускорения больших токов I_пред в каждом канале.

На фиг. 1 представлен предлагаемый сильноточный линейный ускоритель ионов, состоящий из ускоряющего резонатора совместно с генератором ВЧ-колебаний, многопучковым ионным источником; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Резонатор содержит цилиндрический экран 1 с торцевыми фланцами 2. Внутри экрана перпендикулярно оси установлены токопроводящие кольца 3, на которых равномерно по окружности размещены трубки дрейфа 4 со встроенными фокусирующими квадруполями на постоянных магнитах. Каждое кольцо закреплено между собой посредством двух диаметрально расположенных опор 5 таким образом, что опоры соседних колец взаимно перпендикулярны. На каждом торцевом фланце резонатора выполнен кольцевой выступ 6 с полутрубками 7, на внешней цилиндрической поверхности которого установлены с возможностью азимутального перемещения четыре взаимно перпендикулярных штыря 8, которые не имеют электрического контакта с внутренней поверхностью экрана, а также между собой, а на каждом из колец с трубками дрейфа установлены подвижные контактные устройства 9 (фиг.2), соединяющие внешнюю поверхность кольца и внутреннюю поверхность экрана, а также внутреннюю поверхность одного кольца с внешней поверхностью другого концентрически расположенного кольца. По оси резонатора размещен узел генерации ВЧ-колебаний, включающий высоковольтный источник электронов, систему формирования и канал для электронного пучка (фиг.1). Канал содержит отверстия 10 в торцевых фланцах, выполненные на оси резонатора, трубку дрейфа электронов 11 с фокусирующими магнитами и зазоры 12, 13 в начале и конце резонатора. Каждый из концов трубки дрейфа закреплен на внутренней поверхности кольцевого выступа 6 посредством двух или более держателей 14.

Сильноточный линейный ускоритель ионов работает следующим образом. На рабочем виде колебаний резонансные элементы - кольца 3 с опорами 5 возбуждаются в противофазе, причем ВЧ-потенциал на каждом кольце имеет минимум в точке крепления опоры, а максимум - в средней точке кольца между опорами. Поскольку опоры соседних колец взаимно перпендикулярны, точка с максимумом ВЧ-потенциала каждого кольца расположена напротив точки с минимумом потенциала соседних колец, в результате чего разность потенциалов между трубками дрейфа, расположенными вдоль окружности, остается постоянной. При этом в отличие от известных структур для формирования области ускоряющих полей используется большая часть резонансного элемента (вся окружность кольца), что позволяет минимизировать паразитные емкости, снизить бесполезные ВЧ-потери в электродах и повысить эффективность многопучковой ускоряющей системы. Структура магнитного поля на рабочем виде колебаний имеет квадрупольную симметрию. Силовые линии направлены вдоль оси резонатора, имеют противоположное направление в соседних 90-градусных секторах, образованных экраном 1, кольцом 3 и опорами 5, и замыкаются внутри кольца. Это обеспечивает сильную связь резонансных элементов и высокую добротность резонатора в целом. Штыри 8 используются для выравнивания поля в первых и последних зазорах резонатора. Регулируя их длину и ориентацию относительно опор, можно полностью компенсировать спад поля на краях, что проверено экспериментально на макете. Для компенсации спада поля в резонаторе с увеличивающимися по длине зазорами используются подвижные контактные устройства 9, позволяющие регулировать собственные частоты отдельных ячеек резонатора. Работоспособность их также подтверждена экспериментально. При совмещении мощного ВЧ-генератора с ускоряющей системой для ввода большей ВЧ-мощности в резонатор каждый из ускоряющих каналов снабжен высоковольтным источником электронов и системой электродов, формирующей электронный пучок, соосный ионному. Энергия электронного пучка выбирается так, чтобы одновременно осуществлялась фокусировка как ионного, так и электронного пучка (возможно, в разных областях устойчивости). В силу того, что электроны имеют существенно большую скорость, электронный пучок в среднем не взаимодействует с основной ускоряющей гармоникой. Модуляция амплитуды электрического поля по заданному закону приводит к появлению в ускоряющем канале быстрой пространственной гармоники, фазовая скорость которой близка к скорости электронов. При взаимодействии этой гармоники с электронным пучком происходит преобразование его кинетической энергии в энергию ВЧ-колебаний на основной частоте резонатора (подобно тому, как это происходит в известной лампе бегущей волны). При этом исключаются технические трудности ввода большой ВЧ-мощности в резонатор, отсутствуют потери в подводящих фидерах и сокращаются габариты и стоимость установки в целом. Совмещение в одном фокусирующем с помощью квадруполей на постоянных магнитах канале ионного и электронного пучков накладывает дополнительные требования на режим фокусировки, требует определенного соотношения скоростей ионов и электронов.

Узел генерации совмещенного мощного генератора ВЧ-колебаний с ускоряющим резонатором, включающий высоковольтный источник электронов, систему формирования и канал для электронного пучка, работает следующим образом: при возбуждении в резонаторе рабочего типа колебаний в зазорах между трубкой дрейфа электронов и торцевыми фланцами возникает электрическое поле, взаимодействуя с которым, электронный пучок группируется и отдает свою кинетическую энергию. Количество, ориентация и длина держателей трубки дрейфа выбираются исходя из условий получения амплитуд полей в зазорах, требуемых для эффективного взаимодействия с электронным пучком. Электронный пучок с энергией 0,5 МэВ и выше может возбуждать сразу несколько резонаторов, при этом его параметры никак не связаны с параметрами ионного канала.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет решить проблему создания сильноточного линейного ускорителя ионов с параметрами, удовлетворяющими требованиям электроядерного бридинга или трансмутации долгоживущих радиоактивных отходов и повысить их эффективность, а также позволяет ускорять разные сорты ионов и применять такую технологию в микроэлектронике при формировании комбинированных слоев ионов. Положительный эффект достигается за счет концентрического добавления токопроводящих колец, которое, в свою очередь, ведет к увеличению многопучковости с минимальными затратами ВЧ-мощности, а значит и повышению суммарного тока ионных пучков на коэффициент m и ослаблению использования мощного ионного пучка (мощность пучка для одного ряда токопроводящих колец равна около 450 МВт, а при добавлении токопроводящих колец, концентрически расположенных внутри экрана, мощность пучка уменьшается в К раз, где К=1/(m•n)), а также к увеличению длины волны, из-за уменьшения резонансной частоты каждой отдельной ячейки резонатора, что в свою очередь ведет к повышению предельного тока ионов в каждом отдельном канале на коэффициент α, а следовательно, появляется возможность уменьшить энергию инжекции или скорость частиц при инжекции. Дополнительное добавление концентрически расположенных токопроводящих колец дает возможность ускорять пучок более высокой интенсивности при большей длине волны, которое позволяет избежать, при повышении длины волны, удорожания ускорителя из-за увеличения размеров ускоряющей системы по сравнению с многопучковым вариантом, предложенным в работе [2], а также позволяет ускорять сильноточные ионные пучки с минимальными потерями, что, в свою очередь, обеспечивает необходимое условие радиационной чистоты ускорителя.

Источники литературы 1. Абраменко Н.И., Баев В.К., Белоусов В.В. и др. Многопучковый линейный резонансный ускоритель ионов аргона. Труды Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 1987, т.1, с. 197.

2. Гаврилов Н.М., Минаев С.А., Шальнов А.В. Сильноточный линейный ускоритель ионов. Патент 2059346, Р.Ф., г. Москва, 1996.

Формула изобретения

Сильноточный линейный ускоритель ионов, содержащий генератор ВЧ-колебаний, многопучковый ионный источник, многопучковый ускоряющий резонатор, выполненный в виде цилиндрического экрана с торцевыми стенками и расположенных в нем трубок дрейфа с держателями, закрепленными на внутренней поверхности экрана, держатели выполнены в виде токопроводящих колец, установленных в экране перпендикулярно его оси симметрии, на которых равномерно по окружности размещены трубки дрейфа, снабженные магнитотвердыми квадруполями, крепление токопроводящих колец осуществлено посредством двух диаметрально расположенных основных опор так, что в соседних кольцах они расположены в ортогональных плоскостях, отличающийся тем, что дополнительно введены токопроводящие кольца, установленные концентрически внутри экрана перпендикулярно его оси симметрии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2