Способ ускорения и ускоритель ионов

Заявленное изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для получения высокоэнергетических пучков тяжелых частиц и потоков вторичных ядерных частиц. Заявленное изобретение отличается от известных технических решений тем, что после установления стационарного режима в ускоряющих структурах с переменным продольным размером ячеек инжектируют моноимпульсы ионов. Ускоряющие структуры низкоэнергетической части ускорителя возбуждают от усилителей метрового или длиннодециметрового диапазона длин волн, а высокоэнергетической части ускорителя возбуждают от усилителей короткодециметрового или сантиметрового диапазона длин волн на кратных частотах, при этом ВЧ-усилители фазируют от задающего генератора. Ток регулируют, изменяя число ионов в моносгустке при инжекции. Техническим результатом заявленного изобретения является возможность регулирования числа частиц, ускоряемых в сгустке в виде моноимпульса, и регулирование длительности интервалов между этими моноимпульсами, а также упрощение системы ВЧ-питания ускорителя. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Способ ускорения и ускоритель ионов предназначены для получения высокоэнергетических пучков тяжелых частиц и с их помощью потоков вторичных ядерных частиц.

Известны импульсные линейные ускорители для протонов (LAMPF, U.S.A. и МЕГАН, РФ). Уровень достигнутых параметров ускорителей таков: энергия протонов 600-800 МэВ, импульсное значение тока 20-50 мА, среднее значение тока около одного миллиампера.

Линейные ускорители ионов, т.1, ред. Б.П.Мурин, М. Атомиздат, 1978, с.8.

В известных линейных ускорителях реализован способ ускорения протонов на стоячей волне. Протоны ускоряют в длинноимпульсном режиме - в виде последовательности порядка 20000 сгустков, длительностью около 0.5 нс, сгустки следуют друг за другом с интервалом 5 нс, в течение длительности импульса около 100 мкс. Длина такого линейного ускорителя LAMPF составляет около 800 м.

Известны способы ускорения пучков заряженных частиц: на стоячей волне L.W.Alvarez et al. Rev. Sci. Instrum., 25, 264, 1954, на бегущей прямой волне D.W.Fry, W.Walkinshaw, Linear accelerators, Rept. Progr. Phys., 12, 102, 1949, на бегущей обратной волне А.С.Богомолов, авторское свидетельство СССР №269369, МПК: Н05Н 9/00, 1969.

Известны ускорители на прямой волне D.W.Fry, W.Walkinshaw, Linear accelerators, Rept. Progr. Phys., 12, 102, 1949, на обратной волне А.С.Богомолов, авторское свидетельство СССР №392608, МПК: Н05Н 9/00, 1969, линейные ускорители на стоячей волне с аксиально-симметричной фокусировкой В.В.Кушин, авторское свидетельство СССР №269368, МПК: Н05Н 9/00, 1969.

Способ ускорения на бегущей обратной волне (А.С.Богомолов, авторское свидетельство СССР №269369, МПК: Н05Н 9/00, 1969 г) принят за прототип.

Ускоритель ионов на обратной волне также принят за прототип. А.С.Богомолов, авторское свидетельство СССР №392608, МПК: Н05Н 9/00, 1969 г.

Недостатки аналогов и прототипов - и устройства, и способа - заключаются в том, что они применимы для ускорения пучков заряженных частиц в длинноимпульсном режиме и чувствительны к изменениям ускоряемого тока (к изменению числа частиц в сгустке).

Задача изобретения - формирование автоколлимированного пучка ионов (протонов/дейтронов) с мегаваттным уровнем мощности и регулируемым числом ускоряемых частиц в сгустке, ускоренных до ГэВ-ного уровня энергии в моноимпульсном режиме, и создание компактного на бегущей обратной волне ускорителя с упрощенной схемой ВЧ-обеспечения ускорителя.

При разработке ускорителей стремятся достичь максимальных значений: энергии частиц, импульсного тока, среднего тока и яркости пучка. Однако при достижении какого-либо максимального значения одного из перечисленных параметров понижаются параметры хотя бы одного из перечисленных.

Предлагаемый способ ускорения и ускоритель ионов устраняют недостатки известных технических решений, применяемых при ускорении частиц в длинноимпульсном режиме. Обеспечивают как достижение всех максимальных параметров одновременно, так и возможность независимого ускорения любого, изменяемого в зависимости от задач потребителя, числа ускоряемых частиц при постоянных конечных (и посекционных) параметрах энергии сгустка и ВЧ-питания ускорителя без перенастройки ВЧ-питания.

Техническим результатом данного изобретения является возможность регулирования числа частиц, ускоряемых в сгустке в виде моноимпульса, и регулирование длительности интервалов между этими моноимпульсами, а также упрощение системы ВЧ-питания ускорителя.

Технический результат достигается тем, что в способе импульсного ускорения ионов продольным электрическим компонентом обратной пространственной гармоники электромагнитного поля, заключающимся в возбуждении потока энергии электромагнитного поля в ускоряющих структурах и импульсной инжекции сгустка ионов, после установления стационарного режима в ускоряющих структурах с переменным продольным размером ячеек инжектируют моноимпульс ионов, длительность которого равна обратной величине частоты ВЧ-питания низкоэнергетической части ускорителя, фиксируют прохождение этим сгустком ускоряющих структур и момент восстановления в них стационарного режима. А затем инжектируют следующий одиночный моноимпульс ионов. При этом ускоряющие структуры низкоэнергетической части ускорителя возбуждают от усилителей метрового или длиннодециметрового диапазона длин волн, а высокоэнергетической части ускорителя возбуждают от усилителей коротко-дециметрового или сантиметрового диапазона длин волн на кратных частотах, при этом ВЧ-усилители фазируют от задающего генератора.

Для изменения продольных размеров моноимпульсного сгустка и его фазовой протяженности создают, по крайней мере, 10-кратный перепад амплитуды ускоряющей гармоники в ячейках инжекционной ускоряющей структуры по отношению к величине амплитуды ускоряющей гармоники в ячейках волноводного группирователя ускорителя. Регулируют инжектируемый ток, изменяя число ионов в моносгустке.

В линейном ускорителе ионов, содержащем инжектор импульсных ионных сгустков, ускоряющие структуры с системами фокусировки, системы высокочастотного питания этих структур от клистронных усилителей на кратных частотах, которые охвачены системой внешней фазировки, инжектор присоединен к концу инжекционной структуры последовательно по ВЧ-мощности через волноводный группирователь, инжекционная структура соединена последовательно по ВЧ-мощности со следующей структурой, которая в свою очередь - с последующей, а между ВЧ-источником, питающим ускоряющие структуры, и инжектором размещено не менее двух ускоряющих структур, при этом ускоряющие структуры выполнены из условия равенства средней скорости ускоряемого сгустка с фазовой скоростью обратной пространственной гармоники ускоряющего поля из расчета нагрузки ускоряющих структур нулевым током, при этом ускоряющие структуры высокоэнергетической части ускорителя объединены в группы с ВЧ-питанием от одного клистрона, при этом группа состоит из ряда ускоряющих структур, вход первой структуры по ВЧ одной из них соединен с клистроном, а выход ее соединен с входом предыдущей по пучку структуры второй по ВЧ в группе волноводным трактом с фазовращателем, выход этой второй структуры соединен с входом по ВЧ следующей структуры.

В линейном ускорителе ионов между инжектором и инжекционной ускоряющей структурой установлен волноводный группирователь сгустка ионов, проходные отверстия в штырях или диафрагмах которого превосходят диаметр проходных отверстий в штырях или диафрагмах ускоряющих ячеек примыкающей к группирователю ускоряющей инжекционной структуры более чем вдвое. Ускоряющие структуры низкоэнергетической части ускорителя выполнены с монотонно нарастающим продольным размером ускоряющих ячеек от инжекционного конца по направлению к ВЧ-источнику.

Ускоряющие структуры высокоэнергетической части ускорителя выполнены с нарастающим в среднем шагом по направлению к ВЧ-источнику кратной частоты по отношению к ВЧ-источнику низкоэнергетической части, при этом продольные размеры ускоряющих ячеек на дефазирующих участках уменьшены на 15-45%, а размеры на фазирующих участках увеличены на 15-45%, по сравнению с размерами ячеек в ускорителе без фокусировки пучка аксиально-симметричными компонентами ускоряющего ВЧ-поля.

Сущность изобретения поясняется на фигурах 1 и 2.

На фиг.1 представлены распределения E_z(z) и P(z) ВЧ-мощности по длине ускоряющих структур (м) в любой точке z вдоль ускоряющей структуры.

На фиг.2 представлена блок-схема ускорителя, где: 1 - источник ускоряемых частиц, 2 - инжектор ускоряемых частиц; 3 - система высоковольтного питания инжектора; 4 - система управления инжектором и источником, находящимся под высоким инжекционным потенциалом; 5 - последовательность ускоряющих структур низкоэнергетической части ускорителя с ВЧ-питанием от одного низкочастотного усилителя-клистрона. При этом размеры ячеек ускоряющих структур монотонно возрастают. 6 - магнитные фокусирующие системы инжекционной и последующих структур низкоэнергетической части ускорителя, выполненной в виде последовательности сверхпроводящих соленоидов с соответствующим обеспечением; 7 - система поворотных магнитов, 8 - последовательность ускоряющих структур высокоэнергетической части ускорителя, объединенных в группы с ВЧ-питанием от одного клистрона.

Эта группа состоит из ряда структур с последовательным ВЧ-питанием от одного ВЧ-источника. В этом случае вход первой по ВЧ структуры соединен с питающим ее клистроном, а выход ее соединен с входом предыдущей по пучку структуры - второй по ВЧ в рассматриваемой группе волноводным трактом с фазовращателем. Выход этой второй структуры соединен аналогичным трактом с входом по ВЧ следующей структуры и т.д. до получения расчетного уровня ВЧ-мощности на выходе из последней в этой группе структуры - до значения 0.5Р_кл - половины значения мощности на выходе клистрона, принимаемой за единицу. Размеры ячеек ускорителя выполнены в соответствии с требованиями аксиально-симметричной ВЧ-фокусировки. Для этого выбором продольных размеров ячеек с большими и меньшими размерами по величине от размеров ячеек, соответствующих монотонно возрастающему распределению, обеспечивают распределение значений равновесной фазы вдоль ускорителя.

9 - система ВЧ-питания ускорителя на клистронах кратной частоты (например, 433.33 (1300-3000) МГц в инжекционной структуре, 1300 (3000) МГц в низкоэнергетической части и 2600 (3900-9000) МГц в высокоэнергетической части) и система их синхронизации.

10 - система обеспечения ускорителя ВЧ-питанием содержит волноводные 3-дБ-мосты сложения ВЧ-мощности, при этом два входных канала моста присоединяют к двум выходным по ВЧ концам двух последовательностей ускоряющих структур с выходящими из них мощностями по 0.5Р_кл, а выход моста (с получившейся 1Р_кл) присоединяют к входу третьей последовательности структур.

11 - система снятия тепловыделения ВЧ-поля при его распространении по структурам; 12 - система управления и диагностики ускорителя; 13 - система управления и диагностики мишеней.

В длинном импульсном (и в непрерывном) режиме ускорения распределение компонента E_z(z) определяется текущим значением P(z) в данной точке z, обусловленным нагрузкой током, и поэтому E_z(z) неравномерно вдоль оси z.

Осуществление способа и работа ускорителя заключается в следующем.

При импульсном ускоряемом токе порядка сотен миллиампер практически вся импульсная энергия ВЧ-источника расходуется в одной секции.

В нашем случае (фиг.1) распределения E_z(z) и P(z) ВЧ-мощности в любой точке z вдоль каждой ускоряющей структуры равномерно. Суммарная длина структур составляет 120-150 м при применении одного стандартного 4-МВт-ного источника ВЧ-питания ускорителя на частоте 433 МГц, а приращение энергии ускоряемых ионов составляет около 120 МэВ. Распределения E_z(z) и P(z) и приращение энергии сгустка ионов постоянны при изменении числа ускоряемых протонов. Эквивалентный ток можно варьировать от нулевого значения до 2000 мА при этом величина приращения энергии ускоряемых протонов остается неизменной. В этом случае в ускоряющих структурах ВЧ-энергия расходуется только на покрытие омических потерь. Ускорение в последовательности структур одиночного моноимпульса (вне зависимости от числа ускоряемых частиц) позволяет этому сгустку (моноимпульсу) взаимодействовать с тем значением компонента E_z(z), которое установилось в структурах в отсутствие нагрузки током.

Стационарное распределение компонента E_z(z), соответствующее распределению в отсутствие сгустка, создается потоком ВЧ-мощности, направленным навстречу ускоряемому сгустку, и тем обстоятельством, что ускоряют частицы в моноимпульсе, используя накопленную (запасенную) в структурах энергию ВЧ электромагнитного поля.

В процессе ускорения сгустка (моноимпульса) запасенная в структурах ВЧ-энергия трансформируется в кинетическую энергию ускоряемых частиц, стационарное электромагнитное поле, соответствующее значению, изменится.

А именно: значения компонента E_z(z) от точки z, в которой в данный момент находится сгусток, до инжекционного выходного по высокой частоте конца ускорителя нарушится, т.е. сразу за сгустком, достигшим точки z, - изменится, а от сгустка до ВЧ-источника не изменится.

Через некоторый интервал времени после прохождения сгустка (моноимпульса) стационарное распределение компонента Е_z(z) во всех структурах восстановится, т.к. придет следующая порция энергии от ВЧ-источника во все, последовательно присоединенные к данному ВЧ-источнику, структуры.

Отметим, что число частиц, ускоряемых в моносгустке, можно произвольно изменять. Количество частиц можно варьировать по желанию потребителя при неизменности распределения компонента E_z(z) в структурах и, следовательно, неизменной энергии ускоренных частиц.

Ускорение проводят в многочастотном режиме на кратных частотах, вводя ВЧ-мощность в низкоэнергетическую часть ускорителя от ВЧ-клистрона метрового или длинно-дециметрового диапазона длин волн, а высокоэнергетическую часть - от ВЧ-клистронов короткодециметрового или сантиметрового диапазонов длин волн, с фазированием ВЧ-источников от задающего генератора-синхронизатора. В этом случае можно применять как фокусировку продольным стационарным магнитным полем, так и аксиально-симметричным ВЧ-ускоряющим полем. При использовании для ускорения короткодециметрового или сантиметрового диапазонов длин волн (в том числе и в низкоэнергетической части ускорителя) целесообразно применять фокусировку аксиально-симметричным ВЧ-полем.

В ускорителе для получения максимального к.п.д. преобразования ВЧ-мощности в кинетическую энергию ускоряемого сгустка ионов, повышения темпа ускорения в последовательностях структур, питаемых от одного клистрона, расходуют лишь половину ВЧ-мощности клистрона - 0.5P_кл, a оставшиеся 0.5Р_кл извлекают из выходных - по ВЧ -концов каждой последовательности ускоряющих структур и направляют на входы волноводных 3-дБ-мостов. Установленные в схемы ВЧ-питания ускорителя волноводные 3 дБ-мосты сложения мощности на своих выходах обеспечивают значение ВЧ-мощности такое же, как и величина ВЧ-мощности от примененных клистронов Р_кл, величины мощности на выходе клистрона, принимаемой за единицу. Это позволяет вдвое сэкономить на числе примененных клистронов и повысить в целом надежность и экономичность системы ВЧ-питания (уменьшив число активных элементов схемы заменой на пассивные высоконадежные элементы - мосты).

На входы мостов подают мощность по 0.5Р_кл с двух последовательностей ускоряющих структур, а получившуюся 1Р_кл с выхода моста направляют на вход третьей последовательности структур, достигая этим и максимального темпа ускорения, и максимального к.п.д., при этом повышается надежность и экономность.

Для получения приращения энергии 120 МэВ суммарная длина структуры существенно сокращается и составляет менее 50 метров (при ВЧ-питании от одного 4-МВт-ного на частоте f=433 МГц клистрона). Ее выполняют составной из структур меньшей длины 3-6 метровых.

ВЧ-мощность передают из одной структуры в другую по волноводным каналам с ВЧ-выхода последующей структуры на ВЧ-вход предыдущей (по ходу пучка) структуры.

Фазирование сгустка, выходящего из предыдущей структуры и поступающего на вход последующей структуры, относительно фазы ускоряющего компонента, корректируют фазовращателями, вставленными в волноводный канал связи, соединяющий рядом расположенные структуры.

После установления в последовательностях структур стационарного распределения ВЧ-поля (в отсутствие ускоряемых частиц в ней) производят инжекцию следующего одиночного сгустка частиц в течение промежутка времени, равного обратному значению частоты ВЧ-питания низкоэнергетической части ускорителя. Следующий сгусток направляют в ускоритель после завершения в структурах переходного процесса, вызванного ускорением предыдущего сгустка, примерно через микросекунду.

При низкочастотном питании начальной части ускорителя ускоряемый пучок фокусируют стационарным соленоидальным магнитным полем сверхпроводящих соленоидов. После того, как частицы будут сформированы в сгустки короткой фазовой протяженности, их фокусируют силами ускоряющего электромагнитного поля.

Компоновка такого ускорителя выполнена по 2D-двумерной схеме, если требуется иметь несколько выводов частиц разной энергии на одном геодезическом уровне; или по 3D-трехмерной схеме для наибольшей компактности. Возможны варианты, например низкоэнергетическая часть плоская, высокоэнергетическая часть трехмерная пространственная фигура.

Источник заряженных частиц 1 инжектирует сгусток ионов, который краевым полем сверхпроводящего соленоида ускорителя (или отдельной магнитной линзы, или электрическими полями ускоряющей трубки инжектора ускорителя) сжимают до размеров 1-5 мм в диаметре и направляют на вход первой ускоряющей структуры. С конца этой структуры, противоположного инжекционному, в нее направляют ВЧ-энергию с выходного по ВЧ конца следующей структуры, которая, в свою очередь, соединена ВЧ-трактом с последующей структурой.

В первой структуре происходит захват сгустка в режиме ускорения и формирование заданной фазовой протяженности сгустка. Затем сгусток ускоряют в поле обратной пространственной гармоники, распространяющейся попутно с ускоряемым сгустком навстречу потоку ВЧ-энергии от клистрона. После ускорения в этой структуре сгусток поступает в следующую структуру. В последующих структурах фазовая протяженность сгустка сокращается, что облегчает процесс ускорения и использования для дальнейшего ускорения ВЧ-питания более высокой частоты и позволяет фокусировать сгусток аксиально-симметричными силами ускоряющего поля при изменении значения равновесной фазы.

Количество секций ускорителя выбирают исходя из требования достижения конечной энергии ускоренных частиц.

Такая реализация изобретения обеспечивает экономию средств на создание и эксплуатацию ускорителя.

1. Способ импульсного ускорения ионов продольным электрическим компонентом обратной пространственной гармоники электромагнитного поля, заключающийся в возбуждении потока энергии электромагнитного поля в ускоряющих структурах и импульсной инжекции сгустка ионов, отличающийся тем, что после установления стационарного режима в ускоряющих структурах с переменным продольным размером ячеек инжектируют моноимпульс ионов, длительность которого равна обратной величине частоты ВЧ-питания низкоэнергетической части ускорителя, фиксируют прохождение этим сгустком ускоряющих структур и момент восстановления в них стационарного режима, а затем инжектируют следующий одиночный моноимпульс ионов, при этом ускоряющие структуры низкоэнергетической части ускорителя возбуждают от усилителей метрового или длинно-дециметрового диапазона длин волн, а высокоэнергетической части ускорителя возбуждают от усилителей коротко-дециметрового или сантиметрового диапазона длин волн на кратных частотах, при этом ВЧ-усилители фазируют от задающего генератора.

2. Способ импульсного ускорения ионов по п.1, отличающийся тем, что для изменения продольных размеров моноимпульсного сгустка и его фазовой протяженности создают, по крайней мере, 10-кратный перепад амплитуды ускоряющей гармоники в ячейках инжекционной ускоряющей структуры по отношению к величине амплитуды ускоряющей гармоники - в ячейках полноводного группирователя ускорителя.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что регулируют инжектируемый ток, изменяя число ионов в моносгустке.

4. Линейный ускоритель ионов, содержащий инжектор импульсных ионных сгустков, ускоряющие структуры с системами фокусировки, системы высокочастотного питания этих структур от клистронных усилителей на кратных частотах, которые охвачены системой внешней фазировки, отличающийся тем, что инжектор присоединен к концу инжекционной структуры последовательно по ВЧ-мощности через волноводный группирователь, инжекционная структура соединена последовательно по ВЧ-мощности со следующей структурой, которая в свою очередь - с последующей, а между ВЧ-источником, питающим ускоряющие структуры, и инжектором размещено не менее двух ускоряющих структур, при этом ускоряющие структуры выполнены из условия равенства средней скорости ускоряемого сгустка с фазовой скоростью обратной пространственной гармоники ускоряющего поля из расчета нагрузки ускоряющих структур нулевым током, при этом ускоряющие структуры высокоэнергетической части ускорителя объединены в группы с ВЧ-питанием от одного клистрона, при этом группа состоит из ряда ускоряющих структур, вход первой структуры по ВЧ одной из них соединен с клистроном, а выход ее соединен с входом предыдущей по пучку структуры второй по ВЧ в группе волноводным трактом с фазовращателем, выход этой второй структуры соединен с входом по ВЧ следующей структуры.

5. Линейный ускоритель ионов по п.4, отличающийся тем, что между инжектором и инжекционной ускоряющей структурой установлен волноводный группирователь сгустка ионов, проходные отверстия в штырях или диафрагмах которого превосходят диаметр проходных отверстий в штырях или диафрагмах ускоряющих ячеек примыкающей к группирователю ускоряющей инжекционной структуры более чем вдвое.

6. Линейный ускоритель ионов по п.4, отличающийся тем, что ускоряющие структуры низкоэнергетической части ускорителя выполнены с монотонно нарастающим продольным размером ускоряющих ячеек от инжекционного конца по направлению к ВЧ-источнику.

7. Линейный ускоритель ионов по любому из пп.4-6, отличающийся тем, что ускоряющие структуры высокоэнергетической части ускорителя выполнены с нарастающим в среднем шагом по направлению к ВЧ-источнику кратной частоты, по отношению к ВЧ-источнику низкоэнергетической части, при этом продольные размеры ускоряющих ячеек на дефазирующих участках уменьшены на 15-45%, а размеры на фазирующих участках увеличены на 15-45%, по сравнению с размерами ячеек в ускорителе без фокусировки пучка аксиально-симметричными компонентами ускоряющего ВЧ-поля.