Трубка дрейфа резонансного ускорителя
Владельцы патента RU 2397626:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ - ВНИИЭФ" (RU)
Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в ускоряющей структуре резонансного линейного ускорителя типа Альвареца. Трубка дрейфа резонансного ускорителя содержит корпус с осевым апертурным отверстием и торцевой крышкой, линзу на постоянных магнитах и штангу с входным и выходным каналами системы охлаждения. Линза установлена с образованием торцевых полостей в корпусе трубки. Штанга закреплена на наружной поверхности корпуса. Корпус выполнен герметичным путем соединения корпуса с крышкой двумя кольцевыми вакуум-плотными швами лазерной сварки. Один шов выполнен в области апертурного отверстия, а второй расположен на наружном диаметре крышки. Изобретение позволяет исключить операции по созданию вакуума в корпусах трубок дрейфа. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в ускоряющей структуре резонансного линейного ускорителя типа Альвареца.
В существующих ускорителях типа Альвареца используются трубки дрейфа с электромагнитной линзой http://hippiwp2.in2p3.fr/Permanent%20magnets Maurizio.pdf. Магнитная линза представляет собой сложную конструкцию из-за наличия охлаждаемых обмоток электромагнита, что определяет необходимость иметь отдельный источник питания. При работе ускорителя на наружной поверхности трубки в результате воздействия переменного высокочастотного электромагнитного поля возникают вихревые токи, которые, в свою очередь, в зависимости от вложенной мощности предопределяют тепловыделение до 2000 Вт на одну трубку дрейфа. При создании квадрупольного магнитного поля возникает дополнительное выделение тепла от протекания электрического тока по обмоткам линзы до 1500 Вт. Отвод такого количества тепла без повышения конечной температуры узлов ускорителя превращается практически в непреодолимую проблему. При тепловом расширении материала геометрия расположения рабочих узлов ускорителя при «холодной» настройке и при рабочих режимах существенно изменяется.
Таким образом, недостатком подобных трубок дрейфа является сложность в создании заданного квадрупольного магнитного поля, его оптимального распределения относительно рабочей поверхности трубки дрейфа и оси пучка.
Известны трубки дрейфа с линзами на постоянных магнитах, установленные на ускорителе «ИСТРА», который разработан в институте теоретической и экспериментальной физики ИТЭФ г.Москва, В.С.Артемов и др. «Линейный ускоритель протонов «ИСТРА-36» как драйвер экспериментальной электроядерной установки ИТЭФ», в сб. «Научная сессия МИФИ-99», т.13, часть 4, М., МИФИ, 1999 г., с.120-121. Трубки дрейфа на постоянных магнитах имеют некоторые особенности. Одна из них: при изготовлении и эксплуатации перегрев магнитов выше 100°С недопустим из-за потери магнитных свойств линзы. Кроме того, трубка с изготовленными в ИТЭФ магнитами должна быть герметичная и вакуум-плотная, непосредственный контакт поверхностей магнитов с водой и вакуумом недопустим. Недостатками данных трубок дрейфа является необходимость электронно-лучевой сварки после механической чистовой обработки деталей. Это приводит к термическим поводкам и искажению общей геометрии.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению является трубка дрейфа резонансного ускорителя по заявке РСТ / US №-99/23999 с приоритетом США от 05.11.98 г. «Линейный ускоритель с внутренним охлаждением и трубкой дрейфа», кл. МПК Н05Н 7/22. Трубка дрейфа по прототипу содержит корпус с осевым апертурным отверстием и торцевой крышкой, линзу на постоянных магнитах, установленную в корпусе трубки дрейфа с образованием торцевых полостей, и штангу с входным и выходным каналами системы охлаждения, закрепленную на наружной поверхности корпуса.
Недостатками трубки дрейфа по прототипу является неэффективное заполнение корпуса трубки линзой на постоянных магнитах с образованием относительно больших торцевых полостей. Корпус трубки негерметичен и находится в вакуумном объеме, как и весь ускорительный тракт, что накладывает дополнительные ограничения к подбору магнитных линз, устойчивых к глубокому вакууму.
При создании данного изобретения решалась задача разработки компактной трубки дрейфа с магнитной линзой, работающей в другой, т.е. в воздушной, среде, при этом внутренняя полость корпуса трубки дрейфа отсечена от вакуумного объема ускорителя.
Техническим результатом является повышение эффективности фокусировки пучка за счет сокращения габаритов трубок дрейфа, увеличения числа ускоряющих зазоров в ускорительном тракте на единицу длины, а также исключения операции по созданию вакуума в корпусах трубок дрейфа.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известной трубкой дрейфа, содержащей корпус с осевым апертурным отверстием и торцевой крышкой, линзу на постоянных магнитах, установленную с образованием торцевых полостей в корпусе трубки дрейфа, и штангу с входным и выходным каналами системы охлаждения, закрепленную на наружной поверхности корпуса, в заявляемой трубке дрейфа корпус выполнен герметичным путем соединения корпуса с крышкой двумя кольцевыми вакуум-плотными швами лазерной сварки, первый из которых выполнен в области апертурного отверстия, а второй расположен на наружном диаметре крышки. Суммарный объем торцевых полостей выполнен от 3 до 10% к общему объему корпуса. Магнитная линза выполнена из стержневых постоянных магнитов, расположенных вдоль образующих внутри цилиндрической обоймы в два и более слоя. В штанге выполнен дополнительно испытательный газовый канал для контроля герметичности корпуса.
Оптимальная конструкция трубки дрейфа подразумевает наличие исключительно функциональных для проводки пучка элементов в составе корпуса. Такими элементами являются рабочая внешняя поверхность корпуса и магнитная линза. Таким образом, вся внутренняя полость корпуса трубки должна быть заполнена магнитами в идеальном случае. Однако для отвода тепла необходимо предусмотреть эффективную систему охлаждения и технологический отвод тепла во время выполнения сварных швов при установленной магнитной линзе. В данной конструкции удалось минимизировать торцевые полости, увеличив таким образом относительный объем магнитной линзы. По длине L2 магнитная линза выполнена до 75% от общей длины корпуса L1. Магнитная линза выполнена из стержневых постоянных магнитов, расположенных вдоль образующих внутри цилиндрической обоймы в два и более слоя. При ограничении наружного диаметра корпуса послойное расположение магнитов в магнитной линзе обеспечивает их наиболее плотное расположение, что в конечном итоге улучшает фокусировку пучка.
Все остальные элементы несут технологические и вспомогательные функции. Коллектор служит для образования каналов охлаждения во внутреннем объеме корпуса, герметизация обеспечивается двумя кольцевыми швами электронно-лучевой сварки. Газовый канал служит для проверки герметичности швов лазерной сварки, причем предусмотрена возможность контроля герметичности как до, так и после монтажа трубок дрейфа в корпус ускорителя. Выполнение корпуса трубки герметичным и более компактным позволило существенно улучшить выходные параметры и технологичность изготовления секций линейного ускорителя. Герметичность корпусной полости достигается выполнением двух кольцевых сварных швов лазерной сварки. Этот тип сварки позволяет получить вакуум-плотный шов без существенного нагрева. Это условие является определяющим при достижении компактности корпуса трубки. Дело в том, что материал магнитов - самарий-кобальтовый сплав - теряет свои магнитные свойства при нагреве более 100°С. В результате отработки технологии лазерной сварки были применены специальные зачерняющие покрытия и достигнута температура не более 80°С на расстоянии 8 мм от сварного шва. Расположение швов определено по результатам электромагнитных расчетов так, что изменение геометрии под сварку оказывает минимальное влияние на электрическое поле, создаваемое двумя соседними торцевыми поверхностями трубок. Герметичность корпуса трубки определяет возможность получения более глубокого вакуума в ускорительном тракте в связи с отсечением вакуумного объема от микрощелей магнитной линзы и газирующей поверхности магнитного материала. В корпусе ускорителя в среде глубокого вакуума создается «стоячая» электромагнитная волна, определяющая наличие потенциала на поверхностях трубок. Трубки дрейфа располагаются так, что ускоряющий зазор между ними соответствует зоне максимального ускорения 19 с максимальным градиентом потенциалов на соседних торцевых поверхностях трубок. Длина трубок рассчитана так, что зоны максимального торможения экранируются металлом трубки и одновременно в экранированной зоне происходит фокусировка пучка под действием магнитного поля линзы. Но корпус трубки экранирует не только зоны торможения, но и зоны ускорения, расположенные по длине корпуса.
Уменьшение торцевых (паразитных) полостей позволило существенно при сохранении объема магнитной линзы укоротить корпус трубки дрейфа. Фокусировка пучка под действием магнитного поля линзы при этом не изменяется и используется большее количество ускоряющих зазоров на единице длины ускоряющей структуры.
На фиг.1 изображен внешний вид заявляемой трубки дрейфа.
На фиг.2 изображено продольное сечение трубки дрейфа.
На фиг.3 изображен сегмент ускоряющей структуры с тремя трубками дрейфа.
На фиг.1-3 обозначено:
1 - корпус
2 - апертурное отверстие
3 - крышка торцевая
4 - линза магнитная
5 - постоянные магниты
6 - полость торцевая правая
7 - полость торцевая левая
8 - штанга
9 - входной канал охлаждения
10 - выходной канал охлаждения
11 - швы электронно-лучевой сварки
12 - шов лазерной сварки
13 - шов лазерной сварки
14 - коллектор
15 - швы электронно-лучевой сварки
16 - обойма
17 - канал газовый
18 - фланец стыковочный
19 - зона максимального ускорения
20 - зона максимального торможения
21 - «стоячая» электромагнитная волна
Заявляемая трубка дрейфа резонансного ускорителя содержит корпус 1 с осевым апертурным отверстием 2 и торцевой крышкой 3. Линза 4 на постоянных магнитах 5 установлена с образованием торцевых полостей 6 и 7 в корпусе трубки. Штанга 8 с входным 9 и выходным 10 каналами системы охлаждения закреплена на наружной поверхности корпуса.
Корпус 1 выполнен герметичным путем соединения его с крышкой 3 двумя кольцевыми вакуум-плотными швами лазерной сварки, первый 12 из которых выполнен в области апертурного отверстия 2, а второй 13 расположен на наружном диаметре крышки 3. Объем торцевых (паразитных) полостей 6 и 7 выполнен от 3 до 10% к общему объему корпуса. Длина магнитной линзы L2 составляет до 75% от длины корпуса L1. Магнитная линза 4 выполнена с двухрядным расположением цилиндрических постоянных магнитов 5, заключенных в обойме 16. В штанге 8 выполнен испытательный газовый канал 17 для контроля герметичности корпуса. Кроме того, трубка содержит шов 11 электронно-лучевой сварки, с помощью которого штанга 8 соединена с корпусом 1. В корпусе установлен коллектор 14 системы охлаждения, который герметизируется двумя кольцевыми швами электронно-лучевой сварки 15. В верхней части штанги расположен стыковочный фланец 18.
В примере реализации корпус трубки выполнен практически цилиндрической формы диаметром 90 мм из меди марки М0б ГОСТ 859 и имеет сварную конструкцию. Сборку корпуса с крышкой выполняют по прессовой посадке с натягом 0,001-0,023 мм. Для увеличения провара в крышке и корпусе под сварку выполнена специальная разделка кромок, в результате достигнут максимальный провар 0,34 мм, который обеспечивает надежное вакуум-плотное соединение. Сварка крышки с корпусом выполнена на установке лазерной сварки МЛ-4М с применением специальных приспособлений и зачерняющего покрытия. Внешний кольцевой шов 13 расположен на диаметре 85,5 мм, внутренний - в зоне апертурного отверстия 2 под углом 45° на диаметре 20,8 мм. Минимальную длину корпуса ограничивает диаметр штанги 8 и сопрягаемые с корпусом радиусы. Материал магнитов самарий-кобальтовый сплав. Магниты представляют собой цилиндрические стержни, плотно уложенные в два слоя один над другим, вдоль образующих цилиндрической обоймы. Объем торцевых (паразитных) полостей 6 и 7 составляет 3,33% к общему объему корпуса по расчетам на модели трубки дрейфа. Длина корпуса выполнена равной 60,73 мм, длина магнитной линзы составляет 45 мм. Длина магнитной линзы составляет 74,1% от длины корпуса.
Работает заявляемая трубка дрейфа следующим образом. В корпусе ускорителя в среде глубокого вакуума создается «стоячая» электромагнитная волна 21. Трубки дрейфа располагаются так, что ускоряющий зазор соответствует зоне максимального ускорения 19 с разностью потенциалов на ближайших соседних поверхностях трубок. Длина трубок рассчитана так, что зоны максимального торможения 20 экранируются металлом трубки, и одновременно в экранированной зоне происходит фокусировка пучка под действием магнитного поля линзы. В результате прохождения пучка через множество подобных зон происходит его многократное ускорение и фокусировка.
Таким образом, в прототипе длина магнитной линзы занимает 30% длины корпуса, а в заявляемой трубке L2 составляет до 75% от L1, что позволяет выполнять более эффективную фокусировку на единице длины. Кроме того, длина рабочей части трубки L1 по оси пучка (в заявляемом устройстве от 60 мм, в прототипе около 145 мм) позволяет установить большее количество трубок на единицу длины, увеличить количество ускоряющих зазоров между трубками и эффективность набора энергии ускорения.
1. Трубка дрейфа резонансного ускорителя, содержащая корпус с осевым апертурным отверстием и торцевой крышкой, линзу на постоянных магнитах, установленную с образованием торцевых полостей в корпусе трубки, и штангу с входным и выходным каналами системы охлаждения, закрепленную на наружной поверхности корпуса, отличающаяся тем, что корпус выполнен герметичным путем соединения корпуса с крышкой двумя кольцевыми вакуум-плотными швами лазерной сварки, первый из которых выполнен в области апертурного отверстия, а второй расположен на наружном диаметре крышки.
2. Трубка по п.1, отличающаяся тем, что суммарный объем торцевых полостей выполнен от 3 до 10% к общему объему корпуса.
3. Трубка по п.1, отличающаяся тем, что магнитная линза выполнена из стержневых постоянных магнитов, расположенных вдоль образующих внутри цилиндрической обоймы в два и более слоя.
4. Трубка по п.1, отличающаяся тем, что в штанге выполнен испытательный газовый канал для контроля герметичности корпуса.
