Линейный ускоритель ионов

(51) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯАВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ фиг.4 - разрез Б-Б на фиЛинейный ускорите источник ионов, высоко магнитный ондулятор и стотной мощности. Высо ма выполнена в виде вибраторов 1, эакрепле ль ионов содержит астотную систему, источник высокочакочастотная систедвух идентичных нных в металличе(21) 4181007/21(56) Канчинский И,М., Тепляков В,А. Линейный ускоритель ионов с пространственнойоднэродной фокусировкой. Препринт ИФВЭ Инж.69 - 48, Серпухов, 1969.Бессонов Е.Г Серов А,В, О генерации электромагнитных волн пучками частиц в ондулятооах и ускорение частиц в ондуляторном линейном ускорителе, - Препринт ФИАН, М 87, 1980. Изобретение относится к области ускорительной техники, а точнее - к линейным ускорителям ионов, и может быть использовано в качестве ускорителя-группирователя ионов.Целью изобретения является повышение эффективности группировки и ускорения.. На фиг.1 изображен вариант ускорителя с вибраторами А /4, гдето- длина электромагнитной волны в высокочастотной системе; на фиг,2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - вариант ускорителя с вибраторами , на(54) ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ИОНОВ (57) Предлагаемое устройство относится к линейным ускорителям заряженных частиц и наиболее эффективно может быть использовано в качестве ускорителя-группирователя ионов. Цель - повышение эффективности группировки и ускорения. Ускоритель состоит иэ высокочастотной системы, содержащей два вибратора 1 и вакуумный корпус 2 с отверстиями 5,6 для пролета пучка, и магнитного ондулятора, выполненного в виде последовательности двухполюсных магнитов 7. Вч-система помещена между полюсами магнитов так, что плоскость, где расположены вибраторы, совпадает с плоскостью антисимметрии по магнитному полю ондулятора, 4 ил,ском вакуумном корпусе 2. В ускорителе(см. фиг,3,4) концы вибраторов крепятся (как вариант) к боковой стенке корпуса 2 с помощью элементов 3. Высокочастотная система подключена к источнику высокочастотной мощности с помощью элемента 4 связи. В торцовых стенках корпуса 2 выполнены соосные отверстия: 5 - для инжекции частиц из источника ионов и 6 - для вывода ускозенных частиц. Ондулятор представляет последовательно расположенные магниты 7 с чередующейся ориентацией полюсов М и Я, При этом высокочастотная система расположена внутри ондулятора, а оси вибраторов и ось симметрии высокочастотной системы лежат в одной плоскости, которая совпадает с плоскостью антисимметрии ондулятора по магнитному полю,В качестве магнитов ондулятора могут быть использованы постоянные подковообразные магниты, С и Ш-образные электро 1466626магниты, неявнополюсные магниты дипольного типа (в том числе и сверхпроводящие),а также гибридная система, когда поле постоянного магнита дополняется и корректируется за счет электромагнитов, В последних трех случаях к ондулятору подводятсистему питания,Ускоритель работает следующим образом.Включают источник высокочастотной 10мощности и возбуждают высокочастотнуюсистему на частоте, при которой на вибраторах 1 высокочастотное напряжение находится в противофазе. При этом напряженность поперечного электрического полюса 15оси высокочастотной системы меняется последующему закону;/2 лЕЕ =ЕЗ ви ( - и - уЪ) сссВ/Свгде Еа - амплитуда электрического компонента волны;Е - продольная координата;А - длина волны;ро - фаза;Ю - угловая частота,Поперечное магнитное поле ондулятора на оси имеет следующий вид:30В =Восов 2 л 3с 1огде амплитуда Во и период о могут меняться вдоль продольной координаты, Включают источник ионов и инжектируют ионы через отверстие 5 в высокочастотную систему, где под действием высокочастотного электрического поля волны, и магнитного д 0 поля ондулятора частицы совершают быстрые поперечные колебания, Вцсокочастотное поле фокусирует частицц пучка в плоскости, где расположены вибраторц, и дефокусирует в перпендикулярном направ-лении. Однако, если величина амплитуды магнитного поля ондулятора удовлетворяет условию:Вв =Ев СИ ( -- в - .рв) (А ) )2 в ), 50 Л, 2 лЕгде С - скорость света в вакууме, то существует равновесная траектория и пучок фокусируется в поперечной плоскости. При выбранной конфигурации полей и при условии, при котором продольная скорость частиц Ч близка к величине ЧБ = С.у,4 поперечное магнитное поле ондулятора переводит энергию поперечных колебаний пучка в энергию продольного движения. Ускоренные частицы выпускают из высокочастотной системы через отверстия 6,Прирост энергии на периоде ондулятора 4 равенЛу - , = А-.ф сов 5, (г)ЛИ/где Аэф = - (, ) в 1 п ( - +),л еЛЕ р2 л 2П 1 Су- средняя за период ондулятора величина приведенной энергии частиц пучка,Таким образом, амплитуда эффективного ускоряющего поля комбинационной волны Азф на основном участке ускорения (О(Е ч) нарастает пропорционально2 Аз 1 п (7+ ро), что позволяет при соответствующем выборе закона изменения Яо ( 7 ) обеспечить захват и ускорение большей части частиц несгруппирова иого пучка. При использовании вибраторов А /2 пучок может ускориться и при 7Л/4, Однако, при этом Аэф будет убывать, если расстояние между вибраторами (электродами) не меняв гся. А чтобы не произошло разгруппировки пучка, целесообразно длину электродов не делать больше 1= 38 1, выбрав соответствующим образом длину элементов крепления 3.В качестве примера технической реализации рассмотрим ускорение протонного пучка с начальной энергией Юа = 50 кэ 8. Будем рассматривать вариант ускорителя, изображенного ча фиг.1,2. Пусть А = 2 м. В качестве вибраторов, имеющих длину - 0,5 м, возьмем цилиндрические медные электроды диаметром 0=1,5 см, расположенные параллельно оси ВЧ-системы, Расстояние между осями вибраторов постоянно и равно 3 см, Максимальный поперечный размер корпуса равен б см. При мощности ВЧ-генератора р =400 кВт, максимальная величинамэВ электрического поля на оси Еь = 19М Выбрав амплитуду и период поля ондулятора в соответствии с формулой (1), получим одновременно и фокусировку и ускорение пучка,Качественный анализ динамики хорошо согласуется с тем, что дают результаты численного моделирования. В рассматривае 1466626мом случае из расчета динамики на ЭВМполучают следующие результаты; коэффициент захвата Кз = 90 оь, прирост энергии надлине Е = 0,5 м - АИ = 0,5 мэВ. Фазовыйразмер пучка на выходе Лр=65, максимальный размер апертуры канала 1,5 см,ЗаМЕтИМ, ЧТО Зффехти:зНОС. Ь ГРУ.-.ПИрозки и ускорения можно ещо более увели:Итв, ЕСЛИ ИСгЛОЛЬЗО,.атЬ ПОЛУВОЛНОВЫ 8вибраторь, гас:.-Ояние гиегкду которыми на 1 Ь,частке 0 :,/.: -;-л м 8 няется так, "ОбыОгспечить Опти:ап ьнь 1 Й закон изме не нияД.емп "СКОР.НИЯ мо:Кноеличить и за о.с-гт увеличгни.": амплитуды В :- Оля. Эпредлагаемо,:; конс 1 рукции предельная наПОяжЕННОСт. Поля Г,ггт бОЛЬШОЙ, таК Кахг ) Л ИИ ПР Р .1 Х:. ОСТИ П П О В ОД Н И К О В Ва,"ТО Р гзектрическо, О Д- Оля и маг 1 Иного г,оляОнйулято а Ззаи 1 ооотогональны,Таки обра-О;,1, Оке из приведеннсго примера видно чО в предлагаемом ускорителе удается, - ,ри низкой энеогии инжекции ПгЛУЧИТЬ ПЛИЗКИЙ К 8 гИНИ 8 Козгг.ЬИЦИ 8 НТ Эаха:,а ЧаСТИЦ НеггР. ПГИРОЯаННОГО Г/ЧКа, сгспецить хорош":э групр Оку;:а выход., .де ускор"."еля,ко":ффициент гоуппировки К,о "= 6 и ыс к й темп наоора знеогии З 0 -; мэВр., Это нэмнц-О поевышает результаты когорыь;" О получить в ускорителе- ПООТО г ",Пе, ГДР. Как ГокаЗЫЗаЮТ ОЯСЧРТЫ, дРР гго8 И:. 1 .г го жЕ т.;4 ла;абОГ 1 а Энаргии неэ х. и э мо 1 с т питания вели Д 5 чи ь елее, ч 84 на -(вэ пооя дка. и ОичРм коэффициенты захвата и группировка будут меньше, чем в предложенном ускорителе.С другой стороны в рассматриваемом ускорителе по сравнению с лучшими аналогами в классе ионных ускорителей с низкой энергией инжекции и с большим коэффициентом "" х. ".;-8.и с .О и-: низ можно увели чить почт., .;ва .аза, г по: гргчнь:и размер вы"о. Очастотн;.Р:;и .:;:,=; сделать Гораздо меньше и ".:ль ."Г,Рргре канала, Кро;, - ;гп Втл-. С, .;, И,Ля 8110.Ф, ГдР ррхг О .,-гсвтк" Рг 13 ггоЛЬКъ ГРИ ЭНег иЯх.,.ен-ш х . 3 мэВ, с;"Длэгзгмог ус ГООЙ;П -,;-, " , х-.г 1-, я=1 Об Ь ПРЧИГЬ Эф.г.;. ВНУга ГС:Пг:"1 РОВК: УСЬОР 8 НИЕ ПУЧ- ка и поц больши, гнеп:.1 эх,Зорула изсбретеия . П;г.гйНЬЙ р КСрИТЭЛЬ ИОНОВ, СодЕОжащи .:;Отн:.,:, О.,-,: за ,"лный корпус, вы- СОКЧаС:ЭТНУЮ С г:теМУ: СПОЛОжеННУЮ ВНУТРИ М:-Нит, Ого ОНДУЛЯТОРа И ПОДКЛЮю к и: -О нику высоксчастотной мош- ДОВЬ,гШ 8 НИЯ Эффек ВНОСТИ ГРУППИРОВКИ И у" КООРния вы;скочас; о Гная система выполне.:- э . Вплг диух идентИчных виб 7 это О:г, ЭаКР 8 ПЛЕН-;Х В МггаЛЛНЕСКОМ,:, чмном корпусе, г андулятор - в форме посГ,едовательь О расположРнных маГнитов с че; едуюш.: ся ориентацией по;,юсов, приОси виб, атг.Оое и Ось С 1 м"18 три" е "со к О ч а - т О т;. о й г и с т 8 м ы л Р ж а т ". о д н 0 й плоскоси, с гора Совпадает с плэсксэтью аНТ.С .К 1"ггТР:г: .,НД,ЛЯ - .Оа ПО МаГНИтНОМУ ПОЛ О1466626 АРФУ.4 Составитель Ю,СамощенковРедактор В,Фельдман Техред М,Моргентал Корректор М,Кучерява Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарин аказ 4593 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета по изоб 113035, Москва, Ж, РауПодписноетениям и открытиям при ГКНТ СССРская наб., 4/5