Линейный ускоритель ионов

СОЮЗ СОНЕ 1 СКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК БО 9089 1)с Н 05 Н 9/О ГОС УДАР СТВЕ 1 1 НЫ И КОМПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОПРИ ГКНТ СССР ТЕТРЫТИЯМ П ИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К АВ В ЕЛЬС 5/.91, Б 1 ол. М 2овский инжен эическии и Масунов, В, Н,В. Аврелин84,6(088. 8)В,ФКривоносе статических и системы дляе ускорители. -снов, А. П, Но Леонов В.Н зордх резо я ионов, / ргоатомиз леи в за скорен М,:Эн рское свидетельство СССР75, кл. Н 05 Н 9/00, 1988,54) ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ57) Изобретение относится кой технике, в частности к лине ителям ионов, и может быть ис качестве линейного ускорителателя. Цель изобретения - пов ИОНОВ скорительйным ускопольэовдно -группиро ШЕНИЕ ЭфИзобретение относится к ускорительной технике, а точнее к линейныл 1 ускорителям ионов, может быть использовано в качестве линейного ускорителя-группирователя ионов и может быть применено для получения высокоинтенсивных ускоренных пучков ионов.Цель изобретения - повышение эффективности ускорения путем повышения темпа ускорения и коэффициента захвата.На фиг, 1 изображена конструктивная схема ускорителя; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - подключение вибраторов при числе парных продольных стержней. равном трем.фективности усорителя путем повышения темпа ускорения и коэффициента захвата, Ускоригель содержит источник ионов, вакуумный кожух, во внутренней полости которого размещена высокочастотная ускоряющая систел 1 а, включающая высокочдс 1 отный кожух 4. Внутри кожуха 4 размещены полуволновые вибраторы 5, середины которых закреплены нд кожухе 4. Высокопотенцидльные концы вибраторов подключены к продольным стержнял 1 8, к которым крепятся поперечные электроды 9. Источник постоянного напряжения разноименными полюсами подключен к парным продольным стержням. Ускоритель обеспечивает повышение коэффициента захвата и доведение его до величин Кзлхп%, а также сни;лает ограничения нд длину ускоряющей системы, обусловленные распределением ускоряющих полей, что обеспечивает повышение тел 1 па ускорения.3 ил Устройство содержит источник 1 ионов, который здкреплен на боковом флднце вакуумного корпуса 2. Во внутренней полости корпуса 2 размещена ВЧ-ускоряющая система 3. которая выполнена в виде высокочастотного кожуха 4. Внутри кожуха 4 размещены полуволновые вибрдторы 5, середины которых закреплены на высокочастотном кожухе 4 с помощью диэлектрических и леталлических подставок б и 7 соответственно.Высокопотенциальные концы вибраторов подключены к продольным стержням 8, к которыл 1 крепятся поперечные электроды 9.Устройство также содержит исочники питания ВЧ-ускоряющей сисгемы и источ ника ионов, а также источник постолнного напряженил, разноименные полюсы которого подключены к парным продольным стержнлм, В общем случае число рядов оиб раторов может быть любым и располагдт ься они могут о плоскости сечен 1 л резонатора произоольным образом,Устройство работает следующим образом,Источник 1 ионов генерирует ленточный пучок заряженных частиц, который поступает в ВЧ-ускорлющую систему 3 В силу того, что о системе 3 разоиваотся высокие напряжения, а также осущг.столлгсл ускорение ионов, о вакуумном корпусе 2 предварительно обеспечивают вакуум не,суже 10 Па. К ускоряющей системе приклддывдот постоянное и ВЧ-напрлхсение длл получения требуемых амплитуд полей о пространстве взаимодействия, Причем на продольных стержнях, принадлежащих своему ряду вибратороо, наводятсл ВЧ-потенциалы противополокного з дкд, д по отношению к другому ряду вибрагороо - произвольно в соответствии с выбранным рдбочим видом колебаний, Например, о конструкции, приведенной на фиг. 1,2, низшим видом колебаний яоллетсл прогивофазный, когда противоположно расположенные продольные стержни, принадлежащие разным рядом оибрдтороо, оозбуждсчы противофазно. Однако рабочим следует считать синфазный ггид колебании, при котором о резонаторе присутствует наименьшая паразитнал емкость, образованная между противоположными продольными стержнями, Инжектируемый пучок под действием статических и ВЧ-полей нд начальном участке группируетсл и сгустки протякенносгью 00-70 град, а заем ускоряется до заданной энергии.Конструктивное исполнение устройстоа г 1 озооллет реализовать оптимальные, с точки зрения динамики частиц, законы распределения полей и снять ограничения на длину ускорителя. Напряженности высокочастотного и электростатического полей в рассматриваемой системе имеют следующии вид г Е,Ьисоь 4 и-. , ы Г,сь еь(1 - е,.;ь - ,- Ио 4 и П Г ,П Сттл Г а 2иОЕ с( 1 ,1 22 ъ-оисов 2(Ягп)Е.,=Е.Чв 1хи5 п 2(2 п.) ио5 где Еь, Ео - амплитуды электрического ВЧполя и статического поля (В/У);2 - продольная координата, м;у - поперечндл координата,м;Яп(2) - ПЕРИОД РаССтаНОВКИ ПОПЕРЕЧНЫХ 10 злектродоо. м,1. - длинд волны ВЧ-полл, м;гт - угловая частота БЧ-поля, 1/с;/гк,9 к - относительные величины амплитуд К-й гармоники ВЧ- и статического полей.15 Прирост энергии синхронной частицына единицу длины равен Ла- =еТЕьр совт,Л 220(2 гг гпс )Выбирая функции т(2) и с/42) нарастающими, можно обеспечить почти стопроцентный захват пучка и его хорошую групг 1 ировку, От функций ф) и у(2) зависит также и пиперечндл устойчивость пучка, Условие поперечной устойчивости имеет вид 2 сб - -г 2 сЬ- ви т/т, (4) 4 лу 2 лу Еь 1(21 де Ео /2)где т/. = и ( -- т ) + т/ь - фаза в поле2Чькомбинационной водны;еГп 42 г Т- ---- коэффициент эффективно 8 л ;сти ускорения;л-, - кинетическал энергия синхронноЙасо с фзой 1/,.С помощью сг 1 ециального выбора функций Г(2) и ф 2), отвечающих за продольные распределение полей, можно обеспечить кдк эФфективное ускорение согласно (2), так и группировку и фокусировку пучка.Вблизи равновесной траектории уравнение продольного движения при ИЗп ( (1, 9 щ - 1 ( ( 1 МОЖНО ЗаПИ( 1) ()1)Сать ти 1 К1569089 Соответствующим выбором 1 и р можно добиться устранения влия,ия параметри веских резонансов связи поперечного и продольного движения на фокусировку частиц Так, продольно-поперечный резонанс в 5 первой и второй областях устойчивогти отсутствует при+ 1 ) з 1 п /,Здесь 9=- 2 Фстд /;Ф- мгновенное значение амплитуды фазовых колебаний;а - радиус апертуры канала; Таким образом, при фиксированных значениях ал 1 плитуд полей Ео и Еь ограниченных требованиями электрической прочности, от выбора функций 1 и гр зависят фактически все основные параметры ускорителя. Для существенного увеличения энергии частиц требуется снять ограничение на длину ускорителя, характерное для известной ВЧ-системы,В качестве численного примера проведено моделирование на ЭВМ динамики непрерывного ленточного пучка протонов в полях. Пусть энергия инкекции равна 50 кзВ при длине волны ВЧ-полякВ 1=2 м, амплитудных полей Е=200исм Ео= 100кВи одинаковых законахсм1(г) - -фг). При этом а=2 и выполняотся условия как поперечной устойчивости (4), так и отсутстьия параметрических резонансов (5) и (б) для частиц в пределах сгустка,Положим функции ф) и у(г) равными ЗО 35 40 45 50 55 2 т г"1 п (д 1, 0 2 (гсг 1 1 г . г,где г. - длина участка группировки и /- фаза частицы. При го. 0,5 м, - 1, р= 0,5,/1 --- полУчим пРи г-го козффиЦиент Захвата .1 - 90%, среднюю энергию пучка пкзБ, фазовый размер сгустка Ь 17=70 . Нэ длгне ускорителя г=1,5 м достигается энергия 1 МВ, Тели ускорения можно повысить, если сделать зависимости (г) и /(г)2 более крутыми, Так, при Р= 1,8, /г = З /Ь = -- при г= г, можно достичь энергиибв=500 кэВ при Кзлхв=75%, а на длине г=1,1 м получигь в=1 МэВ. Такил образом, варьируя функции 1 и (э также и г/), можно менять э 4 1 ективность ускорения и коэффициент захвата В предлокенном линейном ускорителе ионов можно в принципе реализовать любые законы Цг) и у(г). В частности, на участке ускорения сгруппированного пучка можно обеспечить 1(г)=- у(г)=1, что невозможно сделать в прототипе. Функция фг) может варьироваться изменением расстояния между поперечныл 1 и электродал 1 и в продольном направлении При этом распределение ВЧ- поля (функц 1 я (г можно менять независимым образом, задавая различные ВЧ-потенциалы на электродах с помощью специальной настройки ВЧ-резонансной системы, Суть настройки сводится к выбору закона изменения периода расстановки резонансных полуволновых вибраторов для какдого ряда, По сути вибраторы представляют собой индуктивность, а поперечные электроды образуют емкость резонатора, Зная зэкон расстановки поперечных электродов(функция уг,можно оценить значения емкостей и в соответствии с заданным законом распределения поперечного ВЧ- поля вдоль оси резонатора выбрать период расстановки вибратора. Величина резонансной частоты определяется длиной вибраторов и настраивается на конечном этапе.Величины высших гарл 1 оник ВЧ-поля чсдп(п1) и электростатического поля дгп-(гп 1), зависящие от формы и размеров поперечных электродов и приводящие в общем случае к ухудшению поперечной устой 1669089чивости пучка и снижению продольного захвата, могут быть уменьшены выбором формы поперечного сечения и размеров этих электродов. С ростом энергии частиц и увеличением периода расстановки электродов возрастает противоречивость требования одновременного создания системой электродов равномерного распределения ВЧ-поля и синусоидального распределения статического поля, Как показали численные и аналитические расчеты, наиболее сильное влияние на динамику пучка оказывают высшие гармоники ВЧ-поля. Возможно выравнивание ВЧ-поля за счет увеличения продольного размера электрода, Дополнительным средством такого выравнивания может служить введение дополнительных пар электродов, находящихся под промежуточными по величине статическими потенциалами и расположенными вблизи областей наибольшего отличия ВЧ-поля от равномерного, Эти же электроды могут быть использованы для формирования заданного распределения статического поля. Для экспериментальной проверки электродинамических особенностей устройства создан макет ускбряющей системы. На рабочей длине волны 2 м поперечные электроды представляют собой круглые стержни радиусом 5 мм, установленные с периодом 20 мм. Расстояние между стержнями (радиус канала) 10 мм. Количество продольных электродов 2, поперечных - 32. Экспериментально проверена возмокность настройки распределения ВЧ-поля в системе. Получено согласие с данными расчетов. Радиотехнические пара метры по результатам измерений таковы:Вц,/О . 40 кОм/м, 0=-4000.Формула изобретения Линейный ускоритель ионов, содержа щий источник ионов, вакуумный корпус, вовнутренней полости которого размещена высокочастотная ускоряющая система, выполненная в виде высокочастотного кожуха с расположенными внутри поперечными 15 электродами, смещенными относительнооси источника ионов и закрепленными на парных продольных с 1 ержнях, источники питания высокочастотной ускоряющей системы и источника ионов, ис 1 очник постоян ного напряжения, разноил 1 енные полюсакоторого подключены к парным продольным стержням высокочастотной ускоряющей системы, отл ич а ю щи йс ятем,что, с целью повышения эффективности ускори теля путем повышения темпа ускорения икоэффициента захвата, в высокочастотную ускоряющую систему введены расположенные последовательно в поперечных относительно оси источника ионов плоскостях 30 полуволновые вибраторы, середины которых закреплены на высокочастотном кожухе, а высокопотенциальные концы вибраторов подключены к продольным стеркням высокочастотной ускоряющей си 11 Г) 69089 А Фиг,2Составитель Ю.Самощенков Редактор С,Патрушева Техред М.Моргентал Корректор Н,Кроль Заказ 2660 Тираж 457 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина. 101