Ускоритель ионов

Ускоритель ионов предназначен для получения высокоэнергетических пучков тяжелых частиц и с их помощью потоков вторичных ядерных частиц. Техническим результатом полезной модели 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 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. Между ВЧ - источником, питающим ускоряющие структуры, и инжектором размещено не менее двух ускоряющих структур. Ускоряющие структуры выполнены из расчета нагрузки ускоряющих структур нулевым током. Ускоряющие структуры высокоэнергетической части ускорителя, объединены в группы с ВЧ - питанием от одного клистрона.

Ускоритель ионов предназначен для получения высокоэнергетических пучков тяжелых частиц и с их помощью потоков вторичных ядерных частиц.

Известны импульсные линейные ускорители для протонов, у которых энергия протонов 600-800 МэВ, импульсное значение тока 20-50 мА, среднее значение тока около одного миллиампера. Протяженность такого ускорителя составляет 600-800 метров. Линейные ускорители ионов, т.1, ред. Б.П. Мурин, М. Атомиздат, 1978, с.8.

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: Н05 Н 9/00, 1969; линейные ускорители на стоячей волне с фокусировкой аксиальносимметричными электрическими компонентами высокочастотного ускоряющего поля В.В. Кушин, авторское свидетельство СССР № 269368, МПК: Н 05 Н 9/00, 1969.

Ускоритель ионов на обратной волне принят за прототип. А.С. Богомолов, авторское свидетельство СССР № 392608, МПК: Н 05 Н 9/00, 1969.

Недостатки аналогов и прототипа 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 полезной модели - создание компактного на бегущей обратной волне ускорителя, упрощение схемы ВЧ - обеспечения ускорителя, формирование автоколлимированного пучка ионов (протонов/дейтронов), достижение мегаваттного уровня мощности,

возможность изменения числа ускоряемых частиц в сгустке, достижение ГэВ-ного уровня энергии в моноимпульсном режиме

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 или изменяют режимы ВЧ - питания ускорителя.

Полезная модель обеспечивает 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 полезной модели 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 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, при этом 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 структуры установлен волноводный группирователь сгустков 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 кВЧ - источнику.

Ускоряющие структуры высокоэнергетической части ускорителя выполнены с нарастающим в среднем шагом по направлению к ВЧ - источнику, частота которого кратна частоте ВЧ - источника 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 на обратной волне с монотонным увеличением продольных размеров ячеек.. Сущность полезной модели 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. Выбором продольных размеров ячеек с большими и меньшими размерами по величине от размеров ячеек ускорителя на обратной волне с монотонным увеличением продольных размеров ячеек 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. Она содержит волноводные 3-дБ-мосты сложения ВЧ-мощности, два входных канала моста соединены с двумя выходными по ВЧ концами разных 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.

Работа ускорителя заключается в следующем.

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 одном стандартном 4-МВт-ном источнике ВЧ-питания ускорителя на частоте 433 МГц, а приращение энергии ускоряемых ионов составляет около 120 МэВ. Ток можно изменять от нулевого значения до 2000 мА. Величина приращения энергии ускоряемого

сгустка неизменна. Ускорение одиночного моноимпульса (вне зависимости от числа ускоряемых частиц), позволяет моноимпульсу (сгустку) взаимодействовать с тем значением компонента E_z(z), которое установилось в структурах в отсутствие нагрузки током.

Для достижения технического результата в последовательностях структур, питаемых от одного клистрона, расходуют лишь половину ВЧ-мощности клистрона - 0.5Ркл, а 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 0.5Ркл 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. В этом случае для получения приращения энергии 120 МэВ в схеме суммарная длина структуры 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. В нашем примере из 6 - ти метровых секций. ВЧ-мощность передают из одной структуры в другую по волноводным каналам с ВЧ - выхода

последующей структуры на ВЧ - вход предыдущей (по ходу пучка) структуры. 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 и/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 группирователе и в первой структуре происходит захват сгустка в режим 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.

1. 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.

2. Линейный ускоритель ионов по п.1, отличающийся тем, что между инжектором и инжекционной ускоряющей структуры 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.

3. Линейный ускоритель ионов по п.1, отличающийся тем, что ускоряющие структуры низкоэнергетической части ускорителя выполнены с монотонно нарастающим продольным размером ускоряющих ячеек от инжекционного конца по направлению к ВЧ - источнику.

4. Линейный ускоритель ионов п.1, отличающийся тем, что ускоряющие структуры высокоэнергетической части ускорителя выполнены с нарастающим в среднем шагом по направлению к ВЧ - источнику кратной, 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 на обратной волне с монотонным увеличением продольных размеров ячеек.