Линейный резонансный ускоритель ионов

 

Использование: ускорительная техника, ускорители заряженных частиц с широким диапазоном массового состава. Сущность изобретения: за инжектором 1 расположена ускоряющая структура 2, в которой содержатся несколько сменных резонаторов 8, размещенных в общем вакуумном кожухе 11. Смена резонаторов 8 и установка их под пучок, поступающий из инжектора 1, осуществляется без нарушения вакуума. Общая система ВЧ-питанИя обеспечивает подачу ВЧ-мощности в каждый из резонаторов 8 после установки его под пучок Основная часть 7 ускорителя является стационарной и рассчитана на ускорение частиц с постоянным отношением заряда к массе, которое обеспечивается перезарядной мишенью. В ускорителе предусмотрена установка многоапертурных трубок дрейфа , обеспечивающих повышение интенсивности пучка. 1 з.п. ф-лы, 2 ил, 17 4 5 7 (Л С М СП м со 15

„„ЯЦ ÄÄ1 757134 А1

СОЮЗ СОВЕ ТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧГСКИХ

РГСПУБЛИК (И)з Н 05 Н 7/00

ГОСУДАРСТВЕННЬМ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И.ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР .. . .".,.;:. :: - -:,: . : ;.;:::..: .. . :. ". ырдаю, у °

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 (21) 4»874792/21: - ::; -::.-. : " (57) Йспользов»ани»е: ус»корйтельная техника, . (22) 23;08.90 " — :::;:::.:- . -::-::.:.,:,:;:-,-: - :::: ускорители заряженных частиц с широким (46) 23.08,92,- Б»фл, М 31,;,;:: -",::. -диапазоном массового" состава. Сущность

-: (71) Институт теоретичес»кой и эксперимен-, :-::.изобретения: за тельной физики " : .. :: .,: .. . -:-:::::-"-, :- ::-.:::..:.:. ускоряющ»ая структура 2, в которой содер(72) M.Ë.Ãóñåê B.В.Кушин, А.Ю;Орешников;". -.. "жатся несколько "сменных "резонаторов 8, С,В,Плотников; Д.Н.Селезнеs, И.В.Хоменко" ":размещенных в общем вакуумном кожухе .и В.C,Ñòîëáóíîs" ..::,-:,- ". :::::.: -:,,:::; .,:: ::"::-::: 11, Смена резонаторов 8 и установка их под (56) Безногих Ю.Д.:О павы»шении интенсив-. "- пучок, поступающий из инжектора 1, осуще:- ности ускоренных пучков Фдер в протонных . ствляется без нарушенйя вакуума. Общая линейных ускорителях. Преприйт ОИЯИ Р9- : система ВЧ-питания обеспечивает подачу

9592, Ду»бйа, 1976; : :-:= ": -:;:: ВЧ-мощностй в каждый из резонаторов 8

Плотников С.В. Резонансные ускоря»ю- : .. после уста»неявки ето под пучок, Основная щие"структуры типа прямоугольных Н=резо- " часть 7 ускорителя является стационарной и наторов для ускорителей ионов":с - "рассчитана на ускорен»ие частиц с постоянфазопеременной фокусировкой. — М7Э.. ным отношением заряда к массе, которое

1990, М 1, с,41. .; ..::. -::: ..-:, ::-,:,:-:::: —:: обеспечивается riepesapsiäíîé мишенью. В . - ускорителе предусмотрена установка мно(54) ЛИНЕЙНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ УСКО- .: гоапертурныхтрубокдрейфа, обеспечиваРИТЕЛЬ ИОНОВ.;:. . - ":, .:--::.::.."::: - -: ющих повышение интенсивности пучка. l з.п. ф-лы, 2 ил;

Яб 10. Ё" !1 17 Х 7

3 1757134 .. 4

Изобретение отйосйтся к ускоритель - "что"не всегда возможно из-за загруженноной технике, в частности к линейным ре- . " сти программы работы ускорителя. VpoMe зонанс I M ускорителям ионов, и может . того, поскольку фокусное расстояние ионобйть использовано при создании новых:: оптической системы выбрано из расчета и реконструкции действующих ускорите- 5 обеспечения кроссовера пучка на входе релей,::" ::.,: . .::::::,;,, ::. : -. -:: . :::::. :::: зонаторов Альвареца, то при размещении

Известен линейный резонанснйй уско-: дополнйтельной секции в середине согласуритель ионов, содержащий злектростатиче- " " ющето канала происходит потеря значиский инжектор с длиннофокусной тельной части пучка ионно-.оптической системой и ускоряющую 10 Целью изобретения "является повышесистему, включающую резонатор начальной — ние. эффективности использования ускори части с трубками дрейфа, которые зэпиты- теля за счет сокращения времени перехода ваются ВЧ-мощностью в режиме ускорения к ускорению ионов с различными отношени тяжелых йонов и отключаются при ускоре-: ями заряда к массе и увеличение интенсивнии протонов, и оконечную часть, содержа- 15 ности ускоренных пучков., щую резонатор с трубками дрейфа, а,, Поставленнаяцельдостигается тем,что

" которьге протоны ускоряются в стандарт- в лййейном резонансном "ускорителе, соном режиме,:а тяжелые ионы ускоряются в держащем ускоряющую структуру, состоярежиме кратного дрейфа,- - ;:..:,-: :,.::;:, "", ." .::: щую из основной части в .. виде

Недостатком такого ускорителя являет-"20 стациоíàрных ускоряющих резонаторов ся сравнительно длительный процесс пере- для ионов с зэданйым отношейием заряда к хода от ускорения протонов к ускорению массецо/rripиучасткапредварительйогоус-, тяжелых ионов; что связано с трудоемким: корения, включающего набор из k сменных и р оцессом перена ла дки режи мов работы ускор яющих рез онаторо в с трубками дрейускорителя. Кроме того, при переходе к ус- 25 фа, кэждый йз которых рассчитан на ускорекорению ионов с отйошением заряда к мас- -:; ние ионов с" конкретным отношением се 1/4 и ниже"происходит резкое снижение, заряда к массе qi/mi (i =..1,2:...„k), систему интенсивности ускоренных ионов из-за нео- ВЧ-питания ускоряющйх резонаторов, блок птимальной фокусировки пучка ионов в ка-; перезарядки ускоренного пучка, размещеннале ионно-оптической системы.:: :-,: 30 ный между участком предварительного усИзвестен также"линейный резонансный . корения кг основной частью ускоряющей ускоритель ионов (прототип), содержащий . : структуры, Согласующую лйнзу с кроссовеэлектростатический инжектор с длиннофо- ром пучка йа входе в основную часть струккусной ионно-оптической системой и уско- туры и электростатический инжектор формирующий параллельный пучок ионов диаметром D, система ВЧ-питания снабжестационарную часть, выполненную на осно: ве резонаторов типа Альвареца с трубками на коммутирующим устройством для подачи дрейфа и рассчитанную на ускорение ионов .:- мощности в 1-й сменный резонатор при усс задэннь м отношением заряда к массе . корении ионов сотношением заряда кмасqp/гп; и участок предварительного ускоре- 40 се ц;/mi, сменные резонаторы размещены в.: ния с набором из k сменных секций, выпол- общем вакуумном кожухе, электрически ненных на основе компактных ускоряющих разделены друг от друга металлическими

Н-резонаторов с фазопеременной фокусй- экранами и закреплены на обечайке вакуровкой для ускорения более тяжелых иойов умного кожуха с помощью вертикальных с отношением заряда к массе q /m (i = . металлических опор с подвижными контак1,2„...k), каждая из которых устанавливает- 45 тными группами для йоперечного сдвига ся при необходимости перед входом в ре- " каждого из сменных резонаторов нэ расзонаторы Альвареца нэ участке стояние h, в каждой трубке дрейфа выполсогласующего канала для предваритель- нено N отверстйй и перед каждым из ного ускорения ионов до скорости, необсменных ускоряющих резонаторов на расходимой для перезэхвата и дальнейшего 50 стоянии L от первой трубки дрейфа рэзмеускорения ионов в основной стационар- " щен соосйый с трубками дрейфа ной части ускоряющей структуры в режиме: N.ýïåðòóðíый коллимэтор, который жестко кратного дрейфа.. :-. -..: . -, соединен с корпусом этого резонатора, Недостатком этого ускорителя также прйчем каждая трубка дрейфа имеет диаявляется длительный процесс перехода от 55 метр приблизительно равный О, а величина

" ряющую структуру, включающую основную 35. ускорения протонов к ускорению ионов и обратно, так как зто связано с необходимо стью установки и снятия дополнительной секции в канале действующего ускорителя, >

D, О, h, L связаны соотношениями

d = D/ /Я, h = О, 1 = n / А (n =- 1, 2), 1757134

5 6

В блоке перезарядки рззмещейы M об- фа. Сменные резонаторы раэделяены друг дирочных мишеней, соосных с аппертурны- от друга электрически с помощью метзллими отверстиями трубок дрейфа сменных ческих экранов 10 и раэмещейы в общем резонаторов.: .. .. вакуумном кожухе.11, Каждый иэ сменных

Введение металлических опор с по- резонаторов закреплен на обечайке кожуха движными контактными группами позволя- 5 с помощью металлических опор 12, снзбет оперативно, в теченйе нескольких мийут, . женных подвйжнь1ми контактными группзперестраивать ускоря юще-фокусирующий ми 13, которые"обеспечивают возможност:, канал для перехода к ускорению другОro йоперечного перемещения резонаторов для сорта ионов и тем самым значительно"со- вьгвода трубок дрейфа с оси ускорения. На кращает время простоя ускорителя;:::. :,: .;-" : 10 входе каждото иэ сменных резонаторов усВведение подвижного многоапертур- тановлен многоапертурный колллиматор ного коллиматорз позволяет подготовить 14, который жестко закреплен на корпусе широкйй исходный пучок к ускорению в - резонатора с помощью металлического демногоканальной ускоряющей структуре и ржателя и расположен на расстоянии n/31 снизить нагрузку пучков в резонаторе; 15 от первой трубки дрейфа данного реэонаИспользование многокгнальньЖ трубок тора, дрейфа позволяет повысить интенсивность Как видно из фиг.2, резонатор имеет ускоренного" пучка в системе с длиннофо - прямоугольное поперечное-сечение и к его кусной ионно-оптической системой, йеопти- " боковым стенкам "поочередно присоедине мальной для ионов с отношением заряда к 20 ны трубки 9 дрейфа; à со стороны входа к массе, отличным от расчетного. .:,-;- :":::.."., .. середине днища корпуса Н-резонатора 8

Ведейие в систему ВЧ-питания к омм у- присоедине н колл им ат ор "l4. Основная тирующего устройства позволяет регулиро - часть структуры (фиг;1) состоит иэ стациовать фазоамплитудные характеристики нарных резонаторов 15, рассчитанных на мощности, подавает4ой в каждый из смен- 25 ускорение иойов c îáðåäåëåííûì отношеных резонаторов ускорителя, -обеспечйть нием заряда к массе qi/mi.

ВЧ-согласование.и устойчивость работы ус- ; Система ВЧ-питаний снабжена коммукорителя.: " ".:,. :,:, . .-:.: .--- ", тирующим устройством 16 для подачи мощРаэмещение всех сменных резонатороВ нос и в каждый из сменных резонаторов, вобщем вакуумном кожухеупрощает конст - 30 например в i-й резонатор при ускорерукцию вакуумной системы. :::,:::. ;: ...-:..,"- . нии ионов с отношением заряда к массе

Введение металлических экранов . qi/mi {! = 1,2,...,k). междусменными резонаторами обеспечи- . В блоке 4 перезарядкй йучка предусвает ВЧ-развязку резонаторов друг отдру- мотрены мишени 17 для обдирки каждого из га., . - - .:., 35 ускоренных пучков.

Разбиение ширкоой обдирочной "ми- - Ускоритель работает следующим обрашени диаметром О на M малых мишеней " зом. диамиетром Д = О/М упрощает технологию В исходном положений:все трубки д,ейизготовления мишеней и повышает их фз, закрепленныенасменныхрезонаторах, прочность и эксплуатационнув надеж- 40 выведены с оси ускорения за счет попе еч ного смещения резонаторов на расстояние

На фиг.1 приведена схема построения h Э, Пучок ионов с отношением заряда к ускорителя джля ионов с различййми от- массе ц,/mp, сформированный вфоринжекношениями заряда к массе (для случая k торе, дрейфует через канал предваритель2); на фиг.2-- одна иэ ячеек участка пред- 45 ного ускорения и попадает на вход варительного ускорения, попере ное сече-,".тационарных резонаторов,. где осуществние., ляется Gl o ускорение до заданной энергии.

Ускоритель содержит инжектор 1, фор- При необходимости ускорения ионов с отномирующий параллельный пучок йонов,уско- шением заряда к массе р;/mi производятся ряющую структуру 2, систему ВЧ-питания 50 следующие процедуры, ускоряющих резонаторов 3, блок 4 переза- Производится вертикальное перемещерядки ускоренного пучка и согласующую ние!-ro резонатора 8 иэ участка 6 предварилинэу 5..: -.-, :.::"- . тельного ускорений С помощью опор 12 с

Ускоряющая структура 2 состоит из уча- тем, чтобы оси установленных на нем мностка 6 предварительного ускорения и основ- 55 гоапертурных трубок 9 дрейфа и коллиматоной части 7. Участок предварительного ра 14 совпали с осью ускорения. ускорения содержит k расположенных друг Производится устайовка мишеней 17 задругомкомпактныхсменныхН-резонато-- блока 4 перезарядки и совмещение осей ров 8 с многоапертурн ыми трубками 9 дрей1757134 каналов ускорения (апертур трубок дрейфа

I-ro резонатора) и мишеней.

Производится переключение коммутирующего устройства 16 системы ВЧ-питаВЧ-питания ускоряющих резонаторов, сменный блок перезарядки ускоренного пучка, размещенный между участком предварительного ускорения и основной частью ния резонаторов 3 в положение, 5 ускоряющей структуры, согласующую линзу соответствующее подаче мощности в I-й резонатор, с кроссовером пучка на входе в основную часть ускоряющей структуры и электростаВ инжекторе 1 формируются ионы с от- тический инжектор с одним ускоряющим найошением заряда к массе qi/mi, и сформи- . пряжением,.о т л и ч а ю- шийся тем, что, рованный параллельный пучок дрейфуют до 10 с целью повышения эффективности исвхода в 1-й резонатор, где производится его пользования ускорителя за счет сокращеразбиение на N каналов и ускорение до ния времени перехода к ускорению ионов эйергии; при. которой осуществляется переэахват и ускорение ионов в стационарных с различным отношением заряда к массе и йовышения интенси вности ус коренйых резонаторах 15 основной части 7 ускоряю- 15 пучков, в ускоритель ионов введены комщей структуры.:::..:.,::::,:.-; -;...::::. ;:,- .:.. :-. : -",;, мутатор.и несколько коллиматоров, коммуКаждый из Nускоренных пучков проxo- ..: татар выполнен с возможностью дит через соответствуЮщую обдирочную . "подключения системы ВЧ-питания к кажмишень 17 и изменяетэарядтаким образом,:. дому из сменных ускоряющих резонаторов чтобы равновесный заряд соответствовал 20 при установке их соосно со стационарным значению слlпц или был по краййей мере::. -ускоряющим резонатором, каждый из колкратен этомуотношению,::-:, .:: -:- .- -:, ;,:.:::: .: лиматоров размещен перед каждым из

Ускоренййе и перезаряженные пучки сменных ускоряющих резонаторов соосно проходятсогласующую линзу 5 с"кроссове- с его трубками"дрейфа и жестко соединен

25 ром суммарного пучка, совпадающим с вхос корпусом этого резонатора, сменные редом в первую трубку дрейфа стационарных зойаторы размещены в общем вакуумном резонаторов 15, где пройэводится их пере- " кожухе, электрически разделены друг от

При переходе- к ускорейию ионов с

30 ойорах с подвижными контактными груп: др уг им отношением заряда к м ассе на

ocb ускорителя вводятся трубки дрейфа соответствующего резонатора, а трубки дрейфа 1-ro резонатора выводятся с оси; пами для поперечного сдвига каждого из сменных резонаторов, при этом выполнены условия

h =«.О, L= и/3Х

И повторяются все описанные процедугде h — величина поперечного сдвига каждого из сменных резонаторов, м;

P bl.

По сравнению с прототипом в предложенном решении удается свести к минимуму время перехода к ускорению ионов с

0 — диаметр трубок дрейфа, м, 40

L — расстояние между коллиматором и разными отношениями заряда к массе и по. высить максимальный ускоряемый ток при

: использовании в согласующем канале длиннофокусной ионно-оптической системы за счет введения подвижного многоапертурнопервой трубкой дрейфа каждого из сменных резонаторов, м;

А — длина волны системы ВЧ-питания, м;

: P — нормированная на скорость света фаго коллиматора и многоапертурных трубок дрейфа.

Формула изобретения

1, Линейный резонансный ускоритель ионов, содержащий ускоряющую структуру, состоящую из основной части, выполненной в виде стационарных ускоряющих резонаторов для ионов с однйм отношени ем заряда к массе q>/mo и участка предварительного ускорения, включающего несколько сменных ускоряющих резонаторов с вакуумным кожухом и трубками дрейфа, каждый из которых рассчитан на ускорение ионов со своим отношением заряда к массе qt/mi (1 = 1. 2, ..., k), систему

45 эовая скорость ускоряющей волны в начальной части первого сменного ускоряющего резонатора (безразмерна);

n = 1,2,3,;;. — порядковый йомер сменного ускоряющего резонатора.

2. Ускоритель по п.1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что каждая трубка дрейфа сменного ускоряющего резонатора и каждый коллиматор содержит несколько апертурных от55 верстий, а сменный блок перезарядки ускоренного пучка содержит несколько мишеней, соосных с апертурными отверстиями трубок дрейфа и коллиматоров, flDM этом выполнены условия захват и дальнейшее ускорение до задан- друга металлическими экранами и за:: HoA энергии, ::: .: .... :"-, . :::.-:: -креплены вйутри вакуумного кожуха на где d — диаметр алертурных отверстий, м:

Π— диаметр трубок дрейфа., М;

N — число апертурНых отверстйй.

Редактор О.Юрковецкая Техред М.Моргентал Корректор И. Шулла

Заказ 3101 . Тираж ...Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушскэя наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101