Сильноточный линейный ускоритель ионов

 

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к устройствам, в которых происходит ускорение заряженных частиц. Предлагаемый сильноточный линейный ускоритель ионов включает многопучковый ионный источник, генератор ВЧ-колебаний и многоустойчивый ускоряющий резонатор, в котором вдоль оси размещены токопроводящие кольца, внутри которых равномерно по окружности расположены трубки дрейфа с магнитно-твердыми квадруполями. Для поддержки токопроводящих колец использован набор из двух диаметрально расположенных опор, причем опоры соседних колец ортогональны. Для настройки и выравнивания электрического поля на торцах экрана резонатора введены выступы с полутрубками с четырьмя взаимно перпендикудярными штырями, а также контактные устройства, перемещаемые вдоль токопроводящих колец относительно основных опор. Внешнее ВЧ-питание может быть внутренним за счет пропускания соосных с ионными электронных пучков, возбуждающих ускоряющий резонатор и фокусируемых той же системой, что и ионы. Альтернативным более простым вариантом является расположение по оси многопучкового резонатора устройства для генерации ВЧ-колебаний, основную часть которого составляет двухзазорный резонатор. Как в первом, так и втором вариантах энергия электронов преобразуется в энергию ВЧ-колебаний. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к устройствам, в которых происходит ускорение заряженных частиц за счет их эффективного взаимодействия с высокочастотным электрическим полем, и может быть использовано при создании барнер-реактора для трансмутации долгоживущих радионуклидов, содержащихся в радиоактивных отходах атомных электростанций.

Известны сильноточные ускорители протонов Московской Лос-Аламосской мезонных фабрик [1,2] каждая из которых содержит ионный источник с системой формирования и транспортировки пучка, систему высокочастотного (ВЧ) питания и ускоряющие резонаторы. В первой части ускорителя используются резонаторы с трубками дрейфа, установленными на оси и размещенными в них фокусирующими магнитными квадруполями. Однако средний ток такого ускорителя ограничен рядом факторов, таких как продольная устойчивость, технический предел достижимых градиентов магнитного поля в фокусирующих квадруполях, мощность генераторов ВЧ-колебаний и возможности термостабилизации резонаторов. Эти факторы не позволяют достичь среднего тока ускоренного пучка 0,3 А и более, необходимого, например, для эффективной ядерной трансмутации долгоживущих радионуклидов. Кроме того, поперечные размеры резонаторов, работающих на типе колебаний Е₀₁₀, сравнимы с длиной волны генератора и составляют величину более 1,5 м.

Используемые в ускорителях тяжелых ионов резонаторы со встречными штырями более компактны, но сложны в настройке и не решают проблемы фокусировки больших токов в ускоряющем канале.

Наиболее близким к предлагаемому является многопучковый ускоритель, основу которого составляет многоканальный ускоряющий резонатор. В нем традиционные трубки дрейфа при одноканальном варианте представляют собой пластины с несколькими отверстиями, которые совместно с соосными отверстиями соседних пластин образуют набор ускоряющих каналов. Для крепления пластин используется набор держателей. Наличие нескольких ускорительных каналов дает возможность повысить суммарный ускоренный ток. Однако за счет возрастания дополнительной межэлектродной емкости многократно увеличивается требуемая мощность ВЧ-питания, которая и ограничивает достигаемый ускоренный ток пучка. В нем отсутствует возможность вносить самостоятельную юстировку каждого из ускорительных каналов, если будут иметь место погрешности изготовления пластин-электродов. К тому же возникают трудности с размещением в каналах фокусирующих линз, а рекомендуемая для таких систем фазопеременная фокусировка не эффективна для больших токов, чувствительна к неравномерности распределения ВЧ-потенциала вдоль поверхности пластин и не позволяет ускорять сильноточные ионные пучки без потерь, что является необходимым условием для обеспечения радиационной чистоты ускорителя.

Технический результат заключается в том, что в известном сильноточном линейном ускорителе ионов, содержащем генератор ВЧ-колебаний, многопучковый ионный источник, многопучковый ускоряющий резонатор, выполненный в виде цилиндрического экрана с торцевыми стенками и расположенных в нем трубках дрейфа с держателями, закрепленными на внутренней поверхности экрана, держатели выполнены в виде токопроводящих колец, установленных в экране перпендикулярно его оси, при этом равномерно по окружности на токопроводящих кольцах размещены трубки дрейфа, снабженные магнитотвердыми квадруполями, а крепление токопроводящих колец осуществлено посредством двух диаметрально расположенных основных опор таким образом, что в соседних кольцах они расположены в ортогональных плоскостях.

Кроме того, для достижения технического результата в сильноточном линейном ускорителе ионов на торцах экрана многопучкового ускоряющего резонатора выполнены кольцевые выступы с полутрубками, на внешних цилиндрических поверхностях которых установлены с возможностью углового перемещения вокруг оси симметрии резонатора четыре радиально ориентированных штыря, расположенных взаимно перпендикулярно и не имеющих контакта с внутренней поверхностью экрана, а на каждом из токопроводящих колец с трубками дрейфа установлены подвижные контакты, соединяющие внешнюю поверхность токопроводящего кольца и внутреннюю поверхность экрана, причем контакты установлены с возможностью перемещения по окружности кольца относительно основных опор.

Для достижения технического результата в сильноточном линейном ускорителе ионов генератор ВЧ-колебаний выполнен в виде набора высоковольтных электронных источников с системой электродов для формирования электронного пучка и магнитной системой для его фокусировки, установленных соосно дрейфовым трубкам, а величина смещения подвижных контактов относительно основных опор выбрана периодически промодулированной по длине ускорителя.

Для достижения технического результата в сильноточном ускорителе ионов генератор ВЧ-колебаний выполнен в виде высоковольтного источника электронов с системой формирования и транспортировки электронного пучка, расположенной вдоль оси симметрии многопучкового ускоряющего резонатора и выполненной в виде двух отверстий в торцах резонатора и трубки дрейфа электронов с фокусирующими магнитами, расположенной таким образом, что концы трубки дрейфа электронов закреплены на внутренних поверхностях кольцевых выступов, расположенных на торцах многопучкового ускоряющего резонатора, посредством двух или более радиально ориентированных держателей.

На фиг.1 представлен предлагаемый ускоряющий резонатор, входящий в состав сильноточного линейного ускорителя ионов совместно с генератором ВЧ-колебаний, многопучковым ионным источником; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1.

Резонатор содержит цилиндрический экран 1 с торцевыми фланцами 2. Внутри экрана перпендикулярно оси установлены токопроводящие кольца 3, на которых равномерно по окружности размещены трубки дрейфа 4 со встроенными фокусирующими квадруполями на постоянных магнитах. Каждое кольцо крепится на внутренней поверхности экрана посредством двух диаметрально расположенных опор 5 таким образом, что опоры соседних колец взаимно перпендикулярны.

Ускоряющая система работает следующим образом.

На рабочем виде колебаний резонансные элементы-кольца 3 с опорами 5 возбуждаются в противофазе, причем ВЧ-потенциал на каждом кольце имеет минимум в точке крепления опоры, а максимум в средней точке кольца между опорами. Поскольку опоры соседних колец взаимно перпендикулярны, точка с максимумом ВЧ-потенциала каждого кольца расположена напротив точки с минимумом потенциала соседних колец, в результате чего разность потенциалов между трубками дрейфа, расположенными вдоль окружности, остается постоянной. При этом в отличие от известных структур для формирования области ускоряющих полей используется большая часть резонансного элемента (вся окружность кольца), что позволяет минимизировать паразитные емкости, снизить бесполезные ВЧ-потери в электродах и повысить эффективность многопучковой ускоряющей системы. Структура магнитного поля на рабочем виде колебаний имеет квадрупольную симметрию. Силовые линии направлены вдоль оси резонатора, имеют противоположное направление в соседних 90-градусных секторах, образованных экраном 1, кольцом 3 и опорами 5, и замыкаются внутри кольца. Это обеспечивает сильную связь резонансных элементов и высокую добротность резонатора в целом.

Для повышения эффективности ускоряющего резонатора необходимо обеспечить одинаковые амплитуды ускоряющего поля во всех зазорах, поскольку величины зазоров возрастают по мере ускорения ионов, а разность потенциалов между трубками дрейфа спадает на краях резонатора. Как показано на фиг.1, на каждом торцевом фланце резонатора выполнен кольцевой выступ 6 с полутрубками 7, на внешней цилиндрической поверхности которого установлены с возможностью азимутального перемещения четыре взаимно перпендикулярных штыря 8, которые не имеют электрического контакта с внутренней поверхностью экрана, а на каждом из колец с трубками дрейфа установлены подвижные контактные устройства 9, соединяющие внешнюю поверхность кольца и внутреннюю поверхность экрана. Штыри 8 используются для выравнивания поля в первых и последних зазорах резонатора. Регулируя их длину и ориентацию относительно опор, можно полностью компенсировать спад поля на краях, что проверено экспериментально на макете. Для компенсации спада поля в резонаторе с увеличивающимися по длине зазорами используются подвижные контактные устройства 9, позволяющие регулировать собственные частоты отдельных ячеек резонатора. Работоспособность их также подтверждена экспериментально.

Число параллельных ускорительных каналов n, кроме конструктивных соображений, будет определяться предельным током ускоренных частиц в одном канале I_1пред. Если требуемый ток равен 1, то число каналов n=1/1_1'пред.

Например, на кольце диаметром 50 см можно разместить 30 трубок дрейфа диаметром по 5 см каждая. Если принять ускоренный ток в каждом канале равным 10 мА, то общий ток ускорителя составит 0,3 А. Это значение не является пределом для предлагаемой ускоряющей системы и может быть повышено как за счет увеличения количества каналов, так и за счет ускорения больших токов в каждом канале.

Таким образом предлагаемая ускоряющая система способна ускорять ионные токи 0,3 А и более с минимальными затратами ВЧ-мощности.

Мощный ВЧ-генератор является наиболее громоздкой и дорогой частью сильноточного ускорителя ионов, принци- пиальные трудности возникают также при вводе большой ВЧ-мощности в резонатор. Для достижения технического результата предлагается совместить мощный ВЧ-генератор с ускоряющей системой. Для этого каждый из ускоряющих каналов снабжен высоковольтным источником электронов и системой электродов, формирующей электронный пучок, соосный ионному. Элементы настройки при этом смещены относительно средних положений таким образом, что амплитуды ускоряющих полей в зазорах находятся в соответствии с соотношением E_i= E1+b_isin , где Е_i напряженность электрического поля в i-ом зазоре; Е_о среднее значение амплитуды электрического поля в зазорах резонатора; l_i расстояние от первой полутрубки до центра i-го зазора; v_эi скорость электронов в i-ом зазоре; с скорость света; рабочая длина волны ВЧ-колебаний; b_i коэффициент модуляции поля, выбираемый в пределах 0<b<SUB>i

Энергия электронного пучка выбирается так, чтобы одновременно осуществлялась фокусировка как ионного, так и электронного пучка (возможно, в разных областях устойчивости). В силу того, что электроны имеют существенно большую скорость, электронный пучок в среднем не взаимодействует с основной ускоряющей гармоникой. Модуляция амплитуды электрического поля по заданному закону приводит к появлению в ускоряющем канале быстрой пространственной гармоники, фазовая скорость которой близка к скорости электронов. При взаимодействии этой гармоники с электронным пучком происходит преобразование его кинетической энергии в энергию ВЧ-колебаний на основной частоте резонатора (подобно тому, как это происходит в известной лампе бегущей волны). При этом исключаются технические трудности ввода большой ВЧ-мощности в резонатор, отсутствуют потери в подводящих фидерах и сокращаются габариты и стоимость установки в целом.

Совмещение в одном фокусирующем с помощью квадруполей на постоянных магнитах канале ионного и электронного пучков накладывает дополнительные требования на режим фокусировки, требует определенного соотношения скоростей ионов и электронов и ограничивает коэффициент преобразования энергии электронного пучка в энергию ВЧ-колебаний величиной 30-50% Многопучковый электронный источник с системами формирования может быть осуществлен в виде единого комплексного устройства и входить в состав многопучкового источника ионов, а может быть составлен из n параллельных элементов.

Для достижения технического результата, предусматривающего повышение КПД мощного генератора ВЧ-колебаний, совмещенного с ускоряющим резонатором, и упрощение его конструкции, узел генерации ВЧ-колебаний, включающий высоковольтный источник электронов, систему формирования и канал для электронного пучка, размещен по оси резонатора (фиг.1).

Канал содержит отверстия 10 в торцевых фланцах, выполненные на оси резонатора, трубку дрейфа электронов 11 с фокусирующими магнитами и зазоры 12, 13 в начале и конце резонатора. Каждый из концов трубки дрейфа закреплен на внутренней поверхности кольцевого выступа 6 посредством двух или более держателей 14.

Устройство работает следующим образом.

При возбуждении в резонаторе рабочего типа колебаний в зазорах между трубкой дрейфа электронов и торцевыми фланцами возникает электрическое поле, взаимодействуя с которым, электронный пучок группируется и отдает свою кинетическую энергию. Количество, ориентация и длина держателей трубки дрейфа выбираются исходя из условий получения амплитуд полей в зазорах, требуемых для эффективного взаимодействия с электронным пучком. Электронный пучок с энергией 0,5 МэВ и выше может возбуждать сразу несколько резонаторов, при этом его параметры никак не связаны с параметрами ионного канала. Как показывают расчеты и макетирование сверхмощного ВЧ-усилителя "Реготрон", проведенные в МРТИ РАН, коэффициент полезного действия подобной системы может превышать 80% при генерируемой мощности 10 МВт и более в непрерывном режиме.

Следует особо подчеркнуть, что как в многопучковой, так и в однопучковой системах возбуждения ВЧ-мощности необходимо минимизировать потери электронов, так как электронные пучки (или один пучок) можно использовать многократно для возбуждения всех, расположенных по длине резонаторов, в которых ионы ускоряются до энергии необходимой величины.

Для повышения эффективности преобразования мощности электронного пучка в ВЧ-мощность в начале и между резонаторами может быть предусмотрено размещение группирователей.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет решить проблему создания сильноточного линейного ускорителя ионов с параметрами, удовлетворяющими требованиям электроядерного бридинга или трансмутации долгоживущих радиоактивных отходов. Оно дает возможность отказаться от дорогостоящего внешнего ВЧ-питания ускорителя и за счет многопучковости ослабить проблему использования мощного ионного пучка (мощность пучка равна около 450 МВт.

Формула изобретения

1. СИЛЬНОТОЧНЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ИОНОВ, содержащий генератор ВЧ-колебаний, многопучковый ионный источник, многопучковый ускоряющий резонатор, выполненный в виде цилиндрического экрана с торцевыми стенками и расположенных в нем трубок дрейфа с держателями, закрепленными на внутренней поверхности экрана, отличающийся тем, что держатели выполнены в виде токопроводящих колец, установленных в экране перпендикулярно его оси симметрии, при этом равномерно по окружности на токопроводящих кольцах размещены трубки дрейфа, снабженные магнитотвердыми квадруполями, а крепление токопроводящих колец осуществлено посредством двух диаметрально расположенных основных опор так, что в соседних кольцах они расположены в ортогональных плоскостях.

2. Ускоритель ионов по п. 1, отличающийся тем, что на торцах экрана многопучкового ускоряющего резонатора выполнены кольцевые выступы с дрейфовыми полутрубками, на внешних цилиндрических поверхностях которых установлены с возможностью углового перемещения вокруг оси симметрии резонатора четыре радиально ориентированных штыря, расположенных взаимно перпендикулярно и не имеющих контакта с внутренней поверхностью экрана, а на каждом из токопроводящих колец с трубками дрейфа установлены подвижные контакты, соединяющие внешнюю поверхность токопроводящего кольца и внутреннюю поверхность экрана, причем контакты установлены с возможностью перемещения по окружности кольца относительно основных опор.

3. Ускоритель ионов пп. 1 и 2, отличающийся тем, что генератор ВЧ-колебаний выполнен в виде набора высоковольтных электронных источников с системой электродов для формирования электронного пучка и магнитной системой для его фокусирования, установленных соосно с дрейфовыми трубками, а величина смещения подвижных контактов относительно основных опор выбрана периодически промодулированной по длине ускорителя.

4. Ускоритель ионов по пп.1 и 2, отличающийся тем, что генератор ВЧ-колебаний выполнен в виде высоковольтного источника электронов с системой формирования и транспортировки электронного пучка, расположенной вдоль оси симметрии многопучкового ускоряющего резонатора и выполненной в виде двух отверстий в торцах резонатора и трубки дрейфа электронов с фокусирующими магнитами, при этом концы трубки дрейфа электронов закреплены на внутренних поверхностях кольцевых выступов, расположенных на торцах многопучкового ускоряющего резонатора, посредством двух или более радиально ориентированных держателей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2