УСКОРИТЕЛЬ-ТАНДЕМ С ВАКУУМНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
VACCUM-INSULATED TANDEM ACCELERATOR

Изобретение относится к технике ускорителей и может быть применено для создания ускорителей заряженных частиц, а также устройств на их основе. Такие устройства могут применяться для исследования в области физики атомных и ядерных столкновений, в полупроводниковой промышленности для ионной имплантации, в медицине для нейтронной и нейтронозахватной терапии рака, в системах безопасности для обнаружения взрывчатых и наркотических веществ.
Ускоритель заряженных частиц - это устройство для получения заряженных частиц высоких энергий. В основе работы ускорителя заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Конструктивно ускорители можно разделить на две большие группы. Это линейные ускорители, где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители, в которых пучок движется по замкнутым кривым, проходя ускоряющие промежутки много раз.
В наиболее простом линейном ускорителе заряженные частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно в ускорительной трубке, к концам которой приложено высокое напряжение. Конструктивно ускорительную трубку изготавливают в виде чередующихся кольцевых изоляторов и электродов. Внутри ускоряющей трубки создают вакуум, область снаружи при необходимости заполняют изоляционным газом под давлением, обычно элегазом. Напряжение на промежуточные электроды подают посредством резистивного делителя. Источник ионов располагают под высоковольтным потенциалом.
Перезарядный ускоритель заряженных частиц (тандем) был предложен в середине XX века. Он состоит из двух ускорительных трубок и обдирочной (перезарядной) мишени между ними, находящейся под высоким потенциалом. Ускоренный отрицательный ион водорода при взаимодействии с обдирочной мишенью превращается в положительный, и далее ускоряется во второй ускорительной трубке тем же самым потенциалом. Использование дважды одного и того же ускоряющего напряжения позволяет увеличить в два раза конечную энергию однозарядных частиц и в несколько раз - многозарядных. Немаловажным достоинством тандемных ускорителей является размещение источника ионов под заземленным потенциалом.
Наибольшее коммерческое распространение получили ускорители-тандемы в комплексах ускорительной масс-спектрометрии и ионной имплантации с характерным током пучка менее 1 мА (миллиампер). Обычно в таких тандемных ускорителях применяют газовую обдирочную мишень, выполненную в виде трубки с напуском газа посередине.
Взаимодействие ускоряемого пучка заряженных частиц с остаточным газом в вакуумном объеме приводит к появлению электронов, ионов и излучения ультрафиолетового диапазона, которые уменьшают высоковольтную прочность ускоряющих вакуумных зазоров и вакуумных поверхностей изоляционных колец ускорительной трубки.
Для сохранения высоковольтной прочности ускоряющих вакуумных зазоров при увеличении тока пучка предлагают различные решения, в том числе ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией.
Впервые ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией предложен в работе 1994 года [G. Proudfoot, R. McAdams, A.J.T. Holmes. A new design of a compact high current ion accelerator. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research В 89 (1994) 1-7]. Предложение состоит в том, что весь ускоритель-тандем помещается в вакуумный объем. Т.е. вакуум создается не только внутри ускорительной трубки, но и в области снаружи, которая в традиционных устройствах заполнена элегазом. В описании ими оформленного патента US 5293134 от 08.03.1994 подчеркивается, что это предложение позволяет избавиться от применения потенциально опасного и дорогостоящего элегаза.
Позднее в работе 1998 года [В. Bayanov et al. Accelerator based neutron source for the neutron-capture and fast neutron therapy at hospital. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 413/2-3 (1998) 397-426] также был предложен ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией, принципиально отличающийся от описанного выше. Основная идея заключалась не в том, чтобы избавиться от применения элегаза, а в том, чтобы отнести изолятор подальше от пучка заряженных частиц для сохранения высоковольтной прочности вакуумного зазора. В таком ускорителе-тандеме с вакуумной изоляцией ускорительные трубки как таковые отсутствуют. Распределение потенциалов задается вложенными электродами, образующими многослойную конструкцию, закрепленную на вакуумной части единственного секционированного проходного изолятора, заполненного элегазом. Изолятор находится вне прямой видимости из области прохождения пучка. Внутри проходного изолятора расположены коаксиальные трубы, передающие потенциал на высоковольтный электрод от источника высокого напряжения и на промежуточные электроды от омического делителя, установленного на газовой части проходного изолятора. Источник высокого напряжения и газовая часть проходного изолятора размещены в едином объеме, заполненном элегазом под давлением.
Идея ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией была развита в работе [P. Beasley, О. Heid, Т. Hugles. A new life for high voltage electrostatic accelerators. Proc. of the International Particle Accelerator Conference, Kyoto, Japan (2010) 711-713]. Ими предложено использовать естественную емкость между электродами. Если разрезать вложенные электроды пополам и соединить их в виде лестницы диодами, то реализуется каскадный генератор Кокрофта-Уолтона (умножитель напряжения) прямо внутри вакуумного объема ускорителя. Однако авторы этого предложения не рассматривали технологические аспекты практической реализации такой конструкции.
В качестве прототипа выбрана конструкция ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией, описанная в работе [B. Bayanov et al. Accelerator based neutron source for the neutron-capture and fast neutron therapy at hospital. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 413/2-3 (1998) 397-426].
Схема прототипа представлена на Фиг. 1. На Фиг. 1 показаны:
1 - источник отрицательных ионов водорода,
2 - тракт транспортировки пучка отрицательных ионов водорода низкой энергии,
3 - ускоритель,
4 - вакуумный насос,
5 - промежуточные электроды,
6 - высоковольтный электрод,
7 - газовая обдирочная мишень,
8 - проходной изолятор,
9 - высоковольтный источник питания.
-
Прототип состоит из источника отрицательных ионов водорода 1, тракта транспортировки пучка 2 и ускорителя 3, в котором имеются высоковольтный 6 и промежуточные электроды 5, газовая обдирочная мишень 7, вакуумный насос для откачки газа 4 и проходной изолятор 8, на котором крепятся электроды. Потенциал на высоковольтный и пять промежуточных электродов ускорителя подается от высоковольтного источника напряжения 9 ( часть не показана) через проходной изолятор, в котором установлен омический делитель. Пучок отрицательных ионов водорода, создаваемый источником 1, транспортируется по тракту транспортировки пучка 2 до ускорителя 3, в котором ускоряется до энергии 1 МэВ. В газовой (аргоновой) обдирочной мишени 7, установленной внутри высоковольтного электрода 5, отрицательные ионы водорода превращаются в протоны, которые тем же потенциалом 1 MB доускоряются до энергии 2 МэВ. Стрелками на Фиг. 1 показаны направление движения отрицательных ионов водорода (Н) и протонов (p).
На ускорителе после уменьшения темнового тока до приемлемого уровня [В.И. Алейник, А.А. Иванов, А.С. Кузнецов и др. Темновые токи ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией. Приборы и техника эксперимента. Том 5, 2013, стр. 5-13], оптимизации ввода в ускоритель пучка отрицательных ионов водорода [В.И. Алейник, А.Г. Башкирцев, А.С. Кузнецов и др. Оптимизация транспортировки пучка отрицательных ионов водорода в ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией. Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. №1 (20), 2013, стр. 47-55] и оптимизации их обдирки в газовой обдирочной мишени внутри высоковольтного электрода [В.И. Алейник, А.С. Кузнецов, И.Н. Сорокин и др. Калибровка обдирочной мишени ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией. Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. №1 (50), 2013, стр. 83-92] ток протонного пучка был увеличен с начальных значений в районе 140 мкА [Кузнецов А.С., Малышкин Г.Н., Макаров А.Н. и др. Первые эксперименты по регистрации нейтронов на ускорительном источнике для бор-нейтронозахватной терапии. Письма в ЖТФ, 2009, том 35, выпуск 8, стр. 1-6] до величины 1,6 мА [D. Kasatov, A. Kuznetsov, A. Makarov et al. Proton beam of 2 MeV 1.6 mA on a tandem accelerator with vacuum insulation. Journal of Instrumentation 9 (2014) P12016], стабильной в течение времени более часа. При выяснении причин ограничения тока в канале ускорения отрицательных ионов водорода обнаружен и измерен значительный по величине поток сопутствующих электронов и встречный поток положительных ионов, образующихся в ускорительном канале и обдирочной мишени [Д.А. Касатов, А.Н. Макаров, С.Ю. Таскаев, И.М. Щудло. Регистрация тока, сопутствующего ионному пучку в ускорителе-тандеме с вакуумной изоляцией. Письма в ЖТФ 41 (2015)74-80].
В результате проведенных исследований выяснено, что основной недостаток прототипа состоит в том, что в ускорительном канале протекают паразитные токи, значительные по величине, которые приводят к неконтролируемому переносу заряда, к изменению потенциалов электродов и, как следствие, к потере высоковольтной прочности вакуумных ускоряющих зазоров, проявляющейся в виде пробоев по высокому напряжению. Данное обстоятельство ограничивает ток протонного пучка.
Изобретение направлено на подавление паразитных потоков заряженных частиц в ускорителе-тандеме с вакуумной изоляцией.
Для решения поставленной задачи в известном устройстве, содержащем источник отрицательных ионов водорода, тракт транспортировки пучка отрицательных ионов водорода низкой энергии и ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией, установлены дополнительные элементы (Фиг. 2).
На Фиг. 2 показаны:
1 - источник отрицательных ионов водорода,
2 - тракт транспортировки пучка отрицательных ионов водорода низкой энергии,
3 - ускоритель,
4 - вакуумный насос,
5 - промежуточные электроды,
6 - высоковольтный электрод,
7 - газовая обдирочная мишень,
8 - проходной изолятор,
9 - высоковольтный источник питания,
10 - вакуумный насос,
11 - металлическое кольцо (электрод),
12 - охлаждаемая металлическая диафрагма с сеткой,
13 - сетка.
На входе в ускоритель 3 установлена охлаждаемая металлическая диафрагма 12 с отверстием - диаметром поперечного размера пучка, в креплении которой предусмотрена возможность ее перемещения для центрирования относительно оси пучка. Диафрагма отделяет тракт транспортировки пучка отрицательных ионов водорода от ускорительного канала. Установка диафрагмы позволяет значительно уменьшить поток газа и ультрафиолетового излучения из источника отрицательных ионов водорода в ускорительный канал. Поверхность охлаждаемой диафрагмы 12 со стороны ускорителя покрыта сеткой из металлической проволоки, подача отрицательного потенциала на которую должна приводить к запиранию вторичных электронов, возникающих при облучении положительными ионами стенок вакуумной камеры. На выходе ускорителя поверхность вакуумного бака также покрыта сеткой 13, на которую подается отрицательный потенциал для запирания вторичных электронов.
На фланец вакуумного объема на входе в ускоритель установлен вакуумный насос 10 с высокой скоростью откачки газа, который позволит улучшить вакуумные условия как в тракте транспортировки пучка, так и в ускорительном канале.
Между выходом тракта транспортировки пучка 2 и охлаждаемой диафрагмой 12 установлено металлическое кольцо (электрод) 11, подача отрицательного потенциала на которое должна была приводить к запиранию потока электронов, сопутствующих пучку отрицательных ионов водорода.
Подача отрицательного потенциала на сетку значительно уменьшила мощность дозы тормозного излучения, причиной которого является поглощение в металле электронов, ускоренных до 1 МэВ [I. Shchudlo, D. Kasatov, A. Makarov, S. Taskaev. Measurement of the spatial distribution of gamma radiation at tandem accelerator with vacuum insulation. Proceedings of RUPAC 2014, Obninsk, Russia, 06-10 October 2014, p. 116-117]. Из измеренной вольтамперной характеристики торцевого детектора (диска с сеткой) на входе в ускоритель определено, что коэффициент вторичной эмиссии электронов под действием образующихся положительных ионов имеет величину порядка 10. Такое высокое значение коэффициента вторичной эмиссии электронов характерно для многоэлектронных ионов и атомов с энергией более 100 кэВ [P.P. Рахимов, О.В. Козинский. Известия Академии наук СССР, серия: физика, том 26, 1962, стр. 1398].
В результате установки диафрагмы, криогенного насоса, кольца и сеток достигнуто значительное уменьшение паразитных потоков заряженных частиц. В частности, поток электронов, ускоряемых до полного напряжения, был уменьшен примерно в 20 раз до величины порядка 0,5% от тока ионного пучка.
Подавление паразитных потоков заряженных частиц в ускорителе позволило улучшить устойчивость работы ускорителя к пробоям по полному напряжению и значительно увеличить ток протонного пучка - с 1,6 мА до 5 мА. На Фиг. 3 представлены осциллограммы тока и энергия протонного пучка, полученные в одном из заходов. Измеренный ток протонного пучка в течение одного часа превышает 5 мА, имеет среднее значение 5,120±0,060 мА, максимальное 5,327 мА. При токе протонного пучка 3 мА и 4 мА был реализован режим работы в течение одного часа со стабильностью тока 0,5% и без пробоев по высокому напряжению. На Фиг. 3 видно, что при токе более 5 мА произошло два пробоя, после которых восстановление тока до прежних параметров происходит за 35 секунд, что приемлемо.