СПОСОБ ИНДУКЦИОННОГО УСКОРЕНИЯ ИОНОВ
METHOD FOR INDUCTIVE ION ACCELERATION

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании индукционных циклических ускорителей ионов с регулируемой кинетической энергией в медицине и научных исследованиях. Одним из наиболее важных применений пучков ионов с регулируемой кинетической энергией в медицине является лечение онкологических больных.
Известны ускорители ионов с регулируемой кинетической энергией, специально разработанные для медицинских целей, - это компактный сверхпроводящий циклотрон [1], в котором реализуется способ, заключающийся в том, что частицы с непрерывно растущим равновесным радиусом ускоряются в постоянном во времени магнитном поле, а ускоряющие дуанты питаются высокочастотным электрическим напряжением, и компактный фазотрон [2], в котором ускорение частиц ведется в нарастающем во времени магнитном поле на равновесной орбите постоянного радиуса, а резонансная частота ускоряющих резонаторов изменяется в соответствии с частотой обращения частиц. В работах [3, 4] предложен вариант индукционного ускорителя заряженных частиц бетатронного типа.
Недостатками компактного сверхпроводящего циклотрона [1] являются большая масса магнитного материала (350 тон) и стоимость установки, в которой регулировка энергии ионов осуществляется путем замедления скорости ускоренных ионов в линейном ускорителе ионов.
Недостатками компактного фазотрона [2] являются большой вес (40-50 тон) и зависимость частоты ускоряющего напряжения от скорости ускоряемых ионов, которая определяет временем пролета ионов на орбите. Ограниченный диапазон перестройки резонансной частоты ускоряющей системы фазотрона требует ограничения диапазона скоростей ускоряемых ионов и использование дополнительных инжекторов с высокой энергией инжекции пучка.
Индукционные ускорители [3, 4] и критерии, предложенные в этих работах, имеют малую массу магнитного материала и не имеют перестраиваемых резонансных ускоряющих структур, но они предназначены для индукционного ускорение легких частиц, которые быстро набирают скорость на первых оборотах, а основной процесс ускорения ведется при скорости частиц, близкой к скорости света.
В качестве прототипа выбираем способ [4]. Этот способ заключается в том, что формируют нарастающее во времени магнитное поле со средней величиной магнитной индукции, много меньшей индукции магнитного поля на орбите; формируют знакопеременный градиент магнитного поля на орбите с показателем поля, много большим единицы (сильная фокусировка); инжектируют в него заряженные частицы; ускоряют заряженные частицы импульсами индукционного электрического поля с длительностью импульсов, много меньшей времени нарастания поля на орбите, и частотой повторения импульсов, равной частоте обращения частиц на орбите, и выводят ускоренные частицы.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение веса и габаритов ускорителя с широким диапазоном скоростей ионов в процессе ускорения, снижение его стоимости и увеличение диапазона регулировки энергии ускоренных ионов, что необходимо при использовании ускорителей в медицине и научных исследованиях.
0
Способ заключается в том, что формируют нарастающее во времени магнитное поле со средней величиной магнитной индукции, много меньшей магнитного поля на орбите; формируют знакопеременный градиент магнитного поля на орбите с показателем поля, много большим единицы (сильная фокусировка); инжектируют в него заряженные частицы; ускоряют заряженные частицы импульсами индукционного электрического поля с длительностью импульсов, много меньшей времени нарастания поля на орбите, с частотой повторения импульсов, равной частоте обращения ионов на орбите, с длительностью ускоряющей части индуцированных импульсов, постоянной в процессе ускорения и равной половине периода обращения ионов в конце цикла ускорения, а их амплитуда равна ΔU=L·R·dB/dt,
0
где L - периметр орбиты с учетом прямолинейных участков, R - радиус равновесной орбиты ионов, dB/dt - скорость изменения магнитной индукции на орбите. Импульсы ускоряющего индукционного электрического поля формируют с наклонным столом вершины импульсов для обеспечения устойчивости азимутального движения. В режиме однооборотного вывода частиц фронт импульса дефлектора системы вывода формируют меньшим или равным половине периода обращения ионов в конце цикла ускорения, при этом длительность импульса больше или равна половине этого периода.
Отличительными признаками заявленного способа являются следующие.
Длительность ускоряющей части индуцированных импульсов формируют постоянной в процессе ускорения и равной половине периода обращения ионов в конце цикла ускорения. Это позволяет обеспечить азимутальную («фазовую») устойчивость ускоряемого пучка частиц и увеличить диапазон регулировки энергии ускоренных ионов.
0
0
Формируют амплитуду индуцированных ускоряющих импульсов равной ΔU=L·R·dB/dt, где L - периметр орбиты с учетом прямолинейных участков, R - радиус равновесной орбиты ионов, dB/dt - скорость изменения магнитной индукции на орбите, что позволяет в процессе ускорения сохранить радиус равновесной орбиты электронов постоянным и уменьшить вес и габариты ускорителя с широким диапазоном скоростей ионов в процессе ускорения.
Для усиления азимутальной устойчивости ускоряемого пучка частиц вершина ускоряющих импульсов индуцированного напряжения формируется неоднородной.
В режиме однооборотного вывода ускоренных частиц длительность фронта импульсов дефлектора системы вывода формируется меньшей половины периода обращения частиц в конце цикла ускорения, а длительность этого импульса больше, чем половина этого периода.
Технический результат предлагаемого изобретения, использующего данный способ, а именно уменьшение веса и габаритов ускорителя с широким диапазоном скоростей ионов в процессе ускорения, снижение его стоимости и увеличение диапазона регулировки энергии ускоренных ионов, что необходимо при использовании ускорителей в медицине и научных исследованиях, достигается тем, что совокупность всех существенных признаков формулы позволяет ускорять ионы в диапазоне относительных скоростей 0.01≤β=v/c≤1.0 в индукционном ускорителе с жесткой фокусировкой при постоянном радиусе равновесной орбиты, что позволяет обойтись без дополнительных ускрителей-инжекторов и многократно уменьшить объем и вес магнитной системы и понизить стоимость ускорителя.
Кроме того, использование индукционного способа ускорения для ускорения ионов в нарастающем магнитном поле со средней величиной магнитного поля, много меньшей магнитного поля на орбите, и со знакопеременным градиентом магнитного поля на орбите (сильная фокусировка) позволяет дополнительно увеличить интенсивность пучка и уменьшить вес и стоимость ускорителя ионов.
Перечень чертежей.
Фиг.1. Схема ускорителя.
Фиг.2. Схема С-образных сердечников со знакопеременным градиентом.
Фиг.3. Форма волны напряжения источника питания (а) и форма волны магнитной индукции на равновесной орбите (б).
Фиг.4. Схема О-образных сердечников индукционной ускоряющей секции.
Фиг.5. Амплитудно-временные характеристики магнитной индукции на равновесной орбите (а) и ускоряющее напряжение на витках О-образных сердечников (индукторов) (б).
На фиг.1 приведена схема устройства, реализующего предложенный способ, где
1) С-образные электромагниты, 2) О-образные сердечники индукционной ускоряющей системы, 3) система инжекции и вывода ионного пучка.
Способ работает следующим образом. Пучок заряженных частиц (ионов) выводят на равновесную орбиту, частицы пучка удерживают на равновесной орбите магнитным полем С-образных электромагнитов (1), ускоряют электрическим полем, индуцированным O-образными ферромагнитными сердечниками (индукторами) (2) и при достижении требуемой энергии выводят из ускорителя.
0
Для реализации предлагаемого способа ускорения нарастающее во времени магнитное поле на орбите формируют С-образными электромагнитами с высокими градиентами поля n>>1 и n<<-1. Комбинация двух типов С-образных сердечников позволяет обеспечить жесткую фокусировку ионов. На фиг.2 представлена схема С-образных сердечников электромагнитов со знакопеременным градиентом. Электромагниты питаются прямоугольной волной напряжения V (фиг.3а). Форма волны магнитной индукции на орбите показана на фиг.3б.
Частицы, движущиеся по равновесной орбите, ускоряются электрическим полем, индуцированным O-образными ферромагнитными сердечниками (индукторами), которые располагаются на прямолинейных участках ускорителя. На фиг.4 приведена схема O-образных сердечников индукционной ускоряющей системы. Для того чтобы в процессе ускорения радиус равновесной орбиты оставался постоянным, необходимо выполнить условие постоянства в процессе ускорения соотношения
P(t)/q·B(t)=const,
где P(t) - импульс ионов, B(t) - индукция магнитного поля на орбите, q - заряд иона. Это условие выполняется, когда величина суммарного индуцированного О-образными сердечниками напряжение равна:
уск
0
V=R·L·dB/dt,
0
где R - радиус равновесной орбиты, L - суммарный периметр орбиты с учетом прямолинейных участков.
Амплитудно-временные характеристики магнитной индукции на орбите и ускоряющего напряжения на витках О-образных сердечников (индукторов) показаны на фиг.5. Длительность импульсов ускоряющего напряжения равна 1/2 периода обращения ионов на конечной стадии ускорения. Эта длительность остается постоянной в течение всего процесса ускорения. Положительная часть импульса ускоряет ионы, а отрицательная часть перемагничивает О-образные сердечники и возвращает их в исходное состояние. Малая длительность импульсов обеспечивает малый объем и вес О-образных сердечников.
Период повторения ускоряющих импульсов зависит от скорости частиц и должен соответствовать периоду обращения частиц в процессе ускорения
0
0
min
max
τ=L/v, τ=L/V
0
max
min
0
v - начальная скорость ионов, V - скорость, соответствующая конечной энергии ионов, τ - период повторения импульсов в конце процесса ускорения, τ - период повторения импульсов в начале процесса ускорения, L - суммарный периметр орбиты ионов с учетом прямолинейных участков.
Момент запуска каждого последующего ускоряющего импульса определяется сигналами системы контроля ионного пучка.
Наклон вершины ускоряющих импульсов обеспечивает азимутальную («фазовую») устойчивость пуска ионов. Величина наклона вершины импульсов определяется расчетным путем и зависит от суммарного периметра орбиты и типа ускоряемых ионов.
Формирование магнитного поля в зазорах С-образных электромагнитов с большим радиальным градиентом и осуществление фокусировки ионов знакопеременным градиентом поля (сильная фокусировка) позволяет увеличить число ионов, ускоряемых в одном цикле ускорения. Большой показатель магнитного поля уменьшает амплитуду бетатронных колебаний и позволяет уменьшить размеры вакуумной камеры, уменьшить размеры, вес и стоимость С-образных магнитов.
Малая длительность ускоряющих импульсов индукционного поля позволяет существенно уменьшить сечение О-образных сердечников, их вес и стоимость.
Синхронизация ускоряющих импульсов с импульсами системы измерения времени пролета пучка ионов позволяет ускорять ионы в большом диапазоне энергий (скоростей ионов) при неизменном равновесном радиусе и отказаться от ускорителей-инжекторов.
max
Регулировка энергии ускоренных ионов осуществляется изменением длительности импульсов прямоугольной волны напряжения (Фиг.3а), которым и питаются С-образные электромагниты, длительность которых определяет амплитуду ведущего магнитного поля на орбите В (Фиг.3б) и, соответственно, конечную энергию ионов
ион(max)
max
0
max
2
Е=q·ВR·c/V,
0
где q - заряд ионов, R - радиус равновесной орбиты, с - скорость света, v - скорость ионов.
max
0
Для примера рассмотрим основные параметры ускорителя протонов на энергию 200 МэВ. При энергии 200 МэВ релятивистский фактор протонов равен γ=1.2, а их относительная скорость β=0.553. При амплитуде магнитной индукции В=1 Т радиус равновесной орбиты R равен:
0
max
max
max
2
R=Р/qB=Mcβγ/eB·c=2.2 м,
max
max
где Р - импульс протона, q - заряд протона, М - масса протона, с - скрость света, β=v/с - относительная скорость протонов, B - максимальна амплитуда магнитной индукции поля.
min
уск
-9
-9
Если суммарный периметр орбиты с учетом прямолинейных участков равен 15 м, то период обращения ускоренных протонов будет равен τ=90·10с. Для реализации предлагаемого способа ускорения длительность ускоряющих импульсов должна быть равна τ=45·10с.
Потери при высокочастотном перемагничивании О-образных сердечников будут малы, если их максимальная индукция не будет превышать ΔВ=0.1 Т. При суммарном сечении сердечников S=20-400 см величина ускоряющего напряжения будет составлять:
уск
уск
V=ΔВ·S/τ=4.4кВ-88 кВ
Для реализации такой ускоряющей системы потребуется 10 ферритовых колец размером 120×80×10 мм (S=20 см) или 20 колец размером 240×80×25 мм (S=400 см), первичные витки которых возбуждаются импульсами с амплитудой около 450 В (S=20 см) или 4500 В (S=400 см).
Из условия постоянства равновесного радиуса орбиты находим:
max
уск
0
dB/dt=В/Т=V/LR
Время нарастания индукции ведущего магнитного поля:
0
max
уск
-3
-4
T=LRB/V=7.4·10-3.7·10с
При необходимости энергия ускоренных частиц может быть уменьшена путем сокращения времени нарастания (длительности импульса) индукции магнитного поля, Т.
0
0
-6
Если кинетическая энергия инжекции протонов составляет 50 кВ, то относительная скорость и начальный период повторения ускоряющих импульсов индукционного поля будут равны: β=0.01; τ=5·10. Таким образом, период повторения ускоряющих импульсов должен меняться от 5 мкс до 90 нс. При этом длительность импульсов и их амплитуда должны оставаться постоянными в процессе ускорения.
Момент запуска каждого последующего ускоряющего импульса определяется сигналами системы контроля времени пролета протонного пучка.
Из всех вариантов систем импульсной мощности транзисторный вариант является наиболее предпочтительным. Транзисторные конвертеры DC напряжения в АС напряжение имеют высокие надежность, долговечностьи и к.п.д. В работе [5] сообщается об реализации конвертора мощностью 1.6 МВт с частотой коммутации 150 кГц. Имеются в наличии транзисторные ключи с частотой переключения до 30 МГц и мощностью до 1.8 кВт [6]. Быстрый прогресс в области полупроводниковых переключателех позволяет надеяться на то, что мощные системы питания для индукционных ускорителей частиц с высокой частотой повторения циклов будут разработаны в ближайшее время.
Литература
1. Luchiano Colabetto et al, A Novel Supercoducting Cyclotron for Therapy and Radioisotope Production, «Nuclear Instrument and Method in Physics Research», A 562 (2006) p.p.1009-1012.
2. V.E.Balakin et al, «TRAPP-Fasility for Proton Therapy of Cancer», EPAC, Rome, 1988, v.2, p.1505.
3. G.V.Dolbilov, «The Compact Iduction Circular Accelerator for Radiation Technologies», Proceedings of APAC 2007, Raja Ramanna Centre for Advanced Technology(RRCAT), Indore, India, p.p.628-629.
4. Г.В.Долбилов, «Способ индукционного ускорения заряженных частиц», Патент на изобретение №2359434, 05 июля 2007 г.
5. H.Matthes, R. Jurgens, «1.6 MW 150 kHz Series Resonant Circuit Converter incorporating IGBT Device for welding Applikation», International Heating Seminar, Padova, p.25-31.
6. Hammad Abo Zied, Peter Mutschler, Guido Bachmann, «A Modulator IGBT Converter System for High Frequency Induction Heating Application», PCIM 2002, 14-16.05, Nurenberg.