УСКОРИТЕЛЬ-ТАНДЕМ С ВАКУУМНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
TANDEM ACCELERATOR WITH VACUUM INSULATION

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 по многу 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 высоковольтным 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 данное 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 [Р. 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 данного предложения не рассматривали технологические аспекты практической реализации такой конструкции.
В качестве прототипа выбрана конструкция ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией, описанная в работе [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].
6
-
Схема прототипа представлена на Фиг. 1. Пучок отрицательных ионов водорода инжектируется в ускоритель 1 и ускоряется в нем до 1 MB. В газовой обдирочной мишени 4, установленной внутри высоковольтного электрода 3, отрицательные ионы водорода превращаются в протоны, которые затем тем же потенциалом 1 MB ускоряются до энергии 2 МэВ. Потенциал на высоковольтный 3 и пять промежуточных электродов ускорителя 2 подается от высоковольтного источника напряжения 8 через проходной изолятор, состоящий из двух частей: вакуумной части 5 и газовой части 6. На газовой части проходного изолятора установлен омический делитель 7 для подачи соответствующего потенциала на промежуточные электроды ускорителя. В качестве высоковольтного источника напряжения 8 используется выпрямитель ускорителя электронов серии ЭЛВ, содержащий в себе первичную обмотку 11, выпрямительные секции 10 и высоковольтный электрод 9. Вакуумный объем ускорителя откачивается турбомолекулярным и криогенным насосами через жалюзи промежуточных электродов. Проходной изолятор и высоковольтный выпрямитель заполнены изолирующим газом SF под давлением 3 атм и 6 атм, соответственно. Стрелками на Фиг. 1 показаны направление движения отрицательных ионов водорода (Н) и протонов (р).
Указанная конструкция отличается большой суммарной высотой (7 м), поскольку необходимо обеспечить высоковольтную прочность источника питания, высоковольтную прочность газовой части проходного изолятора со стороны источника питания и высоковольтную прочность вакуумной части проходного изолятора со стороны ускорителя.
Изобретение направлено на создание компактного ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией.
Для решения поставленной задачи в известном устройстве, содержащем ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией, проходной изолятор и секционированный выпрямитель, последний размещается внутри корпуса вакуумной части проходного изолятора. Высоковольтный и промежуточные электроды ускорителя соединяются с соответствующими секциями выпрямителя напрямую и потребность в проходном изоляторе с омическим делителем отпадает. Корпус вакуумной части проходного изолятора используется в качестве изолятора для крепления высоковольтного и промежуточных электродов, а также в качестве корпуса секционированного выпрямителя.
Поскольку корпусом секционированного выпрямителя будет не заземленный металлический бак, а изолятор с распределенным потенциалом, то значительно улучшается высоковольтная прочность выпрямителя и могут быть уменьшены зазоры или давление изолирующего газа.
Помимо уменьшения габаритов установки и большой стабильности потенциала промежуточных электродов данное изменение влечет уменьшение количества деталей и увеличение надежности.
Сущность изобретения иллюстрируется Фиг. 2.
На Фиг. 2 приведена схема ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией с интегрированным высоковольтным источником питания. На схеме показаны:
1 - ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией;
2 - промежуточные электроды;
3 - высоковольтный электрод;
4 - газовая обдирочная мишень;
5 - изолятор;
6 - секционированный выпрямитель.
Устройство работает следующим образом. Внутри изолятора 5 помещен секционированный выпрямитель 6. Использование современной элементной базы (лавинные высоковольтные диоды RVF30, конденсаторы FHV12AN) и переход на более высокую частоту (20 кГц вместо 400 Гц) позволяет сделать источник высоковольтного питания существенно меньшим по размерам, чем тот, что изображен на Фиг. 1. Внутренний объем изолятора заполнен элегазом для обеспечения высоковольтной прочности зазоров. Высоковольтный 3 и промежуточные 2 электроды ускорителя 1 соединены с соответствующими секциями секционированного выпрямителя 6 напрямую.