УСКОРИТЕЛЬ ИОНОВ

Ускоритель ионов предназначен для получения высокоэнергетических пучков тяжелых частиц и с их помощью потоков вторичных ядерных частиц.
Известны импульсные линейные ускорители для протонов, у которых энергия протонов 600-800 МэВ, импульсное значение тока 20-50 мА, среднее значение тока около одного миллиампера. Протяженность такого ускорителя составляет 600-800 метров. Линейные ускорители ионов, т.1, ред. Б.П. Мурин, М. Атомиздат, 1978, с.8.
Известны ускорители на прямой волне D.W.Fry, W. Walkinshaw, Linear accelerators, Rept. Progr. Phys., 12, 102, 1949; на обратной волне А.С. Богомолов, авторское свидетельство СССР № 392608, МПК: Н05 Н 9/00, 1969; линейные ускорители на стоячей волне с фокусировкой аксиальносимметричными электрическими компонентами высокочастотного ускоряющего поля В.В. Кушин, авторское свидетельство СССР № 269368, МПК: Н 05 Н 9/00, 1969.
Ускоритель ионов на обратной волне принят за прототип. А.С. Богомолов, авторское свидетельство СССР № 392608, МПК: Н 05 Н 9/00, 1969.
Недостатки аналогов и прототипа заключаются в том, что они применимы для ускорения пучков заряженных частиц в длинноимпульсном режиме и чувствительны к изменениям ускоряемого тока (к изменению числа частиц в сгустке).
Задача полезной модели - создание компактного на бегущей обратной волне ускорителя, упрощение схемы ВЧ - обеспечения ускорителя, формирование автоколлимированного пучка ионов (протонов/дейтронов), достижение мегаваттного уровня мощности,
возможность изменения числа ускоряемых частиц в сгустке, достижение ГэВ-ного уровня энергии в моноимпульсном режиме
При разработке ускорителей стремятся достичь максимальных значений: энергии частиц, импульсного тока, среднего тока и яркости пучка. Однако при достижении какого-либо максимального значения одного из перечисленных параметров понижаются параметры хотя бы одного из перечисленных или изменяют режимы ВЧ - питания ускорителя.
Полезная модель обеспечивает как достижение всех максимальных параметров одновременно, так и возможность независимого ускорения любого, изменяемого в зависимости от задач потребителя, числа ускоряемых частиц при постоянных конечных (и посекционных) параметрах энергии сгустка и ВЧ-питания ускорителя без перенастройки ВЧ-питания.
Техническим результатом полезной модели является возможность регулирования числа частиц, ускоряемых в сгустке в виде моноимпульса, и регулирование длительности интервалов между этими моноимпульсами, а также упрощение системы ВЧ-питания ускорителя.
Технический результат достигается тем, что в линейном ускорителе ионов, содержащем инжектор импульсных ионных сгустков, ускоряющие структуры с системами фокусировки, системы высокочастотного питания этих структур от клистронных усилителей на кратных частотах, которые охвачены системой внешней фазировки, инжектор присоединен к концу инжекционной структуры последовательно по ВЧ - мощности через волноводный группирователь, при этом инжекционная структура соединена последовательно по ВЧ - мощности со следующей структурой, которая в свою очередь - с последующей, а между ВЧ - источником,
питающим ускоряющие структуры, и инжектором размещено не менее двух ускоряющих структур, при этом ускоряющие структуры выполнены из условия равенства средней скорости ускоряемого сгустка с фазовой скоростью обратной пространственной гармоники ускоряющего поля из расчета нагрузки ускоряющих структур нулевым током, при этом ускоряющие структуры высокоэнергетической части ускорителя, объединены в группы с ВЧ - питанием от одного клистрона, при этом группа состоит из ряда ускоряющих структур, вход первой структуры по ВЧ одной из них соединен с клистроном, а выход ее соединен с входом предыдущей по пучку структуры второй по ВЧ в группе волноводным трактом с фазовращателем, выход этой второй структуры соединен с входом по ВЧ следующей структуры.
В линейном ускорителе ионов между инжектором и инжекционной ускоряющей структуры установлен волноводный группирователь сгустков ионов, проходные отверстия в штырях или диафрагмах которого превосходят диаметр проходных отверстий в штырях или диафрагмах ускоряющих ячеек, примыкающей к группирователю ускоряющей инжекционной структуры, более чем вдвое. Ускоряющие структуры низкоэнергетической части ускорителя выполнены с монотонно нарастающим продольным размером ускоряющих ячеек от инжекционного конца по направлению кВЧ - источнику.
Ускоряющие структуры высокоэнергетической части ускорителя выполнены с нарастающим в среднем шагом по направлению к ВЧ - источнику, частота которого кратна частоте ВЧ - источника низкоэнергетической части, при этом продольные размеры ускоряющих ячеек на дефазирующих участках уменьшены на 15-45%, а размеры на фазирующих участках увеличены на 15-45% ,
z
по сравнению с размерами ячеек в ускорителе на обратной волне с монотонным увеличением продольных размеров ячеек.. Сущность полезной модели поясняется на фигурах 1 и 2. На фиг.1 представлены распределения E(z) и P(z) ВЧ - мощности по длине ускоряющих структур (м) в любой точке z вдоль ускоряющей структуры.
кл
На фиг.2 представлена блок-схема ускорителя, где: 1 -источник ускоряемых частиц, 2 - инжектор ускоряемых частиц; 3 -система высоковольтного питания инжектора; 4 - система управления инжектором и источником, находящимся под высоким инжекционным потенциалом; 5 - последовательность ускоряющих структур низкоэнергетической части ускорителя с ВЧ-питанием от одного низкочастотного усилителя-клистрона. При этом размеры ячеек ускоряющих структур монотонно возрастают. 6 - магнитные фокусирующие системы инжекционной и последующих структур низкоэнергетической части ускорителя, выполненной в виде последовательности сверхпроводящих соленоидов с соответствующим обеспечением; 7 - система поворотных магнитов; 8 - последовательность ускоряющих структур высокоэнергетической части ускорителя, объединенных в группы с ВЧ - питанием от одного клистрона. Эта группа состоит из ряда структур, с последовательным ВЧ-питанием от одного ВЧ - источника. В этом случае вход первой по ВЧ структуры соединен с питающим ее клистроном, а выход ее соединен с входом предыдущей по пучку структуры - второй по ВЧ в рассматриваемой группе, волноводным трактом с фазовращателем. Выход этой второй структуры соединен аналогичным трактом с входом по ВЧ следующей структуры и т.д. до получения расчетного уровня ВЧ-мощности на выходе из последней в этой группе структуры - до значения 0.5Р - половины
кл
кл
значения мощности на выходе клистрона, принимаемой за единицу. Размеры ячеек ускорителя выполнены в соответствии с требованиями аксиально-симметричной ВЧ - фокусировки. Выбором продольных размеров ячеек с большими и меньшими размерами по величине от размеров ячеек ускорителя на обратной волне с монотонным увеличением продольных размеров ячеек обеспечивают распределение значений равновесной фазы вдоль ускорителя. 9 - система ВЧ - питания ускорителя на клистронах кратной частоты (например, 433.33 (1300-3000) МГц в инжекционной структуре, 1300 (3000) МГц в низкоэнергетической части и 2600 (3900-9000) МГц в высокоэнергетической части) и система их синхронизации; 10 - система обеспечения ускорителя ВЧ - питанием. Она содержит волноводные 3-дБ-мосты сложения ВЧ-мощности, два входных канала моста соединены с двумя выходными по ВЧ концами разных последовательностей ускоряющих структур с выходящими из них мощностями по 0.5Р, а выход моста (с получившейся 1Р) присоединяют к входу третьей последовательности структур; 11 - система снятия тепловыделения ВЧ-поля при его распространении по структурам; 12 - система управления и диагностики ускорителя; 13 - система управления и диагностики мишеней.
Работа ускорителя заключается в следующем.
z
В нашем случае (Фиг.1) распределения E(z) и P(z) ВЧ-мощности в любой точке z вдоль каждой ускоряющей структуры равномерно. Суммарная длина структур составляет 120-150 м при одном стандартном 4-МВт-ном источнике ВЧ-питания ускорителя на частоте 433 МГц, а приращение энергии ускоряемых ионов составляет около 120 МэВ. Ток можно изменять от нулевого значения до 2000 мА. Величина приращения энергии ускоряемого
z
сгустка неизменна. Ускорение одиночного моноимпульса (вне зависимости от числа ускоряемых частиц), позволяет моноимпульсу (сгустку) взаимодействовать с тем значением компонента E(z), которое установилось в структурах в отсутствие нагрузки током.
кл
кл
кл
Для достижения технического результата в последовательностях структур, питаемых от одного клистрона, расходуют лишь половину ВЧ-мощности клистрона - 0.5Ркл, а оставшиеся 0.5Р извлекают из выходных - по ВЧ - концов каждой последовательности ускоряющих структур и направляют на входы волноводных 3-дБ-мостов. Установленные в схемы ВЧ-питания ускорителя волноводные 3 дБ - мосты сложения мощности на своих выходах обеспечивают значение ВЧ-мощности такое же, как и величина ВЧ-мощности от примененных клистронов Р, величины мощности на выходе клистрона, принимаемой за единицу. Это позволяет вдвое сэкономить на числе примененных клистронов и повысить в целом надежность и экономичность системы ВЧ-питания (уменьшив число активных элементов схемы заменой на пассивные высоконадежные элементы - мосты). На входы мостов подают мощность по 0.5Ркл с двух последовательностей ускоряющих структур, а получившуюся 1Р с выхода моста направляют на вход третьей последовательности структур, достигая этим и максимального темпа ускорения, и максимального к.п.д., при этом повышается надежность и экономность. В этом случае для получения приращения энергии 120 МэВ в схеме суммарная длина структуры составляет менее 50 метров (при ВЧ - питании от одного 4-МВт-ного на частоте f=433 МГц клистрона). Ее выполняют составной из структур меньшей длины 3-6 метровых. В нашем примере из 6 - ти метровых секций. ВЧ-мощность передают из одной структуры в другую по волноводным каналам с ВЧ - выхода
последующей структуры на ВЧ - вход предыдущей (по ходу пучка) структуры. Компоновка такого ускорителя выполнена по 2D-двумерной схеме, если требуется иметь несколько выводов частиц разной энергии на одном геодезическом уровне; или по 3D-трехмерной схеме для наибольшей компактности. Возможны варианты, например низкоэнергетическая часть плоская, высокоэнергетическая часть трехмерная пространственная фигура.
Источник заряженных частиц 1 инжектирует сгусток ионов, который краевым полем сверхпроводящего соленоида ускорителя (или отдельной магнитной линзы и/или электрическими полями ускоряющей трубки инжектора ускорителя) сжимают до размеров 1
- 5 мм в диаметре и направляют на вход первой ускоряющей структуры. С конца этой структуры, противоположного инжекционному, в нее направляют ВЧ - энергию с выходного по ВЧ конца следующей структуры, которая, в свою очередь, соединена ВЧ
- трактом с последующей структурой. В группирователе и в первой структуре происходит захват сгустка в режим ускорения и формирование заданной фазовой протяженности сгустка. Затем сгусток ускоряют в поле обратной пространственной гармоники, распространяющейся попутно с ускоряемым сгустком навстречу потоку ВЧ-энергии от клистрона. После ускорения в этой структуре сгусток поступает в следующую структуру. В последующих структурах фазовая протяженность сгустка сокращается, что облегчает процесс ускорения и использования для дальнейшего ускорения ВЧ-питания более высокой частоты и позволяет фокусировать сгусток аксиально-симметричными силами ускоряющего поля при изменении значения равновесной фазы.