МНОГОАПЕРТУРНАЯ ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ УСКОРЕНИЯ КЛАСТЕРНЫХ ИОНОВ

Полезная модель относится к ускорителям заряженных частиц и может быть использована для ускорения кластерных и других тяжелых ионов в ядерной энергетике и технологии.
Кластерный ион, это ансамбль частиц, от десятков до многих тысяч, состоящий из атомов или молекул вещества, и содержащий, как правило, один или несколько ионов.
3
Известно, что эффективность ускорения кластерных ионов, с концентрацией атомов более 10 частиц в кластере, в большинстве существующих одноапертурных высокочастотных ускоряющих систем (ВЧ-ускоряющих структурах) ограничена их разрушением из-за взаимных столкновений в ускоряющем канале в процессе ускорения (А.С. Кингсепп, В.В. Окороков, И.В. Чувило. О возможности кластерного УТС. ЖТФ, 2000, т. 2, в. 10, с. 60-63).
Для ускорения ионов с большой массой и малым зарядом требуется использовать низкочастотный диапазон спектра ВЧ-электрических полей. Разработка подобных ускоряющих резонансных систем затруднена рядом технологических сложностей, в том числе, связанных с возбуждением низкочастотных колебаний электрического поля в ВЧ-ускоряющих резонаторах.
Уменьшить эффект разрушения кластерных ионов из-за взаимных столкновений в ускоряющем канале возможно применяя многопучковый режим ускорения (Аверьянов Г.П., Дмитриева В.В., Плотников С.В, Турчин В.И. Высокочастотные ускоряющие системы для кластерных ионов изотопов водорода, 2-ая международная конференция «Плазменные, лазерные исследования и технологии» 25-27 января 2016, НИЯУ МИФИ, Сборник научных трудов, 2016, Москва, стр. 154).
Из-за большой собственной массы кластерные ионы характеризуются низкой подвижностью в ускоряющем электрическом поле. Согласование частоты колебаний электрического поля в ВЧ-ускоряющем резонаторе с динамикой движения ускоряемых кластерных ионов, требует возбуждения в нем электромагнитных волн с тем большей длиной, чем меньше отношение заряда к массе ускоряемых частиц, приводя к неприемлемому увеличению размеров ВЧ-резонаторов и их элементов.
Известна ускоряющая ВЧ-система многоапертурного ускорителя тяжелых ионов, в которой для увеличения длины токопроводящих опорных волноводов, последние выполнены в виде трех цилиндрических спиралей, соединенных «звездой» под углом 120° друг к другу в радиальной плоскости одними потенциальными концами с соответствующими трубками дрейфа, другие их потенциальные концы соединены с соответствующими балками на опорной ферме (B.C. Артемов, В.А. Баталии, В.В. Кушин и др., Ускорение двухзарядных ионов ксенона в первой секции линейного ускорителя для установки инерционного УТС на пучке тяжелых ионов, Труды 13 международной конференции по ускорителям заряженных частиц, Новосибирск, Наука, 1987, т. 1, с. 237).
Техническая проблема такой ускоряющей ВЧ-системы в том, что волноводы в ней размещены перпендикулярно продольной оси ускорителя, в результате, уменьшение рабочей частоты ускоряющего ВЧ-электрического поля приводит к значительному возрастанию поперечных размеров ускоряющей системы.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является ВЧ-ускоряющая структура для тяжелых ионов с многоапертурными трубкам дрейфа состоящая из цилиндрического корпуса объемного резонатора, внутри которого параллельно его продольной оси расположены несколько потенциальных электродов с укрепленными на них трубками дрейфа, содержащих несколько параллельных апертур пролетных каналов, опор потенциальных электродов, которые жестко соединены с одной стороны с корпусом объемного резонатора, а с другой с соответствующими потенциальными электродами, выполненными в виде трех параллельных проводников, смещенных относительно друг друга вокруг оси данной структуры на 120°, а относительно проводников другого электрода на 60°, и объединенных в единую конструкцию с помощью элементов крепления трубок дрейфа к проводникам потенциального электрода. (Кушин В.В., Громов Е.В., Плотников С.В. Ускоряющая структура. А.С. №856370, опубл. 30.03.1985).
Техническая проблема данной конструкции заключается в невозможности согласования рабочей частоты колебаний ускоряющего электрического поля ВЧ-резонатора, со скоростью движения в нем кластерных ионов, из-за увеличения его размеров, при работе в низкочастотном диапазоне ВЧ-колебаний.
Технической задачей предложенной полезной модели является создание ускоряющей высокочастотной системы, позволяющей ускорять кластерные ионы с малым отношением заряда к массе.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышения эффективности ускорения кластерных ионов с малым отношением заряда к массе, без увеличения размеров ускорителя, за счет согласования движения бегущих электромагнитных волн в волноводах, создающих ускоряющую разность потенциалов между трубками дрейфа, с динамикой движения кластерных ионов на траектории ускорения, а также повышение интенсивности потока ускоренных кластерных ионов различного типа на выходе ускорителя за счет уменьшения плотности ускоряемых частиц в отдельном ускоряющем канале и вероятности их взаимных столкновений в процессе ускорения.
Отличительные свойства предлагаемой полезной модели от известных аналогов, обеспечивающие достижение заявленного технического результата, заключаются как в применении режима одновременного ускорения в ускоряющей структуре нескольких пучков кластерных ионов, так и в особенности ускорения этих ионов в электрических полях ВЧ-волн бегущего типа, без использования ускоряющего резонатора.
Необходимая динамика движения по ускорительному тракту разности электрических потенциалов, создающих ускоряющее электрическое поле между соседними трубками дрейфа, достигается раскрытой в заявке особенностью конструкции волноводов, соединяющих предложенным образом трубки дрейфа и позволяющей в широком диапазоне регулировать скорость распространения бегущих электромагнитных волн по волноводам, соединяющим трубки дрейфа.
Из теории высокочастотных колебаний известно, что фазовая скорость распространения бегущей волны в волноводе Vf связана с групповой скоростью, обеспечивающей перенос электрической мощности по волноводу, выражением  где: f - рабочая частота ВЧ-генератора, с - скорость света, λ - длина волны. Изменяя величину фазовой скорости в волноводах, можно регулировать скорость смещения по продольной оси ускорителя разности электрических потенциалов между соседними трубками дрейфа, установленными на различных участках соединяющих их волноводов.
Заявленный технический результат достигается предложенной оригинальной конструкцией волноводов в многоапертурной высокочастотной системе для ускорения кластерных ионов, состоящей из: корпуса, внутри которого соосно расположены параллельно его продольной оси несколько потенциальных электродов с установленными в них многоапертурными трубками дрейфа, объединенные в единую конструкцию и соединенные тремя параллельными волноводами из полого металлического профиля с другими многоапертурными трубками дрейфа, установленными на продольной оси между потенциальными электродами на этих волноводах, один конец каждого из которых подсоединен к генератору высокочастотных колебаний, а другой, к соответствующей согласованной нагрузке, соединенной с корпусом, причем, соседние потенциальные электроды смещены относительно друг друга вокруг продольной оси данной системы на 120°, а их волноводы смещены относительно волноводов соседних потенциальных электродов на 60° и все волноводы выполнены в виде спирали, а их внутренние полости заполнены диэлектриком.
В отличие от известных аналогов, в предлагаемой полезной модели возникают новые свойства, обусловленные предложенными техническими решениями. А именно, в нерезонансной структуре, в результате заполнения внутренней полости волноводов диэлектриком и выполнения их в виде спиралей, возникают дополнительные факторы, способствующие уменьшению скорости распространения ВЧ-волны бегущего типа по волноводу. Что позволяет эффективно согласовывать динамику движения ускоряемых кластерных ионов с большой массой со скоростью изменения электрических потенциалов на соответствующих трубках дрейфа.
Краткое описание чертежей:
На рис. 1 показана схема, поясняющая работу многоапертурной высокочастотной системы для ускорения кластерных ионов.
Многоапертурная высокочастотная система для ускорения кластерных ионов состоит из: корпуса 1, внутри которого расположены параллельно его продольной оси несколько потенциальных электродов 2 и 7 с установленными в них трубками дрейфа 3 и 6, имеющих несколько апертур для ускорения заряженных частиц и соединенные с соответствующими, размещенными на продольной оси данной ВЧ-системы, аналогичными трубками дрейфа при помощи группы из трех волноводов 4 и 5, на различных участках которых эти трубки дрейфа установлены. Причем, противоположные концы всех волноводов соединены с согласованными нагрузками 0 и фидерами 8, по которым электрическая мощность ВЧ-колебаний подводится по двум каналам, с заданным сдвигом фаз, к соответствующим трубкам дрейфа от генератора высокочастотных колебаний «Г».
Волноводы выполнены в виде спирали из полого металлического профиля, который может иметь прямоугольное или круглое сечение, а их полости заполнены диэлектриком. Структура ВЧ-питания трубок дрейфа в многоапертурной высокочастотной системе для ускорения кластерных ионов выполнена по схеме двухпроводной линии. Звездообразное соединение трубок дрейфа группой из трех волноводов применено для повышения пространственной устойчивости этих трубок к воздействию пондеромоторных сил.
Волноводы 4 и 5, соединяющие соответствующие трубки дрейфа со своими потенциальными электродами 2 и 7, смещены в радиальной плоскости корпуса 1 относительно друг друга вокруг его продольной оси на угол = 120° и смещены относительно аналогичных волноводов другого потенциального электрода на угол = 60°.
Апертуры в трубках дрейфа расположены соосно продольной оси ускорителя и друг другу.
Угол сдвига фазы ВЧ-бегущих волн, подаваемых на потенциальные электроды 2 и 7, определяет величину напряженности ускоряющего электрического поля между соседними трубками дрейфа, находящимися под разными электрическими потенциалами и влияет на темп ускорения кластерных ионов.
Многоапертурная высокочастотная система для ускорения кластерных ионов позволяет ускорять сложные атомно-молекулярные образования со слабой энергией внутренней связи и с малым отношением заряда к массе, требующие использования низких рабочих частот при ускорении в ВЧ-резонаторах.
Оригинальность примененных технических решений, реализующих эти возможности, достигается тем, что волноводы с распространяющейся в них высокочастотной электромагнитной волной бегущего типа расположены между трубками дрейфа параллельно продольной оси ускорителя, заполнены диэлектриком и выполнены в виде спиралей. Это способствует увеличению их рабочей длины и уменьшению скорости распространения ВЧ-электромагнитной волны по волноводу, позволяя регулировать движение бегущих электромагнитных волн в волноводах, создающих ускоряющую разность потенциалов между трубками дрейфа, согласуя его с динамикой движения кластерных ионов на траектории ускорения. Пространственное распределение ускоряемого ансамбля кластерных ионов между апертурами в трубках дрейфа и их одновременное ускорение по нескольким каналам в одной ускоряющей системе, способствует уменьшению плотности ускоряемых частиц в отдельном ускоряющем канале и вероятности их взаимных столкновений в процессе ускорения, повышая интенсивность потока ускоренных кластерных ионов на выходе ускорителя за счет согласования с динамикой движения.
Примеры осуществления полезной модели.
10
Пример 1. Многоапертурная высокочастотная система для ускорения кластерных ионов с конструкцией, приведенной на рис. 1, адаптирована для одновременного ускорения нескольких пучков заряженных частиц в режиме с фазопеременной фокусировкой в электромагнитном поле бегущей волны типа Н, генерируемой генератором ВЧ-колебаний «Г», и работает следующим образом.
Две волны ВЧ-колебаний электрического напряжения в различной фазе, от ВЧ-генератора «Г», через фидеры 8 поступают на соответствующие трубки дрейфа, соединенные волноводами 4 и 5, в которых образуются синусоидальные ВЧ-электромагнитные волны бегущего типа. Передаваемая по этим волноводам ВЧ-электрическая мощность, с последовательностью, определяемой скоростью движения волн по волноводу, поступает на соответствующие трубки дрейфа, создавая между ними разность электрических потенциалов, генерирующую ускоряющее заряженные частицы электрическое поле между трубками дрейфа. Напряженность этого поля зависит от величины сдвига фаз в электромагнитных волнах, подаваемых с ВЧ генератора «Г» через фидеры 8. Для данной конструкции фазовый сдвиг волн выбран = π/2. Наличие согласованных нагрузок 0 на противоположных от фидеров 8 концах волноводов 4 и 5 позволяет гасить избыток электромагнитной энергии в волноводах и формировать в них электромагнитные волны бегущего типа, осуществляющие перенос мощности электрического ВЧ-поля вдоль ускорительного тракта. Скорость распространения этих волн в волноводах подбирается из условия согласования со скоростью движения пучка кластерных ионов по ускоряющему тракту.
Увеличение длины волноводов (за счет изменения их формы) между трубками дрейфа способствует согласованию условий взаимодействия ускоряющего электрического поля со скоростью движения ускоряемого пучка кластерных ионов. Примененное в многоапертурной высокочастотной системе для ускорения кластерных ионов продольное, симметричное относительно центральной продольной оси структуры, расположение конструктивно выполненных в виде спиралей волноводов 4 и 5, позволяет увеличивать их длину, не увеличивая радиальных размеров корпуса 1.
В силу аксиальной симметричности конструкции многоапертурной высокочастотной системы для ускорения кластерных ионов можно пренебречь величиной радиальной составляющей электрического поля в ее ускоряющих зазорах.
Уменьшение пространственной плотности частиц в ускоряющих каналах обеспечивается распределением трубок тока, инжектируемого в данную структуру пучка кластерных ионов между соосными апертурами в трубках дрейфа 3 и 6, установленных как в потенциальных электродах 2 и 7, так и между апертурами других трубок дрейфа, соединенных соответствующими волноводами 4 и 5.
Наличие потенциальных электродов 2 и 7 и звездообразное соединение каждого из них с соответствующими трубками дрейфа тремя волноводами 4 или 5, способствует повышению жесткости всей конструкции, противодействуя пондеромоторным силам, возникающим при ускорении заряженных частиц и способным нарушать соосность ускоряющих каналов в этих трубках дрейфа. Изменением длины трубок дрейфа осуществляется согласование скорости ускоряемого пучка кластерных ионов с динамикой изменения ВЧ-ускоряющего поля между этими трубками. Согласованные нагрузки 0 и фидеры 8, являясь опорами потенциальных электродов 2 и 7 и соединенных с ними волноводами 4 и 5 соответствующих трубок дрейфа, способствуют повышению пространственной устойчивости всей конструкции. По сравнению с прямыми волноводами, их спиральная форма позволяет уменьшать скорость распространения электромагнитной волны в волноводе. Величину замедления скорости распространения электромагнитной волны за счет спиральности формы волновода оценивают по известной формуле для фазовой скорости Vf волны в спиральном волноводе
где: α - радиус спирали волновода, s - шаг спирали волновода.
Замедление скорости распространения электромагнитных волн в волноводах, внутренняя полость которых заполнена диэлектриком рассчитывают по известной формуле для таких волноводов
где: ε - диэлектрическая проницаемость наполнителя, μ - магнитная проницаемость наполнителя, λкг - критическая длина волны, выше которой электромагнитные волны не могут распространяться по волноводу, зависящая от параметров внутренней полости волновода. Поскольку для эффективного движение ВЧ-волны по волноводу λ должна быть <<λкг, а для диэлектриков μ=1. Согласно формуле (2), с достаточной для практического применения точностью, эффективность такого способа замедления оценивают как
Возможность замедления скорости волны таким способом иллюстрируется табл. 1, в которой приведены диэлектрические проницаемости используемых веществ.
Согласно табл. 1 и формуле (3) заполнение полости волновода диэлектриками различного типа позволяет, по сравнению с пустотелым волноводом, от 2 до 42 раз уменьшать скорость движения ВЧ-электромагнитной волны в таком волноводе.
Предложенная в данной полезной модели совокупность конструктивных решений: горизонтальное аксиально-симметричное расположение волноводов, соединяющих трубки дрейфа и выполнение этих волноводов в виде спиралей, с полостью заполненной диэлектриком, согласно формулам (1) и (3), позволяют замедлить скорость движения ВЧ-электромагнитной волны в волноводе на величину
Заполнение волноводов в конструкции многоапертурной ускоряющей системы для ускорения кластерных ионов, рис. 1, электротехнической керамикой с величиной ε=80, и спиральная форма этих волноводов с радиусом спирали = 2 и шагом = 7 позволяет почти в 20 раз понизить скорость смещения ускоряющего электрического поля между трубками дрейфа по тракту ускорителя.
В аналогах, тяжелые ионы ускорялись электрическим полем в ВЧ-резонаторах с частотами 6-50 МГц (B.C. Артемов, В.А. Баталии, В.В. Кушин и др. Ускорение двухзарядных ионов ксенона в первой секции линейного ускорителя для установки инерционного УТС на пучке тяжелых ионов. Труды 13 международной конференции по ускорителям заряженных частиц. Новосибирск, Наука, 1987, т. 1, с. 237; Н.М Гаврилов, С.В. Плотников и др., Ускоряющая система многопучкового ускорителя ионов, Труды 7 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1981, т. 2, с. 37).
Возможность уменьшения в настоящей полезной модели скорости движения ВЧ-волны в волноводах в десятки или даже сотни раз, согласно формуле (4), позволяет регулировать последовательность изменения величины электрических потенциалов на трубках дрейфа в широких пределах, соответствуя радиотехническому диапазону частот в резонансных ВЧ-ускоряющих структурах, без увеличения размеров ускорителя. Применение многоапертурных трубок дрейфа с соосным расположением ускоряющих каналов, позволяет ускорять кластерные ионы различного типа, с малой вероятностью потерь при ускорении.
Подобное выполнение волноводов может быть использовано не только в системах с фазопеременной фокусировкой, но и в других типах ускоряющих систем.