УСТРОЙСТВО ГРУППИРОВАНИЯ ИОНОВ ВОДОРОДА И ДЕЙТЕРИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ ВНЕШНЕЙ ИНЖЕКЦИИ ЦИКЛОТРОНА

Область техники
Заявленная полезная модель  относится к ускорительной технике, а именно к системам внешней инжекции циклотронов.
Уровень техники
Ускорение ионов в циклотронах осуществляется высокочастотным электрическим полем. В связи с этим в режим ускорения захватывается только часть непрерывного пучка, генерируемого источником ионов. В современных циклотронах эта часть составляет 8-10%. Для увеличения доли ионов, захватываемых в режим ускорения, в состав системы внешней инжекции включают устройство группирования (банчер).
Известно устройство группирования ионов водорода для системы внешней инжекции циклотрона, содержащее коаксиально расположенные внешний проводник и трубку дрейфа, с торцевыми отверстиями, перекрытыми сетками, образующими два высокочастотных зазора, в которых возбуждаются высокочастотные электрические поля с частотой, равной частоте ускоряющего электрического поля циклотрона, причем длина трубки дрейфа задается такой, чтобы ионы водорода пересекали середины обоих зазоров при одинаковой фазе высокочастотных колебаний [In Su Jung at al. Design of a Beam Buncher for the KIRAMS-30 Cyclotron. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, В (V261, 1-2)].
Ионы инжектируются в устройство группирования вдоль оси трубки дрейфа, длина которой задается такой, чтобы время пролета ионов между серединами высокочастотных зазоров равнялось половине периода высокочастотных колебаний. Возникающая при этом модуляция по энергии преобразует непрерывный пучок в последовательность сгустков с частотой, равной резонансной частоте устройства группирования.
Недостатком данного технического решения является то, что такое устройство может обеспечивать группирование только одного типа ионов, в данном случае, ионов водорода.
В циклотронах, предназначенных для ускорения двух типов ионов - водорода и дейтерия, при одинаковой частоте ускоряющего электрического поля, энергия инжекции, следовательно, и скорость ионов дейтерия в два раза меньше, чем у ионов водорода, а время пролета между серединами зазоров в два раза больше, то есть для описанного выше устройства равняется четному числу полупериодов высокочастотных колебаний. При этом модуляция по энергии в пучке ионов дейтерия практически отсутствует.
Возможны два технических решения, позволяющих группировать оба типа ионов при одной частоте высокочастотных колебаний:
1. При изменении типа ионов можно изменять расстояние между серединами зазоров устройства группирования за счет механического перемещения комплекта деталей, образующих один из зазоров.
2. Устройство группирования можно выполнить трехзазорным. Расстояния между серединами среднего зазора и крайних зазоров при этом должны быть такими, чтобы время пролета одного из типов ионов равнялось нечетному числу полупериодов высокочастотных колебаний. Высокочастотную мощность нужно вводить в устройство группирования таким образом, чтобы высокочастотное электрическое поле возбуждалось только в двух зазорах, расстояние между которыми соответствует типу инжектируемых ионов.
Недостатком обоих возможных решений является сложность конструкции. В первом варианте приходится использовать сильфон и обеспечивать механическое перемещение в вакууме. Во втором варианте устройство группирования должно быть оснащено двумя вводами высокочастотной мощности и при изменении типа инжектируемых ионов следует провести переключение с одного ввода на другой с помощью релейной схемы.
Прототип
В качестве прототипа выбрано устройство группирования ионов водорода для систем внешней инжекции циклотронов, содержащее коаксиально расположенные внешний проводник и трубку дрейфа, с торцевыми отверстиями, перекрытыми сетками, образующими два высокочастотных зазора, в которых возбуждаются высокочастотные электрические поля с частотой, равной частоте ускоряющего электрического поля циклотрона, причем длина трубки дрейфа задается такой, чтобы ионы водорода пересекали середины обоих зазоров при одинаковой фазе высокочастотных колебаний.
Недостатком данного технического решения является то, что такое устройство может обеспечивать группировку только одного типа ионов, например, ионов водорода.
Задача
Задача, на решение которой направлено техническое решение, представленное в полезной модели УСТРОЙСТВО ГРУППИРОВАНИЯ ИОНОВ ВОДОРОДА И ДЕЙТЕРИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ ВНЕШНЕЙ ИНЖЕКЦИИ ЦИКЛОТРОНА, заключается в обеспечении группирования двух типов ионов без механического перемещения деталей и производства электрических переключений.
Задача решается за счет того, что импульсы, с которыми в устройство инжектируются ионы водорода и дейтерия, задаются одинаковыми (энергия ионов дейтерия вдвое меньше энергии ионов водорода), а длина трубки дрейфа "d" устанавливается пропорциональной отношению импульса (mv) к частоте высокочастотных колебаний f, причем коэффициент пропорциональности равен (n-2/3), где n=1, 2, 3 и выбирается из конструктивных соображений.
Технический результат
Техническим результатом данного решения является реализация одинаковых условий группирования для ионов водорода и дейтерия.
Раскрытие полезной модели
На Фиг. 1 представлено устройство группирования, содержащее внешний проводник (1), трубку дрейфа (2), изолятор (3) и сетки (4, 5, 6, 7). Сетки 4-5 и 6-7 образуют два высокочастотных зазора.
Осуществление полезной модели
Ионы инжектируются в устройство группирования вдоль оси трубки дрейфа, длина которой устанавливается пропорциональной отношению импульса (mv) к частоте высокочастотных колебаний f, причем коэффициент пропорциональности равен (n-2/3). При заданной длине трубки дрейфа равновесный ион водорода (прирост энергии после прохождения двух зазоров отсутствует) пересекает середину первого зазора в фазе высокочастотного электрического поля +30°, а середину второго зазора в фазе -30°. Равновесный ион дейтерия пересекает середины зазоров в фазах -30° и +30° соответственно. Для обеспечения эффективного группирования при изменении типа инжектируемых ионов необходимо и достаточно изменить амплитуду высокочастотного напряжения на высокочастотных зазорах без каких-либо переключений и перемещений.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлен общий вид устройства группирования ионов водорода и дейтерия для системы внешней инжекции циклотрона
1 - внешний проводник; 2 - трубка дрейфа; 3 - изолятор; 4, 5, 6, 7 - сетки