КОМПРЕССИОННАЯ ГАЗОВАЯ МИШЕНЬ
COMPRESSION GAS TARGET

Изобретение относится к ядерной физике и технике ускорителей и может быть применено в ускорителях заряженных частиц - тандемах, а также в устройствах на их основе. Такие устройства могут применяться в медицине для нейтронозахватной терапии рака или в системах безопасности для обнаружения взрывчатых и наркотических веществ.
Концепция перезарядного ускорителя заряженных частиц (тандема) была предложена в середине 20 века. Она позволила снизить требуемое напряжение высоковольтного генератора и тем самым уменьшить размер ускорителя, используя обдирку (перезарядку) - изменение знака заряда частиц в процессе ускорения. В процессе обдирки отрицательный ион при взаимодействии со специальной мишенью превращается в положительный, что позволяет использовать дважды одно и то же ускоряющее напряжение, т.е. увеличить в два раза конечную энергию частиц.
Мишень для обдирки представляет собой заполненную газом трубку, струю пара или пленку твердого вещества.
Наибольшее коммерческое распространение получили ускорители-тандемы в комплексах ускорительной масс-спектрометрии (AMS) или в полупроводниковой промышленности для ионной имплантации. Однако в таких комплексах не требуется значительный ток пучка ионов, обычно он не превышает 1 мА (миллиампер).
Для нейтронозахватной терапии рака или для обнаружения взрывчатки и наркотических веществ требуется ток пучка ионов более 5 мА.
Ранее было предложено для этих целей использовать ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией [B.F.Bayanov et al. Accelerator based neutron source for the neutron-capture and fast neutron therapy at hospital. Nuclear Instr. and Methods in Physics Research A 413/2-3 (1998) 397-426]. Также принцип вакуумной изоляции реализован в конструкции, защищенной Pat. US 5293134, Н05Н 5/06, 8.03.1994.
В таком ускорителе отсутствуют ускорительные трубки. Распределение потенциалов задается вложенными электродами, образующими многослойную конструкцию, закрепленную на единственном секционированном проходном изоляторе. Изолятор находится вне прямой видимости из области прохождения пучка. Такая конструкция компактна и более надежна относительно высоковольтных пробоев.
Оптимальным вариантом для обдирки пучка является газовая мишень. При токе пучка более 5 мА пленка твердого вещества быстро разрушится. Однако с увеличением тока пучка увеличивается необходимый диаметр заполненной газом обдирочной трубки, через которую проходит пучок. Поток вытекающего из трубки газа существенно вырастает.
Газ, попадающий в ускоряющие зазоры, уменьшает высоковольтную прочность и надежность ускорителя. Кроме этого, он может приводить к преждевременной обдирке отрицательных ионов и часть ионов на выходе ускорителя будет иметь энергию ниже необходимой.
Для уменьшения потока газа в ускоряющие зазоры применяют откачку турбомолекулярным насосом, выход которого соединен с обдирочной трубкой. Большая часть газа циркулирует через насос и обдирочную трубку. Остальная часть вытекает в ускоряющие зазоры через отверстия в откачиваемом объеме для входа и выхода пучка. Эта часть потока газа в обдирочную трубку восполняется из газового источника.
Корпус турбомолекулярного насоса при этом окружен снаружи воздухом или другим газом, который заполняет часть высоковольтного электрода (терминала), что обеспечивает охлаждение корпуса насоса и удобство его эксплуатации. В таких газовых мишенях может применяться несколько турбомолекулярных насосов.
Подобные конструкции газовых мишений применялись ранее и описаны в Pat. US 6903336, 7 H01J 37/08, 17.04.2004, 6069459, Н05Н 5/02, 30.05.2002.
В качестве прототипа выбрана конструкция газовой мишени, которая обеспечивает хорошую откачку газа при использовании нескольких насосов и ступеней откачки [JP 9027400, G21K 1/14, Н05Н 5/06, 28.01.1997].
Однако указанные конструкции не могут быть применены в ускорителе-тандеме с вакуумной изоляцией. Они не компактны и требуют размещения корпуса турбомолекулярного насоса вне вакуумного объема. Высоковольтный электрод ускорителя - тандема с вакуумной изоляцией, в котором находится мишень, не граничит с внешней атмосферой и имеет небольшой объем из-за общей компактности ускорителя.
Изобретение направлено на создание устройства, обеспечивающего обдирку пучка отрицательных ионов с током более 5 мА, компактного и большей частью помещенного в вакуум, что позволяет его использование в ускорителе-тандеме с вакуумной изоляцией. Устройство не должно уменьшать высоковольтную прочность ускорителя и приводить к преждевременной обдирке отрицательных ионов.
Для решения поставленной задачи в известном устройстве, содержащем обдирочную трубку, газовый источник и турбомолекулярный насос, корпус турбомолекулярного насоса полностью располагается в вакууме рядом с обдирочной трубкой и охлаждается диэлектрической жидкостью, например трансформаторным маслом.
После ускорения первой ступенью ускорителя пучок отрицательных ионов обдирается в обдирочной трубке, в которую поступает газ из газового источника и из турбомолекулярного насоса. После выхода из компрессионной газовой мишени пучок ускоряется второй ступенью ускорителя-тандема.
Турбомолекулярный насос откачивает большую часть выходящего из обдирочной трубки газа, сжимает его и направляет его обратно в обдирочную трубку, осуществляя рециркуляцию газа. Благодаря использованию турбомолекулярного насоса поток газа в ускоряющие зазоры уменьшен в несколько раз, что препятствует снижению высоковольтной прочности ускорителя и преждевременной обдирке отрицательных ионов. Корпус турбомолекулярного насоса располагается в непосредственной близости от обдирочной трубки, в вакууме, что обеспечивает компактность устройства при необходимой скорости откачки. При этом мишени требуется небольшая область для вывода коммуникаций из вакуумной части ускорителя через секционированный проходной изолятор.
Часть потока газа, которую не откачивает турбомолекулярный насос, покидает мишень через отверстия для входа пучка отрицательных ионов и выхода пучка положительных ионов. Эту часть потока восполняет газовый источник, который может не находиться в вакууме, в непосредственной близи от обдирочной трубки, и он может быть соединен с ней тонкой трубкой для подачи газа.
Система питания и управления насосом может также располагаться вне вакуумного объема и соединяться с насосом через секционированный проходной изолятор.
В вакууме охлаждение корпуса насоса затруднено, поэтому необходима охлаждающая жидкость. Система подачи охлаждающей жидкости может находиться снаружи ускорителя-тандема, под нулевым потенциалом. Тогда между системой подачи охлаждающей жидкости и насосом возникнет высокое напряжение, задаваемое ускорителем. В этом случае охлаждающая жидкость должна быть диэлектрической. Две трубки, по которым жидкость будет подаваться через ускоритель, должны быть частично диэлектрическими. Непосредственно через проходной изолятор в вакуум охлаждающая жидкость может подаваться по трубкам из любого вакуумно-плотного материала, например нержавеющей стали.
Таким образом, основная часть компактной компрессионной газовой мишени может размещаться в вакууме, в высоковольтном электроде ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией. Благодаря использованию турбомолекулярного насоса поток газа в ускоряющие зазоры уменьшен в несколько раз, что препятствует снижению высоковольтной прочности ускорителя и преждевременной обдирке отрицательных ионов.
Сущность изобретения иллюстрируется Фиг.1-3.
На Фиг.1 приведена схема вакуумной части компрессионной газовой мишени, на которой показаны:
1 - обдирочная трубка;
2 - корпус турбомолекулярного насоса;
3 - трубка, соединяющая турбомолекулярный насос и обдирочную трубку;
4 - а) трубки для подачи охлаждающей жидкости;
b) кабель питания и управления турбомолекулярного насоса;
5 - высоковольтный электрод;
6 - секционированный проходной изолятор;
7 - отверстие для входа пучка отрицательных ионов.
На Фиг.2 приведена схема вакуумной части компрессионной газовой мишени с внутренним объемом и вакуумными сопротивлениями, где дополнительно к вышеприведенным позициям показаны:
8 - вакуумные сопротивления;
9 - внутренний объем.
На Фиг.3 приведена схема ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией и с встроенной компрессионной газовой мишенью, где дополнительно к вышеприведенным позициям показаны:
10 - газовый источник;
11 - блок питания и управления турбомолекулярного насоса;
12 - система подачи охлаждающей жидкости;
13 - газовая часть ускорителя;
14 - высоковольтный блок питания ускорителя;
15 - место входа пучка отрицательных ионов в ускоритель;
16 - место выхода пучка ускоренных положительных ионов из ускорителя;
17 - направление внешней вакуумной откачки ускорителя.
Устройство является частью ускорителя-тандема и оптимизировано для размещения в ускорителе-тандеме с вакуумной изоляцией (Фиг.3).
Компрессионная газовая мишень состоит из обдирочной трубки 1, турбомолекулярного насоса 2, газового источника 10 и компонентов, обеспечивающих их совместную работу 11 (Фиг.1, 2, 3).
Обдирочная трубка 1 располагается в высоковольтном электроде 5 ускорителя-тандема (Фиг.1, 2, 3) соосно с отверстиями 7, 15, 16 (Фиг.1, 3), через которые проходит пучок ионов. Типичный турбомолекулярный насос состоит из корпуса 2 (Фиг.1, 2, 3), в котором находится турбина, и блока питания и управления 11 (Фиг.3). Корпус турбомолекулярного насоса 2 располагается в непосредственной близости от обдирочной трубки 1, в высоковольтном электроде 5, в вакууме. Выходной фланец корпуса турбомолекулярного насоса 2 герметично соединяется с обдирочной трубкой 1 при помощи трубки 3 (Фиг.1, 2). Блок питания и управления 11 размещается в газовой части ускорителя 13 (Фиг.3). Питание турбомолекулярного насоса может осуществляться от высоковольтного блока питания ускорителя 14 или через высоковольтный трансформатор, или от электрогенератора, вращение на который можно передать диэлектрическим стержнем, ременной передачей или потоком газа на газовую турбину (не показаны).
Блок питания и управления турбомолекулярного насоса 11 соединен с корпусом 2 электрическими проводами 4b (Фиг.1, 2) через проходной изолятор 6.
Охлаждающая жидкость для охлаждения корпуса 2 турбомолекулярного насоса должна быть диэлектрической, например можно использовать трансформаторное масло. В корпусе турбомолекулярного насоса 2 охлаждающая жидкость может проходить по стандартным каналам, предназначенным для охлаждения водой. Система подачи охлаждающей жидкости 12 может находиться снаружи ускорителя-тандема, под нулевым потенциалом (Фиг.3). Она может состоять из компрессора и теплообменника (не показаны). Две трубки (одна для входа жидкости, другая для выхода), по которым жидкость будет подаваться через ускоритель, должны быть диэлектрическими на участке высоковольтного блока питания ускорителя 14 (Фиг.3). Непосредственно через проходной изолятор 6 в вакуум охлаждающая жидкость может подаваться по трубкам 4а из любого вакуумно-плотного материала, например нержавеющей стали (Фиг.1, 2).
Газовый источник 10 может состоять из газового баллона и управляемого клапана, которые показаны на Фиг.3. Газовый баллон размещается в газовой части ускорителя 13 (Фиг.3). При напряжении ускорителя меньше 1 MB газовый баллон может размещаться снаружи ускорителя, с подачей газа через диэлектрическую трубку (не показано). Управляемый клапан может быть электромагнитным, пьезоэлектрическим или пневматическим. Дополнительно газовый источник может быть оснащен редуктором давления, фильтром для очистки газа, натекателем и буферным объемом, не показаны.
Простой вариант газового источника обеспечивает только включение-выключение потока газа при заданном расходе.
В других вариантах газовый источник может регулировать расход газа. Если при импульсном открытии клапана буферный объем заполняется не до максимального давления, регулируя длительность и частоту следования импульсов можно регулировать расход газа из газового источника.
В другом случае управляемый клапан может являться масс-флоу контроллером, который регулирует расход газа с учетом обратной связи со встроенным измерителем расхода газа.
Управляемый клапан может оснащаться отдельным блоком питания и управления, не показан.
Сигналы управления турбомолекулярный насосом или управляемым клапаном могут передаваться в ускоритель-тандем по оптоволоконному кабелю, не показан.
В простом варианте обдирочная трубка 1 и корпус турбомолекулярного насоса 2 располагаются непосредственно в высоковольтном электроде 5 ускорителя-тандема (Фиг.1). В этом случае высоковольтный электрод 5 герметичен, кроме отверстий для входа и выхода пучка. Для уменьшения влияния на высоковольтную прочность ускорителя излучения и заряженных частиц, образующихся при взаимодействии пучка с газом мишени, в высоковольтный электрод 5 может быть добавлен внутренний объем 9 (Фиг.2). Внутренний объем 9 герметичен, кроме отверстий для входа и выхода пучка, и отстоит от высоковольтного электрода на расстояние не меньше двух диаметров обдирочной трубки 1. В этом случае высоковольтный электрод 5 не герметичен, а имеет отверстия или жалюзи для внешней откачки 17, как и остальные электроды ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией.
Для повышения эффективности откачки и дальнейшего снижения потока газа в ускоряющие зазоры ускорителя могут применяться вакуумные сопротивления 8 (Фиг.2), представляющие собой трубки, соосные с обдирочной трубкой 1 и герметично закрепленные на высоковольтном электроде 5 или на внутреннем объеме 9, в последних двух вариантах, соответственно.
Устройство работает следующим образом.
Созданный источником отрицательных ионов (не показан) пучок ускоряется первой ступенью ускорителя. Затем через отверстие для входа пучка отрицательных ионов 7 пучок попадает внутрь высоковольтного электрода 5, где обдирается в обдирочной трубке 1. Обдирка происходит при взаимодействии пучка с газом. Поток газа в обдирочную трубку 1 должен быть достаточным, чтобы практически весь пучок ободрался. После выхода из обдирочной трубки 1 пучок ускоряется второй ступенью ускорителя-тандема. Достаточный для обдирки пучка поток газа составит большую величину в случае компактного ускорителя с током больше 5 мА, так как обдирочная трубка 1 должна быть длиной менее 1 метра и внутренним диаметром порядка 1 сантиметра. Такой поток должен откачиваться до поступления в высоковольтные ускоряющие зазоры.
Выходящий из обдирочной трубки 1 газ попадает в высоковольтный электрод 5 (Фиг.1) или во внутренний объем 9 (Фиг.2). Затем большая часть потока газа откачивается турбиной в корпусе турбомолекулярного насоса 2, а остальной поток выходит через отверстия 7 для входа и выхода пучка в ускоряющие зазоры. Из ускоряющих зазоров газ откачивается внешней вакуумной откачкой ускорителя 17. Во втором варианте (Фиг.2) часть потока газа, которая покидает внутренний объем 9, попадает в высоковольтный электрод 5, а уже оттуда в ускоряющие зазоры ускорителя.
Турбомолекулярный насос 2 со скоростью откачки в несколько сотен литров в секунду уменьшит поток газа в ускоряющие зазоры в несколько раз, если диаметр отверстий для входа 7 и выхода пучка не превысит 3 см. Проводимость отверстий, следовательно и поток газа в ускоряющие зазоры, уменьшатся при добавлении вакуумных сопротивлений 8 (Фиг.2). Необходимо подобрать упомянутые величины так, чтобы поток газа в ускоряющие зазоры не приводил к снижению высоковольтной прочности ускорителя и преждевременной обдирке отрицательных ионов. Необходимая скорость вращения турбины турбомолекулярного насоса 2 задается блоком питания и управления 11, возможно с учетом его температуры.
Откачиваемый турбомолекулярным насосом 2 газ сжимается и через трубку 3 попадает обратно в обдирочную трубку 1. Также в обдирочную трубку 1 поступает поток газа из газового источника 10, по величине равный потоку в ускоряющие зазоры. Целесообразно при включении ускорителя снижать расход газа из газового источника 10, чтобы уменьшить поток газа в ускоряющие зазоры, а затем постепенно повышать до стационарной величины. Это позволит скомпенсировать повышенное газовыделение с электродов в начале работы ускорителя.
При работе корпус турбомолекулярного насоса 2 нагревается. В вакууме охлаждение корпуса насоса затруднено, поэтому по трубкам 4а к нему системой подачи охлаждающей жидкости 12 непрерывно подается диэлектрическая охлаждающая жидкость.
Преимущество изобретения состоит в том, что корпус турбомолекулярного насоса полностью располагается в вакууме, рядом с обдирочной трубкой. При этом компрессионной газовой мишени требуется небольшая область для вывода коммуникаций из вакуумной части ускорителя, через секционированный проходной изолятор, что позволяет ее использование в ускорителе-тандеме с вакуумной изоляцией. Устройство не уменьшает высоковольтную прочность ускорителя и не приводит к преждевременной обдирке отрицательных ионов. Несмотря на расположение в вакууме, корпус турбомолекулярного насоса не перегревается благодаря охлаждению диэлектрической жидкостью.