Способ регулирования энергии заряженных частиц в линейном резонансном ускорителе

 

Изобретение относится к ускорительной технике. Цель изобретение - расширение диапазона регулирования энергии ускоряемых частиц. Способ состоит в том, что регулирование энергии в линейном резонансном ускорителе, содержащем n трубок дрейфа, осуществляют путем возбуждения в одной из промежуточных k - й трубке дрейфа отклоняющего поля, обеспечивающего вывод частиц из зоны ускорения, и одновременно при этом измеряют рабочую частоту ускоряющего поля в диапазоне f_o-f_o± Δf/n , а номер k трубки дрейфа выбирают согласно выражению K=n(W_k/W_n) где n=1, 2 ...k ..., W_k - требуемая энергия выводимых частиц, эВ; W_n - конечная энергия частиц на выходе резонатора, эВ. Такой режим работы позволяет разбить широкий диапазон перестройки энергии W_o-W_o± ΔW± ΔW/n на сравнительно малые интервалы W_o-W_o± ΔW± ΔW/n , сохранив при этом режиме автогенерации. 2 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к линейным резонансным ускорителям ионов, и может быть использовано при создании новых и реконструкции действующих ускорителей с регулируемой энергией ионов. Известен способ плавного регулирования энергии ускоренных частиц, основанный на использовании независимо фазируемых и амплитудно-контролируемых ВЧ ускоряющих ячеек для обеспечения универсальности в ускорении широкого диапазона частиц в широком диапазоне энергий. В этом решении использована цепочка резонансных ячеек, каждая из которых представляет двухзазорный резонатор. Этот способ позволяет ускорять ионы в широком диапазоне энергий от энергии инжекции до максимальной энергии порядка 1 МэВ/заряд. Основным недостатком этого способа является сложность выполнения и эксплуатации системы ВЧ-питания резонаторов, которая растет с увеличением предельной энергии установки. Известен способ регулирования энергии ускоренных частиц в линейном резонансном ускорителе ионов, содержащем участок, где частицы ускоряются до заданной фиксированной энергии, и участок, содержащий дополнительный ускоряющий резонатор, в котором путем регулировки амплитуды и фазы ВЧ-поля достигается регулировка энергии частиц в широком диапазоне энергии. Недостатком этого способа является сравнительно большой расход ВЧ-мощности в дополнительном резонаторе, а также необходимость взаимного фазирования резонаторов. Известен способ регулирования энергии ускоренных частиц, при котором используется ускоряющий резонатор с конечной энергией W_n и n отклоняющих устройств для вывода частиц с промежуточными энергиями W_k с оси ускорения. Недостатком такого способа является высокая дискретность вывода ускоренных частиц и отсутствие возможности плавной регулировки их выходной энергии. Известен также способ плавного регулирования энергии заряженных частиц в линейном резонансном ускорителе с n трубками дрейфа, внутри которых размещены устройства для возбуждения электромагнитных полей, в частности электромагнитные квадрупольные фокусирующие линзы, основанный на изменении резонансной частоты ускорения в широких пределах (f_o, f_o + Δf). Основным недостатком такого способа является техническая сложность регулирования энергии в широком диапазоне. Целью изобретения является расширение диапазона регулирования энергии. Поставленная цель достигается тем, что по предлагаемому способу плавного регулирования энергии заряженных частиц в линейном резонансном ускорителе с n трубками дрейфа, заключающемся в изменении резонансной частоты ускоряющего электромагнитного поля в пределах интервала f_o, f_o + Δf, внутри k трубки дрейфа возбуждают отклоняющиеся поля в диапазоне f_o, f_o + Δf/n, при этом номер трубки дрейфа k(k = 1, 2, . . . n), на которую подают отклоняющие поля, связан с требуемой энергией на мишени W_k соотношением k = n(W_k/W_n) , где W_n - энергия частиц, отклоненных в n-й трубке дрейфа. Возможность вывода ускоренных частиц из зоны ускорения за счет введения поперечных отклоняющих полей в каждую из n трубок дрейфа позволяет разбить широкий диапазон перестройки энергии ускоренных частиц W_о, W_o + ΔW на сравнительно малые интервалы W₁, W₁ + +ΔW/n. Из условий резонансного ускорения следует, что необходимо обеспечить соотношение L = k _yβ λ= const (L - длина ячейки ускорения, k_y - кратность ускорения; β- относительная скорость частиц; λ- длина волны ускоряющего поля). Поэтому при изменении скорости ионов следует пропорционально изменять резонансную частоту ускорения. В результате удается снизить диапазон перестройки частоты пропорционально числу трубок дрейфа и перейти к режиму автогенерации для упрощения работы системы ВЧ-питания. Обеспечение дискретного вывода ускоренных частиц позволяет упростить работу систем путем инжекции и транспортировки, поскольку в этом случае нет необходимости их перестройки при всяком изменении частоты ускоряющего поля для поддержания условий синхронизма. Использование принципа фазопеременной фокусировки позволяет обеспечить разделение функций электромагнитных полей для обеспечения фокусировки пучка и его вывода из зоны ускорения. На фиг. 1 приведена структурная схема ускорителя с плавной регулировкой выходной энергии; на фиг. 2 показан продольный разрез ускоряющей системы на примере использования в качестве отклоняющих устройств электростатических отклоняющих пластин. Ускоритель содержит инжектор 1 частиц, ускоряющую систему 2, систему 3 вывода ускоренного пучка 3 и систему 4 ВЧ-питания, работающую в режиме автогенерации. Ускоряющая система 2 включает резонансную систему, например, в виде пары параллельно расположенных четвертьволновых проводников двухпроводной линии 5, которая заключена в вакуумный кожух 6. К проводникам резонансной системы присоединены трубки 7 дрейфа, на которые подаются ВЧ-потенциалы для ускорения и фокусировки ионов. Между каждой парой трубок дрейфа установлены металлические экраны 8, электрически соединенные с корпусом резонансной системы, внутри которых размещены устройства для параллельного переноса оси ускоренного пучка в виде двух пар отклоняющих электростатических пластин 9. В экранах 8 предусмотрены две пары отверстий 10, оси которых совпадают с осями неотклоненного и отклоненного пучков. В пластинах 9 предусмотрены отверстия 11 для входа и выхода отклоненного пучка. Экраны 8 с отверстиями 10 и пластины 9 с отверстиями 11, а также устройство 12 для подачи на пластины 9 электростатических отклоняющих потенциалов, являются составными частями системы 3 вывода ускоренного пучка. Ускоряющий резонатор служит выходным контуром автогенератора и содержит устройство для плавного изменения резонансной частоты ускорителя (представляет собой короткозамыкающий плунжер 13). Ускоритель работает следующим образом. Созданные и предварительно ускоренные в инжекторе 1 ионы поступают на вход ускоряющей структуры 2. В ускоряющую структуру вводится ВЧ-мощность и производится ускорение частиц до заданных уровней энергии. Первый из необходимых для облучения образцов уровней энергии W достигается после прохождения i-го зазора. Для вывода ионов, ускоренных до этой энергии, на обе пары отклоняющих пластин, расположенных в i-м экране, через устройство 9 подается равный по величине, но разноименный по знаку электростатический потенциал. После прохождения пары пластин, установленных вблизи оси ускоренного пучка, частицы отклоняются и через отверстия 11 вводятся во вторую пару пластин, где выводятся на ось, параллельную оси ускорения. При этом на все остальные устройства параллельного переноса оси пучка отклоняющие потенциалы не подаются. Выведенный пучок через отверстия 10 поступает на камеру вывода пучка. При этом вывод частиц с промежуточными значениями энергии в диапазоне (W_i, W_{i + 1}) осуществляется при соответствующем изменении резонансной частоты ускорения в диапазоне (f_o, f_o +Δf/n). При необходимости выводить пучок из другого ускоряющего зазора, например с номером (i + k), отклоняющие потенциалы подаются только на пластины, размещенные в соответствующем (i + k) экране, а устройство для изменения резонансной частоты ускорителя 13 обеспечивает переход к соответствующей частоте. Шаг изменения энергии определяется из условий технологии процесса облучения и конструктивных особенностей ускоряющей структуры. (56) Линейные ускорители ионов. /Под ред. Б. П. Нурина. М. : Атомиздат, 1978, с. 236. M. Odera et all "Nucl. Instr. and Meth" 227, 1984, p. 187.

Формула изобретения

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ЛИНЕЙНОМ РЕЗОНАНСНОМ УСКОРИТЕЛЕ с n трубками дрейфа, заключающийся в изменении резонансной частоты ускоряющего электромагнитного поля в интервале f₀ - f₀ ± Δf , отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования энергии, внутри K-й трубки дрейфа возбуждают отклоняющее поле для вывода частиц из зоны ускорения, при изменении частоты ускоряющего поля в интервале f₀ - f₀ ± Δf / n , а номер K трубки дрейфа, в которой возбуждают отклоняющее поле, выбирают согласно выражению K = n(W_K/W_n), где f₀ - рабочее значение частоты ускоряющего поля, Гц; n = 1, 2, 3 . . . n; W_K - требуемая энергия выводимых частиц отклоненных в K-й трубке дрейфа, эВ; W_n - конечная энергия частиц на выходе ускоряющего резонатора, эВ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2