Линейный резонансный ускоритель ионов с регулируемой выходной энергией

 

Использование: изобретение относится к ускорительной технике, в частности к линейным резонансным ускорителям ионов, и может быть использовано при создании новых и реконструкции действующих комплексов, использующих пучки ускоренных ионов, например, для ионной имплантации. Сущность изобретения: ускоритель содержит последовательно расположенные источник 1 ионов, ускоряющую секцию 2, подключенную к источнику 4 ВЧ мощности, и камеру 7 вывода пучка ускоренных ионов. Перед камерой вывода пучка установлен поглотитель 5 энергии, снабженный средствами 6 для регулирования его эффективной толщины. Поглотитель может быть выполнен в виде набора из N пластин одинаковой толщины t или в виде замкнутого объема с отверстиями для пролета ускоренного пучка, снабженного средствами для подачи в него газа и регулирования давления газа. Введение поглотителя энергии пучка с регулятором его эффективной толщины позволяет избавиться от сложной системы автоматического регулирования частоты, фазы и амплитуды ВЧ сигнала и существенно упростить систему ВЧ питания ускорителя. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к линейным резонансным ускорителям ионов, и может быть использовано при создании новых и реконструкции действующих комплексов, использующих пучки ускоренных ионов, например, для целей ионной имплантации.

Известны предложения по использованию высокочастотных ускорителей в качестве импланторов ионов, которые могут обеспечить высокую интенсивность ускоренных пучков при конечной энергии до нескольких МэВ. В частности, ускоритель, описанный в работе [1], выполнен на основе ускоряющей структуры с пространственно однородной квадрупольной фокусировкой. Этот ускоритель позволяет обеспечить высокую интенсивность ускоренного пучка при энергии порядка нескольких мегаэлектронвольт. Для регулирования выходной энергии предложено перестраивать резонансную частоту ускоряющей структуры в широком диапазоне.

Основным недостатком имплантора такого типа является сложность плавной регулировки выходной энергии частиц в широком диапазоне энергий из-за необходимости глубокой регулировки частоты ускорения, что приводит к усложнению системы ВЧ питания и повышенному расходу мощности в ускоряющей структуре из-за снижения шунтового сопротивления.

Наиболее близкой к предлагаемой является система [2] с использованием цепочки независимо возбуждаемых резонаторов. В такой системе для обеспечения совместной работы резонаторов необходимо осуществлять непрерывный амплитудный, фазовый и частотный контроль параметров большого числа резонаторов, запитываемых от отдельных ВЧ генераторов, что существенно усложняет систему автоматического регулирования параметрами системы ВЧ питания особенно при увеличении предельной энергии установки.

Целью изобретения является расширение области применения ускорителя за счет увеличения диапазона регулирования выходной энергии ускоренных ионов.

Для этого в известном линейном резонансном ускорителе ионов, содержащем последовательно расположенные источник ионов, ускоряющую секцию, подключенную к источнику высокочастотной мощности, и камеру вывода пучка ускоренных ионов, перед камерой вывода пучка установлен поглотитель, снабженный средствами для регулирования его эффективной толщины, при этом эффективная толщина поглотителя Т_эф удовлетворяет выражению Т_эф = (W_макс - W_i)/р, где W_макс - максимальное значение регулируемой выходной энергии [МэВ]; W_i - промежуточное значение выходной энергии [МэВ] из диапазона (W_макс, W_мин); W_мин - минимальное значение регулируемой выходной энергии [МэВ]; р - тормозная способность вещества поглотителя [МэВ/мкм] - 1,5 < p < 2,5.

С целью упрощения системы ВЧ питания в линейном резонансном ускорителе ионов поглотитель может быть выполнен в виде набора из N пластин одинаковой толщины t, причем число пластин N определяют из соотношения N = [(W_i - W_мин)/W_мин](f_o/2 Δ f), где f_o - резонансная частота ускоряющей структуры; Δ f - допустимый диапазон перестройки частоты, при котором обеспечивается автогенераторный режим работы ВЧ системы, а толщину пластины t определяют из соотношения t = (W_макс - W_мин)/(pN).

С целью расширения диапазона выходных энергий со стороны минимально допустимой энергии поглотитель может быть выполнен в виде замкнутого объема с отверстиями для пролета ускоренного пучка, снабженного средствами для подачи в него газа и регулирования давления газа.

Введение пассивного устройства регулирования энергии поглотителя позволяет избавиться от сложной системы автоматического регулирования частоты, амплитуды и фазы ВЧ ускоряющего поля.

Введение устройства регулирования эффективной толщины поглотителя позволяет разбить весь диапазон перестройки энергии Δ W на поддиапазоны, в рамках которых осуществляется плавная перестройка энергии за счет изменения резонансной частоты ускорения при работе в режиме автогенерации.

Предлагаемые соотношения между частотой ускорения, числом промежуточных выводов энергии и толщиной поглотителя энергии позволяют выбирать толщину поглотителя в зависимости от требуемого диапазона перестройки выходной энергии и заданных параметров ускоренного пучка при работе системы ВЧ питания в режиме автогенерации.

Использование поглотителя энергии в виде замкнутого объема, заполненного газом, в котором толщина поглотителя регулируется за счет изменения давления газа по заданной программе, позволяет повысить надежность и долговечность работы комплекса при снижении минимальной выходной энергии ускоренных ионов, особенно в случаях, когда толщина пластин становится очень малой и их использование оказывается технически неприемлемым.

Имеются технические решения, в которых использованы отдельные признаки, изложенные в формуле изобретения, а именно: 1. Для плавного регулирования выходной энергии ускоренных частиц в широком диапазоне используется перестройка резонансной частоты ускорения [1]. При этом работа ведется, как правило, в режиме независимого возбуждения, и появляется необходимость в глубокой регулировке частоты, амплитуды и фазы ВЧ полей, что приводит к усложнению системы автоматического регулирования. Перестройка частоты ВЧ поля в широком диапазоне требует введения в резонансный объем дополнительных органов настройки, что приводит, как правило, к снижению шунтового сопротивления ускоряющей структуры и соответствующему повышению расхода мощности ВЧ питания, а также к нестабильностям ВЧ полей вследствие возникновения паразитных типов колебаний. Введение поглотителя энергии пучка позволяет снизить необходимый диапазон перестройки частоты и обеспечить работу ВЧ системы в режиме автогенерации. В результате повышается экономичность, надежность и эксплуатационная простота управления ускорителем, что особенно важно при его промышленном использовании.

2. Известно использование поглотителей в ускорительной технике для изменения энергии ускоренных пучков, а также для выравнивания энергетического спектра ускоренных частиц. Однако при этом не ставилась цель плавной регулировки энергии в широком диапазоне при помощи поглотителя. Введение устройства регулирования эффективной толщины поглотителя в виде набора из N пластин равной толщины позволяет обеспечить грубую регулировку энергии с заданным шагом, а точная настройка на любую энергию в заданном диапазоне осуществляется при помощи плавной перестройки частоты ускорения в диапазоне частот, при котором ВЧ система работает в режиме автогенерации. Это существенно упрощает систему ВЧ питания.

3. Известно использование вакуумных объемов, заполненных газом, в качестве устройства перезарядки пучков. При введении средств регулирования давления газа также можно осуществлять регулировку эффективной толщины такой газовой мишени, установленной на выходе ускорителя. Это позволяет производить регулировку энергии ускоренного пучка. Использование газового поглотителя становится особенно актуальным при снижении уровня минимальной необходимой энергии ускоренных пучков, когда использование твердых поглотителей оказывается затруднительным из-за снижения их механической прочности. Для точной настройки на заданную энергию также целесообразно использовать перестройку резонансной частоты ускорения в узком диапазоне частот в режиме автогенерации.

Анализ отличительных признаков и проявляемых ими свойств позволяет считать предложенное техническое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

На фиг.1 приведена структурная схема ускорителя с плавной регулировкой выходной энергии; на фиг.2 - поглотитель на примере набора фольги равной толщины.

Ускоритель содержит источник 1 ионов, ускоряющую секцию 2 с устройством 3 регулирования резонансной частоты ускорения, источник 4 ВЧ питания, работающий в режиме автогенерации, поглотитель 5 энергии пучка, снабженный средствами 6 для регулирования его эффективной толщины, и камеру 7 вывода ускоренного пучка. Ускоряющий резонатор служит выходным контуром автогенератора.

Ускоритель работает следующим образом.

Созданные в источнике 1 ионы поступают в ускоряющую секцию 2, в которую со стороны автогенератора введена ВЧ мощность на резонансной частоте ускорения, и производится ускорение частиц до максимальной выходной энергии W_макс. При необходимости получить любую выходную энергию W_к из заданного диапазона (W_макс, W_мин) на ось пролетающего пучка перед камерой облучения вводится определенное число k(k = 1...N) пластин равной толщины t. Таким образом осуществляется грубая настройка на заданную энергию. Точная настройка на заданную выходную энергию осуществляется путем изменения резонансной частоты ускорения при помощи устройства 3 в узком диапазоне частот (порядка 2-4% ), при котором источник 4 ВЧ питания работает в режиме автогенерации. При этом отсутствует необходимость непрерывного точного контроля за амплитудой, фазой и частотой ВЧ мощности, питающей резонатор.

П р и м е р. Рассмотрим ускоритель однозарядных ионов фосфора с выходной энергией пучка, изменяющейся в диапазоне от 0,5 до 1,5 МэВ. Пpи снижении энергии от 1,5 до 0,5 МэВ средние удельные потери в углероде составляют около 6 кэВ/(мкг/см). При этом максимальная толщина углеродного поглотителя составляет 170 мкг/см². Если осуществлять изменение энергии только за счет изменения резонансной частоты ускорения, то диапазон перестройки частоты относительной резонансной частоты ускоряющей структуры составит ± 35%. При этом возможна работа только в режиме независимого возбуждения, что приводит к усложнению системы автоматического регулирования частоты, амплитуды и фазы. Кроме того, перестройка резонансной частоты ускорения в широких пределах приводит либо к снижению шунтового сопротивления, если изменять емкость резонансного контура, либо к усложнению проблемы ВЧ контактов, если частоту регулировать при помощи изменения индуктивности контура. При введении 8 пластин толщиной порядка 20 мкг/см² можно перекрыть весь диапазон энергий, а точную настройку на конкретную выходную энергию вести в режиме автогенерации путем перестройки резонансной частоты ускоряющей структуры в пределах всего 3-4% без существенного изменения параметров системы ВЧ питания.

Таким образом, введение поглотителя энергии пучка, снабженного средствами для регулирования его эффективной толщины, позволяет избавиться от сложной системы автоматического регулирования частоты, фазы и амплитуды ВЧ сигнала, и, таким образом, существенно упростить систему ВЧ питания ускорителя.

Формула изобретения

1. ЛИНЕЙНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ИОНОВ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ВЫХОДНОЙ ЭНЕРГИЕЙ, содержащий последовательно расположенные источник ионов, ускоряющую секцию, подключенную к источнику высокочастотной мощности, камеру вывода пучка ускоренных ионов и устройство для регулирования энергий ускоренных ионов, отличающийся тем, что устройство для регулирования энергии ускоренных ионов выполнено в виде поглотителя, установленного перед камерой вывода пучка и снабженного средствами для регулирования его эффективной толщины, при этом эффективная толщина поглотителя T_эф для обеспечения выходной энергии W_i, МэВ, выбрана согласно выражению T_эф = (W_max - W_i) / p, м, где W_max - максимальное значение регулируемой выходной энергии, МэВ;
p - тормозная способность вещества поглотителя, МэВ/м, 1,5 < p < 2,5.

2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что поглотитель выполнен в виде набора из N пластин одинаковой толщины t, снабженных средствами для индивидуального перемещения их в область распространения пучка ионов, причем число пластин N выбрано из соотношения
N = ((W_i-W_min)/W_min)(f_o/2Δf),
где f₀ - резонансная частота ускоряющей структуры, Гц;
Δf - допустимый диапазон перестройки частоты, при котором обеспечивается автогенераторный режим работы ВЧ-системы, Гц;
W_min - минимальное значение регулируемой выходной энергии, МэВ,
а толщина пластины t определена из соотношения
t=(W_max - W_min) / pN, м.

3. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что поглотитель выполнен в виде замкнутого объема с отверстиями для пролета ускоренных ионов, снабженного средствами для подачи в него газа и регулирования его давления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2