Мишенный узел для импульсного линейного резонансного ускорителя ионов

 

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к линейным резонансным ускорителям ионов, и может быть использовано при создании новых и реконструкции действующих радиационно-ускорительных комплексов, в которых используется промежуточная перезарядка пучков ускоренных ионов. Технический результат предложения заключается в упрощении системы откачки. Для этого в мишенный узел для импульсного линейного резонансного ускорителя ионов с частотой повторения импульсов F, содержащий вакуумно-плотный корпус 1 отверстиями 2 для пролета пучка, подключенный к вакуумной системе, в котором расположена перезарядная камера 4, снабженная средствами для подачи и отвода газа и регулирования его давления в камере, введено перфорированное кольцо 7 с 2 n попарно соосными отверстиями 8, оси которых расположены в одной плоскости с осями пролетных отверстий корпуса и перезарядной камеры. При этом кольцо охватывает камеру и снабжено приводом 9 для его вращения, подключенным к системе 10 синхронизации ускорителя. Технический результат достигается также тем, что в мишенный узел введено дополнительное кольцо с противолежащими отверстиями для пролета пучка, коаксиально охватывающее перфорированное кольцо. 1 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к линейным резонансным ускорителям ионов, и может быть использовано при создании новых и реконструкции действующих радиационно-ускорительных комплексов, в которых используется промежуточная перезарядка пучков ускоренных ионов.

При создании ускорительных комплексов на высокую энергию используются перезарядные мишени, выполненные на основе твердого или газообразного вещества. Для повышения долговечности и надежности работы ускорителя, особенно при сравнительно невысоких энергиях и высоких интенсивностях пучка, используют перезарядку на газовой мишени. Для развязки по вакууму ускоряющих резонаторов, работающих при вакууме порядка 10^-6 мм рт.ст. и перезарядной мишени, представляющей собой резервуар с газом под давлением 10^-1-10^-2 мм рт. ст. приходится существенно увеличивать мощность средств откачки.

Известно техническое решение, в котором газ подается в мишенный узел в виде сверхзвуковой струи, перпендикулярной оси пучка [1] В этом случае имеется возможность обеспечить высокий перепад давления в направлении движения пучка и сократить длину мишенного узла. Однако в этом случае трудно обеспечить высокую стабильность плотности сверхзвуковой струи в течение большого числа импульсов. Кроме того, за это приходится платить дополнительным расходом мощности электропитания для поддержания надежной работы теплообменного устройства.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство, в котором для вакуумной развязки используется электромеханический клапан [2] Это устройство хорошо зарекомендовало себя в условиях малых апертурных отверстий и малых частот повторения импульсов. В то же время при увеличении частоты повторения импульсов и диаметра апертуры выпускного отверстия натекание газа в ускоряющие резонаторы возрастает и становится недопустимым. Для устранения этого недостатка приходится прибегать к дифференциальной откачке с использованием бустерных объемов. При этом увеличивается длина участка между резонаторами, что приводит к дополнительному дрейфу и ухудшению параметров пучка.

Технический результат предложения заключается в упрощении системы откачки.

Согласно изобретению технический результат достигается тем, что в мишенный узел для импульсного линейного резонансного ускорителя ионов с частотой повторения импульсов F, содержащий вакуумно-уплотнительный корпус с отверстиями для пролета пучка, подключенный к вакуумной системе, в котором расположена перезарядная камера, пролетные отверстия которой соосны пролетным отверстиям корпуса, снабженная средствами для подачи и отвода газа и регулирования его давления в камере, введено перфорированное кольцо с 2n попарно соосными отверстиями, оси которых расположены в одной плоскости с осями пролетных отверстий корпуса и перезарядной камеры. При этом кольцо охватывает камеру и снабжено приводом для его вращения, подключенным к системе синхронизации ускорителя. Число отверстий в кольце и частоту его вращения f выбирают согласно выражениям 2n (S/s)(Q₁/Q₂); f F/(2n), где Q₁ и Q₂ потоки газа, истекающего из перезарядной камеры в отсутствие и при наличии кольца соответственно; s сечение отверстий в кольце; S площадь боковой поверхности кольца.

Технический результат достигается также тем, что в мишенный узел введено дополнительное кольцо с противолежащими от- верстиями для пролета пучка, коаксиально охватывающее перфорированное кольцо.

Причинно-следственная связь технического результата с введенными отличительными признаками заключается в следующем. Введение вращающегося кольца с 2n попарно соосными отверстиями для пролета пучка, охватывающего перезарядную камеру, позволяет существенно снизить потоки газа из перезарядной камеры в резонаторные объемы ускорителя и соответственно упростить решение проблемы преодоления глубокого перепада давлений на этапе перезарядки пучка в газовой среде на минимально возможном пространстве. Вышеприведенное соотношение между частотой следования импульсов пучка и скоростью вращения кольца позволяет обеспечить их синхронную работу и тем самым устранить возможные потери пучка при его пролете через мишенный узел. Введение дополнительного стационарного кольца с отверстиями для пролета пучка, коаксиально охватывающего вращающееся кольцо, позволяет усилить эффект развязки по вакууму перезарядной камеры и резонаторных объемов за счет дополнительного снижения натекания газа в резонаторные объемы.

Доказательство существенных отличий. Имеются технические решения, в которых использованы отдельные признаки, изложенные в формуле изобретения. Например, приведено устройство, служащее в качестве электромеханического клапана, который перекрывает отверстие эмиссии ионного источника на время паузы между импульсами ионного тока. Использование такого устройства позволило более чем на два порядка снизить расход рабочего газа. В то же время при значительном повышении интенсивности пучка за счет увеличения диаметра пучка и частоты следования импульсов такой клапан оказывается неэффективен из-за его инерционности. При использовании вращающегося перфориро- ванного кольца, скорость вращения которого синхронизирована с частотой следования импульсов тока пучка, удается обеспечить надежную работу даже при малых значениях скважности и больших апертурных отверстиях для пролета пучка. Большое число попарно соосных отверстий в перфорированном кольце позволяет снизить скорость его вращения пропорционально числу n. Анализ отличительных признаков и проявляемых ими свойств, связанных с достижением технического результата, позволяет считать заявленное техническое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

На чертеже приведена структурная схема мишенного узла для линейного резонансного ускорителя ионов.

Мишенный узел включает вакуумно-плотный корпус 1 с отверстиями 2 для пролета пучка, подключенный к вакуумной системе 3 ускорителя. В корпусе 1 расположена перезарядная камера 4, пролетные отверстия 5 которой соосны пролетным отверстиям 2 корпуса 1. Перезарядная камера снабжена средствами 6 для подачи и регулирования давления в камере. Перезарядную камеру 4 охватывает перфорированное кольцо 7 с 2n (на чертеже изображен случай, соответствующий n=2) попарно соосными отверстиями 8, оси которых расположены в одной плоскости с осями пролетных отверстий 2 и 5 корпуса 1 и перезарядной камеры 4. Перфорированное кольцо 7 снабжено приводом 9 для его вращения вокруг вертикальной оси, который подключен к системе 10 синхронизации ускорителя. Корпус 1 присоединен к средствам 11 вакуумной откачки.

Мишенный узел работает следующим образом.

Производится запуск привода 9, который вращает перфорированное кольцо 7 с частотой, синхронизированной с частотой посылок импульса пучка для обеспечения сквозного пролета пучка через мишенный узел. В перезарядную камеру 4 через средство 6 подается рабочий газ под давлением, соответствующим равновесной толщине перезарядки. Вращающееся перфорированное кольцо 7, установленное вблизи перезарядной камеры 4, перекрывает пролетные отверстия 5 камеры 4 на время паузы между соседними импульсами пучка. В моменты пролета пучка через перезарядную камеру обеспечивается совмещение осей соответствующей противолежащей пары отверстий 8 в перфорированном кольце 7 и отверстий 5, пучок беспрепятственно проходит через перезарядную камеру, перезаряжается в ней и поступает в вакуумную систему 3 ускорителя. Таким образом, при использовании перфорированного кольца 7, вращающегося в синхронизме с частотой следования импульсов пучка, удается существенно снизить газовые потоки в резонаторные объемы, причем эффект пропорционален отношению площади внутренней поверхности перфорированного кольца 7 к суммарному диаметру отверстий 8 в нем. В результате появляется возможность избавиться от промежуточных вакуумных объемов, сократить длину мишенного узла и упростить средства откачки.

П р и м е р. Рассмотрим мишенный узел, предназначенный для перезарядки ионов вольфрама на газовой мишени при энергии ускоренных ионов 300 кэВ/Н.

Равновесная толщина мишени при указанной энергии равна 5 мкг/см². Так как вес одной молекулы воздуха составляет 5x x10^-23 г, то данной толщине мишени соответствует 10¹⁷ молекул. При атмосферном давлении они занимают объем 3,7˙10^-3 см³. Если принять, что объем мишени равен 40 см³, то необходимое давление составит величину порядка 0,1 мм рт.ст.

Сопоставим требуемые откачные средства для обеспечения вакуумной развязки объемов ускоряющих секций, работающих под давлением 3˙10^-6 мм рт.ст. и перезарядной камеры, в которой необходимо обеспечить давление 0,1 мм рт.ст. в случае дифференциальной схемы откачки и в предлагаемом техническом решении. Зададимся вязкостным режимом газового потока и положим, что перезарядное устройство представляет собой трубку длиной L=15 см и диаметром d=20 см, в которую подается рабочий газ под давлением р=0,1 мм рт.ст. а трубка находится в вакуумно-плотном резервуаре диаметром 40 см.

Поток газа из трубки в окружающий объем оценим по формуле Q' C₁(p₁-p₂), где С₁ проводимость трубопровода. Для воздуха при 293 К проводимость можно рассчитать по формуле С₁ 136 d/L (d и L измеряются в сантиметрах, р в миллиметрах ртутного столба, а С₁ в метрах/секунды).

Дифференциальная откачка.

Для рассматриваемого случая Q¹ 5,4 л˙мм рт.ст./с. Необходимая быстрота откачки В в этом месте определяется из соотношения B 2Q¹/p.

Положим, что для рассматриваемого случая давление в вакуумно-плотном корпусе мишенного узла составляет р 0,02 мм рт.ст. Тогда быстрота откачки равна 540 л/с. Такую скорость может обеспечить один турбомолекулярный насос типа НВТ-950.

Пусть откачка двух буферных объемов, расположенных с обеих сторон от корпуса перезарядной камеры и соединенных с ним через трубки длиной 5 см и диаметром 2 см, производится до давления р 2˙10^-4 мм рт.ст. Проводимость трубопровода С₂ составит 4 л/с, газовый поток Q" 0,08 л˙мм рт.ст./с, а требуемая скорость откачки каждого из объемов со скоростью 400 л/с, которую могут обеспечить по одному насосу типа НВТ-950.

Наконец, третья ступень откачки предполагает откачку из ограниченных перегородкой торцовых объемов предобдирочной и послеобдирочной секций, соединенных с буферными объемами трубами длиной 10 см и диаметром 2 см. Ускоряющие резонаторы соединены с буферными объемами через трубки диаметром 2 см и длиной 10 см. Проводимость трубопровода определим по формуле С₃ 12,1 d₃/L, которая для заданного случая составит 9,7 л/с. Поэтому поток газа составит 0,002 л˙мм рт. ст./с. Для откачки обоих резонаторных объемов до давления р 5˙10^-6мм рт. ст. необходимо обеспечить скорость откачки 400 л/с, для чего потребуются два турбомолекулярных насоса типа НВТ-950.

Таким образом, для обеспечения дифференциальной схемы откачки необходимо использовать пять насосов типа НВТ-950.

Откачка с использованием вращающегося перфорированого кольца.

Положим, что в перфорированном кольце имеется одна пара противолежащих отверстий (n= 1), диаметр которых равен 2 см. При диаметре кольца 30 см и высоте 3,2 см площадь поверхности кольца в 50 раз превышает диаметр отверстий в кольце, что приводит к соответствующему сокращению потока газа. Общий поток газа с учетом его истечения через щель между перфорированным кольцом и перезарядной камерой положим равным 0,2 л˙мм рт.ст./c. Положим, что в вакуумном корпусе, в котором расположена перезарядная камера, необходимо обеспечить давление 3^.10^-4мм рт. ст. Скорость откачки такого вакуумного объема составит 600 л/с, для чего потребуется один турбомолекулярный насос типа НВТ-950. Положим, что резонаторные объемы ускорителя соединяются с вакуумным корпусом перезарядной камеры через трубопровод диаметром 2 см и длиной 12 см. Для обеспечения перепада давлений от 3˙10^-4 до 3˙10^-6 мм рт.ст. необходимо обеспечить скорость откачки около 800 л/с.

Таким образом, для обеспечения заданного перепада давлений между резонаторными объемами и вакуумным корпусом перезарядной мишени потребуется не пять насосов типа НВТ-950, как при дифференциальной откачке, а всего три насоса. При этом длина всего мишенного узла сокращается на 30-40% что упрощает перезахват пучка в режим ускорения в послеобдирочном резонаторе.

Формула изобретения

МИШЕННЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ ИМПУЛЬСНОГО ЛИНЕЙНОГО РЕЗОНАНСНОГО УСКОРИТЕЛЯ ИОНОВ с частотой повторения импульсов F, содержащий вакуумно-плотный корпус с отверстиями для пролета пучка, подключенный к вакуумной системе, в котором расположена перезарядная камера, пролетные отверстия которой соосны с пролетными отверстиями корпуса, снабженная средствами для подачи и отвода газа и регулирования его давления в камере, отличающийся тем, что введено перфорированное кольцо с 2n попарно соосными отверстиями, оси которых расположены в одной плоскости с осями пролетных отверстий корпуса и перезарядной камеры, при этом кольцо охватывает камеру и снабжено приводом для его вращения, подключенным к системе синхронизации ускорителя, а число отверстий в кольце и частота его вращения f выбраны согласно выражениям 2n (S/s) · (Q₁Q₂); f F/(2n), где Q₁ и Q₂ потоки газа, истекающего из перезарядной камеры в отсутствие и при наличии кольца соответственно; s площадь сечения отверстия в кольце; S площадь боковой поверхности кольца.

РИСУНКИ

Рисунок 1