Многоканальная ускоряющая структура для линейного резонансного ускорителя ионов

 

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к линейным резонансным ускорителям, и может быть использовано при создании новых и реконструкции действующих линейных ускорителей ионов. Многоканальная ускоряющая структура для линейного резонансного ускорителя ионов, содержащая резонатор с многоапертурными трубками дрейфа с фокусирующими решеточными электродами, содержит дополнительный источник постоянного тока и, по крайней мере, один фокусирующий решеточный электрод, размещенный внутри многоапертурных трубок дрейфа, причем электрод соединен с источником постоянного тока. Технический результат - повышение эффективности использования электрической мощности питания ускорителя. 2 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к области линейных резонансных ускорителей, и может быть использовано при создании новых и реконструкции действующих линейных ускорителей ионов.

Известна многоканальная ускоряющая структура для ускорителя ионов с трубками дрейфа, в котором для фокусировки n параллельных пучков в каждой трубке дрейфа размещаются n электростатических квадрупольных линз - система типа MEQALAC (см., например, A.W.Maschke, Brookhaven Natl. Lab. Rept. BNL-51209, Upton NY (1979). В этой системе ускорение отдельных микропучков осуществляется в общих ускоряющих зазорах, а фокусировка обеспечивается многоканальными электростатическими квадрупольными линзами, что позволяет раздельно управлять ускоряющими ВЧ и фокусирующими электростатическими полями. Однако практическая реализация системы с сотнями каналов затруднена из-за проблем с изготовлением и последующей юстировкой системы многоканальных электростатических квадрупольных линз. Кроме того, в процессе ВЧ ускорения ионов имеются проблемы с сохранением фазового объема суммарного пучка из-за сильного кулоновского расталкивания пучков в пределах общих для всех пучков ускоряющих зазоров. При сокращении длины ускоряющих зазоров снижается темп набора энергии ионов.

Известна также многоканальная ускоряющая система с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой типа многопроводной линии, в которой образована система фокусирующих каналов в виде n рядов по m каналов в каждом ряду (см. , например, V. Kapin, M.Inoue, Y.Iwashita and A.Noda "Study of multiple-beam RFQ", - Beam Science & Technology. - ACCLab NSRF ICR Kyoto University, Activity Report, Vol. 4, 1999, p. 13-19). В этой структуре имеется возможность ускорения интенсивного суммарного пучка ионов. Однако вследствие сравнительно малого полезного поперечного пространства из-за продольного размещения модулированных фокусирующих электродов практически приемлемое число ускоряющих каналов сравнительно невелико. При сближении ускоряюще-фокусирующих электродов для повышения плотности заполнения поперечного пространства снижается электрическая прочность такой системы и падает темп ускорения ионов.

Прототипом изобретения является многоканальная ускоряющая структура для линейного резонансного ускорителя ионов, содержащая резонатор, нагруженный многоапертурными трубками дрейфа, центры апертурных отверстий которых расположены соосно в узлах прямоугольной сетки из M рядов и M столбцов, а в каждый ускоряющий зазор между трубками дрейфа введено N фокусирующих решеточных электродов с M² апертурными отверстиями, каждый из которых установлен на держателе, присоединенном к элементам резонатора, и оси соответствующих апертурных отверстий в трубках дрейфа совпадают с осями апертурных отверстий в фокусирующих решеточных электродах (см. , например, V.V.Kushin, et. al. "First experience of works with compact injectors for trials and drills of RF linac structures". - In Proc. of the XIX Internat. Linac Conf. (LINAC98). - Chicago, USA, ANL-98/281998, Vol. 1, 1998, p. 168-170). В этой ускоряющей структуре имеется возможность ускорять одновременно несколько сотен пучков ионов с малой расходимостью суммарного пучка.

Недостатком прототипа является сравнительно высокий расход ВЧ мощности питания из-за необходимости создания делителя ВЧ потенциала для обеспечения равномерного распределения ускоряющей и фокусирующей компонент ВЧ поля вдоль оси ускорителя.

Данное изобретение устраняет недостатки аналога и прототипа за счет снижения мощности питания ВЧ ускоряющей структуры путем замены ВЧ питания части фокусирующих решеток на их питание от источника постоянного тока.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности использования электрической мощности питания ускорителя.

Технический результат достигается тем, что в многоканальной ускоряющей структуре для линейного резонансного ускорителя ионов, содержащей резонатор, нагруженный многоапертурными трубками дрейфа, центры апертурных отверстий которых расположены соосно в узлах прямоугольной сетки из M рядов и M столбцов, а в каждый ускоряющий зазор между трубками дрейфа введено N фокусирующих решеточных электродов с M² апертурными отверстиями, каждый из которых установлен на держателе, присоединенном к элементам резонатора, и оси соответствующих апертурных отверстий в трубках дрейфа совпадают с осями апертурных отверстий в фокусирующих решеточных электродах, внутри многоапертурных трубок дрейфа размещен, по крайней мере, один фокусирующий решеточный электрод, соединенный с источником постоянного тока, а торцы трубок дрейфа выполнены в виде фокусирующих решеточных электродов, и соответствующие оси апертурных отверстий всех решеточных электродов совпадают.

На фиг. 1 схематически изображен типовой фокусирующий решеточный электрод. В этом электроде прорезано на половину толщины M горизонтальных пазов с одной стороны и M вертикальных пазов с другой стороны так, что апертурные отверстия расположены соосно. В сечении электродов образуется сетка из M·M прямоугольных апертурных отверстий с относительно тонкими перегородками между ними, а электроды называются пространственными решетками. Если расставить решетки вдоль единой оси друг за другом и разместить их в ускоряющих зазорах, то образуется многоканальная ускоряюще-фокусирующая система. При входе в решетку и при выходе из нее частицы испытывают дефокусирующее и фокусирующее воздействия, которые в случае круглой формы отверстий и при малой толщине электродов практически полностью взаимно компенсируются. В случае рассматриваемых решеток фокусирующее и дефокусирующее действия ВЧ поля уже не уничтожаются даже при тонкой решетке, так как на входе в решетку частица испытывает толчок в вертикальном направлении, а при выходе - в горизонтальном. Если в пределах ускоряющего зазора разместить n решеток, то частицы в пределах этого зазора получат n фокусирующих импульсов в вертикальной плоскости и n дефокусирующих импульсов в горизонтальной плоскости. При размещении таких же решеток во всех последующих зазорах, частицы также будут испытывать фокусирующее действие по одной из поперечной осей и дефокусирующее действие - по другой оси. Поворачивая решетки на 90^o от зазора к зазору, удается создать последовательность знакопеременных сил, аналогичных силам, действующим при квадрупольной фокусировке.

Для получения равномерного распределения электрического поля вдоль ускорителя необходимо обеспечить подачу соответствующих потенциалов на все решеточные электроды, что требует создания ВЧ делителя. При этом возрастают потери ВЧ мощности, связанные, в первую очередь, с размещением фокусирующих решеток конечной толщины в пределах ускоряющих зазоров, а также с неточностью определения места крепления держателей фокусирующих решеток к элементам корпуса резонатора. В настоящем изобретении предлагается ввести часть фокусирующих решеточных электродов внутрь трубок дрейфа, а их электрическое питание осуществлять от внешнего источника постоянного напряжения. При этом внутри трубок дрейфа образуется многоканальная система электростатических скрещенных линз, причем половина решеточных электродов запитывается от положительного, а другая половина - от отрицательного полюса источника постоянного напряжения. Вне пределов трубок дрейфа необходимое число фокусирующих электродов существенно снижается, что приводит к существенному упрощению ВЧ делителя потенциала и соответствующему снижению мощности высокочастотного питания ускоряющей структуры.

Изложенная сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 2 приведен продольный разрез резонатора. Ускоряющая структура содержит цилиндрический корпус 1, трубки дрейфа 2 на держателях 3, которые закреплены на элементах резонатора 6, находящихся под максимальными ВЧ электрическими потенциалами ±U. Между трубками дрейфа размещено n (на фиг. 2 изображен случай, когда n = 3) фокусирующих решеточных электродов 4 на держателях 5. Торцы трубок дрейфа 2 выполнены в виде фокусирующих решеточных электродов 4. Внутри трубок дрейфа размещено m фокусирующих решеточных электродов 4. На фиг. 2 изображен случай, когда m = 5, нечетные фокусирующие решеточные электроды 4, включая торцевые границы трубок дрейфа, электрически присоединены к корпусу трубки дрейфа 2, а четные электроды 4 находятся под статическим электрическим потенциалом. При этом статические потенциалы, подаваемые на фокусирующие решеточные электроды, размещенные в соседних трубках дрейфа, имеют противоположные знаки. Расстояния между соседними трубками дрейфа для рассматриваемой структуры π-типа кратны βλ/2 , а ВЧ потенциалы на соседних трубках дрейфа равны ±U. Между трубками дрейфа размещены три фокусирующих решеточных электрода 4, два из которых присоединены с помощью держателей 5 к элементам резонатора 7, находящихся под промежуточными электрическими потенциалами ±U₁ (на фиг. 2 изображен случай, когда U₁ = 0,5U), а центральный электрод 4 находится под нулевым потенциалом. (Источник постоянного тока на фиг. 2 не показан).

Ускоряющая структура работает следующим образом.

При возбуждении ВЧ колебаний в резонаторе между трубками дрейфа 2 возникает ВЧ напряжение с амплитудой 2U и фазой, которая изменяется от одной трубки дрейфа к другой на величину, кратную 180^o. Промежуточные потенциалы U₁, подаваемые на фокусирующие решетки 4, размещенные между трубками дрейфа 2, подбираются таким образом, чтобы во всем ускоряющем зазоре между трубками дрейфа амплитуда напряженности ВЧ электрического поля была одинаковой. В каждом промежутке между фокусирующими решеточными электродами 4, а также в промежутках между торцами трубок дрейфа 2 и прилегающими фокусирующими решетками, при входе и выходе частицы будут испытывать действие продольного ускоряющего поля и толчки в поперечном направлении. Ввиду того, что пазы на входе и выходе решеточных электродов 4 взаимно перпендикулярны, толчок при входе в промежуток будет направлен по одной оси (например, X), а при выходе из промежутка - по другой оси (Y). Кроме того, поскольку входные пазы фокусирующих решеточных электродов 4 в одном зазоре параллельны друг другу, то все решеточные электроды фокусируют по оси X и дефокусируют по оси Y. В следующем зазоре фаза поля меняется на 180^o, а входные и выходные пазы повернуты на 90^o. Поэтому все входные фазы становятся дефокусирующими по оси X и фокусирующими - по оси Y. Таким образом, возникает последовательность знакопеременных поперечных сил ВЧ поля, действующих по обоим поперечным направлениям. В пределах трубок дрейфа между фокусирующими решеточными электродами 4 также возникают знакопеременные фокусирующие и дефокусирующие силы электростатического поля. Поскольку электростатическое поле в каждом соседнем промежутке между фокусирующими решеточными электродами меняет знак и имеет равную амплитуду, то ускорение внутри трубок дрейфа отсутствует. При этом в пределах одной трубки дрейфа 2 фокусировка осуществляется по одной из поперечных осей, а дефокусировка - по другой оси. В прилежащих соседних трубках дрейфа фокусирующие и дефокусирующие направления приложения электростатических сил меняют знак. В отличие от действия решеточных фокусирующих электродов 4, размещенных в ВЧ полях между трубками дрейфа 2, внутри трубок дрейфа действие фокусирующих сил не зависит от фазы влета частицы в трубку дрейфа, что улучшает фокусирующие свойства канала. Кроме того, имеется возможность регулировки силы фокусирующего воздействия на частицы путем изменения величины статического потенциала, подаваемого от источника постоянного тока на фокусирующие решеточные электроды 4, размещенные внутри трубок дрейфа 2.

Таким образом, предложенная ускоряющая структура, представляющая комбинацию ВЧ и электростатического фокусирующего воздействия на пучки, ускоряемые в ВЧ ускоряющих полях линейного резонансного ускорителя, позволяет по сравнению с прототипом в 1,5-2 раза снизить мощность высокочастотного питания ускоряющей структуры, а также повысить гибкость управления фокусировкой пучков в многоканальной ускоряющей структуре.

Формула изобретения

Многоканальная ускоряющая структура для линейного резонансного ускорителя ионов, содержащая многоапертурные трубки дрейфа, центры апертурных отверстий которых расположены соосно в узлах прямоугольной сетки из М рядов и М столбцов, а в каждый ускоряющий зазор между трубками дрейфа введено n фокусированных решеточных электродов с М² апертурными отверстиями, каждый из которых установлен на держателе, а оси соответствующих апертурных отверстий в трубках дрейфа совпадают с осями апертурных отверстий в фокусирующих решеточных электродах, отличающаяся тем, что внутри многоапертурных трубок дрейфа размещен, по крайней мере, один фокусирующий решеточный электрод, соединенный с источником постоянного тока, а торцы трубок дрейфа выполнены в виде фокусирующих решеточных электродов и соответствующие оси апертурных отверстий всех решеточных электродов совпадают.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2