Линейный ускоритель ионов с высокочастотной квадрупольной фокусировкой
Владельцы патента RU 2562452:
Федеральное государственное бюджетное учреждение Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" "Государственный научный центр Российской Федерации - Институт Теоретической и Экспериментальной Физики" (RU)
Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для ускорения пучков ионов в диапазоне энергий, где используются известные ускоряющие структуры с трубками дрейфа на виде колебаний π. Заявленный ускоритель может использоваться в качестве промежуточной секции линейного ускорителя ионов высокой энергии. Ускоряюще-фокусирующая система линейного ускорителя (ЛУ) представляет собой комбинацию аксиально-симметричных трубок дрейфа и квадрупольных линз. Для упрощения конструкции ЛУ резонансная структура, создающая на трубках и линзах высокочастотный потенциал, имеет в приосевой области квадрупольную структуру. Трубки дрейфа при этом соединяются с парой электродов резонансной структуры, лежащих в одной плоскости. В ЛУ как к трубкам дрейфа, так и к электродам квадрупольных линз прикладывается полная разность потенциалов, создаваемая резонансной структурой. Техническим результатом является возможность повышения набора энергии ионов на каждом периоде ускорения, упрощение формирования участков с квадрупольным полем, а также увеличение достижимой разности потенциалов за счет оптимизации формы электродов линзы. 7 ил.
Изобретение относится к области физики пучков заряженных частиц и ускорительной технике и может быть использовано для ускорения пучков ионов в диапазоне энергий, где используются известные ускоряющие структуры с трубками дрейфа на виде колебаний π. Ускоритель с использованием предложенной структуры может использоваться в качестве промежуточной секции линейного ускорителя ионов высокой энергии.
Из предыдущего уровня техники известны линейные ускорители (ЛУ) ионов, в которых для фокусировки пучка частиц используется электрическая компонента высокочастотного поля. Существует два типа подобных ЛУ - с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ) и с пространственно-периодической квадрупольной фокусировкой (ППКФ).
Ускоряющая структура ЛУ с ПОКФ (Капчинский И.М., Тепляков В.А. Приборы и техника эксперимента, 1970, №2, с.19) состоит из четырех протяженных электродов, размещенных вдоль оси ускорителя перпендикулярно друг другу. Электроды являются частью высокочастотной резонансной структуры, которая создает на них высокочастотный электрический потенциал таким образом, что на смежных электродах потенциал имеет противоположные знаки. Электроды создают квадрупольное поле, градиент которого периодически изменяется во времени, что создает эффект знакопеременной фокусировки пучка ионов. Ускоряющее поле создается путем периодического изменения расстояния от электродов до оси структуры.
Ускорители, построенные на основе этой структуры, получили широкое распространение в качестве начальной части линейных ускорителей ионов. Ионы в этих начальных частях обычно ускоряются до энергии не более чем несколько миллионов электрон-вольт. Это определяется свойствами структуры, которая обеспечивая прекрасное начальное формирование пучка, тем не менее, обладает весьма невысоким темпом ускорения.
Известны структуры, которые были предложены для того, чтобы расширить диапазон использования высокочастотной фокусировки до нескольких десятков миллионов электрон-вольт. Этот результат достигается за счет отказа от непрерывности квадрупольных электродов и разделения структуры на ускоряющие и фокусирующие участки. В работе (Yu.A. Budanov, O.K. Belyaev, S.V. Ivanov, A.P. Maltsev, I.G. Maltsev, V.B. Stepanov, S.A. Strekalovskyh, V.A. Teplyakov, V.A. Zenin, RFQ drift-tube proton linacs in IHEP, http://accelconf.web.cem.ch/AccelConf/I04/PAPERS/TUP01.PDF) ускоряющий зазор и квадрупольная линза размещаются на длине βλ/2, где β - относительная скорость частиц, λ - длина волны высокочастотного поля.
Основными недостатками подобного решения является конструктивная сложность электродов, образующих ускоряющие зазоры и квадрупольные линзы на каждом периоде ускорения. Максимально допустимое поле на поверхности электродов достигается при относительно низком напряжении на ускоряющих зазорах. Поскольку набор энергии ионами на периоде ускорения прямо пропорционален напряжению, это существенно ограничивает темп ускорения, достижимый в данной структуре.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в устранении указанных недостатков путем оптимизации распределения поля на поверхности электродов и упрощения конструкции ускорителя.
Поставленная задача решается за счет того, что ускоряющие зазоры в структуре формируются комбинацией аксиально-симметричных трубок дрейфа и электродами, формирующими электрическое поле, имеющее квадрупольную симметрию в плоскости, перпендикулярной оси ускорителя, и создающими не равный нулю потенциал на оси участка, подобно тому, как это создается аксиально-симметричными трубками. Знак потенциала на оси фокусирующего участка противоположен знаку потенциала на оси смежных трубок дрейфа. Для этого расстояние между электродами, находящимися во взаимно перпендикулярных плоскостях, выбирается различным. То есть если расстояние между электродами в одной плоскости равно а, то между электродами в другой плоскости расстояние между ними равно mа, где m>1.
Длина фокусирующих участков примерно такая же, как и трубок дрейфа, то есть Lq<βλ/2.
Проще всего ускоряющая структура реализуется при использовании резонансной структуры, имеющей квадрупольную симметрию, подобно тем, которые широко используются для сооружения ускорителей с ПОКФ (четырехкамерные, двойной Н резонатор и их варианты). При этом фокусирующие участки формируются так же, как и в ускорителях с ПОКФ, а аксиально-симметричные трубки дрейфа подсоединяются к электродам, лежащим в одной из взаимно перпендикулярных плоскостей.
Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:
На фиг.1 - ЛУ вид сбоку.
На фиг.2 - продольный разрез G-G на фиг.1.
На фиг.3 - поперечный разрез A-A на фиг.1.
На фиг.4- поперечный разрез B-B на фиг.1.
На фиг.5 - поперечный разрез C-C на фиг.1.
На фиг.6 - изометрический вид линейного ускорителя.
На фиг.7 - продольная компонента поля на оси ЛУ (расчет).
Линейный ускоритель содержит продольные электроды, которые разделяют цилиндрический объем резонатора ЛУ (цилиндрическая обечайка на чертеже не показана) на четыре одинаковых отсека. Электроды 1 и 2 расположены в вертикальной плоскости, электроды 3 и 4 - в горизонтальной. На электродах, расположенных в перпендикулярных плоскостях, создается высокочастотный потенциал противоположного знака. Разность потенциалов между смежными электродами составляет U.
Трубки дрейфа устанавливаются между электродами, лежащими в одной плоскости, соседние трубки (поз.5 и 6) соединяются с электродами, лежащими во взаимно перпендикулярных плоскостях, так что напряжение на зазоре между трубками равно U.
После некоторого количества аксиально-симметричных трубок дрейфа устанавливаются четыре электрода, подсоединенных к электродам резонатора, которые образуют квадрупольную линзу. Напряжение между смежными электродами линзы также равно U. Расстояния между электродами линзы, лежащими во взаимно перпендикулярных плоскостях, не равны друг другу. При этом на оси линзы потенциал не равен нулю, его точное значение определяется отношением этих расстояний m=a/am. Здесь а - минимальное расстояние от оси ЛУ до электрода линзы, am - максимальное. Это сделано для того, чтобы потенциал на оси фокусирующего участка имел противоположный знак относительно потенциала на оси соседних трубок дрейфа, при этом для продольного движения ионов линза играет роль трубки дрейфа и зазор между трубками и линзами является ускоряющим. В зависимости от параметра m напряжение на таком зазоре может быть близким к напряжению на зазоре между трубками дрейфа. На фиг.7 показано распределение продольной компоненты электрического поля на оси ускорителя, рассчитанное для модели на фиг.6 для m=2.
Для определенности на фигурах показан вариант построения фокусирующего периода ЛУ, в котором между квадрупольными линзами размещены две трубки дрейфа, то есть длина периода фокусировки Lf=3βλ. При этом в квадрупольных линзах знак градиента фокусирующего поля чередуется, то есть образуется фокусирующий период типа ФООДОО. В общем случае для построения канала такого типа требуется, чтобы расстояние между линзами составляло Lf=(2n-1)βλ, где n=1, 2, ….
Линейный ускоритель ионов с высокочастотной квадрупольной фокусировкой, который включает в себя резонансную структуру, аксиально-симметричные трубки дрейфа и участки фокусировки ионов, образованные четырьмя электродами, размещенными попарно в двух перпендикулярных плоскостях параллельно оси ускорителя, на которых резонансной структурой создается разность потенциалов между смежными электродами и смежными трубками, изменяющаяся во времени с собственной частотой резонансной структуры f0, отличающийся тем, что с целью увеличения набора энергии ионами на единице длины ускорителя и упрощения конструкции ускорителя элементы резонансной структуры, на которых установлены трубки дрейфа и электроды участков фокусировки, обладают квадрупольной симметрией, причем расстояние между электродами, формирующими участок фокусировки, расположенными в одной плоскости, равно величине 2a, где a - радиус апертуры, в которой распространяются ионы, а расстояние между электродами, расположенными в перпендикулярной плоскости, равно 2 mа, где m>1.
