Ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией

Авторы патента:

H05H3/06 - генерирование нейтронных пучков (мишени для проведения ядерных реакций H05H 6/00; источники нейтронов G21G 4/02)

H01J37/317 - для изменения свойств объектов или для нанесения тонких слоев на них, например ионное внедрение (H01J 37/36 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2653840:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) (RU)

Ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией относится к физике и технике ускорителей и может быть применен для получения пучков заряженных частиц для ионной имплантации, нейтронозахватной терапии рака или для обнаружения взрывчатых и наркотических веществ. Высоковольтный источник питания повернут на 180° (перевернут), внутрь него вставлена газовая часть проходного изолятора, высоковольтный и промежуточные электроды ускорителя соединены непосредственно с соответствующими секциями высоковольтного источника питания, отпадает необходимость применения проходного изолятора с омическим делителем. Технический результат - повышение компактности и надежности работы ускорителя. 1 ил.

Изобретение относится к технике ускорителей и может быть применено для создания ускорителей заряженных частиц, а также устройств на их основе. Такие устройства могут применяться для исследования в области физики атомных и ядерных столкновений, в полупроводниковой промышленности для ионной имплантации, в медицине для нейтронной и нейтронозахватной терапии рака, в системах безопасности для обнаружения взрывчатых и наркотических веществ.

Ускоритель заряженных частиц - это устройство для получения заряженных частиц высоких энергий. В основе работы ускорителя заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Конструктивно ускорители можно разделить на две большие группы. Это линейные ускорители, где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители, в которых пучок движется по замкнутым кривым, проходя ускоряющие промежутки по многу раз.

В наиболее простом линейном ускорителе заряженные частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно в ускорительной трубке, к концам которой приложено высокое напряжение. Конструктивно ускорительную трубку изготавливают в виде чередующихся кольцевых изоляторов и электродов. Внутри ускоряющей трубки создают вакуум, область снаружи при необходимости заполняют изоляционным газом под давлением, обычно элегазом. Напряжение на промежуточные электроды подают посредством резистивного делителя. Источник ионов располагают под высоковольтным потенциалом.

Перезарядный ускоритель заряженных частиц (тандем) был предложен в середине XX века. Он состоит из двух ускорительных трубок и обдирочной (перезарядной) мишени между ними, находящейся под высоковольтным потенциалом. Ускоренный отрицательный ион водорода при взаимодействии с обдирочной мишенью превращается в положительный и далее ускоряется во второй ускорительной трубке тем же самым потенциалом. Использование дважды одного и того же ускоряющего напряжения позволяет увеличить в два раза конечную энергию однозарядных частиц и в несколько раз - многозарядных. Немаловажным достоинством тандемных ускорителей является размещение источника ионов под заземленным потенциалом.

Наибольшее коммерческое распространение получили ускорители-тандемы в комплексах ускорительной масс-спектрометрии и ионной имплантации с характерным током пучка менее 1 мА (миллиампер). Обычно в таких тандемных ускорителях применяют газовую обдирочную мишень, выполненную в виде трубки с напуском газа посередине.

Взаимодействием ускоряемого пучка заряженных частиц с остаточным газом в вакуумном объеме приводит к появлению электронов, ионов и излучения ультрафиолетового диапазона, которые уменьшают высоковольтную прочность ускоряющих вакуумных зазоров и вакуумных поверхностей изоляционных колец ускорительной трубки.

Для сохранения высоковольтной прочности ускоряющих вакуумных зазоров при увеличении тока пучка предлагают различные решения, в том числе ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией.

Впервые ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией предложен в работе 1994 года [G. Proudfoot, R. McAdams, A.J.T. Holmes. A new design of a compact high current ion accelerator. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research В 89 (1994) 1-7]. Предложение состоит в том, что весь ускоритель-тандем помещается в вакуумный объем. Т.е. вакуум создается не только внутри ускорительной трубки, но и в области снаружи, которая в традиционных устройствах заполнена элегазом. В описании ими оформленного патента US 5293134 от 08.03.1994 подчеркивается, что данное предложение позволяет избавиться от применения потенциально опасного и дорогостоящего элегаза.

Позднее в работе 1998 года [В. Bayanov et al. Accelerator based neutron source for the neutron-capture and fast neutron therapy at hospital. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 413/2-3 (1998) 397-426] также был предложен ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией, принципиально отличающийся от описанного выше. Основная идея заключалась не в том, чтобы избавиться от применения элегаза, а в том, чтобы убрать изолятор из области прохождения пучка заряженных частиц для сохранения высоковольтной прочности вакуумного зазора. В таком ускорителе-тандеме с вакуумной изоляцией ускорительные трубки как таковые отсутствуют. Распределение потенциалов задается промежуточными вложенными электродами, образующими многослойную конструкцию, закрепленную на вакуумной части единственного секционированного проходного изолятора, заполненного элегазом. Изолятор находится вне прямой видимости из области прохождения пучка. Внутри проходного изолятора расположены коаксиальные трубы, передающие потенциал на высоковольтный электрод от высоковольтного источника питания (секционированного выпрямителя) и на промежуточные электроды посредством омического делителя, установленного на газовой части проходного изолятора. Высоковольтный источник питания и газовая часть проходного изолятора размещены в едином объеме, заполненном элегазом под давлением

Идея ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией была развита в работе [P. Beasley, О. Heid, Т. Hugles. A new life for high voltage electrostatic accelerators. Proc. of the International Particle Accelerator Conference, Kyoto, Japan (2010) 711-713]. Ими предложено использовать естественную емкость между электродами. Если разрезать вложенные электроды пополам и соединить их в виде лестницы диодами, то реализуется каскадный генератор Кокрофта-Уолтона (умножитель напряжения) прямо внутри вакуумного объема ускорителя. Однако авторы данного предложения не рассматривали технологические аспекты практической реализации такой конструкции.

В качестве прототипа выбрана конструкция ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией, описанная в работе [В. Bayanov et al. Accelerator based neutron source for the neutron-capture and fast neutron therapy at hospital. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 413/2-3 (1998) 397-426]. Пучок отрицательных ионов водорода инжектируются в ускоритель и ускоряются в нем до 1 MB. В газовой обдирочной мишени, установленной внутри высоковольтного электрода, отрицательные ионы водорода превращаются в протоны, которые затем тем же потенциалом 1 MB ускоряются до энергии 2 МэВ. Потенциал на высоковольтный и пять промежуточных электродов ускорителя подается от высоковольтного источника питания через проходной изолятор, состоящий из двух частей: вакуумной части и газовой части. На газовой части проходного изолятора установлен омический делитель для подачи соответствующего потенциала на промежуточные электроды ускорителя. В качестве источника высоковольтного питания используется секционированный выпрямитель ускорителя электронов серии ЭЛВ, содержащий в себе первичную обмотку, выпрямительные секции и высоковольтный электрод. Вакуумный объем ускорителя откачивается турбомолекулярным и криогенным насосами через жалюзи промежуточных электродов. Проходной изолятор и секционированный выпрямитель заполнены изолирующим газом SF₆ под давлением 3 атм. и 6 атм., соответственно.

Конструкция прототипа отличается большой суммарной высотой (7 м), поскольку ускоритель, проходной изолятор и высоковольтный источник питания размещены последовательно.

Кроме того, наличие на газовой части проходного изолятора омического делителя для подачи соответствующего потенциала на промежуточные электроды ускорителя приводит к нестабильности потенциала электродов при изменении потоков вторичных заряженных частиц внутри ускорителя и снижает высоковольтную прочность ускорителя.

Изобретение направлено на создание компактного ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией.

Для решения поставленной задачи в известном устройстве, содержащем ускоритель ионов тандемного типа, включающий в себя высоковольтный и промежуточные электроды, подключенные через проходной изолятор, включающий в себя вакуумную и газовую части, к секционированному высоковольтному источнику питания, предлагается высоковольтный источник питания выполнить интегрированным с газовой частью проходного изолятора так, что газовая часть проходного изолятора расположена внутри высоковольтного источника питания, при этом высоковольтный и промежуточные электроды ускорителя соединены непосредственно с соответствующими секциями высоковольтного источника питания. Возможность размещения части проходного изолятора внутри секционированного выпрямителя обусловлена конструкцией выпрямителя, традиционно применяемого в ускорителях электронов, в которых ускорительный тракт размещается внутри выпрямителя. Высоковольтный и промежуточные электроды ускорителя соединяются с соответствующими секциями выпрямителя непосредственно и потребность в омическом делителе отпадает. Питание промежуточных электродов от секций выпрямителя обеспечивает большую стабильность потенциала электродов при изменении потоков вторичных заряженных частиц внутри ускорителя и значительно улучшает высоковольтную прочность ускорителя. Размещение газовой части проходного изолятора внутри секционированного выпрямителя уменьшает высоту установки, влечет уменьшение количества деталей и увеличивает надежность ускорителя.

Сущность изобретения иллюстрируется Фиг. 1.

На Фиг. 1 приведена схема ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией с интегрированным высоковольтным источником питания (секционированным выпрямителем). На схеме показаны:

1 - ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией;

2 - промежуточные электроды ускорителя;

3 - высоковольтный электрод ускорителя;

4 - газовая обдирочная мишень;

5 - вакуумная часть проходного изолятора;

6 - газовая часть проходного изолятора;

7 - секции секционированного выпрямителя;

8 - высоковольтный электрод секционированного выпрямителя;

9 - секционированный выпрямитель;

10 - коаксиальные трубы.

Устройство работает следующим образом. Пучок отрицательных ионов водорода инжектируются в ускоритель 1 и ускоряются в нем до 1 MB. В газовой обдирочной мишени 4, установленной внутри высоковольтного электрода 3, отрицательные ионы водорода превращаются в протоны, которые затем тем же потенциалом 1 MB ускоряются до энергии 2 МэВ. Потенциал на высоковольтный электрод 3 и пять промежуточных электродов 2 ускорителя подается от соответствующих секций 7 секционированного выпрямителя 9 непосредственно через коаксиальные металлические трубы 10 через проходной изолятор, состоящий из двух частей: вакуумной части 5 и газовой части 6. Газовая часть 6 проходного изолятора вставлена внутрь секционированного выпрямителя 9. Проходной изолятор и секционированный выпрямитель заполнены изолирующим газом SF₆ под давлением. Стрелками на Фиг. 1 показаны направление движения отрицательных ионов водорода (Н^-) и протонов (р).

Ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией, содержащий ускоритель ионов тандемного типа, включающий в себя высоковольтный и промежуточные электроды, подключенные через проходной изолятор, включающий в себя вакуумную и газовую части, к секционированному высоковольтному источнику питания, отличающийся тем, что высоковольтный источник питания выполнен интегрированным с газовой частью проходного изолятора так, что газовая часть проходного изолятора расположена внутри высоковольтного источника питания, при этом высоковольтный и промежуточные электроды ускорителя соединены непосредственно с соответствующими секциями высоковольтного источника питания.

Изобретение относится к способам генерации импульсных потоков быстрых нейтронов, в частности к способам, используемым в отпаянных ускорительных трубках, и может быть использовано в ускорительной технике или в геофизическом приборостроении, например в импульсных генераторах нейтронов народно-хозяйственного назначения при исследовании скважин методами импульсного нейтронного каротажа.

Конфигурация плавающего промежуточного электрода для устройств скважинного генератора ядерных излучений // 2642835

Изобретение относится к области генерирования радиации в скважинах для ядерного каротажа. Генератор ядерного излучения для функционирования в скважинах содержит источник заряженных частиц, материал мишени и ускорительную колонну между источником заряженных частиц и материалом мишени.

Импульсный нейтронный генератор // 2614240

Изобретение относится к области физического приборостроения, в частности к источникам нейтронного излучения, и предназначено для использования при разработке нейтронных и рентгеновских генераторов.

Импульсный нейтронный генератор // 2603016

Универсальная нейтронная трубка с электротермическими инжекторами рабочего газа // 2601961

Изобретение относится к вакуумным и газонаполненным нейтронным трубкам и может быть использовано, например, в нейтронных трубках, предназначенных для исследования скважин методами нейтронного каротажа.

Запаянная нейтронная трубка // 2583000

Изобретение относится к запаянным нейтронным трубкам и может быть использовано в генераторах нейтронов для проведения неразрушающего элементного анализа вещества и проведения исследований нейтронно-радиационными методами, в том числе для проведения геофизических исследований нефтегазовых скважин.

Ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией // 2582588

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть применено для получения пучков заряженных частиц для ионной имплантации, нейтронозахватной терапии рака или для обнаружения взрывчатых и наркотических веществ.

Способ богданова создания и поддержания тока в плазме и устройство для его реализации // 2563574

Изобретение относится к средствам создания и поддержания тока в плазме. В заявленном изобретении предусмотрено создание вакуумированного объема средствами вакуумной откачки в токамаке в объеме, ограниченном катушкой тороидального магнитного поля.

Импульсный генератор нейтронов // 2556038

Изобретение относится к области прикладной ядерной физики, конкретно, к устройствам для генерации импульсных нейтронных потоков, предназначенных для использования в прикладных задачах науки и техники, например, для геофизических применений.

Запаянная нейтронная трубка // 2540983

Изобретение относится к устройствам для получения нейтронов и может быть использовано для нейтронного анализа для лучевой нейтронной терапии, а также для моделирования нейтронных полей термоядерных устройств.

Устройство модуляции и компоновка источника питания // 2650672

Изобретение относится к устройству модуляции для модуляции элементарных пучков заряженных частиц в соответствии с данными рисунка в системе литографии многочисленными элементарными пучками заряженных частиц.

Многоэлектродная охлаждаемая конструкция // 2644388

Изобретение относится к генерированию пучка заряженных частиц и системе литографии пучками заряженных частиц. Электрод коллиматора, используемый в генераторе пучков заряженных частиц, содержит тело (81) электрода, которое снабжено центральной апертурой (82), при этом тело электрода задает высоту электрода между двумя противоположными основными поверхностями, и вмещает охлаждающий канал (105) внутри тела электрода для переноса охлаждающей жидкости (102).

Агрегат и способ переноса радикалов // 2642494

Изобретение относится к агрегату для переноса радикалов, например для удаления отложений загрязнения.. Агрегат включает генератор плазмы и направляющее тело.

Агрегат и способ переноса радикалов // 2642494

Устройство с множественными элементарными пучками заряженных частиц // 2632937

Изобретение относится к способу и устройству для манипуляции одним или более пучками заряженных частиц из множества элементарных пучков заряженных частиц в устройстве с множественными элементарными пучками заряженных частиц.

Устройство для синтеза и осаждения покрытий // 2620845

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам для синтеза и осаждения износостойких покрытий на изделиях в вакуумной камере. Устройство содержит вакуумную камеру, планарный магнетрон с плоской мишенью и источник питания разряда, соединенный положительным полюсом с вакуумной камерой и отрицательным полюсом с мишенью.

Способ ионно-лучевой обработки изделий с большой площадью поверхности // 2619460

Изобретение относится к способам ионно-лучевой обработки изделий с большой площадью поверхности. Обрабатываемые изделия перемещают поперек большой оси пучка, формируемого с помощью ионно-оптической системы, содержащей плазменный и ускоряющий электроды, каждый из которых содержит большое число щелевых апертур.

Способ напыления тонкопленочных покрытий на поверхность полупроводниковых гетероэпитаксиальных структур методом магнетронного распыления // 2601903

Способ включает формирование в известной магнетронной распылительной системе планарного типа магнитного поля, зажигание разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях, распыление материала катода и его осаждение на поверхность полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры.

Установка для нанесения покрытий на поверхности деталей // 2595187

Изобретение относится к установке для нанесения покрытий на поверхности деталей. Внутри корпуса вакуумной камеры установлен, по меньшей мере, один источник распыляемого материала, выполненный в виде N магнетронов, где N - целое число и N>1, и ионный источник.

Сетевая архитектура и протокол для кластера литографических машин // 2573398

Изобретение относится к кластерной литографической системе обработки подложки. Система содержит один или более литографических элементов, каждый литографический элемент выполнен с возможностью независимого экспонирования подложек в соответствии с данными шаблона.