RU192845U1

RU192845U1 - MULTI-APERTURE HIGH FREQUENCY SYSTEM FOR ACCELERATING CLUSTER IONS

Info

Publication number: RU192845U1
Application number: RU2019113796U
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Турчин; Сергей Валентинович Плотников
Priority date: 2019-05-07
Filing date: 2019-05-07
Publication date: 2019-10-03

Abstract

Многоапертурная высокочастотная система для ускорения кластерных ионов позволяет ускорять сложные атомно-молекулярные образования со слабой энергией внутренней связи и с малым отношением заряда к массе, требующие использования низких рабочих частот при ускорении в ВЧ-резонаторах.Оригинальность примененных технических решений, реализующих эти возможности, достигается тем, что волноводы с распространяющейся в них высокочастотной электромагнитной волной бегущего типа, расположены между трубками дрейфа параллельно продольной оси ускорителя, заполнены диэлектриком и выполнены в виде спиралей. Это способствует увеличению их рабочей длины и уменьшению скорости распространения ВЧ-электромагнитной волны по волноводу, позволяя регулировать движение бегущих электромагнитных волн в волноводах, создающих ускоряющую разность потенциалов между трубками дрейфа, согласуя его с динамикой движения кластерных ионов на траектории ускорения. Пространственное распределение ускоряемого ансамбля кластерных ионов между апертурами в трубках дрейфа и их одновременное ускорение по нескольким каналам в одной ускоряющей системе, способствует уменьшению плотности ускоряемых частиц в отдельном ускоряющем канале и вероятности их взаимных столкновений в процессе ускорения, повышая интенсивность потока ускоренных кластерных ионов на выходе ускорителя. 1 ил.A multi-aperture high-frequency system for accelerating cluster ions allows accelerating complex atomic-molecular formations with a weak internal bonding energy and a low charge-to-mass ratio, which require the use of low operating frequencies when accelerating in RF cavities. The originality of the applied technical solutions that realize these possibilities is achieved by that waveguides with a traveling-type high-frequency electromagnetic wave propagating in them are located between the drift tubes parallel to the longitudinal axis of the Oritel filled with a dielectric and are in the form of spirals. This contributes to an increase in their working length and a decrease in the propagation velocity of the HF electromagnetic wave along the waveguide, making it possible to regulate the movement of traveling electromagnetic waves in waveguides creating an accelerating potential difference between drift tubes, matching it with the dynamics of cluster ions on the acceleration trajectory. The spatial distribution of the accelerated ensemble of cluster ions between the apertures in the drift tubes and their simultaneous acceleration over several channels in one accelerating system, reduces the density of accelerated particles in a separate accelerating channel and the probability of their mutual collisions during acceleration, increasing the intensity of the flow of accelerated cluster ions at the accelerator output . 1 ill.

Description

Полезная модель относится к ускорителям заряженных частиц и может быть использована для ускорения кластерных и других тяжелых ионов в ядерной энергетике и технологии.The utility model relates to charged particle accelerators and can be used to accelerate cluster and other heavy ions in nuclear energy and technology.

Кластерный ион, это ансамбль частиц, от десятков до многих тысяч, состоящий из атомов или молекул вещества, и содержащий, как правило, один или несколько ионов.A cluster ion is an ensemble of particles, from tens to many thousands, consisting of atoms or molecules of matter, and containing, as a rule, one or more ions.

Известно, что эффективность ускорения кластерных ионов, с концентрацией атомов более 10³ частиц в кластере, в большинстве существующих одноапертурных высокочастотных ускоряющих систем (ВЧ-ускоряющих структурах) ограничена их разрушением из-за взаимных столкновений в ускоряющем канале в процессе ускорения (А.С. Кингсепп, В.В. Окороков, И.В. Чувило. О возможности кластерного УТС. ЖТФ, 2000, т. 2, в. 10, с. 60-63).It is known that the acceleration efficiency of cluster ions, with an atomic concentration of more than 10 ³ particles in a cluster, in most existing single-aperture high-frequency accelerating systems (RF accelerating structures) is limited by their destruction due to mutual collisions in the accelerating channel during acceleration (A.S. Kingsepp, V.V. Okorokov, I.V. Chuvilo, On the Possibility of Cluster TCB (Zh.

Для ускорения ионов с большой массой и малым зарядом требуется использовать низкочастотный диапазон спектра ВЧ-электрических полей. Разработка подобных ускоряющих резонансных систем затруднена рядом технологических сложностей, в том числе, связанных с возбуждением низкочастотных колебаний электрического поля в ВЧ-ускоряющих резонаторах.To accelerate ions with a large mass and a small charge, it is required to use the low-frequency range of the spectrum of RF electric fields. The development of such accelerating resonant systems is complicated by a number of technological difficulties, including those associated with the excitation of low-frequency oscillations of the electric field in RF accelerating resonators.

Уменьшить эффект разрушения кластерных ионов из-за взаимных столкновений в ускоряющем канале возможно применяя многопучковый режим ускорения (Аверьянов Г.П., Дмитриева В.В., Плотников С.В, Турчин В.И. Высокочастотные ускоряющие системы для кластерных ионов изотопов водорода, 2-ая международная конференция «Плазменные, лазерные исследования и технологии» 25-27 января 2016, НИЯУ МИФИ, Сборник научных трудов, 2016, Москва, стр. 154).It is possible to reduce the effect of the destruction of cluster ions due to mutual collisions in the accelerating channel using the multi-beam acceleration mode (Averyanov G.P., Dmitrieva V.V., Plotnikov S.V., Turchin V.I. High-frequency accelerating systems for cluster ions of hydrogen isotopes, 2nd international conference "Plasma, laser research and technology" January 25-27, 2016, NRNU MEPhI, Collection of scientific papers, 2016, Moscow, p. 154).

Из-за большой собственной массы кластерные ионы характеризуются низкой подвижностью в ускоряющем электрическом поле. Согласование частоты колебаний электрического поля в ВЧ-ускоряющем резонаторе с динамикой движения ускоряемых кластерных ионов, требует возбуждения в нем электромагнитных волн с тем большей длиной, чем меньше отношение заряда к массе ускоряемых частиц, приводя к неприемлемому увеличению размеров ВЧ-резонаторов и их элементов.Due to the large self-mass, cluster ions are characterized by low mobility in an accelerating electric field. The matching of the frequency of oscillations of the electric field in the RF accelerating cavity with the dynamics of the accelerated cluster ions requires the excitation of electromagnetic waves in it with the greater length, the smaller the ratio of the charge to the mass of the accelerated particles, leading to an unacceptable increase in the size of the RF cavities and their elements.

Известна ускоряющая ВЧ-система многоапертурного ускорителя тяжелых ионов, в которой для увеличения длины токопроводящих опорных волноводов, последние выполнены в виде трех цилиндрических спиралей, соединенных «звездой» под углом 120° друг к другу в радиальной плоскости одними потенциальными концами с соответствующими трубками дрейфа, другие их потенциальные концы соединены с соответствующими балками на опорной ферме (B.C. Артемов, В.А. Баталии, В.В. Кушин и др., Ускорение двухзарядных ионов ксенона в первой секции линейного ускорителя для установки инерционного УТС на пучке тяжелых ионов, Труды 13 международной конференции по ускорителям заряженных частиц, Новосибирск, Наука, 1987, т. 1, с. 237).Known accelerating RF system of a multi-aperture accelerator of heavy ions, in which to increase the length of the conductive reference waveguides, the latter are made in the form of three cylindrical spirals connected by a "star" at an angle of 120 ° to each other in the radial plane by one potential ends with the corresponding drift tubes, others their potential ends are connected to the corresponding beams on the supporting truss (BC Artyomov, V.A. Bataliya, V.V. Kushin et al., Acceleration of doubly charged xenon ions in the first section of a linear accelerator for installations of inertial TCB on a beam of heavy ions, Proceedings of the 13th international conference on charged particle accelerators, Novosibirsk, Nauka, 1987, v. 1, p. 237).

Техническая проблема такой ускоряющей ВЧ-системы в том, что волноводы в ней размещены перпендикулярно продольной оси ускорителя, в результате, уменьшение рабочей частоты ускоряющего ВЧ-электрического поля приводит к значительному возрастанию поперечных размеров ускоряющей системы.The technical problem of such an accelerating RF system is that the waveguides are placed perpendicular to the longitudinal axis of the accelerator, as a result, a decrease in the operating frequency of the accelerating RF electric field leads to a significant increase in the transverse dimensions of the accelerating system.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является ВЧ-ускоряющая структура для тяжелых ионов с многоапертурными трубкам дрейфа состоящая из цилиндрического корпуса объемного резонатора, внутри которого параллельно его продольной оси расположены несколько потенциальных электродов с укрепленными на них трубками дрейфа, содержащих несколько параллельных апертур пролетных каналов, опор потенциальных электродов, которые жестко соединены с одной стороны с корпусом объемного резонатора, а с другой с соответствующими потенциальными электродами, выполненными в виде трех параллельных проводников, смещенных относительно друг друга вокруг оси данной структуры на 120°, а относительно проводников другого электрода на 60°, и объединенных в единую конструкцию с помощью элементов крепления трубок дрейфа к проводникам потенциального электрода. (Кушин В.В., Громов Е.В., Плотников С.В. Ускоряющая структура. А.С. №856370, опубл. 30.03.1985).Closest to the proposed technical solution is an RF accelerating structure for heavy ions with multi-aperture drift tubes consisting of a cylindrical body of a cavity resonator, inside of which are several potential electrodes with drift tubes mounted on them, containing several parallel apertures of passage channels, supports potential electrodes, which are rigidly connected on the one hand to the body of the cavity resonator, and on the other with the corresponding potential Al electrodes made in the form of three parallel conductors, displaced relative to each other around the axis of this structure by 120 °, and relative to the conductors of the other electrode by 60 °, and combined into a single structure using fastening elements of the drift tubes to the conductors of the potential electrode. (Kushin V.V., Gromov E.V., Plotnikov S.V. Accelerating structure. A.S. No. 856370, publ. 30.03.1985).

Техническая проблема данной конструкции заключается в невозможности согласования рабочей частоты колебаний ускоряющего электрического поля ВЧ-резонатора, со скоростью движения в нем кластерных ионов, из-за увеличения его размеров, при работе в низкочастотном диапазоне ВЧ-колебаний.The technical problem of this design is the impossibility of matching the working frequency of the oscillations of the accelerating electric field of the RF resonator with the speed of movement of cluster ions in it, due to an increase in its size, when working in the low-frequency range of RF oscillations.

Технической задачей предложенной полезной модели является создание ускоряющей высокочастотной системы, позволяющей ускорять кластерные ионы с малым отношением заряда к массе.The technical task of the proposed utility model is the creation of an accelerating high-frequency system that allows accelerating cluster ions with a small charge-to-mass ratio.

Техническим результатом настоящей полезной модели является повышения эффективности ускорения кластерных ионов с малым отношением заряда к массе, без увеличения размеров ускорителя, за счет согласования движения бегущих электромагнитных волн в волноводах, создающих ускоряющую разность потенциалов между трубками дрейфа, с динамикой движения кластерных ионов на траектории ускорения, а также повышение интенсивности потока ускоренных кластерных ионов различного типа на выходе ускорителя за счет уменьшения плотности ускоряемых частиц в отдельном ускоряющем канале и вероятности их взаимных столкновений в процессе ускорения.The technical result of this utility model is to increase the acceleration efficiency of cluster ions with a small charge-to-mass ratio, without increasing the size of the accelerator, by matching the movement of traveling electromagnetic waves in waveguides that create an accelerating potential difference between drift tubes, with the dynamics of cluster ions on the acceleration path, as well as an increase in the intensity of the stream of accelerated cluster ions of various types at the output of the accelerator due to a decrease in the density of accelerated particles separate the accelerating channel and the probability of their mutual collisions during acceleration.

Отличительные свойства предлагаемой полезной модели от известных аналогов, обеспечивающие достижение заявленного технического результата, заключаются как в применении режима одновременного ускорения в ускоряющей структуре нескольких пучков кластерных ионов, так и в особенности ускорения этих ионов в электрических полях ВЧ-волн бегущего типа, без использования ускоряющего резонатора.Distinctive properties of the proposed utility model from known analogues that ensure the achievement of the claimed technical result are both in the application of the simultaneous acceleration mode in the accelerating structure of several beams of cluster ions, and in particular the acceleration of these ions in the electric fields of traveling-type RF waves, without using an accelerating resonator .

Необходимая динамика движения по ускорительному тракту разности электрических потенциалов, создающих ускоряющее электрическое поле между соседними трубками дрейфа, достигается раскрытой в заявке особенностью конструкции волноводов, соединяющих предложенным образом трубки дрейфа и позволяющей в широком диапазоне регулировать скорость распространения бегущих электромагнитных волн по волноводам, соединяющим трубки дрейфа.The necessary dynamics of motion along the accelerating path of the difference in electric potentials that create an accelerating electric field between adjacent drift tubes is achieved by the design feature of the waveguides disclosed in the application connecting the drift tubes in the proposed manner and allowing a wide range of control of the propagation speed of traveling electromagnetic waves along the waveguides connecting the drift tubes.

Из теории высокочастотных колебаний известно, что фазовая скорость распространения бегущей волны в волноводе Vf связана с групповой скоростью, обеспечивающей перенос электрической мощности по волноводу, выражением

где: f - рабочая частота ВЧ-генератора, с - скорость света, λ - длина волны. Изменяя величину фазовой скорости в волноводах, можно регулировать скорость смещения по продольной оси ускорителя разности электрических потенциалов между соседними трубками дрейфа, установленными на различных участках соединяющих их волноводов.From the theory of high-frequency oscillations, it is known that the phase velocity of a traveling wave in a waveguide Vf is associated with a group velocity that transfers electric power along the waveguide, by the expression

where: f is the operating frequency of the RF generator, c is the speed of light, λ is the wavelength. By changing the magnitude of the phase velocity in the waveguides, it is possible to control the displacement rate along the longitudinal axis of the accelerator of the difference in electric potentials between adjacent drift tubes installed in different sections of the waveguides connecting them.

Заявленный технический результат достигается предложенной оригинальной конструкцией волноводов в многоапертурной высокочастотной системе для ускорения кластерных ионов, состоящей из: корпуса, внутри которого соосно расположены параллельно его продольной оси несколько потенциальных электродов с установленными в них многоапертурными трубками дрейфа, объединенные в единую конструкцию и соединенные тремя параллельными волноводами из полого металлического профиля с другими многоапертурными трубками дрейфа, установленными на продольной оси между потенциальными электродами на этих волноводах, один конец каждого из которых подсоединен к генератору высокочастотных колебаний, а другой, к соответствующей согласованной нагрузке, соединенной с корпусом, причем, соседние потенциальные электроды смещены относительно друг друга вокруг продольной оси данной системы на 120°, а их волноводы смещены относительно волноводов соседних потенциальных электродов на 60° и все волноводы выполнены в виде спирали, а их внутренние полости заполнены диэлектриком.The claimed technical result is achieved by the proposed original design of waveguides in a multi-aperture high-frequency system for accelerating cluster ions, consisting of: a housing inside which several potential electrodes with multi-aperture drift tubes installed in them are combined in a single design and connected by three parallel waveguides from a hollow metal profile with other multi-aperture drift tubes mounted on the longitudinal axis between the potential electrodes on these waveguides, one end of each of which is connected to a high-frequency oscillation generator, and the other, to the corresponding matched load connected to the housing, and the neighboring potential electrodes are displaced relative to each other around the longitudinal axis of this system by 120 °, and their waveguides are offset relative to the waveguides of neighboring potential electrodes by 60 ° and all waveguides are made in the form of a spiral, and their internal cavities are filled with a dielectric.

В отличие от известных аналогов, в предлагаемой полезной модели возникают новые свойства, обусловленные предложенными техническими решениями. А именно, в нерезонансной структуре, в результате заполнения внутренней полости волноводов диэлектриком и выполнения их в виде спиралей, возникают дополнительные факторы, способствующие уменьшению скорости распространения ВЧ-волны бегущего типа по волноводу. Что позволяет эффективно согласовывать динамику движения ускоряемых кластерных ионов с большой массой со скоростью изменения электрических потенциалов на соответствующих трубках дрейфа.In contrast to the known analogues, in the proposed utility model, new properties arise due to the proposed technical solutions. Namely, in a non-resonant structure, as a result of filling the inner cavity of the waveguides with a dielectric and making them in the form of spirals, additional factors arise that contribute to a decrease in the propagation velocity of the traveling-type RF wave along the waveguide. That allows you to effectively coordinate the dynamics of the accelerated cluster ions with a large mass with the rate of change of electric potentials on the corresponding drift tubes.

Краткое описание чертежей:Brief Description of the Drawings:

На рис. 1 показана схема, поясняющая работу многоапертурной высокочастотной системы для ускорения кластерных ионов.In fig. 1 is a diagram illustrating the operation of a multi-aperture high-frequency system for accelerating cluster ions.

Многоапертурная высокочастотная система для ускорения кластерных ионов состоит из: корпуса 1, внутри которого расположены параллельно его продольной оси несколько потенциальных электродов 2 и 7 с установленными в них трубками дрейфа 3 и 6, имеющих несколько апертур для ускорения заряженных частиц и соединенные с соответствующими, размещенными на продольной оси данной ВЧ-системы, аналогичными трубками дрейфа при помощи группы из трех волноводов 4 и 5, на различных участках которых эти трубки дрейфа установлены. Причем, противоположные концы всех волноводов соединены с согласованными нагрузками 0 и фидерами 8, по которым электрическая мощность ВЧ-колебаний подводится по двум каналам, с заданным сдвигом фаз, к соответствующим трубкам дрейфа от генератора высокочастотных колебаний «Г».A multi-aperture high-frequency system for accelerating cluster ions consists of: a housing 1, inside of which several potential electrodes 2 and 7 are located parallel to its longitudinal axis with drift tubes 3 and 6 installed in them, having several apertures for accelerating charged particles and connected to the corresponding ones located on the longitudinal axis of this RF system, similar drift tubes using a group of three waveguides 4 and 5, in different sections of which these drift tubes are installed. Moreover, the opposite ends of all waveguides are connected to matched loads 0 and feeders 8, through which the electric power of the RF oscillations is supplied through two channels, with a given phase shift, to the corresponding drift tubes from the high-frequency oscillation generator “G”.

Волноводы выполнены в виде спирали из полого металлического профиля, который может иметь прямоугольное или круглое сечение, а их полости заполнены диэлектриком. Структура ВЧ-питания трубок дрейфа в многоапертурной высокочастотной системе для ускорения кластерных ионов выполнена по схеме двухпроводной линии. Звездообразное соединение трубок дрейфа группой из трех волноводов применено для повышения пространственной устойчивости этих трубок к воздействию пондеромоторных сил.The waveguides are made in the form of a spiral from a hollow metal profile, which may have a rectangular or circular cross section, and their cavities are filled with a dielectric. The structure of the RF power supply of the drift tubes in a multi-aperture high-frequency system for accelerating cluster ions is made according to a two-wire line scheme. A star-shaped connection of drift tubes by a group of three waveguides is used to increase the spatial stability of these tubes to the effects of ponderomotive forces.

Волноводы 4 и 5, соединяющие соответствующие трубки дрейфа со своими потенциальными электродами 2 и 7, смещены в радиальной плоскости корпуса 1 относительно друг друга вокруг его продольной оси на угол = 120° и смещены относительно аналогичных волноводов другого потенциального электрода на угол = 60°.The waveguides 4 and 5, connecting the corresponding drift tubes with their potential electrodes 2 and 7, are shifted in the radial plane of the housing 1 relative to each other around its longitudinal axis by an angle = 120 ° and are offset by an angle = 60 ° relative to similar waveguides of the other potential electrode.

Апертуры в трубках дрейфа расположены соосно продольной оси ускорителя и друг другу.The apertures in the drift tubes are aligned with the longitudinal axis of the accelerator and with each other.

Угол сдвига фазы ВЧ-бегущих волн, подаваемых на потенциальные электроды 2 и 7, определяет величину напряженности ускоряющего электрического поля между соседними трубками дрейфа, находящимися под разными электрическими потенциалами и влияет на темп ускорения кластерных ионов.The phase angle of the rf traveling waves supplied to potential electrodes 2 and 7 determines the magnitude of the accelerating electric field between adjacent drift tubes under different electric potentials and affects the rate of acceleration of cluster ions.

Многоапертурная высокочастотная система для ускорения кластерных ионов позволяет ускорять сложные атомно-молекулярные образования со слабой энергией внутренней связи и с малым отношением заряда к массе, требующие использования низких рабочих частот при ускорении в ВЧ-резонаторах.A multi-aperture high-frequency system for accelerating cluster ions allows accelerating complex atomic-molecular formations with weak internal binding energy and low charge-to-mass ratio, which require the use of low operating frequencies for acceleration in RF cavities.

Оригинальность примененных технических решений, реализующих эти возможности, достигается тем, что волноводы с распространяющейся в них высокочастотной электромагнитной волной бегущего типа расположены между трубками дрейфа параллельно продольной оси ускорителя, заполнены диэлектриком и выполнены в виде спиралей. Это способствует увеличению их рабочей длины и уменьшению скорости распространения ВЧ-электромагнитной волны по волноводу, позволяя регулировать движение бегущих электромагнитных волн в волноводах, создающих ускоряющую разность потенциалов между трубками дрейфа, согласуя его с динамикой движения кластерных ионов на траектории ускорения. Пространственное распределение ускоряемого ансамбля кластерных ионов между апертурами в трубках дрейфа и их одновременное ускорение по нескольким каналам в одной ускоряющей системе, способствует уменьшению плотности ускоряемых частиц в отдельном ускоряющем канале и вероятности их взаимных столкновений в процессе ускорения, повышая интенсивность потока ускоренных кластерных ионов на выходе ускорителя за счет согласования с динамикой движения.The originality of the applied technical solutions that realize these opportunities is achieved by the fact that waveguides with a traveling-type high-frequency electromagnetic wave propagating in them are located between the drift tubes parallel to the longitudinal axis of the accelerator, filled with a dielectric, and made in the form of spirals. This contributes to an increase in their working length and a decrease in the propagation velocity of the HF electromagnetic wave along the waveguide, making it possible to regulate the movement of traveling electromagnetic waves in waveguides that create an accelerating potential difference between the drift tubes, matching it with the dynamics of cluster ions on the acceleration trajectory. The spatial distribution of the accelerated ensemble of cluster ions between the apertures in the drift tubes and their simultaneous acceleration over several channels in one accelerating system, reduces the density of accelerated particles in a separate accelerating channel and the probability of their mutual collisions during acceleration, increasing the intensity of the flow of accelerated cluster ions at the accelerator output due to coordination with the dynamics of movement.

Примеры осуществления полезной модели.Examples of the utility model.

Пример 1. Многоапертурная высокочастотная система для ускорения кластерных ионов с конструкцией, приведенной на рис. 1, адаптирована для одновременного ускорения нескольких пучков заряженных частиц в режиме с фазопеременной фокусировкой в электромагнитном поле бегущей волны типа Н₁₀, генерируемой генератором ВЧ-колебаний «Г», и работает следующим образом.Example 1. A multi-aperture high-frequency system for accelerating cluster ions with the design shown in Fig. 1, adapted for the simultaneous acceleration of several beams of charged particles in a regime with phase-alternating focusing in an electromagnetic field of a traveling wave of type H ₁₀ generated by the H-oscillation generator "G", and works as follows.

Две волны ВЧ-колебаний электрического напряжения в различной фазе, от ВЧ-генератора «Г», через фидеры 8 поступают на соответствующие трубки дрейфа, соединенные волноводами 4 и 5, в которых образуются синусоидальные ВЧ-электромагнитные волны бегущего типа. Передаваемая по этим волноводам ВЧ-электрическая мощность, с последовательностью, определяемой скоростью движения волн по волноводу, поступает на соответствующие трубки дрейфа, создавая между ними разность электрических потенциалов, генерирующую ускоряющее заряженные частицы электрическое поле между трубками дрейфа. Напряженность этого поля зависит от величины сдвига фаз в электромагнитных волнах, подаваемых с ВЧ генератора «Г» через фидеры 8. Для данной конструкции фазовый сдвиг волн выбран = π/2. Наличие согласованных нагрузок 0 на противоположных от фидеров 8 концах волноводов 4 и 5 позволяет гасить избыток электромагнитной энергии в волноводах и формировать в них электромагнитные волны бегущего типа, осуществляющие перенос мощности электрического ВЧ-поля вдоль ускорительного тракта. Скорость распространения этих волн в волноводах подбирается из условия согласования со скоростью движения пучка кластерных ионов по ускоряющему тракту.Two waves of HF oscillations of electric voltage in a different phase, from HF generator “G”, through feeders 8 enter the corresponding drift tubes connected by waveguides 4 and 5, in which traveling-type sinusoidal HF electromagnetic waves are generated. The RF electric power transmitted through these waveguides, with a sequence determined by the velocity of the waves along the waveguide, is supplied to the corresponding drift tubes, creating an electric potential difference between them, generating an electric field accelerating charged particles between the drift tubes. The intensity of this field depends on the magnitude of the phase shift in electromagnetic waves supplied from the RF generator “G” through feeders 8. For this design, the phase shift of the waves is selected = π / 2. The presence of coordinated loads 0 at the ends of the waveguides 4 and 5 opposite from the feeders 8 makes it possible to suppress the excess of electromagnetic energy in the waveguides and to generate traveling-type electromagnetic waves that transfer power of the electric RF field along the accelerator path. The propagation velocity of these waves in the waveguides is selected from the condition of matching with the velocity of the cluster ion beam along the accelerating path.

Увеличение длины волноводов (за счет изменения их формы) между трубками дрейфа способствует согласованию условий взаимодействия ускоряющего электрического поля со скоростью движения ускоряемого пучка кластерных ионов. Примененное в многоапертурной высокочастотной системе для ускорения кластерных ионов продольное, симметричное относительно центральной продольной оси структуры, расположение конструктивно выполненных в виде спиралей волноводов 4 и 5, позволяет увеличивать их длину, не увеличивая радиальных размеров корпуса 1.An increase in the waveguide length (due to a change in their shape) between the drift tubes facilitates the matching of the conditions for the interaction of the accelerating electric field with the speed of the accelerated beam of cluster ions. Used in a multi-aperture high-frequency system for accelerating cluster ions, a longitudinal, symmetrical relative to the central longitudinal axis of the structure, arrangement of waveguides 4 and 5, which are structurally made in the form of spirals, allows increasing their length without increasing the radial dimensions of the housing 1.

В силу аксиальной симметричности конструкции многоапертурной высокочастотной системы для ускорения кластерных ионов можно пренебречь величиной радиальной составляющей электрического поля в ее ускоряющих зазорах.Due to the axial symmetry of the design of the multi-aperture high-frequency system for the acceleration of cluster ions, we can neglect the magnitude of the radial component of the electric field in its accelerating gaps.

Уменьшение пространственной плотности частиц в ускоряющих каналах обеспечивается распределением трубок тока, инжектируемого в данную структуру пучка кластерных ионов между соосными апертурами в трубках дрейфа 3 и 6, установленных как в потенциальных электродах 2 и 7, так и между апертурами других трубок дрейфа, соединенных соответствующими волноводами 4 и 5.A decrease in the spatial density of particles in accelerating channels is ensured by the distribution of the current tubes injected into the given cluster beam structure between coaxial apertures in drift tubes 3 and 6 installed both in potential electrodes 2 and 7 and between apertures of other drift tubes connected by corresponding waveguides 4 and 5.

Наличие потенциальных электродов 2 и 7 и звездообразное соединение каждого из них с соответствующими трубками дрейфа тремя волноводами 4 или 5, способствует повышению жесткости всей конструкции, противодействуя пондеромоторным силам, возникающим при ускорении заряженных частиц и способным нарушать соосность ускоряющих каналов в этих трубках дрейфа. Изменением длины трубок дрейфа осуществляется согласование скорости ускоряемого пучка кластерных ионов с динамикой изменения ВЧ-ускоряющего поля между этими трубками. Согласованные нагрузки 0 и фидеры 8, являясь опорами потенциальных электродов 2 и 7 и соединенных с ними волноводами 4 и 5 соответствующих трубок дрейфа, способствуют повышению пространственной устойчивости всей конструкции. По сравнению с прямыми волноводами, их спиральная форма позволяет уменьшать скорость распространения электромагнитной волны в волноводе. Величину замедления скорости распространения электромагнитной волны за счет спиральности формы волновода оценивают по известной формуле для фазовой скорости Vf волны в спиральном волноводеThe presence of potential electrodes 2 and 7 and the star-shaped connection of each of them with the corresponding drift tubes by three waveguides 4 or 5 helps to increase the rigidity of the entire structure, counteracting the ponderomotive forces arising from the acceleration of charged particles and capable of disrupting the alignment of the accelerating channels in these drift tubes. By changing the length of the drift tubes, the speed of the accelerated cluster ion beam is matched with the dynamics of the change in the RF accelerating field between these tubes. Coordinated loads 0 and feeders 8, being the supports of potential electrodes 2 and 7 and the waveguides 4 and 5 of the corresponding drift tubes connected to them, help to increase the spatial stability of the entire structure. Compared with direct waveguides, their spiral shape allows to reduce the propagation velocity of the electromagnetic wave in the waveguide. The magnitude of the deceleration of the propagation velocity of the electromagnetic wave due to the helicity of the waveguide shape is estimated by the well-known formula for the phase velocity Vf of the wave in the spiral waveguide

где: α - радиус спирали волновода, s - шаг спирали волновода.where: α is the radius of the waveguide spiral, s is the step of the waveguide spiral.

Замедление скорости распространения электромагнитных волн в волноводах, внутренняя полость которых заполнена диэлектриком рассчитывают по известной формуле для таких волноводовThe slowdown of the propagation velocity of electromagnetic waves in waveguides, the internal cavity of which is filled with a dielectric, is calculated according to the well-known formula for such waveguides

где: ε - диэлектрическая проницаемость наполнителя, μ - магнитная проницаемость наполнителя, λкг - критическая длина волны, выше которой электромагнитные волны не могут распространяться по волноводу, зависящая от параметров внутренней полости волновода. Поскольку для эффективного движение ВЧ-волны по волноводу λ должна быть <<λкг, а для диэлектриков μ=1. Согласно формуле (2), с достаточной для практического применения точностью, эффективность такого способа замедления оценивают какwhere: ε is the dielectric constant of the filler, μ is the magnetic constant of the filler, λkg is the critical wavelength above which electromagnetic waves cannot propagate along the waveguide, depending on the parameters of the internal cavity of the waveguide. Since, for effective, the motion of the rf wave along the waveguide λ should be << λkg, and for dielectrics μ = 1. According to formula (2), with sufficient accuracy for practical application, the effectiveness of this mode of deceleration is estimated as

Возможность замедления скорости волны таким способом иллюстрируется табл. 1, в которой приведены диэлектрические проницаемости используемых веществ.The possibility of slowing down the wave velocity in this way is illustrated in Table. 1, which shows the dielectric constant of the substances used.

Согласно табл. 1 и формуле (3) заполнение полости волновода диэлектриками различного типа позволяет, по сравнению с пустотелым волноводом, от 2 до 42 раз уменьшать скорость движения ВЧ-электромагнитной волны в таком волноводе.According to the table. 1 and formula (3), filling the waveguide cavity with dielectrics of various types allows, in comparison with a hollow waveguide, to reduce the speed of the RF electromagnetic wave in such a waveguide from 2 to 42 times.

Предложенная в данной полезной модели совокупность конструктивных решений: горизонтальное аксиально-симметричное расположение волноводов, соединяющих трубки дрейфа и выполнение этих волноводов в виде спиралей, с полостью заполненной диэлектриком, согласно формулам (1) и (3), позволяют замедлить скорость движения ВЧ-электромагнитной волны в волноводе на величинуThe set of design solutions proposed in this utility model: horizontal axially-symmetric arrangement of waveguides connecting drift tubes and the execution of these waveguides in the form of spirals with a cavity filled with a dielectric, according to formulas (1) and (3), can slow down the speed of the RF electromagnetic wave in the waveguide by

Заполнение волноводов в конструкции многоапертурной ускоряющей системы для ускорения кластерных ионов, рис. 1, электротехнической керамикой с величиной ε=80, и спиральная форма этих волноводов с радиусом спирали = 2 и шагом = 7 позволяет почти в 20 раз понизить скорость смещения ускоряющего электрического поля между трубками дрейфа по тракту ускорителя.Filling waveguides in the design of a multi-aperture accelerating system for accelerating cluster ions, Fig. 1, by electrotechnical ceramics with ε = 80, and the spiral shape of these waveguides with a spiral radius = 2 and a pitch = 7 makes it possible to almost 20 times lower the displacement velocity of the accelerating electric field between the drift tubes along the accelerator path.

В аналогах, тяжелые ионы ускорялись электрическим полем в ВЧ-резонаторах с частотами 6-50 МГц (B.C. Артемов, В.А. Баталии, В.В. Кушин и др. Ускорение двухзарядных ионов ксенона в первой секции линейного ускорителя для установки инерционного УТС на пучке тяжелых ионов. Труды 13 международной конференции по ускорителям заряженных частиц. Новосибирск, Наука, 1987, т. 1, с. 237; Н.М Гаврилов, С.В. Плотников и др., Ускоряющая система многопучкового ускорителя ионов, Труды 7 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1981, т. 2, с. 37).In analogs, heavy ions were accelerated by an electric field in RF cavities with frequencies of 6-50 MHz (BC Artyomov, V.A. Bataliya, V.V. Kushin, etc. Acceleration of doubly charged xenon ions in the first section of a linear accelerator for installing an inertial TCF on heavy ion beam, Proceedings of the 13th international conference on charged particle accelerators, Novosibirsk, Nauka, 1987, v. 1, p. 237; N.M. Gavrilov, SV Plotnikov et al. Accelerating system of a multi-beam ion accelerator, Proceedings of 7 All-Union meetings on charged particle accelerators, Dubna, 1981, v. 2, p. 37).

Возможность уменьшения в настоящей полезной модели скорости движения ВЧ-волны в волноводах в десятки или даже сотни раз, согласно формуле (4), позволяет регулировать последовательность изменения величины электрических потенциалов на трубках дрейфа в широких пределах, соответствуя радиотехническому диапазону частот в резонансных ВЧ-ускоряющих структурах, без увеличения размеров ускорителя. Применение многоапертурных трубок дрейфа с соосным расположением ускоряющих каналов, позволяет ускорять кластерные ионы различного типа, с малой вероятностью потерь при ускорении.The possibility of reducing the speed of the RF wave in the waveguides by tens or even hundreds of times in this useful model, according to formula (4), allows you to adjust the sequence of changes in the magnitude of the electric potentials on the drift tubes over a wide range, corresponding to the radio frequency range in resonant RF accelerating structures , without increasing the size of the accelerator. The use of multi-aperture drift tubes with a coaxial arrangement of accelerating channels makes it possible to accelerate cluster ions of various types, with a low probability of loss during acceleration.

Подобное выполнение волноводов может быть использовано не только в системах с фазопеременной фокусировкой, но и в других типах ускоряющих систем.Such a design of waveguides can be used not only in systems with phase-variable focusing, but also in other types of accelerating systems.

Claims

A multi-aperture high-frequency system for accelerating cluster ions, consisting of: a housing inside which are coaxially arranged parallel to its longitudinal axis, several potential electrodes with multi-aperture drift tubes installed in them, combined into a single structure and connected by three parallel waveguides of a hollow metal profile with other multi-aperture drift tubes mounted on the longitudinal axis between potential electrodes on these waveguides, one end of each of which is connected inen to the generator of high-frequency oscillations, and the other to the corresponding matched load connected to the housing, and the neighboring potential electrodes are offset relative to each other around the longitudinal axis of this system by 120 °, and their waveguides are offset relative to the waveguides of the neighboring potential electrodes by 60 °, characterized in that all waveguides are made in the form of a spiral, and their internal cavities are filled with a dielectric.