RU2582588C2 - Tandem accelerator with vacuum insulation - Google Patents
Tandem accelerator with vacuum insulation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2582588C2 RU2582588C2 RU2014139866/07A RU2014139866A RU2582588C2 RU 2582588 C2 RU2582588 C2 RU 2582588C2 RU 2014139866/07 A RU2014139866/07 A RU 2014139866/07A RU 2014139866 A RU2014139866 A RU 2014139866A RU 2582588 C2 RU2582588 C2 RU 2582588C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- accelerator
- voltage
- power supply
- insulator
- vacuum
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to the technique of accelerators and can be used to create accelerators of charged particles, as well as devices based on them. Such devices can be used for research in the physics of atomic and nuclear collisions, in the semiconductor industry for ion implantation, in medicine for neutron and neutron capture therapy for cancer, and in security systems for the detection of explosive and narcotic substances.
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.A charged particle accelerator is a device for producing high-energy charged particles. The accelerator operation is based on the interaction of charged particles with electric and magnetic fields. Structurally, accelerators can be divided into two large groups. These are linear accelerators, where the particle beam passes accelerating gaps once, and cyclic accelerators in which the beam moves along closed curves, passing accelerating gaps many times.
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.In the simplest linear accelerator, charged particles are accelerated by a constant electric field and move linearly in the accelerator tube, to the ends of which a high voltage is applied. Structurally, the accelerating tube is made in the form of alternating ring insulators and electrodes. A vacuum is created inside the accelerating tube, the area outside is filled, if necessary, with insulating gas under pressure, usually with SF6 gas. The voltage on the intermediate electrodes is fed through a resistive divider. The ion source is placed under the high voltage potential.
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.A recharged particle accelerator (tandem) was proposed in the middle of the 20th century. It consists of two accelerating tubes and a peeling (rechargeable) target between them, which is under a high-voltage potential. An accelerated negative hydrogen ion, when interacting with a stripping target, turns into a positive one, and then accelerates in the second accelerator tube with the same potential. The use of the same accelerating voltage twice allows one to double the final energy of singly charged particles and several times multiply charged ones. An important advantage of tandem accelerators is the placement of an ion source under a grounded potential.
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.The tandem accelerators in accelerator mass spectrometry and ion implantation complexes with a characteristic beam current of less than 1 mA (milliamperes) are most widely used. Typically, such tandem accelerators use a gas stripping target made in the form of a tube with a gas inlet in the middle.
Взаимодействие 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.The interaction of an accelerated beam of charged particles with residual gas in a vacuum volume leads to the appearance of electrons, ions and ultraviolet radiation, which reduce the high-voltage strength of accelerating vacuum gaps and vacuum surfaces of the insulating rings of the accelerating tube.
Для сохранения высоковольтной прочности ускоряющих вакуумных зазоров при увеличении тока пучка предлагают различные решения, в том числе ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией.To preserve the high voltage strength of accelerating vacuum gaps with increasing beam current, various solutions are proposed, including a tandem accelerator with vacuum insulation.
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.The first tandem accelerator with vacuum insulation was proposed in 1994 [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 B 89 (1994) 1-7]. The proposal is that the entire tandem accelerator is placed in a vacuum volume. Those. vacuum is created not only inside the accelerator tube, but also in the area outside, which in traditional devices is filled with SF6 gas. In the description by them of the executed patent US 5293134 dated 03/08/1994 it is emphasized that this proposal allows you to get rid of the use of potentially dangerous and expensive SF6 gas.
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 отнести изолятор подальше от пучка заряженных частиц для сохранения высоковольтной прочности вакуумного зазора. В таком ускорителе-тандеме с вакуумной изоляцией ускорительные трубки как таковые отсутствуют. Распределение потенциалов задается 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 источника высокого напряжения и на промежуточные электроды от омического делителя, установленного на газовой части проходного изолятора. Источник высокого напряжения и газовая часть проходного изолятора размещены в едином объеме, заполненном элегазом под давлением.Later in 1998 [V. 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] also proposed a tandem accelerator with vacuum insulation, fundamentally different from that described above. The main idea was not to get rid of the use of SF6 gas, but to take the insulator away from the beam of charged particles to maintain the high voltage strength of the vacuum gap. In such a vacuum-insulated tandem accelerator, accelerator tubes as such are absent. The potential distribution is set by embedded electrodes forming a multilayer structure, mounted on the vacuum part of a single sectioned bushing insulator filled with SF6 gas. The insulator is out of line of sight from the beam propagation region. Coaxial tubes are located inside the bushing, which transmit the potential to the high-voltage electrode from the high voltage source and to the intermediate electrodes from the ohmic divider installed on the gas part of the bushing. The high voltage source and the gas part of the bushing are placed in a single volume filled with gas under pressure.
Идея ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией была развита в работе [Р. 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.The idea of a tandem accelerator with vacuum insulation was developed in [R. Beasley, O. Heid, T. Hugles. A new life for high voltage electrostatic accelerators. Proc. of the International Particle Accelerator Conference, Kyoto, Japan (2010) 711-713]. They suggested using the natural capacitance between the electrodes. If you cut the embedded electrodes in half and connect them in the form of a ladder with diodes, then the Cockcroft-Walton cascade generator (voltage multiplier) is realized directly inside the vacuum volume of the accelerator. However, the authors of this proposal did not consider the technological aspects of the practical implementation of such a design.
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].As a prototype, the design of the tandem accelerator with vacuum insulation, described in [V. 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].
Схема прототипа представлена на Фиг. 1. Пучок отрицательных ионов водорода инжектируется в ускоритель 1 и ускоряется 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 3 и пять промежуточных электродов ускорителя 2 подается от высоковольтного источника напряжения 8 через проходной изолятор, состоящий из двух частей: вакуумной части 5 и газовой части 6. На газовой части проходного изолятора установлен омический делитель 7 для подачи соответствующего потенциала на промежуточные электроды ускорителя. В качестве высоковольтного источника напряжения 8 используется выпрямитель ускорителя электронов серии ЭЛВ, содержащий в себе первичную обмотку 11, выпрямительные секции 10 и высоковольтный электрод 9. Вакуумный объем ускорителя откачивается турбомолекулярным и криогенным насосами через жалюзи промежуточных электродов. Проходной изолятор и высоковольтный выпрямитель заполнены изолирующим газом SF6 под давлением 3 атм и 6 атм, соответственно. Стрелками на Фиг. 1 показаны направление движения отрицательных ионов водорода (Н-) и протонов (р).A prototype diagram is shown in FIG. 1. A beam of negative hydrogen ions is injected into the
Указанная конструкция отличается большой суммарной высотой (7 м), поскольку необходимо обеспечить высоковольтную прочность источника питания, высоковольтную прочность газовой части проходного изолятора со стороны источника питания и высоковольтную прочность вакуумной части проходного изолятора со стороны ускорителя.This design has a large total height (7 m), since it is necessary to ensure the high voltage strength of the power source, the high voltage strength of the gas part of the bushing on the side of the power source and the high voltage strength of the vacuum part of the bushing on the side of the accelerator.
Изобретение направлено на создание компактного ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией.The invention is directed to the creation of a compact tandem accelerator with vacuum insulation.
Для решения поставленной задачи в известном устройстве, содержащем ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией, проходной изолятор и секционированный выпрямитель, последний размещается внутри корпуса вакуумной части проходного изолятора. Высоковольтный и промежуточные электроды ускорителя соединяются с соответствующими секциями выпрямителя напрямую и потребность в проходном изоляторе с омическим делителем отпадает. Корпус вакуумной части проходного изолятора используется в качестве изолятора для крепления высоковольтного и промежуточных электродов, а также в качестве корпуса секционированного выпрямителя.To solve this problem in a known device containing a tandem accelerator with vacuum insulation, a bushing and a sectioned rectifier, the latter is placed inside the housing of the vacuum part of the bushing. The high-voltage and intermediate electrodes of the accelerator are connected directly to the corresponding sections of the rectifier and there is no need for a bushing with an ohmic divider. The case of the vacuum part of the bushing is used as an insulator for attaching high-voltage and intermediate electrodes, as well as a case of a sectioned rectifier.
Поскольку корпусом секционированного выпрямителя будет не заземленный металлический бак, а изолятор с распределенным потенциалом, то значительно улучшается высоковольтная прочность выпрямителя и могут быть уменьшены зазоры или давление изолирующего газа.Since the case of a sectioned rectifier is not a grounded metal tank, but an insulator with distributed potential, the high-voltage strength of the rectifier is significantly improved and the gaps or pressure of the insulating gas can be reduced.
Помимо уменьшения габаритов установки и большой стабильности потенциала промежуточных электродов данное изменение влечет уменьшение количества деталей и увеличение надежности.In addition to reducing the dimensions of the installation and the great stability of the potential of the intermediate electrodes, this change entails a decrease in the number of parts and an increase in reliability.
Сущность изобретения иллюстрируется Фиг. 2.The invention is illustrated in FIG. 2.
На Фиг. 2 приведена схема ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией с интегрированным высоковольтным источником питания. На схеме показаны:In FIG. Figure 2 shows a diagram of a tandem accelerator with vacuum insulation with an integrated high-voltage power supply. The diagram shows:
1 - ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией;1 - tandem accelerator with vacuum insulation;
2 - промежуточные электроды;2 - intermediate electrodes;
3 - высоковольтный электрод;3 - high voltage electrode;
4 - газовая обдирочная мишень;4 - gas peeling target;
5 - изолятор;5 - insulator;
6 - секционированный выпрямитель.6 - sectioned rectifier.
Устройство работает следующим образом. Внутри изолятора 5 помещен секционированный выпрямитель 6. Использование современной элементной базы (лавинные высоковольтные диоды RVF30, конденсаторы FHV12AN) и переход на более высокую частоту (20 кГц вместо 400 Гц) позволяет сделать источник высоковольтного питания существенно меньшим по размерам, чем тот, что изображен на Фиг. 1. Внутренний объем изолятора заполнен элегазом для обеспечения высоковольтной прочности зазоров. Высоковольтный 3 и промежуточные 2 электроды ускорителя 1 соединены с соответствующими секциями секционированного выпрямителя 6 напрямую.The device operates as follows. A
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014139866/07A RU2582588C2 (en) | 2014-10-01 | 2014-10-01 | Tandem accelerator with vacuum insulation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014139866/07A RU2582588C2 (en) | 2014-10-01 | 2014-10-01 | Tandem accelerator with vacuum insulation |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014139866A RU2014139866A (en) | 2016-04-20 |
RU2582588C2 true RU2582588C2 (en) | 2016-04-27 |
Family
ID=55789273
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014139866/07A RU2582588C2 (en) | 2014-10-01 | 2014-10-01 | Tandem accelerator with vacuum insulation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2582588C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2653840C1 (en) * | 2016-12-16 | 2018-05-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) | Tandem accelerator with vacuum insulation |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5293134A (en) * | 1991-03-13 | 1994-03-08 | United Kingdom Atomic Energy Authority | Tandem accelerator |
RU2033708C1 (en) * | 1993-03-01 | 1995-04-20 | Акционерное общество закрытого типа - Центр ускорительных технологий "КАСКАД" | Target unit for pulse linear resonance ion accelerator |
WO2008147238A1 (en) * | 2007-05-28 | 2008-12-04 | Budker Institute Of Nuclear Physics Sibirskogo Otdeleniya Rossiiskoi Akademii Nauk | Compression gas target |
US7949858B2 (en) * | 2003-05-12 | 2011-05-24 | International Business Machines Corporation | Multifunction hexadecimal instruction form system and program product |
DE102010041757A1 (en) * | 2010-09-30 | 2012-04-05 | Siemens Aktiengesellschaft | Electrode arrangement for a particle accelerator |
-
2014
- 2014-10-01 RU RU2014139866/07A patent/RU2582588C2/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5293134A (en) * | 1991-03-13 | 1994-03-08 | United Kingdom Atomic Energy Authority | Tandem accelerator |
RU2033708C1 (en) * | 1993-03-01 | 1995-04-20 | Акционерное общество закрытого типа - Центр ускорительных технологий "КАСКАД" | Target unit for pulse linear resonance ion accelerator |
US7949858B2 (en) * | 2003-05-12 | 2011-05-24 | International Business Machines Corporation | Multifunction hexadecimal instruction form system and program product |
WO2008147238A1 (en) * | 2007-05-28 | 2008-12-04 | Budker Institute Of Nuclear Physics Sibirskogo Otdeleniya Rossiiskoi Akademii Nauk | Compression gas target |
DE102010041757A1 (en) * | 2010-09-30 | 2012-04-05 | Siemens Aktiengesellschaft | Electrode arrangement for a particle accelerator |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
В. BAYANOV, 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 c. 397-426. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2653840C1 (en) * | 2016-12-16 | 2018-05-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) | Tandem accelerator with vacuum insulation |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2014139866A (en) | 2016-04-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Herfurth et al. | A linear radiofrequency ion trap for accumulation, bunching, and emittance improvement of radioactive ion beams | |
US5073913A (en) | Apparatus for acceleration and application of negative ions and electrons | |
US4992746A (en) | Apparatus for acceleration and application of negative ions and electrons | |
Beebe et al. | Reliable operation of the Brookhaven EBIS for highly charged ion production for RHIC and NSRL | |
Ivanov et al. | Obtaining a proton beam with 5-mA current in a tandem accelerator with vacuum insulation | |
US2907884A (en) | Compact neutron source | |
RU2582588C2 (en) | Tandem accelerator with vacuum insulation | |
RU2653840C1 (en) | Tandem accelerator with vacuum insulation | |
RU187270U1 (en) | PULSE NEUTRON GENERATOR | |
US8971473B2 (en) | Plasma driven neutron/gamma generator | |
RU2610148C1 (en) | Vaccum-insulated tandem accelerator | |
JP2004132718A (en) | Inertial electrostatic confinement nuclear fusion system | |
RU2558384C2 (en) | Gas stripping target | |
Aleinik et al. | Dark currents of a tandem accelerator with vacuum insulation | |
Sorokin et al. | A voltage buildup at high-voltage vacuum gaps of a tandem accelerator with vacuum insulation | |
RU2540983C1 (en) | Sealed neutron tube | |
Paraliev | Septa | |
Makarov et al. | Modification of the argon stripping target of the tandem accelerator | |
US9101040B2 (en) | DC voltage-operated particle accelerator | |
De Conto | GENEPI: A high intensity deuteron accelerator for pulsed neutron production | |
RU160364U1 (en) | ION MAGNETIC DIODE FOR NEUTRON GENERATION | |
RU2595785C2 (en) | Gas stripping target | |
RU2624914C1 (en) | Neutron generator | |
RU2634310C1 (en) | Gas scraping target | |
Kumakhov et al. | Effect of multiple contactless rotations of charged particles in a hollow circular glass ring |