RU2660146C1 - Heavy particles high-power high-energy beam electrostatic accelerator - Google Patents
Heavy particles high-power high-energy beam electrostatic accelerator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2660146C1 RU2660146C1 RU2017109765A RU2017109765A RU2660146C1 RU 2660146 C1 RU2660146 C1 RU 2660146C1 RU 2017109765 A RU2017109765 A RU 2017109765A RU 2017109765 A RU2017109765 A RU 2017109765A RU 2660146 C1 RU2660146 C1 RU 2660146C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- accelerator
- particles
- accelerated
- sections
- secondary particles
- Prior art date
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 32
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims abstract description 20
- 239000011163 secondary particle Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 4
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 3
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 abstract description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 3
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 abstract description 3
- 230000001629 suppression Effects 0.000 abstract description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 abstract description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 239000011164 primary particle Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 31
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 2
- 230000005658 nuclear physics Effects 0.000 description 2
- 238000002560 therapeutic procedure Methods 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005461 Bremsstrahlung Effects 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001793 charged compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000000752 ionisation method Methods 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000005405 multipole Effects 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H5/00—Direct voltage accelerators; Accelerators using single pulses
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к ускорительной технике и может быть применено для получения ускоренных пучков тяжелых частиц - протонов, отрицательных ионов водорода, ядер атомов с током на уровне 1-150 мА при энергии 0,5-5 МэВ или выше. Такие пучки предназначены для использования, например, в медицинской технике, а именно в бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ) для генерации эпитепловых нейтронов, в системах безопасности для генерации резонансных гамма-квантов, в промышленности для ионной модификации кристаллов, легирования полупроводников, производства тонких кремниевых пленок и трековых мембран.The invention relates to accelerator technology and can be used to obtain accelerated beams of heavy particles - protons, negative hydrogen ions, atomic nuclei with a current level of 1-150 mA at an energy of 0.5-5 MeV or higher. Such beams are intended for use, for example, in medical technology, namely, boron neutron capture therapy (BNCT) for the generation of epithermal neutrons, in security systems for the generation of resonant gamma rays, in industry for ionic modification of crystals, doping of semiconductors, and the production of thin silicon films and track membranes.
С начала своего изобретения ускорители заряженных частиц являлись важным инструментом в экспериментальных ядерно-физических исследованиях и в современном мире ускорители находят место в различных областях науки, промышленности и медицины. К настоящему моменту сформировался ряд задач, требующий получения протонных пучков с токами от нескольких единиц миллиампер до десятков миллиампер и энергией на уровне нескольких мегаэлектронвольт.From the beginning of their invention, charged particle accelerators have been an important tool in experimental nuclear physics research and in the modern world, accelerators find their place in various fields of science, industry and medicine. To date, a number of tasks have been formed, requiring the production of proton beams with currents from several units of milliamps to tens of milliamps and with energies of several megaelectron-volts.
Требования, предъявляемые к монохроматичности энергии пучков, и необходимость оперативного изменения энергии делает желательным использование электростатических ускорителей. Электростатические электронные ускорители уже давно зарекомендовали себя как надежные и относительно недорогие машины, обеспечивающие генерацию пучков с характеристиками тока и энергии, заведомо превосходящими уровень, необходимый для решения упомянутых задач. Так, например, ускорители серии ЭЛВ-12, разработанные в ИЯФ СО РАН, способны генерировать электронный пучок с током 400 мА при энергии 1 МэВ; предельная энергия, достигаемая в ускорителях ЭЛВ, составляет 2,5 МэВ при токах пучка на уровне десятков миллиампер. Ускорители типа Динамитрон, разрабатываемые компанией IBA (Бельгия), генерируют пучки с энергией на уровне 5 МэВ при мощности пучка до 250 кВт.The requirements for monochromatic energy of the beams, and the need for rapid change of energy makes it desirable to use electrostatic accelerators. Electrostatic electron accelerators have long established themselves as reliable and relatively inexpensive machines that provide beam generation with current and energy characteristics that obviously exceed the level required to solve the aforementioned problems. For example, ELV-12 series accelerators developed at the INP SB RAS are capable of generating an electron beam with a current of 400 mA at an energy of 1 MeV; the limiting energy achieved in ELV accelerators is 2.5 MeV at beam currents of tens of milliamps. Dynamitron-type accelerators developed by IBA (Belgium) generate beams with an energy of 5 MeV at a beam power of up to 250 kW.
Однако, несмотря на то, что попытки создания электростатических ускорителей протонов началось более полувека назад, до сих пор существуют трудности в получении одновременно высоких значений тока и энергии протонных пучков, что говорит о существовании принципиальных различий между ускорением легких и тяжелых частиц и подчеркивает фундаментальные ограничения уровня развития ускорительной техники.However, despite the fact that attempts to create electrostatic proton accelerators began more than half a century ago, there are still difficulties in obtaining simultaneously high values of current and energy of proton beams, which indicates the existence of fundamental differences between the acceleration of light and heavy particles and emphasizes fundamental level limitations accelerator technology development.
В исследованиях, выполненных компанией Radiation Dynamics в 1960-х годах с использованием ускорителя Динамитрон, обозначен ряд специфических проблем, связанных с ускорением ионного пучка, а также предложены шаги для их решения [Е.М. Kellogg, Ion-Gas Collisions During Beam Acceleration, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-12, No. 3, 242-246 (1965); M.R. Cleland, P.R. Hanley, С.C. Thompson, Acceleration of Intense Positive Ion Beams at Megavolt Potentials, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-16, No. 3, 113-116 (1969)]. Основной вывод, сделанный исследователями, состоит в том, что ограничение ускоряемого тока пучка связано с процессами взаимодействия ускоренного пучка с молекулами остаточного газа, приводящими к появлению потоков вторичных частиц, токи в которых, при определенных условиях, могут превышать ток первоначального пучка. Эффекты, вызываемые вторичными частицами, зависят, в том числе, и от их энергии. Наличие вторичных частиц вызывает процессы с положительной обратной связью, усиливающие выделение молекул газа из электродов, появление обратного потока ускоренных электронов и связанного с ними радиационного излучения, что, в конечном счете, снижает электрическую прочность системы и нарушает работу ускорителя.In the studies carried out by Radiation Dynamics in the 1960s using the Dynamitron accelerator, a number of specific problems associated with ion beam acceleration were identified, and steps were proposed to solve them [E.M. Kellogg, Ion-Gas Collisions During Beam Acceleration, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-12, No. 3, 242-246 (1965); M.R. Cleland, P.R. Hanley, C.C. Thompson, Acceleration of Intense Positive Ion Beams at Megavolt Potentials, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-16, No. 3, 113-116 (1969)]. The main conclusion made by the researchers is that the limitation of the accelerated beam current is associated with the interaction of the accelerated beam with the molecules of the residual gas, leading to the appearance of flows of secondary particles, the currents of which, under certain conditions, can exceed the current of the initial beam. The effects caused by secondary particles depend, inter alia, on their energy. The presence of secondary particles causes processes with positive feedback, enhancing the release of gas molecules from the electrodes, the appearance of a reverse flow of accelerated electrons and the associated radiation, which ultimately reduces the electrical strength of the system and disrupts the accelerator.
Предельным значением тока пучка, достигнутого в указанных исследованиях, названо 3 мА (суммарно - протонов и молекулярных ионов) при энергии 3 МэВ, что оставалось технологическим пределом для электростатических ионных ускорителей в течение нескольких десятилетий. К настоящему времени развитие проекта позволило спроектировать ускоритель для осуществления бор-нейтронозахватной терапии с током на уровне ~11 мА [Пат. US 20100033115 А1 США. High-current dc proton accelerator / Marshall R. Cleland, Richard A. Galloway, Leonard DeSanto, Yves Jongen. Опубликован 11 Feb 2010].The limit value of the beam current achieved in these studies is 3 mA (total - protons and molecular ions) at an energy of 3 MeV, which remained the technological limit for electrostatic ion accelerators for several decades. To date, the development of the project has allowed the design of an accelerator for the implementation of boron-neutron capture therapy with a current level of ~ 11 mA [Pat. US 20100033115 A1 United States. High-current dc proton accelerator / Marshall R. Cleland, Richard A. Galloway, Leonard DeSanto, Yves Jongen. Published on 11 Feb 2010].
Эксперименты, выполненные в течение последних десяти лет в Институте ядерной физики СО РАН на ускорителе-тандеме с вакуумной изоляцией электродов, привели исследователей к аналогичным выводам. Остаточный газ, существенной компонентой которого является аргон, используемый для обдирки пучка в газовой обдирочной мишени, ионизуется ускоряемым пучком. Ионы аргона могут ускоряться полем ускорителя вплоть до энергии соответствующей потенциалу высоковольтного электрода ускорителя (~1 МэВ) и бомбардировать металлические элементы конструкции, вызывая десорбцию газа и эмиссию вторичных электронов. В свою очередь, вторичные электроны, вместе с электронами, попадающими в канал ускорения из низкоэнергетического тракта, способны ускоряться до высоких энергий, вносить свой вклад в ионизацию остаточного газа, приводить к просадке потенциалов электродов, появлению рентгеновского излучения и, в конечном счете, к высоковольтному пробою. Оценочная (и измеренная) величина паразитных токов в канале ускорения может достигать заметных величин на фоне тока ускоряемого пучка. Выполненные исследования позволили найти ряд решений, снижающий негативные эффекты, и получить пучок с током более 5 мА, ускоренный до энергии 2 МэВ [A. Ivanov, D. Kasatov, A. Koshkarev, A. Makarov, Yu. Ostreinov, I. Shchudlo, I. Sorokin, S. Taskaev. Suppression of an unwanted flow of charged particles in a tandem accelerator with vacuum insulation. Journal of Instrumentation 11 (2016) P04018; A.A. Иванов, С.Ю. Таскаев. Ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией. Патент на изобретение №2610148 от 08.02.2017].The experiments performed over the past ten years at the Institute of Nuclear Physics of the SB RAS on a tandem accelerator with vacuum insulation of electrodes led researchers to similar conclusions. The residual gas, an essential component of which is argon, used to strip the beam in a gas stripping target, is ionized by the accelerated beam. Argon ions can be accelerated by the accelerator field up to the energy corresponding to the potential of the accelerator’s high-voltage electrode (~ 1 MeV) and bombard metal structural elements, causing gas desorption and emission of secondary electrons. In turn, secondary electrons, together with electrons that enter the acceleration channel from the low-energy path, are able to accelerate to high energies, contribute to the ionization of the residual gas, lead to subsidence of the electrode potentials, the appearance of x-ray radiation and, ultimately, to high-voltage breakdown. The estimated (and measured) value of stray currents in the acceleration channel can reach noticeable values against the background of the current of the accelerated beam. The studies made it possible to find a number of solutions that reduce the negative effects, and to obtain a beam with a current of more than 5 mA, accelerated to an energy of 2 MeV [A. Ivanov, D. Kasatov, A. Koshkarev, A. Makarov, Yu. Ostreinov, I. Shchudlo, I. Sorokin, S. Taskaev. Suppression of an unwanted flow of charged particles in a tandem accelerator with vacuum insulation. Journal of Instrumentation 11 (2016) P04018; A.A. Ivanov, S.Yu. Taskaev. Vacuum Insulated Tandem Accelerator. Patent for the invention No. 2610148 of 02/08/2017].
Несмотря на значительный прогресс в развитии протонных ускорителей общим недостатком существующих в настоящее время систем является то, что параметры генерируемых пучков оказываются заметно ниже величин, достигаемых в электронных ускорителях. Стремление к получению токов протонного пучка на уровне десятков миллиампер при энергии на уровне нескольких МэВ заставляет искать новые технические решения для создания ускорителей тяжелых частиц.Despite significant progress in the development of proton accelerators, a common drawback of currently existing systems is that the parameters of the generated beams are noticeably lower than those achieved in electron accelerators. The desire to obtain proton beam currents at the level of tens of milliamps at an energy of several MeV forces us to look for new technical solutions for creating heavy particle accelerators.
Детальный анализ процессов, происходящих в канале электростатического ускорителя, с учетом принципиальных отличий в поведении легких и тяжелых ускоряемых частиц, позволил выявить несколько цепочек положительных обратных связей, нарушающих работу ускорителя. На основании сделанного открытия предложено техническое решение, снимающее технологический рубеж, не позволявший ускорителям тяжелых частиц достигать тех же значений тока и энергии пучка, которые достигаются в электронных ускорителях.A detailed analysis of the processes occurring in the channel of the electrostatic accelerator, taking into account the fundamental differences in the behavior of light and heavy accelerated particles, made it possible to identify several chains of positive feedbacks that disrupt the operation of the accelerator. Based on the discovery, a technical solution is proposed that removes the technological frontier, which did not allow heavy particle accelerators to achieve the same current and beam energies that are achieved in electron accelerators.
В результате рассеяния пучка тяжелых частиц на остаточном газе молекулы испытывают значительную отдачу по сравнению с аналогичным рассеянием электронного пучка. В результате, элементы конструкции ускорителя тяжелых частиц испытывают бомбардировку атомами и молекулами, имеющими более высокую энергию, в сравнении с ускорителями легких частиц, что способствует более интенсивному газоотделению и вторичной эмиссии электронов. Наибольшую энергию частицы остаточного газа получают в области высоких значений энергии пучка, то есть вблизи выхода из ускорителя. Высвобожденные молекулы остаточного газа усиливают рассеяние пучка, непосредственно замыкая кольцо положительной обратной связи, но помимо этого они могут распространяться вдоль всего ускорительного тракта и ионизовываться пучком. Поскольку сечение ионизации падает с увеличением скорости движения частиц пучка, самая интенсивная ионизация происходит в начале ускорительного тракта. Образующиеся в процессе ионизации пары ион-электрон формируют вторичные пучки в канале ускорения, которые ускоряются до заметных энергий и также участвуют в рассеянии на остаточном газе и бомбардировке элементов конструкции ускорителя, замыкая цепочку процессов еще одной положительной обратной связью.As a result of the scattering of a beam of heavy particles by the residual gas, the molecules experience significant returns in comparison with similar scattering of an electron beam. As a result, the structural elements of the heavy particle accelerator are bombarded by atoms and molecules that have a higher energy than light particle accelerators, which contributes to more intense gas separation and secondary electron emission. Particles of residual gas receive the greatest energy in the region of high beam energy, that is, near the exit from the accelerator. Released residual gas molecules enhance beam scattering by directly closing the positive feedback ring, but in addition they can propagate along the entire accelerating path and ionize the beam. Since the ionization cross section decreases with increasing velocity of the beam particles, the most intense ionization occurs at the beginning of the accelerator path. The ion-electron pairs formed during the ionization process form secondary beams in the acceleration channel, which are accelerated to appreciable energies and also participate in the scattering of the residual gas and the bombardment of the accelerator design elements, closing the process chain with another positive feedback.
Вторичные электроны, появляющиеся в описываемых процессах, могут ускоряться до высоких значений энергии и порождать интенсивное тормозное излучение, которое ионизует электроизоляционный газ, используемый в источнике питания и тоководах ускорителя, формируя еще один источник паразитного тока.Secondary electrons appearing in the described processes can be accelerated to high energy values and generate intense bremsstrahlung, which ionizes the insulating gas used in the power supply and current leads of the accelerator, forming another source of spurious current.
Таким образом, в ускорителе тяжелых частиц присутствует несколько паразитных токов, суммарная величина которых может превосходить ток ускоряемого пучка. Результатом действия этих токов становится подсадка источника питания, искажение потенциалов электродов ускорителя и высоковольтный пробой.Thus, in the accelerator of heavy particles there are several stray currents, the total value of which can exceed the current of the accelerated beam. The result of these currents is replanting the power source, distortion of the potentials of the accelerator electrodes and high-voltage breakdown.
Ионизация остаточного газа приводит к частичной или полной компенсации пространственного заряда пучка, которая может быть различной на разных этапах транспортировки пучка и нестабильной во времени при нестабильных параметрах вакуума в ускорителе. Этот процесс, как и процесс искажения потенциалов электродов паразитными токами, приводит к нарушению ионной и электронной оптики ускорителя, делает транспортировку пучков нестабильной и может привести к высаживанию на электроды большего количества рассеянных частиц. Таким образом замыкается еще одно кольцо положительной обратной связи.The ionization of the residual gas leads to partial or complete compensation of the space charge of the beam, which may be different at different stages of beam transportation and unstable in time with unstable vacuum parameters in the accelerator. This process, as well as the process of distorting the potentials of electrodes by stray currents, leads to disruption of the ionic and electronic optics of the accelerator, makes the transportation of beams unstable, and can lead to the precipitation of more scattered particles on the electrodes. Thus closes another ring of positive feedback.
Прием, позволяющий ограничить генерацию вторичных частиц и связанных с ними процессов, состоит в разбиении ускорительного канала на сегменты и использование сильного магнитного поля между сегментами ускорения для сепарации ускоряемого пучка и вторичных частиц. Распространены конструкции, в которых используется слабое магнитное поле, позволяющее отделить от ускоряемого пучка поток электронов, не оказывая при этом заметного влияния на сам ускоряемый пучок. Однако для того, чтобы отделить от пучка не только легкие электроны, но и тяжелые вторичные частицы (протоны, ионы), величина поля должна быть достаточно большой, при этом возможно возмущение движения ускоряемого пучка, и это возмущение необходимо учитывать при построении ионной оптики ускорителя. Источники сильного магнитного поля в ускорительной технике хорошо известны - это магнитные диполи, в том числе с профилированными полюсами для обеспечения фокусировки пучка по одной или двум координатам, а также мультипольные линзы, конкретный выбор которых может меняться в зависимости от требований, предъявленных к конкретной разрабатываемой машине. В общем случае магнитные элементы могут решать несколько задач: сепарацию вторичных частиц, фокусировку пучка, коррекцию траекторий пучка, для чего может использоваться как один, так и группа магнитных элементов.The technique, which makes it possible to limit the generation of secondary particles and related processes, consists in dividing the accelerator channel into segments and using a strong magnetic field between the acceleration segments to separate the accelerated beam and secondary particles. Constructions are widespread in which a weak magnetic field is used, which makes it possible to separate the electron flux from the accelerated beam without having a noticeable effect on the accelerated beam itself. However, in order to separate not only light electrons, but also heavy secondary particles (protons, ions) from the beam, the field must be large enough, while the perturbation of the accelerated beam is possible, and this perturbation must be taken into account when constructing the ion optics of the accelerator. The sources of a strong magnetic field in accelerator technology are well known - these are magnetic dipoles, including with profiled poles to ensure beam focusing in one or two coordinates, as well as multipole lenses, the specific choice of which can vary depending on the requirements of a particular machine being developed . In the general case, magnetic elements can solve several problems: separation of secondary particles, beam focusing, correction of beam paths, for which either one or a group of magnetic elements can be used.
Вторичные частицы, отделенные от ускоряемого пучка, должны быть утилизированы без нарушения работы ускорителя. Для того чтобы отклоненные или рассеянные частицы не попадали на электроды ускорителя, между секциями ускорения нужно установить диафрагмы с апертурой, позволяющей прохождение только полезному пучку частиц. Использование диафрагм позволяет ограничить распространение вторичных частиц и выделяемого остаточного газа границами одной секции ускорения, ограничить максимальную энергию вторичных частиц, разорвать действие обратных связей между процессами, происходящими в различных областях ускорительного тракта.Secondary particles separated from the accelerated beam must be disposed of without disrupting the operation of the accelerator. In order that deflected or scattered particles do not fall on the accelerator electrodes, between the acceleration sections it is necessary to establish apertures with an aperture that allows only a useful particle beam to pass through. The use of diaphragms makes it possible to limit the distribution of secondary particles and the released residual gas to the boundaries of one acceleration section, to limit the maximum energy of secondary particles, and to break the action of feedbacks between processes occurring in different areas of the accelerating path.
Установка между секциями ускорения дополнительных вакуумных насосов позволяет контролировать вакуумные условия на всем пути следования пучка. Поддержание стабильного и высокого уровня вакуума особенно важно в областях неоднородного электрического - на входе и выходе каждой секции ускорения. Повышение в этих областях концентрации остаточного газа и образование плазмы вследствие ионизации пучком приводит к нарушению работы ионной оптики, изменению фокусировки пучка и нарушению его транспортировки. Соответственно, сохранение высокого уровня вакуума благодаря дополнительным насосам обеспечивает не только подавление обратных связей в процессах, связанных с остаточным газом в ускорительном канале, но и стабильную работу ионной оптики при транспортировке пучка. Помимо газоотделения из элементов конструкции, облучаемых вторичными частицами, существенными источниками газа в ускорителе являются устройства, в которых газ может использоваться в качестве рабочей среды: источник ускоряемых частиц и обдирочная мишень, используемая в том случае, если в ускорителе используется принцип тандемного ускорения - с изменением знака или величины заряда ускоряемых частиц. Эти устройства целесообразно реализовывать в виде отдельных секций и ограничивать распространение рабочего газа за пределы секции. В частности, при откачивании газа, выделяемого ионным источником в объем ускорителя, целесообразно его повторное использование, что может быть обеспечено при помощи турбомолекулярного насоса, выход которого соединен с системой подачи газа в ионный источник.The installation between the acceleration sections of additional vacuum pumps allows you to control the vacuum conditions along the entire path of the beam. Maintaining a stable and high level of vacuum is especially important in areas of inhomogeneous electric - at the input and output of each acceleration section. An increase in the concentration of residual gas in these regions and the formation of plasma due to ionization by the beam leads to disruption of ion optics, a change in the focusing of the beam, and disruption of its transportation. Accordingly, maintaining a high level of vacuum due to additional pumps provides not only suppression of feedback in the processes associated with the residual gas in the accelerator channel, but also the stable operation of ion optics during beam transport. In addition to gas separation from structural elements irradiated with secondary particles, significant sources of gas in the accelerator are devices in which gas can be used as a working medium: a source of accelerated particles and a stripping target, used if the accelerator uses the tandem acceleration principle - with a change sign or magnitude of the charge of accelerated particles. It is advisable to implement these devices in the form of separate sections and limit the distribution of the working gas outside the section. In particular, when pumping gas emitted by an ion source into the volume of the accelerator, it is advisable to reuse it, which can be achieved using a turbomolecular pump, the outlet of which is connected to the gas supply system to the ion source.
В качестве системы высоковольтного питания электростатического ускорителя тяжелых частиц, построенного по предложенной схеме, привлекательно использование системы питания электронных ускорителей ЭЛВ [Салимов Р.А. "Мощные ускорители электронов для промышленного применения" УФН 170 197-201 (2000). DOI: 10.3367/UFNr.0170.200002h.0197] благодаря простой возможности организовать питание магнитов и вакуумных насосов, используемых в структуре тракта пучка. Тем не менее такая же схема построения ускорителя может быть реализована на базе системы питания ускорителя Динамитрон [Marshall R. Cleland. Industrial applications of electron accelerators, http://cds.cern.ch/record/1005393/files/p383.pdf DOI: 10.5170/CERN-2006-012.383], каскадных выпрямителей на основе твердотельных преобразователей напряжения, высоковольтных генераторов с преобразованием энергии сжатого газа или механической энергии в электромагнитную и других схем, позволяющих обеспечить необходимое высоковольтное питание. Наилучшим решением для надежной работы ускорителя является независимое высоковольтное питание ускорительных секций, это означает, что высоковольтный генератор также целесообразно выполнить в виде отдельных секций.As a high-voltage power supply system for an electrostatic heavy particle accelerator, constructed according to the proposed scheme, it is attractive to use a power supply system for electron accelerators ELV [Salimov R.A. "Powerful electron accelerators for industrial applications" UFN 170 197-201 (2000). DOI: 10.3367 / UFNr.0170.200002h.0197] due to the simple ability to organize the power of magnets and vacuum pumps used in the structure of the beam path. Nevertheless, the same accelerator construction scheme can be implemented on the basis of the Dynamitron accelerator power system [Marshall R. Cleland. Industrial applications of electron accelerators, http://cds.cern.ch/record/1005393/files/p383.pdf DOI: 10.5170 / CERN-2006-012.383], cascade rectifiers based on solid-state voltage converters, high-voltage generators with compressed energy conversion gas or mechanical energy into electromagnetic and other circuits, allowing to provide the necessary high-voltage power. The best solution for reliable operation of the accelerator is an independent high-voltage power supply of the accelerating sections, which means that it is also advisable to execute the high-voltage generator in separate sections.
Предложенная конструкция проиллюстрирована на Фиг. 1 (ускоритель прямого действия) и Фиг. 2 (тандемный ускоритель). Номерами на рисунках обозначены: 1 - корпус ускорителя, обычно заполняемый электроизоляционным газом (элегазом); 2 - высоковольтный электрод с источником ускоряемых частиц внутри; 3 - секции ускорения, включающие элементы генерации высоковольтного питания и трубку электростатического ускорения, аналогичные используемым, например, в ускорителях ЭЛВ; 4 - пролетные секции, располагаемые между секциями ускорения и включающие в свой состав магнитные элементы, диафрагмы и дополнительные насосы; 5 - вводы питания, позволяющие осуществлять независимое питание каждой секции ускорения и пролетных секций; 6 - вакуумные насосы, обеспечивающие первичный вакуум в ускорителе; 7 - выход ускоряемого пучка; 8 - источник газа для работы источника ускоряемых частиц; 9 - насос для откачки газа, выбрасываемого в объем ускорителя источником ускоряемых частиц, который можно использовать как для поглощения, так и рекуперации газа ионного источника; 10 - источник ускоряемых частиц; 11 - магнитные элементы для формирования первичного пучка ускоряемых частиц; 12, 14 - дополнительные насосы для обеспечения высокого вакуума в секциях ускорения; 13 - магнитные элементы, формирующие сильное магнитное поле для сепарации вторичных частиц (электронов и ионов); 15 - диафрагмы, принимающие потоки вторичных частиц, с апертурой, позволяющей прохождение ускоряемого пучка; 16 - высоковольтный электрод с обдирочной мишенью внутри; 17 - обдирочная мишень.The proposed construction is illustrated in FIG. 1 (direct action accelerator) and FIG. 2 (tandem accelerator). The numbers in the figures denote: 1 - the accelerator case, usually filled with insulating gas (SF6); 2 - high-voltage electrode with a source of accelerated particles inside; 3 - acceleration sections, including high-voltage power generation elements and an electrostatic acceleration tube, similar to those used, for example, in ELV accelerators; 4 - span sections located between the acceleration sections and including magnetic elements, diaphragms and additional pumps; 5 - power inputs, allowing independent power supply to each acceleration section and span sections; 6 - vacuum pumps providing primary vacuum in the accelerator; 7 - output accelerated beam; 8 - gas source for the operation of the source of accelerated particles; 9 is a pump for pumping gas emitted into the accelerator volume by a source of accelerated particles, which can be used both for absorption and recovery of gas from an ion source; 10 - source of accelerated particles; 11 - magnetic elements for the formation of a primary beam of accelerated particles; 12, 14 - additional pumps to ensure high vacuum in the acceleration sections; 13 - magnetic elements forming a strong magnetic field for the separation of secondary particles (electrons and ions); 15 - diaphragms receiving streams of secondary particles, with an aperture that allows the passage of the accelerated beam; 16 - high-voltage electrode with a peeling target inside; 17 - peeling target.
Рассматриваемый подход может быть применен для конструирования электростатического ускорителя тяжелых частиц по тандемной схеме, в которой вход и выход ускорителя оказываются заземлены, высоковольтный электрод (в данном случае - пролетная секция) находится в центре ускорителя и содержит обдирочную мишень, которая для мощных пучков может быть газовой. Благодаря использованию дополнительных насосов откачка газа обдирочной мишени возможна сразу же, в пределах высоковольтной секции, что также позволяет не допустить распространение вторичных процессов, связанных с остаточным газом, за пределы одной секции ускорителя.The considered approach can be applied to construct an electrostatic accelerator of heavy particles according to a tandem scheme in which the input and output of the accelerator are grounded, the high-voltage electrode (in this case, the span section) is located in the center of the accelerator and contains a stripping target, which can be a gas target for powerful beams . Thanks to the use of additional pumps, gas stripping of the stripping target is possible immediately, within the high-voltage section, which also allows to prevent the spread of secondary processes associated with the residual gas, beyond the limits of one section of the accelerator.
Применение названных технических решений позволяет подавить действие процессов, специфических для ускорителей тяжелых частиц, и позволяет рассчитывать на получение пучков протонов, ионов или ядер атомов с теми же параметрами тока и энергии, которые в настоящее время доступны для электростатических ускорителей электронов - десятки и сотни миллиампер при энергии на уровне нескольких МэВ.The use of these technical solutions allows one to suppress the action of processes specific for heavy particle accelerators, and allows one to count on the production of proton beams, ions or atomic nuclei with the same current and energy parameters that are currently available for electrostatic electron accelerators - tens and hundreds of milliamps at energy at the level of several MeV.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017109765A RU2660146C1 (en) | 2017-03-23 | 2017-03-23 | Heavy particles high-power high-energy beam electrostatic accelerator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017109765A RU2660146C1 (en) | 2017-03-23 | 2017-03-23 | Heavy particles high-power high-energy beam electrostatic accelerator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2660146C1 true RU2660146C1 (en) | 2018-07-05 |
Family
ID=62815633
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017109765A RU2660146C1 (en) | 2017-03-23 | 2017-03-23 | Heavy particles high-power high-energy beam electrostatic accelerator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2660146C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7498588B1 (en) * | 2008-05-07 | 2009-03-03 | International Business Machines Corporation | Tandem accelerator having low-energy static voltage injection and method of operation thereof |
| US20120256564A1 (en) * | 2011-02-08 | 2012-10-11 | Dirk Jozef Willem Mous | High current single-ended dc accelerator |
| US20130169194A1 (en) * | 2011-12-29 | 2013-07-04 | General Electric Company | Cyclotron actuator using a shape memory alloy |
| RU2610148C1 (en) * | 2016-01-18 | 2017-02-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) | Vaccum-insulated tandem accelerator |
-
2017
- 2017-03-23 RU RU2017109765A patent/RU2660146C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7498588B1 (en) * | 2008-05-07 | 2009-03-03 | International Business Machines Corporation | Tandem accelerator having low-energy static voltage injection and method of operation thereof |
| US20120256564A1 (en) * | 2011-02-08 | 2012-10-11 | Dirk Jozef Willem Mous | High current single-ended dc accelerator |
| US20130169194A1 (en) * | 2011-12-29 | 2013-07-04 | General Electric Company | Cyclotron actuator using a shape memory alloy |
| RU2610148C1 (en) * | 2016-01-18 | 2017-02-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) | Vaccum-insulated tandem accelerator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2329692B1 (en) | High-current dc proton accelerator | |
| Dudnikov | Development and applications of negative ion sources | |
| US9084336B2 (en) | High current single-ended DC accelerator | |
| US3713967A (en) | Energetic neutral particle injection system for controlled fusion reactor | |
| Chauvin | Space-charge effect | |
| Wang et al. | Mechanism of electron cloud clearing in the accumulator ring of the Spallation Neutron Source | |
| Pamela | The physics of production, acceleration and neutralization of large negative ion beams | |
| RU2660146C1 (en) | Heavy particles high-power high-energy beam electrostatic accelerator | |
| Dudnikov et al. | Ultracold muonium negative ion production | |
| Shikhovtsev et al. | A 10 mA, steady-state, charge exchange negative ion beam source | |
| Alton et al. | A high brightness plasma sputter heavy negative ion source | |
| Larson et al. | Operation of a prototype intermediate-energy electron cooler | |
| Reijonen et al. | Compact neutron source development at LBNL | |
| Scrivens | Requirements for ion sources | |
| Ostroumov et al. | Accelerator Physics Advances at FRIB | |
| Dudnikov et al. | Methods of Negative Ion Production | |
| Stratakis | Emittance preservation during bunch compression with a magnetized beam | |
| Spädtke | Beam formation and transport | |
| Okumura et al. | Development of a high brightness ion source for the proton linear accelerator (BTA) at JAERI | |
| Goncharov et al. | Present status of the positive space charge lense for focusing intense negative charged particle beams | |
| Cleland et al. | A New High‐Current Proton Accelerator | |
| Pozdeyev et al. | Progress report on the small isochronous ring project at NSCL | |
| Raparia et al. | Mechanism of Electron Cloud Clearing with Electrodes | |
| Becker et al. | Acceleration of Heavy Ions generated by ECR and EBIS | |
| Burrill | Recent advances in dc methods of particle acceleration |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210324 |