SU1466626A1 - Линейный ускоритель ионов - Google Patents

Abstract

Предлагаемое устройство относитс  к линейным ускорител м зар женных частиц и наиболее эффективно может быть использовано в качестве ускорител -группиро- вател  ионов. Цель - повышение эффективности группировки и ускорени . Ускоритель состоит из высокочастотной системы, содержащей два вибратора 1 и вакуумный корпус 2 с отверсти ми 5,6 дл  пролета пучка, и магнитного ондул тора, выполненного в виде последовательности двухполюсных магнитов 7. ВЧ-система помещена между полюсами магнитов так, что плоскость, где расположены вибраторы, совпадает с плоскостью антисимметрии по магнитному полю ондул тора.4 ил.

Description

Изобретение относитс  к области ускорительной техники, а точнее - к линейным ускорител м ионов, и может быть использовано в качестве ускорител -группировател  ионов.

Целью изобретени   вл етс  повышение эффективности группировки и ускорени .

.Нафиг.1 изображен вариант ускорител  с вибраторами Я /4 , где А - длина электромагнитной волны в высокочастотной системе; на фиг.2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг.З

- вариант ускорител  с вибраторами ; на

фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.З.

Линейный ускоритель ионов содер.жит источник ионов, высокочастотную систему, магнитный ондул тор и источник высокочастотной мощности. Высокочастотна  система выполнена в виде двух идентичных вибраторов 1, закрепленных в металлическом вакуумном корпусе 2. В ускорителе (см. фиг.3,4) концы вибраторов креп тс  (как вариант ) к боковой стенке корпуса 2 с помощью элементов 3. Высокочастотна  система подключена к источнику высокочастотной мощности с помощью элемента 4 св зи. В торцовых стенках корпуса 2 выполнены соосные отверсти : 5 - дл  инжекции частиц из источника ионов и 6 - дл  вывода ускоренных частиц. Ондул тор представл ет последовательно расположенные магниты 7 с чередующейс  ориентацией полюсов N и S. При этом высокочастотна  система расположена внутри ондул тора, а оси вибраторов и ось симметрии высокочастотной системы лежат в одной плоскости, котора  совпадает с плоскостью антисимметрии ондул тора по магнитному полю.

В качестве магнитов ондул тора могут быть использованы посто нные подковообразные магниты, С и Ш-образные электроО

о. о- ю

Os

магниты, не вноп олюсные магниты диполь- ного типа (в том числе и сверхпровод щие), а также гибридна  система, когда поле посто нного магнита дополн етс  и корректируетс  за счет электромагнитов, В по- следних трех случа х к ондул тору подвод т систему питани .

Ускоритель работает следующим образом .

Включают источник высокочастотной мощности и возбуждают высокочастотную систему на частоте, при которой на вибраторах 1 высокочастотное напр жение находитс  в противофазе. При этом напр женность поперечного электрического полюса оси высокочастотной системы мен етс  по следующему закону:

Е ЕЗ sin (+95о) cosWt,

где ЕВ - амплитуда электрического компонента волны;

Z- продольна  координата:

А-длина волны;

РО - фаза;

W - углова  частота.

Поперечное магнитное поле ондул тора на оси имеет следующий вид:

В Во cos 2  /,

где амплитуда Во и период До могут мен тьс  вдоль продольной координаты. Включают источник ионов и инжектируют ионы через отверстие 5 в высокочастотную систему , где под действием высокочастотного электрического пол  волны, и магнитного пол  ондул тора частицы совершают быст- рые поперечные колебани . Высокочастотное поле фокусирует частицы пучка в плоскости, где расположены вибраторы, и дефокусирует в перпендикул рном направ- лении. Однако, если величина амплитуды магнитного пол  ондул тора удовлетвор ет условию:

sin

2jtZ

(+i)Po)(),

(1)

где С - скорость света в вакууме, то существует равновесна  траектори  и пучок фокусируетс  в поперечной плоскости. При выбранной конфигурации полей и при условии , при котором продольна  скорость часV близка

тиц V олизка к величине поперечное магнитное поле ондул тора пеV5 C,

реводит энергию поперечных колебаний пучка в энергию продольного движени . Ускоренные частицы выпускают из высокочастотной системы через отверсти  6.

Прирост энергии на периоде ондул тора АО равен

А AW

Ду : Д.ф cos t/15 .

m

(2)

А Ев ч 9 . 2/2 Л2

гдеАзф(-)2з1п2(),

(2,3)

-VV(-t) .

10 15

20

25

30

5

« .g

0

5

Y средн   за период ондул тора величина приведенной энергии частиц пучка.

Таким образом, амплитуда эффективного ускор ющего пол  комбинационной волны Азф на основном участке ускорени 

() нарастает пропорционально

sin

2,2Я

(2Г ), что позвол ет при соответствующем выборе закона изменени  Ao(Z) обеспечить захвати ускорение болгьшей части частиц несгруппироваимого пучка. При использовании вибраторов Я/2 пучок может ускоритьс  и при Z А/4. Однако , при этом Аэф будет убывать, если рассто ние между вибраторами (электродами) не мен етс . А чтобы не произошло разгруп- пировки пучка, целесообразно длину электродов не делать больше L 3/8 А , выбрав соответствующим образом длину элементов креплени  3.

В качестве примера технической реализации рассмотрим ускорение протонного пучка с начальной энергией Win 50 кэ8. Будем рассматривать вариант ускорител , изображенного на фиг. 1,2. Пусть А 2 м. В качестве вибраторов, имеющих длину 0,5 м, возьмем цилиндрические медные электроды диаметром ,5 см, расположенные параллельно оси ВЧ-системы, Рассто ние между ос ми вибраторов посто нно и равно 3 см. Максимальный поперечный размер корпуса равен б см. При мощности ВЧ-гене- ратора р -400 кВт, максимальна  величина

мчК

электрического пол  на оси Ее 19--

М

Выбрав амплитуду и период пол  ондул тора в соответствии с формулой (1), получим одновременно и фокусировку и ускорение пучка.

Качественный анализ динамики хорошо согласуетс  с тем, что дают результаты численного моделировани , В рассматривавMOM случае из расчета динамики на ЭВМ получают следующие результаты: коэффициент захвата Кз -90%, прирост энергии на длине L 0,5 м - AW 0,5 мэВ. Фазовый размер пучка на выходе , максимальный размер апертуры канала 1,5 см.

Заметим, что зффект йиость гсуппи- ройкк и ус :орен ,  можг-ю еще оолзе увели ить, если использовать полуволновые ви..раторы, рас ::то ни8 S jexfly котсрым; на

чэcткe о

.. MeH i9TCR так,

ТСбь

оодспечить опт1/ :лзльный закон ..чек(лй

л

АЭФ(-;Темг: -скорени  можмо увеличить i/i зз С - ет увеличени  а плитуду ВЧ-пол , 3 предлагаемой конструкции предельна  ча- по  ленност .. псл  fyner большой, так как вблизи псЕгерхности проводников ве-стсрэ зг-ектрическ сго ЕЧ-пол  у, маг ктногс ПОЛР ондул тора ззаимоортогональны.

.- обра,пм. уже из приведенного примера зиднс. что з предлагаемом усксри- теле удаетс  при ;-1; з1сой знерг г1и инжекции получить Г) к единице коэсЬфициент заха-:л э частмц /ес руппировзнного пучка, ciracneui Tb хорошую группировку на выходе ускср /-ал  (ко ффициент группирозк / ip - 6) к .: , те;мп набора энергии 1 мэВ/м, Это намн1.:-о превышает результаты , которые мпх--:о г олучить э ускорителе- пэотоп Ше, где. к&;г г:оказыаают расчеты, дп::- по-.ученик такого же то;мп  набора энер- rwA Н8обхсдй1 i мощг.сгть- пит8Н.1  увели- более, ем на поо цка, поичем

G

5 0

коэффициенты захвата и группировка будут меньше, чем в предложенном ускорителе.

С другой стороны 8 рассматриваемом ускорителе по сравнению с лучшими аналогами в классе ионных ускорителей с низкой энергией инжекции и с большим коэффициентом усксрени  можно увели- чить ПОЧТ, ;s два ..аза, г поггречный размер Еусо очастотно -.истй-.ы сделать гораздо меньше .ергуре канзла. ..р.о- Г1е-сге.еотл;.1ч.,г;й ус; ор1 тел  с ПОКФ, где можно ускор ть -:с :пну толь,о при энерги х .к ен Ш: х -:.5 мз8, тгедлагаемоб устрой- ускор-re-f -.о Бол ет обзспечить эффех-:Ч ;Ену 0 гсунпиоозку м угь:оре ие пучка м npti больших непг;1 х.

кзобретеии  Л11|-;эйнь й уг:кор 1тэль ионое, содержа- сто пи.с ;:OHGH, ваггуумный корпус. Еы- сокэчастэтную ;л стему, узсположенную 2нутр1 1 .Ms.-HWTKoro ондул тора и подклю- . знную к сточнику еысок-0 астотной мош.- . о т л и ч а ю 1ц и и с fi тем, что, с целью позь;шени  эффекплвности группировки и ускоренк. , выс::кочастотна  система вы- ПОЛН8НЭ 3 вг де двух идентичных нибрзто- рев, закреплен .-;х з металлическом вакуумном корпусе, а ондул тор - в форме п о ел ед о г ате л ь н о расположенных магнитов с чередующ& с  ориентацией полюсов, при- 8М OCt ам&рЭТОрОЕ и ось Cl SMfviBTpMi ; ВЬ СОкочастстном системы лежчт г- одной ПЛОСКОСГ1 ;, когор;;л совпадает с плоскостью ант С м1- 1Этр : ждул тора по магнитному полю

EKJsa sssK ffi

-г-;, ,

/ -

i S SfsS S SSSSf

I V..

VV

.- -.-.-L. -- -- Ч .

ЧГ-l j f. J

. .

б б

.Л

fpus.

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Линейный ускоритель ионов, содержащий источник ионов, вакуумный корпус, высокочастотную систему, расположенную

   Таким образом, уже из приведенного примера видно, что в предлагаемом ускорителе удается при низкой энергии инжекции получить близкий к единице 'коэффициент захвата частиц нес··'руппированного пучка, обеспечить хорошую группировку на выходе ускорителя (коэффициент группировки К',р — 6) и высокий темп набора энергии ~1 мэВ/м. Это намного превышает результаты, которые можно получить в ускорителепрототипе, где. как показывают расчеты, для подучени.ч тэкого же темпа набора энергии необходим т мощность питания увеличить более, ’;ем на два порядка, причем внутри магнитного ондулятора и подключенную 'к источнику высокочастотной мощhoctz. отличающийся тем, что, с целью 5 повышения эффективности группировки и ускорения, высокочастотная система выполнена з виде двух идентичных вибраторов, закрепленных в металлическом вакуумном корпусе, а ондулятор - в форме 0 последовательно расположенных магнитов с чередующейся ориентацией полюсов, причем оси вибраторов и ось симметрии высоксчаототяой системы лежат а одной плоскости, каторап совпадает с плоскостью 5 антисимм.етр¹-';.·; ондулятора по магнитному полю

   W

   6’6

   ФигА

   ΊΓ ·