Ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Сущность изобретения иллюстрируется Фиг. 1.

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

1 - ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией;

2 - промежуточные электроды ускорителя;

3 - высоковольтный электрод ускорителя;

4 - газовая обдирочная мишень;

5 - вакуумная часть проходного изолятора;

6 - газовая часть проходного изолятора;

7 - секции секционированного выпрямителя;

8 - высоковольтный электрод секционированного выпрямителя;

9 - секционированный выпрямитель;

10 - коаксиальные трубы.

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