Электростатический ускоритель сильноточного высокоэнергетического пучка тяжёлых частиц

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.

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.

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.

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.

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.

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].

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].

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.