Результат интеллектуальной деятельности: Газовая обдирочная мишень

Изобретение относится к ядерной физике и технике ускорителей и может быть применено в тандемных ускорителях заряженных частиц, а также в устройствах 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 нейтронозахватной терапии рака, в системах безопасности для обнаружения взрывчатых и наркотических веществ.

Концепция перезарядного ускорителя заряженных частиц (тандема) была предложена в середине XX века. Она позволила снизить требуемое напряжение высоковольтного генератора и тем самым уменьшить размер ускорителя, используя обдирку (перезарядку) - изменение знака заряда частиц в процессе ускорения. В процессе обдирки отрицательный ион при взаимодействии со специальной мишенью превращается в положительный, что позволяет использовать дважды одно и то же ускоряющее напряжение, т.е. увеличить в два раза конечную энергию однозарядных частиц и в несколько раз - многозарядных.

Мишень для обдирки представляет собой заполненную газом трубку, струю пара или пленку твердого вещества.

Наибольшее коммерческое распространение получили ускорители-тандемы в комплексах ускорительной масс-спектрометрии (AMS) и ионной имплантации с характерным током пучка менее 1 мА (миллиампер). Обычно в тандемных ускорителях применяют газовую обдирочную (перезарядную) мишень, выполненную в виде трубки с напуском газа посередине. Такая перезарядная газовая мишень описана в авторском свидетельстве СССР №387541 от 21.06.1973. В патентах №№US 5247263 от 21.09.1993, US 5293134 от 08.03.1994, JP 10223399 от 21.08.1998, KR 100166220 от 22.09.1998, US 6903336 от 07.06.2005, US 20060011866 от 19.01.2006, US 20130112869 от 09.05.2013 приводятся описания подобных газовых обдирочных мишеней как составных частей тандемных ускорителей заряженных частиц.

Для нейтронозахватной терапии рака требуется ток пучка ионов более 5 мА.

Ранее было предложено для этих целей использовать ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией электродов [B. Bayanov et al. Accelerator based neutron source for the neutron-capture and fast neutron therapy at hospital. Nuclear Instr. and Methods in Physics Research A 413/2-3 (1998) 397-426]. Также принцип вакуумной изоляции реализован в конструкции, защищенной патентом US 5293134 от 08.03.1994.

В таком ускорителе отсутствуют ускорительные трубки. Распределение потенциалов задается вложенными электродами, образующими многослойную конструкцию, закрепленную на единственном секционированном проходном изоляторе. Изолятор находится вне прямой видимости из области прохождения пучка. Такая конструкция компактна и более надежна относительно высоковольтных пробоев.

При токе пучка более 5 мА пленка твердого вещества, применяемая в качестве обдирочной мишени, быстро разрушится. Оптимальным вариантом для обдирки сильноточного пучка заряженных частиц является газовая мишень. Поскольку с увеличением тока пучка необходимо увеличивать диаметр заполненной газом обдирочной трубки, через которую проходит пучок, то поток вытекающего из трубки газа существенно вырастает.

Газ, попадающий в ускорительный тракт, уменьшает высоковольтную прочность и надежность ускорителя. Кроме этого, он может приводить к преждевременной обдирке отрицательных ионов, и часть ионов на выходе ускорителя будет иметь энергию ниже необходимой.

Для уменьшения потока газа в ускорительные тракты применяют откачку турбомолекулярным или сорбционным насосом, который располагают рядом с обдирочной трубкой. Подобные конструкции газовых обдирочных мишеней описаны в патентах US №6069459 от 30.05.2000 и РФ №2360315 от 28.05.2007. Однако эти конструкции не позволяют решить проблему, связанную с ионизацией газа обдирочной мишени пучком ионов высокой энергии. Часть положительно заряженных ионов обдирочного газа, образующихся внутри обдирочной трубки в результате ионизации обдирочного газа ионным пучком, проникает в ускорительный тракт с обеих сторон от обдирочной мишени и ускоряется электрическим полем, вплоть до полного потенциала высоковольтного электрода. Формирование пучка ускоренных ионов обдирочного газа приводит к следующим проблемам. Во-первых, часть мощности высоковольтного источника питания расходуется на ускорение этого пучка. Во-вторых, неравномерное попадание ускоренного пучка ионов обдирочного газа на промежуточные электроды ускорительного тракта ведет к перераспределению их потенциалов и к изменению условий ускорения и фокусировки инжектируемого пучка заряженных частиц. В-третьих, попадание ускоренного пучка обдирочного газа на электроды может приводить к их расплавлению и деформации.

Отмеченные проблемы решает конструкция газовой мишени, описанная в патенте РФ №2558384 от 03.07.2015, за счет размещения магнитов, создающих магнитное поле, поперечное направлению распространения ионов, в пространстве между обдирочной трубкой и диафрагмами высоковольтного электрода, а обдирочная трубка наклонена на небольшой угол. Поперечное магнитное поле величиной порядка 1 кГс отклоняет поток положительно заряженных ионов обдирочного газа с тем, чтобы исключить их прохождение через диафрагму высоковольтного электрода. Также поперечное магнитное поле отклоняет на небольшой угол ионный пучок, что требует наклона обдирочной мишени на этот угол относительно оси ускорительного тракта.

Конструкция газовой обдирочной мишени, описанная в патенте РФ №2558384 от 03.07.2015, выбрана в качестве прототипа.

Недостатком конструкции прототипа является то, что размещение магнитов в пространстве между обдирочной мишенью и диафрагмами высоковольтного электрода ведет к увеличению диаметра высоковольтного электрода и промежуточных электродов и, как следствие, к увеличению запасенной энергии в ускорительных зазорах. Увеличение запасенной энергии в ускорительных зазорах негативно сказывается на их высоковольтной прочности и увеличивает вероятность пробоев ускорителя по полному напряжению.

Недостатком прототипа является то, что с его применением можно получать протонный пучок со строго определенной энергией. Поскольку при изменении энергии ионов изменяется их угол вылета, из магнита необходимо будет изменять угол наклона газовой обдирочной мишени.

Изобретение направлено на создание устройства, не только обеспечивающего обдирку пучка отрицательных ионов с током более 5 мА и исключающего формирование ускоренного пучка ионов обдирочного газа, но и обеспечивающего сохранность высоковольтной прочности ускорительных зазоров и возможность изменения энергии пучка заряженных частиц без изменения угла наклона газовой обдирочной мишени.

Для решения поставленной задачи в известном устройстве, содержащем обдирочную трубку, систему подвода газа, газовый источник, магниты, расположенные перед входом в мишень и после выхода из нее и создающие поперечное магнитное поле, предлагается магниты выполнить в виде альфа-магнитов, осуществляющих поворот ионного пучка на угол 270°, при этом газовая обдирочная мишень размещена перпендикулярно относительно оси ускорительного тракта пучка отрицательных ионов.

Особенность альфа-магнита, достаточно редко используемого в ускорительной технике, преимущественно в ускорителях электронов [Б.С. Ишханов, В.И. Шведунов. Ускорители электронов и физика электромагнитных взаимодействий в НИИЯФ МГУ. Препринт НИИЯФ МГУ, - 2008, - 5/841], состоит в том, что в альфа-магните инжектируемый ионный пучок поворачивается на угол 270° так, что при изменении энергии ионов не происходит изменение угла их вылета - происходит их параллельное смещение. Автором впервые установлено, что применение альфа-магнита позволит исключить недостаток прототипа и получать протонный пучок разной энергии без изменения угла наклона газовой обдирочной мишени.

Сущность изобретения иллюстрируется Фиг. 1. На схеме показаны:

1 - входная диафрагма высоковольтного электрода;

2 - высоковольтный электрод;

3 - входной альфа-магнит;

4 - ось ускорительного тракта пучка отрицательных ионов;

5 - трубка газовой обдирочной мишени;

6 - выходная диафрагма высоковольтного электрода;

7 - секционированный проходной изолятор;

8 - выходной альфа-магнит;

9 - система подвода газа.

На Фиг. 1 также схематически показаны направление распространения пучка ионов высокой энергии (отрицательных ионов водорода Н^- и протонов Р) и направление магнитного поля (В). На Фиг. 1 не показан газовый источник - он располагается в высоковольтном терминале источника высокого напряжения.

Устройство работает следующим образом. Созданный источником отрицательных ионов (не показан) пучок заряженных частиц ускоряется первой ступенью ускорителя-тандема вдоль оси ускорительного тракта 4. Через входную диафрагму высоковольтного электрода 1 пучок отрицательных ионов высокой энергии попадает внутрь высоковольтного электрода 2, где благодаря входному альфа-магниту 3 поворачивается на угол 270°, обдирается в трубке газовой обдирочной мишени 5 и превращается в пучок положительных ионов высокой энергии. Выходящий из газовой обдирочной трубки пучок положительных ионов высокой энергии выходным альфа-магнитом 8 поворачивается вновь на угол 270° и через выходную диафрагму высоковольтного электрода 6 выходит из высоковольтного электрода 2, после чего ускоряется второй ступенью ускорителя-тандема. Подача газа в трубку газовой обдирочной мишени осуществляется от баллона с газом (не показан) посредством системы подвода газа 9.

Распространение пучка заряженных частиц высокой энергии через газ обдирочной мишени приводит к частичной ионизации газа и образованию положительных ионов с низкой энергией. Выходящие из трубки газовой обдирочной мишени 5 положительные ионы обдирочного газа отклоняются в магнитном поле альфа-магнитов и нейтрализуются при взаимодействии со стенкой поглотителя (не показан).

Применение альфа-магнитов позволяет обеспечить следующие технические результаты, недостижимые в прототипе:

1. Получать протонный пучок с разной энергией без изменения положения газовой обдирочной мишени или ее наклона. Такой технический результат обусловлен тем, что пучок заряженных частиц после прохождения альфа-магнита становится повернутым на угол 270° относительно первоначального направления движения независимо от энергии заряженных частиц.

2. Улучшить высоковольтную прочность ускорительных зазоров и сделать работу ускорителя более надежной. Улучшение высоковольтной прочности ускорительных зазоров достигается за счет уменьшения потока газа из обдирочной мишени в ускорительные зазоры и за счет уменьшения запасенной энергии в ускорительных зазорах. Первое достигается тем, что вдоль направления вытекания газа из газовой обдирочной мишени (вдоль оси газовой обдирочной мишени) в альфа-магните нет конструкционных материалов и газ беспрепятственно вытекает из обдирочной мишени в направлении, перпендикулярном оси ускорительных трактов. Вытекающий из обдирочной трубки газ и ультрафиолетовое излучение направляется не в ускорительный канал, а перпендикулярно, причем в одном из направлений напрямую в криогенный насос через жалюзи промежуточных электродов ускорителя. Второе достигается тем, что вертикальное расположение газовой обдирочной мишени внутри высоковольтного электрода позволяет уменьшить диаметр высоковольтного электрода с имеющихся 60 см до 20-30 см и уменьшить диаметры всех остальных промежуточных электродов. Уменьшение площади электродов влечет за собой уменьшение запасенной энергии в зазорах, что положительно влияет на их высоковольтную прочность и делает работу ускорителя более надежной.

3. Уменьшить диаметр вакуумного бака ускорителя. За счет вертикального расположения газовой обдирочной мишени внутри высоковольтного электрода и уменьшения диаметра всех электродов ускоритель может быть сделан более компактным, что немаловажно для его применения в условиях онкологических клиник с целью проведения бор-нейтронозахватной терапии злокачественных опухолей.