EA 025967B1 20170228

	Патентная документация ЕАПВ
Запрос:	ea000025967b*\id
Результат:	ID\|Номер и дата охранного документа

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

[RU]

1. Ускоритель заряженных частиц, включающий источник генерации заряженных частиц для испускания заряженной частицы; ускоряющий электрод-трубку, через который проходит заряженная частица, излученная источником генерации заряженных частиц и который предназначен для ускорения проходящей заряженной частицы; цепь возбуждения для приложения напряжения для ускорения заряженной частицы в ускоряющем электроде-трубке; блок управления для регулирования цепи возбуждения так, чтобы приложение напряжения на ускоряющий электрод-трубку начиналось во время перемещения заряженной частицы через ускоряющий электрод-трубку; и амперметр для измерения ускоряющего тока, который генерируется в ускоряющем электроде-трубке, когда заряженная частица проходит через ускоряющий электрод-трубку, в котором блок управления выполнен с возможностью определения момента времени начала приложения напряжения к ускоряющему электроду-трубке на основе результатов измерения ускоряющего тока амперметром.

2. Ускоритель заряженных частиц по п.1, который содержит множество ускоряющих электродов-трубок, множество ускоряющих электродов-трубок размещены в линию, и заряженная частица, излученная источником генерации заряженных частиц, проходит последовательно через множество ускоряющих электродов-трубок, и блок управления для регулирования цепи возбуждения так, чтобы приложение напряжения выполнялось на тот ускоряющий электрод-трубку, через который перемещается заряженная частица, таким путем напряжение прикладывается последовательно к множеству ускоряющих электродов-трубок.

3. Ускоритель заряженных частиц по п.1, далее включающий поворотный магнит для изменения направления перемещения заряженной частицы, прошедшей через ускоряющий электрод-трубку.

4. Ускоритель заряженных частиц по п.3, в котором поворотный магнит изменяет направление перемещения заряженной частицы, прошедшей через ускоряющий электрод-трубку, чтобы вызвать повторное прохождение заряженной частицы через тот же ускоряющий электрод-трубку, и блок управления регулирует цепь возбуждения так, чтобы приложение напряжения на ускоряющий электрод-трубку началось во время перемещения заряженной частицы через ускоряющий электрод-трубку, таким путем напряжение прикладывается на один и тот же ускоряющий электрод-трубку многократно.

5. Ускоритель заряженных частиц по п.3, далее включающий настроечный блок для корректировки направления движения заряженных частиц с направлением, которое пересекается с направлением движения.

6. Ускоритель заряженных частиц по п.1, в котором цепь возбуждения выполнена с возможностью изменения значения напряжения, приложенного к ускоряющему электроду-трубке.

7. Ускоритель заряженных частиц по п.1, далее включающий детектор для обнаружения перемещения заряженной частицы, ускоренной ускоряющим электродом-трубкой по предопределенной траектории, в котором блок управления выполнен с возможностью отключения цепи возбуждения, когда измерительным устройством обнаружено, что заряженная частица не перемещается по предопределенной траектории.

8. Способ ускорения заряженных частиц, включающий стадию излучения заряженной частицы источником генерации заряженных частиц, чтобы заставить заряженную частицу пройти через множество ускоряющих электродов-трубок последовательно; и стадию начала приложения напряжения для ускорения заряженной частицы в любой ускоряющий электрод-трубке, через который заряженная частица перемещается, таким путем напряжение прикладывают к множеству ускоряющих электродов-трубок последовательно; измерение амперметром ускоряющего тока, который генерируется в ускоряющем электроде-трубке, когда заряженная частица проходит через ускоряющий электрод-трубку, в котором момент времени начала приложения напряжения к ускоряющему электроду-трубке определяют на основе результатов измерения ускоряющего тока амперметром.

Полный текст патента

(57) Реферат / Формула:

Евразийское 025967 (13) B1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2017.02.28
(21) Номер заявки 201201376
(22) Дата подачи заявки 2011.04.25
(51) Int. Cl.
H05H15/00 (2006.01) H05H 9/00 (2006.01) H05H13/00 (2006.01)
(54)
УСКОРИТЕЛЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
(31) 2010-101291
(32) 2010.04.26
(33) JP
(43) 2013.04.30
(86) PCT/JP2011/060044
(87) WO 2011/136168 2011.11.03
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
КУАН ДЖАПАН КО., ЛТД. (JP)
(72) Изобретатель:
Кокубо Юджи, Уэно Масатоши, Мукай Масуми, Матсунага Масахико
(JP)
(74) Представитель:
Тагбергенова М.М., Тагбергенова А.Т. (KZ)
(56) JP-A-2006032282 JP-A-2001110600 JP-A-2007265966 JP-A-2005209424
Область техники изобретения
Настоящее изобретение относится к ускорителю заряженных частиц, который ускоряет заряженные частицы, и к способу ускорения заряженных частиц. В частности, настоящее изобретение относится к линейному ускорителю и циклическому ускорителю, которые генерируют ускоряющие электрические поля посредством комбинации высоковольтного генератора и блока управления, и к способу ускорения заряженных частиц, выполняемому при помощи этих ускорителей заряженных частиц.
Уровень техники изобретения
На фиг. 23А и 23В изображена конструкция обычного ускорителя заряженных частиц, описанного в патентной заявке JP 2006-32282A. Этот ускоритель заряженных частиц представляет собой циклотрон, который является типичным примером ускорителя заряженных частиц с траекторией, напоминающей раскручивающуюся спираль. На фиг. 23А и 23В 70 означает магнит, 71 и 72 означают ускоряющие электроды и 73 означает радиочастотный источник питания, который подает ускоряющее радиочастотное напряжение на ускоряющие электроды 71 и 72. Кроме того, 74 означает заряженную частицу, которая ускоряется ускоряющими электродами 71 и 72.
В циклотроне период Тр кругового вращения заряженной частицы 74 удовлетворяет соотношению Тр = 2лт/еВ, где п означает отношение окружности круга к ее диаметру, m означает массу заряженной частицы 74, е означает электрический заряд заряженной частицы 74 и В означает магнитную индукцию на траектории частицы, определенной магнитом 70. Поэтому при условии, что ш/еВ является постоянным, период вращения заряженной частицы 74 по окружности является постоянным независимо от радиуса вращения. Например, когда период Trf ускоряющей радиочастоты радиочастотного источника питания 73 удовлетворяет соотношению Trf = Tp/2, заряженная частица 74 постоянно ускоряется в электродном зазоре между ускоряющими электродами 71 и 72 и поэтому может быть ускорена до высоких энергий.
Когда скорость заряженной частицы 74 приближается к скорости света, значение массы ш заряженной частицы 74 увеличивается вследствие релятивистских эффектов. В результате в циклотроне, изображенном на фиг. 23А и 23В, не могут быть обеспечены изохронные свойства, когда ускоряющая энергия заряженной частицы 74 увеличивается до степени, при которой ее скорость приближается к скорости света, что делает невозможным дальнейшее ускорение. В качестве контрмер вышеупомянутой проблемы предлагается, например, изменить магнитную индукцию или период ускоряющей радиочастоты в соответствии с увеличением ускоряющей энергии.
Сущность изобретения
Проблема, решаемая изобретением.
Вышеупомянутый обычный ускоритель заряженных частиц с траекторией, напоминающей раскручивающуюся спираль, проблематичен в том, что выигрыш в энергии не может быть увеличен из-за потери изохронных свойств в релятивистском энергетическом диапазоне, и это требует функцию изменения ускоряющего радиочастотного напряжения или распределения магнитного поля для корректировки потерь изохронных свойств, что приводит к увеличению числа компонентов устройства и стоимости.
Настоящее изобретение было разработано для решения вышеупомянутых проблем, присущих обычным ускорителям, и главными объектами изобретения являются ускоритель заряженных частиц и способ ускорения заряженных частиц, которые дешевле и дают более высокий выигрыш в энергии по сравнению с известными устройствами.
Средства для решения проблемы.
Для цели решения вышеупомянутых проблем одним аспектом настоящего изобретения является ускоритель заряженных частиц, включающий источник генерации заряженных частиц для испускания заряженных частиц; ускоряющий электрод-трубку, через которую проходят заряженные частицы, излученные источником генерации заряженных частиц, и который предназначается для ускорения проходящих заряженных частиц; цепь возбуждения для приложения напряжения для ускорения заряженных частиц в ускоряющем электроде-трубке; и блок управления для регулирования цепи возбуждения так, чтобы приложение напряжения на ускоряющий электрод-трубку начиналось, в то время как заряженная частица проходит через ускоряющий электрод-трубку.
В отношении вышеупомянутого аспекта предпочтительно, чтобы ускоряющих электродов-трубок было множество; множество ускоряющих электродов-трубок размещалось в линию; заряженные частицы, излученные источником генерации заряженных частиц, проходили последовательно через множество ускоряющих электродов-трубок; и блок управления регулировал цепь возбуждения так, чтобы приложение напряжения начиналось на тот ускоряющий электрод-трубку, через который проходят заряженные частицы; и таким образом приложение напряжения на множество ускоряющих электродов-трубок производилось последовательно.
Кроме того, в отношении вышеупомянутого аспекта предпочтительно, что ускоритель заряженных частиц далее включает поворотный магнит для изменения направления движения заряженных частиц, которые прошли через ускоряющий электрод-трубку.
Кроме того, в отношении вышеупомянутого аспекта предпочтительно, что поворотный магнит изменяет направление движения заряженных частиц, которые прошли через ускоряющий электрод-трубку
так, чтобы заставить заряженные частицы пройти снова через этот же ускоряющий электрод-трубку, и блок управления регулирует цепь возбуждения так, чтобы приложение напряжения на ускоряющий электрод-трубку начиналось, в то время как заряженные частицы проходят через ускоряющий электрод-трубку, таким образом приложение напряжения на тот же ускоряющий электрод-трубку производится многократно.
Кроме того, в отношении вышеупомянутого аспекта предпочтительно, что ускоритель заряженных частиц далее включает настроечный блок для корректировки направления движения заряженных частиц с направлением, которое пересекается с направлением движения.
Кроме того, в отношении вышеупомянутого аспекта предпочтительно, что ускоритель заряженных частиц далее включает амперметр для измерения ускоряющего тока, который генерируется в ускоряющем электроде-трубке, когда заряженные частицы проходят через ускоряющий электрод-трубку, и блок управления устанавливает по времени момент начала приложения напряжения к ускоряющему электроду-трубке на основе результатов измерения ускоряющего тока амперметром.
Кроме того, в отношении вышеупомянутого аспекта предпочтительно, что цепь возбуждения может изменять значение напряжения, прилагаемого к ускоряющему электроду-трубке.
Кроме того, в отношении вышеупомянутого аспекта предпочтительно, что ускоритель заряженных частиц далее включает детектор для обнаружения перемещения заряженных частиц, ускоренных ускоряющим электродом-трубкой, по предопределенной траектории, и блок управления останавливает цепь возбуждения, когда детектор обнаруживает, что заряженные частицы не перемещаются по предопределенной траектории.
Другим аспектом настоящего изобретения является способ ускорения заряженных частиц, включающий стадию излучения заряженных частиц источником генерации заряженных частиц, чтобы заставить заряженные частицы пройти через множество ускоряющих электродов-трубок последовательно; и стадию начала приложения напряжения для ускорения заряженных частиц на тот ускоряющий электрод-трубку, через который проходят заряженные частицы, таким образом производится последовательное приложение напряжения на множество ускоряющих электродов-трубок.
Технические результаты изобретения.
Ускоритель заряженных частиц и способ ускорения заряженных частиц, имеющие отношение к настоящему изобретению, являются менее дорогостоящими и дают более высокий выигрыш в энергии по сравнению с известными.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 показывает конфигурацию линейного ускорителя заряженных частиц согласно варианту 1.
Фиг. 2 представляет собой временную диаграмму, показывающую согласование операций во времени блоком управления согласно варианту 1.
Фиг. 3 показывает конфигурацию другого линейного ускорителя заряженных частиц.
Фиг. 4А является видом сверху, демонстрирующим конфигурацию ускорителя заряженных частиц с траекторией, напоминающей раскручивающуюся спираль, согласно варианту 2.
Фиг. 4В является видом сбоку, демонстрирующим конфигурацию ускорителя заряженных частиц с траекторией, напоминающей раскручивающуюся спираль, согласно варианту 2.
Фиг. 5А является видом сверху, демонстрирующим конфигурацию ускорителя заряженных частиц, согласно варианту 2.
Фиг. 5В является видом спереди, демонстрирующим конфигурацию ускорителя заряженных частиц, согласно варианту 2.
Фиг. 5С является видом сбоку, демонстрирующим конфигурацию ускорителя заряженных частиц, согласно варианту 2.
Фиг. 6А является видом сверху, демонстрирующим конфигурацию настроечного блока, согласно варианту 2.
Фиг. 6В является видом спереди, демонстрирующим конфигурацию настроечного блока, согласно варианту 2.
Фиг. 6С является видом сбоку, демонстрирующим конфигурацию настроечного блока, согласно варианту 2.
Фиг. 7А является видом сверху, демонстрирующим конфигурацию детектора, согласно варианту 2. Фиг. 7В является видом спереди, демонстрирующим конфигурацию детектора, согласно варианту 2. Фиг. 7С является видом сбоку, демонстрирующим конфигурацию детектора, согласно варианту 2. Фиг. 8А является видом сверху, демонстрирующим конфигурацию секции ускорения с нечетным номером.
Фиг. 8В является видом спереди, демонстрирующим конфигурацию секции ускорения с нечетным номером.
Фиг. 8С является видом сбоку, демонстрирующим конфигурацию секции ускорения с нечетным номером.
Фиг. 9А является видом сверху, демонстрирующим конфигурацию секции ускорения с четным номером.
Фиг. 9В является видом спереди, демонстрирующим конфигурацию секции ускорения с четным номером.
Фиг. 9С является видом сбоку, демонстрирующим конфигурацию секции ускорения с четным номером.
Фиг. 10А является видом сверху, демонстрирующим конфигурацию стороны испускания секции ускорения.
Фиг. 10В является видом спереди, демонстрирующим конфигурацию стороны испускания секции ускорения.
Фиг. 10С является видом сбоку, демонстрирующим конфигурацию стороны испускания секции ускорения.
Фиг. 10D является видом в разрезе секции ускорения, показанной на фиг. 10А. Фиг. 10Е является видом в разрезе секции ускорения, показанной на фиг. 10А. Фиг. 10F является видом в разрезе секции ускорения, показанной на фиг. 10А.
Фиг. 11А является видом сверху, демонстрирующим конфигурацию стороны инжекции секции ускорения с нечетным номером.
Фиг. 11В является видом спереди, демонстрирующим конфигурацию стороны инжекции секции ускорения с нечетным номером.
Фиг. 11С является видом сбоку, демонстрирующим конфигурацию стороны инжекции секции ускорения с нечетным номером.
Фиг. 11D является видом в разрезе секции ускорения с нечетным номером, показанной на фиг. 11А.
Фиг. 11Е является видом в разрезе секции ускорения с нечетным номером, показанной на фиг. 11А.
Фиг. 12А является видом сверху, демонстрирующим конфигурацию стороны инжекции секции ускорения с четным номером.
Фиг. 12В является видом спереди, демонстрирующим конфигурацию стороны инжекции секции ускорения с четным номером.
Фиг. 12С является видом сбоку, демонстрирующим конфигурацию стороны инжекции секции ускорения с четным номером.
Фиг. 12D является видом в разрезе секции ускорения с четным номером, показанной на фиг. 12А.
Фиг. 12Е является видом в разрезе секции ускорения с четным номером, показанной на фиг. 12А.
Фиг. 13А является видом сверху, демонстрирующим конфигурацию секции регулировки.
Фиг. 13В является видом спереди, демонстрирующим конфигурацию секции регулировки.
Фиг. 13С является видом сбоку, демонстрирующим конфигурацию секции регулировки.
Фиг. 13D является видом в разрезе секции регулировки, показанной на фиг. 13А.
Фиг. 13Е является видом в разрезе секции регулировки, показанной на фиг. 13А.
Фиг. 14А является видом сверху, демонстрирующим конфигурацию секции регистрации.
Фиг. 14В является видом спереди, демонстрирующим конфигурацию секции регистрации.
Фиг. 14С является видом сбоку, демонстрирующим конфигурацию секции регистрации.
Фиг. 15 является диаграммой для объяснения операции ускорения секции ускорения.
Фиг. 16 является диаграммой для объяснения перемещения между секциями ускорения (от секции ускорения с нечетным номером до секции ускорения с четным номером).
Фиг. 17 является диаграммой для объяснения перемещения между секциями ускорения (от секции ускорения с четным номером до секции ускорения с нечетным номером).
Фиг. 18 является диаграммой для объяснения траектории заряженной частицы, подвергнутой распределенному ускорению.
Фиг. 19 является диаграммой для объяснения работы секции регулировки.
Фиг. 20 является диаграммой для объяснения работы секции регистрации.
Фиг. 21 показывает конфигурацию системы измерения заряженной частицы согласно варианту 3.
Фиг. 22 показывает конфигурацию другой системы измерения заряженной частицы.
Фиг. 23А показывает конфигурацию обычного ускорителя заряженных частиц с траекторией, напоминающей раскручивающуюся спираль.
Фиг. 23В является видом в разрезе ускорителя заряженных частиц с траекторией, напоминающей раскручивающуюся спираль, показанного на фиг. 23А.
Описание вариантов
Далее приводится описание вариантов настоящего изобретения со ссылками на чертежи и таблицы. Вариант 1.
На фиг. 1 изображена конфигурация линейного ускорителя заряженных частиц согласно варианту 1 настоящего изобретения. На фиг. 1 1 означает источник ионов, 2 означает заряженную частицу, излученную источником ионов, и LA#1-LA#28 означают 28 ускоряющих электродов-трубок для ускорения заряженной частицы 2. Они размещены в линию с холостым электродом-трубкой 7 в конце. Кроме того, 3 означает источник постоянного тока на 20 кВ, и его выход соединен с терминалами I девяти цепей переключения S#1-S#9 через амперметр 4. Аналогично 5 означает источник постоянного тока на 200 кВ, и его выход соединен с терминалами I девятнадцати цепей переключения S#10-S#28 через амперметр 6.
Кроме того, 8 означает блок управления, который соединен с выходами амперметров 4 и 6. О Терминалы цепей переключения S#1-S#28 соединены с ускоряющими электродами-трубками LA#1-LA#28. Выход блока управления 8 соединен с цепями переключения S#1-S#28 и возможно с переключателем между цепями переключения по инструкциям от блока управления 8.
Далее приводится описание операций линейного ускорителя заряженных частиц, скомпонованного, как описано выше. Следующее ниже описание представляет пример осуществления изобретения, в котором ускоряется ион шестивалентного углерода. Источник постоянного тока 3 на 20 кВ постоянно прикладывает напряжение 20 кВ к источнику ионов 1. Когда блока управления 8 выводит "1", цепи переключения S#1-S#28 соединяют терминалы О и терминалы I и выводят напряжение, равное напряжению, приложенному к терминалам I от терминалов О. С другой стороны, когда блок управления 8 выводит "0", выходы от терминалов О находятся при потенциале земли. В начальном состоянии, до ускорения, блок управления 8 выводит "1" только на цепь переключения S#1 и выводит "0" на оставшиеся цепи переключения S#1-S#28. Другими словами, в начальном состоянии только ускоряющий электрод-трубка LA#1 имеет электрический потенциал 20 кВ, а оставшиеся ускоряющие электроды-трубки LA#2-LA#28 все находятся при потенциале земли. Поэтому в начальном состоянии заряженная частица 2 не испускается, потому что источник ионов 1 и ускоряющий электрод-трубка LA#1 имеют одинаковый потенциал.
Чтобы выполнить операцию ускорения, блок управления 8 вначале выводит "0" на цепь переключения S#1 в течение предопределенного периода времени, чтобы поместить ускоряющий электрод-трубку LA#1 при потенциале земли. Когда ускоряющий электрод-трубка LA#1 устанавливается при потенциале земли, заряженная частица 2 (ион шестивалентного углерода) испускается из источника ионов 1. Источник ионов 1 регулируется так, чтобы ионный ток был равен 1 мА, и диаметр ионного пучка составлял 5 мм. Например, если ускоряющий электрод-трубка LA#1 будет пребывать при потенциале земли в течение 100 нс, то будет получен импульсный ионный пучок, включающий приблизительно 2,7х108 заряженных частиц 2 (ионы шестивалентного углерода). Для производства ионного пучка, включающего большее количество заряженных частиц 2, с целью увеличения количества излучения достаточно поместить ускоряющий электрод-трубку LA#1 при потенциале земли на период времени более 100 нс. Наоборот, чтобы уменьшить количество излучения на один импульсный ионный пучок, достаточно поместить ускоряющий электрод-трубку LA#1 при потенциале земли на период времени менее 100 нс. Поэтому линейный ускоритель заряженных частиц, показанный на фиг. 1, может произвольно программировать количество излучения на один импульсный ионный пучок.
Импульсный ионный пучок инжектируют в ускоряющий электрод-трубку LA#1, будучи ускоренным разностью потенциалов между источником ионов 1 и ускоряющим электродом-трубкой LA#1. Когда передний край импульсного ионного пучка в основном достигает центра ускоряющего электрода-трубки LA#1, блок управления 8 выводит "1" на цепь переключения S#1, переключая таким образом потенциал ускоряющего электрода-трубки LA#1 на 20 кВ. Когда импульсный ионный пучок испускается из ускоряющего электрода-трубки LA#1, он ускоряется во второй раз разностью потенциалов между ускоряющими электродами-трубками LA#1 и LA#2.
После того, когда передний край импульсного ионного пучка в основном достигает центра ускоряющего электрода-трубки LA#2, блок управления 8 переключает потенциал ускоряющего электрода-трубки LA#2 до 20 кВ. Когда импульсный ионный пучок испускается из ускоряющего электрода-трубки LA#2, он ускоряется снова, в этот раз разностью потенциалов между ускоряющими электродами-трубками LA#2 и LA#3. Блок управления 8 увеличивает ускоряющую энергию импульсного ионного пучка, а именно заряженной частицы 2, путем повторения вышеупомянутой последовательности управления операциями для приложения напряжения к ускоряющим электродам-трубкам LA#2-LA#28.
Скорость импульсного ионного пучка увеличивается каждый раз, когда импульсный ионный пучок проходит через ускоряющий электрод-трубку. Следовательно, принимая во внимание задержку ответа цепи переключения S#n чтобы достоверно переключить электрический потенциал, когда импульсный ионный пучок находится в основном в центре ускоряющего электрода-трубки LA#n, необходимо увеличить длину последующих ускоряющих электродов-трубок. В варианте 1 настоящего изобретения ускоряющие электроды-трубки имеют длину, указанную в табл. 1. Табл. 1 также содержит справочные значения энергии и ширины импульса импульсного ионного пучка, инжектированного в ускоряющие электроды-трубки. Импульсный ионный пучок ускоряется разностью потенциалов между ускоряющим электродом-трубкой LA#28 и холостым электродом-трубкой 7 в конце, с получением, таким образом, ускоряющей энергии, равной в общей сложности 2 MeV/u (МэВ). В случае, где требуется лучевая конвергенция, таком как ускорение большого потока импульсного ионного пучка, в ускоряющих электродах-трубках или на пути транспорта ионного пучка могут быть расположены четырехполюсные электростатические линзы или другие контуры конвергенции лучей. Определенные оптические конструкции, т.е. местоположения и свойства контуров конвергенции лучей, устанавливаются в зависимости от конкретного случая в соответствии с интенсивностью ионного пучка и необходимым диаметром луча.
Фиг. 2 показывает один пример временной диаграммы управления последовательностью операций, которое выполняется блоком управления 8, для ускорения заряженной частицы 2, испущенной источником ионов 1 до энергии 2 MeV/u. Временная диаграмма, показанная на фиг. 2, для случая, где блок управления 8 вначале излучает луч в течение 100 нс. Блок управления 8 включает/выключает цепи переключения S#1-S#28 в импульсном режиме путем выполнения рассчитанных по времени операций. В варианте 1 расстояние между любыми двумя соседними ускоряющими электродами-трубками составляет 5 см, при котором случаи t1-t27, показанные на фиг. 2, имеют значения, представленные в табл. 2. В примере фиг. 2 период времени, при котором S#2-S#28 находятся в режиме, задан как 1 мкс.
Период времени (наносекунды)
620
300
250
230
220
220
220
220
190
tlO
170
til
160
160
t13
160
tl4
160
tl5
160
tl6
160
tl7
160
(18
160
tl9
160
t20
160
160
160
t23
160
124
160
t25
160
t26
150
t27
150
Когда импульсный ионный пучок испускается одним ускоряющим электродом-трубкой и инжектируется в следующий ускоряющий электрод-трубку, он ускоряется разностью потенциалов между двумя ускоряющими электродами-трубками. В это время ускоряющий ток проходит через источник постоянного тока 3 на 20 кВ или источник постоянного тока 5 на 200 кВ. Амперметры 4 и 6 измеряют этот ускоряющий ток и предоставляют информацию блоку управления 8 об измеренном ускоряющем токе. На основе значения, измеренного амперметрами 4 и 6, блок управления 8 узнает время, когда импульсный ионный пучок ускорится, а именно время, когда импульсный ионный пучок пройдет между двумя ускоряющими электродами-трубками. По этим данным времени блок управления 8 вычисляет фактическую ускоряющую энергию импульсного ионного пучка, и когда имеется большое отклонение между рассчитанным значением и запланированным значением, он оценивает происходящую в устройстве аномальность и выполняет, например, предупреждение оператора о происходящем.
Значения периодов времени, представленных в табл. 2, были вычислены при предварительном условии, что источники постоянного тока 3 и 5 выводят полное номинальное напряжение. Если выход напряжения от источников постоянного тока 3 или 5 нарушается, например, если значение напряжения колеблется из-за внезапного изменения напряжения первичного источника питания и т.п., то значения периодов времени, представленных в табл. 2, необходимо скорректировать в зависимости от возникшей ситуации. Поэтому блок управления 8 выполняет обработку данных для корректировки времени начала приложения напряжения к ускоряющим электродам-трубкам на основе значений, измеренных амперметрами 4 и 6.
Далее более подробно описывается обработка данных для корректировки времени для приложения напряжения к ускоряющему электроду-трубке LA#n (n = 2, 3, 28). Предполагается, что ионный пучок находится в предыдущей ускоряющем электроде-трубке LA#n-1 и проходит к следующей ускоряющему электроду-трубке LA#n со скоростью vn-1. В это время ускоряющее напряжение прикладывается к LA#n-1. Также предполагается, что, когда ионный пучок проходит через зазор между LA#n-1 и LA#n, он уско
ряется разностью потенциалов между двумя ускоряющими электродами-трубками, и когда он достигает LA#n, его скорость становится равной vn. Во время операции ускорения ускоряющий ток проходит через источник постоянного тока. Поскольку зазор между ускоряющими электродами-трубками может быть приближен к однородному электрическому полю, период времени Tai(n-1), при котором ускоряющий ток проходит через LA#n-l, может быть получен по выражению 1
[Выражение 1]
в котором d означает длину зазора между ускоряющими электродами-трубками, и Wib означает длину импульса ионного пучка. Поскольку vn является известной величиной, скорость vn ускоренного ионного пучка может быть получена из выражения 1 посредством измерения Tai(n-1).
В настоящем варианте поскольку напряжение 20 кВ получают из источника ионов 1, ионный пучок ускоряется до 1,39х106 м/с, когда он достигает LA#1. Кроме того, поскольку период времени, в течение которого испускается ионный пучок, равен 100 нс, ширина импульса ионного пучка составляет 0,139 м. Поэтому v1 " 1,39х 106 м/с, wib ~ v1x 109 нс = 0,139 м, и межэлектродный зазор d равен 5 см, т.е. d = 0,05 м. Значение Tai(1) может быть получено измерением ускоряющего тока LA#1, и v2, а именно скорость ионного пучка в LA#2, может быть вычислена из соотношения выражения 1. Поскольку значение длины ускоряющего электрода-трубки LA#2 известно, время, когда ионный пучок находится в центральной части LA#2, а именно лучшее время выхода "1" на цепь переключения S#2, может быть получен из значения v2.
В то время как устройство выполняет обычные действия, ионный пучок подвергают ускорению в 20 кВ в зазоре между LA#1 и LA#2 и поэтому v2 " 1,96х 106 м/с. В этом случае лучшее значение для t1, показанного на фиг. 2, равно 620 нс, как представлено в табл. 2.
Когда наблюдается отклонение от расчетной величины во время операции ускорения из-за помех, таких как колебания напряжения источника питания, значение v2, вычисленное из измеренного значения Tai(1), отклоняется от 1,96х106 м/с. В этом случае, блок управления 8 сбрасывает t1, основанный на v2, вычисленном из измеренного значения, и продолжает контроль за временем, используя сброшенный t1. Блок управления 8 корректирует и оптимизирует время для приложения напряжения к каждой ускоряющему электроду-трубке, используя вышеупомянутую рекурсивную процедуру.
Измеряя ускоряющий ток, проходящий через ускоряющий электрод-трубку описанным выше способом, можно более точно контролировать время приложения ускоряющего напряжения к следующему ускоряющему электроду-трубке и обнаружить возникновение любого сбоя устройства, когда поток ускоряющего тока не может быть подтвержден в пределах предопределенного периода времени. Кроме того, поскольку время переноса ускоренной заряженной частицы может быть измерено на основе ускоряющего тока, проходящего через ускоряющий электрод-трубку, можно выполнить регулирование функции времени, которое не подвержено помехам, таким как колебания напряжения источника питания и, таким образом, получить высококачественный ускоритель.
Несмотря на то, что на фиг. 1 в качестве источника постоянного тока используется источник питания с установленным напряжением, вместо него может быть использован источник переменного напряжения. На фиг. 3 изображен этот вариант. На фиг. 3 источник постоянного тока 5 на 200 кВ, изображенный на фиг. 1, заменен источником переменного напряжения 15, который может увеличить и уменьшить свое напряжение под контролем блока управления 8. В примере, показанном на фиг. 3, ускоряющее напряжение может быть выбрано из различных значений напряжения и поэтому может быть получен линейный ускоритель, способный программировать любую ускоряющую энергию на один импульсный ионный пучок. Кроме того, при отклонении фактической ускоряющей энергии импульсного ионного пучка, измеренного амперметром 6, от запланированного значения, может быть выполнена операция регулирования с целью увеличения или уменьшения наблюдаемого ускоряющего напряжения для возврата его к запланированному значению. Таким образом, наделением блока управления функцией увеличения и уменьшения ускоряющего напряжения может быть произвольно изменена ускоряющая энергия заряженной частицы. Блок управления, который может увеличить и уменьшить ускоряющее напряжение, позволяет получить очень гибкий ускоритель, который может программировать любую энергию ускорения.
Как сформулировано выше, в настоящем варианте, когда заряженная частица, испущенная источником ионов или источником электронов, инжектируется в первый ускоряющий электрод-трубку, блок управления прикладывает ускоряющее напряжение на ускоряющий электрод-трубку в то время, когда заряженная частица полностью вошла в ускоряющий электрод-трубку. Поскольку следующий ускоряющий электрод-трубка удерживается сначала при нулевом потенциале (0 В), заряженная частица, выпущенная первым ускоряющим электродом-трубкой, ускоряется разностью потенциалов между первой и второй ускоряющими электродами-трубками. После этого, блок управления прикладывает ускоряющее напряжение на вторую ускоряющий электрод-трубку в то время, когда заряженная частица вошла во вторую ускоряющий электрод-трубку. Повторением указанных операций управления с выдержкой вре
мени на n ускоряющих электродах-трубках, расположенных в линию, ускоряющая энергия заряженной частицы может быть увеличена. Электрический потенциал любого ускоряющего электрода-трубки, который находится после первого ускоряющего электрода-трубки, сбрасывается на "0" после того, как заряженная частица вошла в следующий ускоряющий электрод-трубку. На основе вышеупомянутой конфигурации, могут быть генерированы ускоряющие электрические поля через распределенный контроль за напряжением, прилагаемым к каждому ускоряющему электроду-трубке. Таким образом отпадает необходимость в радиочастотном источнике питания, который традиционно требовался для известных ускорителей, и может быть получен недорогой и очень надежный ускоритель согласно изобретению. Вариант 2.
Фиг. 4А и 4В являются, соответственно, видом сверху и видом сбоку, демонстрирующими конфигурацию ускорителя заряженных частиц с траекторией, напоминающей раскручивающуюся спираль, относящегося к варианту 2 настоящего изобретения. На фиг. 4А 40 означает заряженную частицу, 41 означает ускоряющее устройство, 42 означает настроечный блок, 43 означает детектор и 44 и 45 означают поворотные магниты.
Детали конфигураций ускоряющего устройства 41, настроечного блока 42 и детектора 43, изображенных на фиг. 4А, показаны на фиг. 5А-5С, фиг. 6А-6С и фиг. 7А-7С соответственно. Ускоряющее устройство 41 состоит из компоновки модулей, называемых секциями ускорения, где каждый модуль имеет ширину 60 мм, высоту 30 мм и глубину 30000 мм (30 м). Аналогично настроечный блок 42 состоит из компоновки модулей, называемых секциями регулировки, где каждый модуль имеет ширину 60 мм, высоту 30 мм и глубину 6050 мм. Детектор 43 состоит из компоновки модулей, называемых секциями регистрации, где каждый модуль имеет ширину 60 мм, высоту 30 мм и глубину 60 мм.
В рассматриваемом случае ускоряющее устройство 41 состоит из 157 секций ускорения. Аналогично настроечный блок 42 состоит из 157 секций регулировки, и детектор 43 состоит из 157 секций регистрации. Как показано на фиг. 5В, 157 секций ускорения АС#1-АС#157 располагаются в два (верхний и нижний) ряда. В частности, секции ускорения с нечетными номерами размещаются в нижнем ряду, тогда как секции ускорения с четными номерами размещаются в верхнем ряду. Фиг. 8А-8С показывают детали конфигурации секции ускорения с нечетным номером. В верхней части секции ускорения с нечетным номером выполнено сквозное отверстие. Как представлено в табл. 3-8, местоположение и размер сквозного отверстия различаются для каждого номера секции. Фиг. 9А-9С показывают детали конфигурации секции ускорения с четным номером. В нижней части секции ускорения с четным номером выполнено сквозное отверстие. Как представлено в табл. 3-8, местоположение и размер сквозного отверстия различаются для каждого номера секции.
Номер секции ускорения
Энергия (MeV/U)
Размер (мм)
Инжектирование
Испускание
LSREC
LSWIND
LSSEND
АС#1
2,00
2,40
196
69,2
215
АС#2
2,40
2,90
215
78,0
236
АС#3
2,90
3,50
236
87,6
259
АС#4
3,50
4,10
259
96,5
281
АС#5
4,10
4,80
281
106
304
АС#6
4,80
5,50
304
115
325
АС#7
5,50
6,30
325
124
347
АС#8
6,30
7,10
347
133
369
АС#9
7,10
7,90
369
141
389
АС#10
7,90
8,80
389
150
410
АС* 11
8,80
9,70
410
159
430
АС#12
9,70
10,7
430
168
452
АС#13
10,7
11,7
452
176
472
АС#14
11,7
12,8
472
185
494
АСМ5
12,8
13,9
494
193
514
AGH6
13,9
15,1
514
202
535
АС#17
15,1
16,3
535
211
556
АС#18
16,3
17,5
556
219
576
АС#19
17,5
18,8
576
227
596
АС#20
18,8
20,1
596
236
616
АС#21
20,1
21,4
616
244
635
АС#22
21,4
22,8
635
252
655
А <ЖЗ
22,8
24,3
655
260
676
АС#24
24,3
25,8
676
269
696
АС#25
25,8
27,3
696
277
715
АС#26
27,3
28,9
715
285
735
АС#27
28,9
30,5
735
293
755
АС#28
30,5
32,2
755
301
775
АС#29
32,2
33,9
775
310
794
АС#30
33,9
35,6
794
317
813
Номер секции ускорения
Энергия (MeV/U)
Размер (мм)
Инжектирование
Испускание
LSREC
LSWIND
LSSEND
АС#31
35,6
37,4
813
326
832
АС#32
37,4
39,2
832
333
852
АОЙЗ
39,2
41,1
852
341
871
АС#34
41,1
43,0
871
349
890
АС#35
43,0
44,9
890
357
909
АС"6
44,9
46,9
909
365
928
АС#37
46,9
48,9
928
373
946
АС#38
48,9
50,9
946
380
964
АС#39
50,9
52,9
964
388
982
АС#40
52,9
55,0
982
395
1000
АС#41
55,0
57,2
1000
403
1019
АС#42
57,2
59,4
1019
410
1037
АС#43
59,4
61,6
1037
418
1055
АС#44
61,6
63,8
1055
425
1072
АС#45
63,8
66,1
1072
432
1090
АС#46
66,1
68,4
1090
440
1107
АС#47
68,4
70,7
1107
447
1124
АС#48
70,7
73,0
1124
454
1141
АС#49
73,0
75,4
1141
461
1158
АС#50
75,4
77,8
1158
468
1175
АС#51
77,8
80,3
1175
475
1192
АС#52
80,3
82,8
1192
482
1209
АС#53
82,8
85,3
1209
489
1225
АС#54
85,3
87,9
1225
496
1242
АС#55
87,9
90,5
1242
502
1259
АС#56
90,5
93,1
1259
509
1275
АС#57
93,1
95,7
1275
516
1291
АС#58
95,7
98,4
1291
522
1307
АС#59
98,4
101
1307
529
1323
АС#60
101
104
1323
536
1339
Номер секции ускорения
Энергия (MeV/U)
Размер (мм)
Инжектирование
Испускание
LSREC
LSWIND
LSSEND
АС#61
104
107
1339
541
1354
АС#62
107
109
1354
548
1369
АСТ63
109
112
1369
555
1384
АС#64
112
115
1384
561
1399
АС#65
115
118
1399
567
1414
АС#66
118
120
1414
573
1429
АС#67
120
123
1429
579
1444
АС#68
123
126
1444
585
1458
АС#69
126
129
1458
591
1473
АС#70
129
132
1473
597
1487
АС#71
132
135
1487
603
1501
АС#72
135
138
1501
609
1515
АС#73
138
141
1515
614
1528
АС#74
141
144
1528
619
1541
АС#75
144
147
1541
625
1555
АС#76
147
150
1555
631
1568
АС#77
150
153
1568
636
1582
АС#78
153
156
1582
642
1595
АС#79
156
159
1595
647
1608
АС#80
159
162
1608
653
1621
АС#81
162
165
1621
658
1634
АС#82
165
168
1634
663
1647
АС#83
168
171
1647
669
1659
АС#84
171
174
1659
674
1671
АСТ85
174
178
1671
679
1684
АС#86
178
181
1684
684
1697
АС#87
181
184
1697
689
1709
АСШ
184
188
1709
694
1721
АС#89
188
191
1721
699
1733
АС#90
19)
194
1733
704
1745
Таблица 5
Номер секции ускорения
Энергия (MeV/U)
Размер (мм)
Инжектирование
Испускание
LSREC
LJWIND
LSSEND
АС#91
194
198
1745
709
1757
АС#92
198
201
1757
714
1769
АС#93
201
204
1769
719
1780
АС#94
204
207
1780
723
1791
АС#95
207
211
1791
728
1802
АС#96
211
214
1802
732
1813
АС#97
214
217
1813
737
1824
АС#98
217
221
1824
741
1835
АС#99
221
224
1835
746
1845
ACfflOO
224
227
1845
750
1855
АС#101
227
231
1855
754
1866
АС#102
231
234
1866
758
1876
АС#103
234
237
1876
763
1886
АС#104
237
241
1886
767
1897
АС#105
241
244
1897
771
1907
АС#106
244
248
1907
776
1917
АС#107
248
251
1917
780
1927
АС#108
251
255
1927
784
1937
АС#109
255
258
1937
788
1947
АС#110
258
262
1947
792
1956
ACJlll
262
265
1956
796
1966
АС#112
265
269
1966
800
1975
АС#113
269
272
1975
804
1984
АС#114
272
276
1984
807
1993
АС#115
276
279
1993
811
2002
АС#116
279
283
2002
815
2011
АС#117
283
286
2011
818
2020
АС#118
286
290
2020
822
2029
АС#119
290
293
2029
826
2037
АС#120
293
297
2037
829
2046
Номер секции ускорения
Энергия (MeV/U)
Размер (мм)
Инжектирование
Испускание
LSREC
LSWLND
LSSEND
АС#121
297
300
2046
832
2054
АСМ22
300
304
2054
836
2062
АС#123
304
307
2062
839
2071
АС#124
307
311
2071
843
2079
АС#125
311
314
2079
846
2087
АС#126
314
318
2087
849
2094
АС#127
318
321
2094
852
2102
АС#128
321
325
2102
856
2110
АС#129
325
328
2110
859
2117
АС#130
328
332
2117
862
2125
АС#131
332
336
2125
865
2133
АС#132
336
339
2133
868
2141
АС#133
339
343
2141
872
2149
АС#134
343
347
2149
875
2156
АС#135
347
351
2156
878
2163
АС#136
351
354
2163
881
2171
ACS137
354
358
2171
884
2178
АС#138
358
362
2178
887
2185
АС#139
362
365
2185
890
2192
АС#140
365
369
2192
893
2199
АС#141
369
373
2199
896
2206
АС#142
373
376
2206
898
2213
АС#143
376
380
2213
901
2220
АСМ44
380
384
2220
904
2227
АС#145
384
388
2227
907
2233
АСМ46
388
391
2233
909
2240
АС#147
391
395
2240
912
2246
АС#148
395
399
2246
915
2253
АС#149
399
402
2253
917
2259
АС#150
402
406
2259
920
2265
Таблица 7
Номер секции ускорения
Энергия (MeV/U)
Размер (мм)
Инжектирование
Испускание
LSREC
LSWIND
LSSEND
АС#151
406
410
2265
923
2271
АС#152
410
413
2271
925
2277
АС#153
413
417
2277
928
2283
АС#154
417
421
2283
930
2289
АС#155
421
425
2289
933
2295
ACS156
425
428
2295
935
2301
АС#157
428
431
2301
937
2307
Как показано на фиг. 10A-10F, ускоряющий электрод-трубка и холостой электрод-трубка встраиваются в каждую секцию ускорения. Размеры ускоряющего электрода-трубки и холостого электрода-трубки являются одинаковыми для всех секций ускорения. В частности, в каждой секции ускорения встроенный ускоряющий электрод-трубка имеет длину 23000 мм (23 м), встроенный холостой электрод-трубка имеет длину 200 мм, и межэлектродный зазор составляет 100 мм. Кроме того, как показано на фиг. 11А-11Е и фиг. 12А-12Е, четыре пластинчатых электрода, т.е. пластина передающего электрода U, пластина передающего электрода D, пластина принимающего электрода U и пластина принимающего электрода D, встраиваются в каждую секцию ускорения. Как представлено в табл. 3-8, размеры и местоположения четырех пластинчатых электродов различаются для каждого номера секции.
Настроечный блок 42 состоит из 157 секций регулировки TU#1-TU#157, и детектор 43 состоит из 157 секций регистрации DT#1-DT#157. Фиг. 13А-13Е показывают конфигурацию секции регулировки. Четыре пластинчатых электрода, т.е. пластина вертикально установленного электрода U, пластина вертикально установленного электрода D, пластина горизонтально установленного электрода L и пластина горизонтально установленного электрода R, встраиваются в каждую секцию регулировки. Во всех секциях регулировки эти четыре пластинчатых электрода (пластины вертикально установленных электродов U и D и пластины горизонтально установленных электродов L и R) имеют одинаковые размеры, и одни и те же пластинчатые электроды размещаются в одних и тех же местах. Фиг. 14А-14С показывают конфигурацию секции регистрации. Четыре датчика заряженных частиц, т.е. датчики U, D, L и R, встраиваются в каждую секцию регистрации. Во всех секциях регистрации эти четыре датчика (U, D, L и R) имеют одинаковый размер, и одни и те же датчики размещаются в одних и тех же местах.
Ниже следует описание работы ускорителя заряженных частиц с траекторией, напоминающей раскручивающуюся спираль, скомпонованного, как описано выше. Вариант 1 пояснен на примере, в котором ускоряется ион шестивалентного углерода. То есть далее описываются операции, на которых ион шестивалентного углерода инжектируют в качестве заряженной частицы 40 при энергии 2 MeV/u и ускоряют приблизительно до 430 MeV/u. Последующее описание приведено на основе предположения, что в качестве поворотных магнитов 44 и 45 используются постоянные магниты с силой магнитного поля 1,5 Тл. Как показано на фиг. 15, заряженная частица 40 ускоряется разностью потенциалов между ускоряющим электродом-трубкой и холостым электродом-трубкой, встроенными в секцию ускорения АС#ш. На фиг. 15 блок управления 46 постоянно выводит "0" на цепь переключения S#m, и поэтому ускоряющий электрод-трубка в секции ускорения АС#гп находится при потенциале земли. Когда инжектируют импульсный ионный пучок заряженной частицы 40, блок управления 46 выводит "1" на цепь переключения S#m во время, когда передний край импульсного ионного пучка в основном достигает центра ускоряющего электрода-трубки, таким образом помещая ускоряющий электрод-трубку при электрическом потенциале 200 кВ. Когда импульсный ионный пучок излучается ускоряющим электродом-трубкой, он ускоряется разностью потенциалов между ускоряющим электродом-трубкой и холостым электродом-трубкой. В то время, когда ускорение заканчивается, т.е. когда ионный пучок пройдет через холостой электрод, блок управления 46 выводит "0" на цепь переключения S#m, таким образом сбрасывая электрический потенциал ускоряющего электрода-трубки, чтобы переустановить потенциал на ноль. Амперметр 6 измеряет ускоряющий ток, генерируемый, когда ионный пучок ускорен, и предоставляет информацию блоку управления 46 об измеренном ускоряющем токе. Конфигурация блока управления 46 для проверки нормальности ускоряющей работы или корректировки времени для приложения ускоряющего напряжения является идентичной варианту 1 настоящего изобретения.
Импульсный ионный пучок, испущенный холостым электродом, проходит через поворотный магнит 44, секцию регулировки TU#m, секцию регистрации DT#m и поворотный магнит 45 и снова инжектируется в секцию ускорения АС#т, чтобы быть далее ускоренным вышеупомянутыми операциями. Повторением этих операций импульсный ионный пучок заряженной частицы 40 ускоряется многократно в одной и той же секции ускорения.
Как только ускоряющаяся энергия импульсного ионного пучка достигает предопределенной энергии через многократное ускорение в одной секции ускорения, блок управления 46 переносит импульсный ионный пучок из секции ускорения АС#х в секцию ускорения АС#х+1 при помощи передающих пластинчатых электродов и принимающих пластинчатых электродов секций ускорения. Во-первых, ниже приведено описание работы по переносу импульсного ионного пучка заряженной частицы 40 из секции
ускорения с нечетным номером в секцию ускорения с четным номером. На фиг. 16 представлена диаграмма для объяснения этой операции, где х является нечетным целым числом. В то время как блок управления 46 постоянно выводит "0" на цепь переключения S#x, все пластинчатые электроды находятся при потенциале земли, и импульсный ионный пучок заряженной частицы 40 проходит прямо. Для переноса импульсного ионного пучка блок управления 46 выводит "1" на цепь переключения S#x, таким образом помещая передающий пластинчатый электрод D и принимающий пластинчатый электрод U при электрическом потенциале 200 кВ. Импульсный ионный пучок перемещается в вертикальном направлении под действием электрического поля, генерируемого четырьмя пластинчатыми электродами, и переносится из секции ускорения АС#х в секцию ускорения АС#х+1 через получающие отверстия, выполненные в секциях ускорения. Блок управления 46 выводит "0" на цепь переключения S#x в то время, когда перенос закончен, таким образом сбрасывая электрический потенциал четырех пластинчатых электродов на "0". Дальнейшее ускорение заряженной частицы 40 продолжается в секции ускорения АС#х+1.
Далее приводится описание операций переноса импульсного ионного пучка из секции ускорения с четным номером в секцию ускорения с нечетным номером. Фиг. 17 представляет диаграмму для объяснения этой операции, у является четным целым числом. Когда блок управления 46 выводит " 1" на цепь переключения S#y, электрический потенциал передающего электрода U в секции ускорения S#y и принимающего электрода D в секции ускорения S#y+1 становится 200 кВ. В результате генерируется электрическое поле, из-за которого импульсный ионный пучок заряженной частицы 40 переносится из секции ускорения АС#у в секцию ускорения АС#у+1 через принимающие отверстия, выполненные в секциях ускорения. Блок управления 46 выводит "0" на цепь переключения S#y в то время, когда перенос закончен, таким образом сбрасывая электрический потенциал четырех пластинчатых электродов до "0". Дальнейшее ускорение заряженной частицы 40 продолжается в секции ускорения АС#у+1.
То есть в ускорителе заряженной частицы с траекторией, напоминающей раскручивающуюся спираль, изображенном на фиг. 4А и 4В, генерируется большая энергия ускорения компоновкой распределенных линейных ускорителей, называемых секциями ускорения. Блок управления 46 выполняет управление транспортными потоками так, чтобы только один импульсный ионный пучок присутствовал в каждой секции ускорения в любое время. Таким образом, даже если скорость заряженной частицы приближается к скорости света, управление разгоном может выполняться независимо для каждой секции ускорения с учетом увеличения массы, вызванного релятивистскими эффектами. Кроме того, поскольку луч аккумулируется в каждой секции ускорения, луч может поставляться непрерывно.
Фиг. 18 представляет диаграмму для объяснения распределенного ускорения секциями ускорения. На фиг. 18 заряженная частица (ион шестивалентного углерода) инжектируется в секцию ускорения АС#1 при ускоряющей энергии 2 MeV/u. Блок управления 46 ускоряет заряженную частицу посредством ускоряющего электрода-трубки в секции ускорения АС#1 четыре раза, и в результате заряженная частица ускоряется до 2,4 MeV/u. Как только заряженная частица ускорится до 2,4 MeV/u, блок управления 46 помещает передающий пластинчатый электрод D в секции ускорения АС#1 и принимающий пластинчатый электрод U в секции ускорения АС#2 при 200 кВ, таким образом перенося заряженную частицу в секцию ускорения АС#2. В секции ускорения АС#2 заряженная частица, инжектированная при 2,4 MeV/u, ускоряется через встроенную ускоряющий электрод-трубку пять раз, и в результате заряженная частица ускоряется до энергии 2,9 MeV/u. Как только заряженная частица ускорится до 2,9 MeV/u, блок управления 46 переносит заряженную частицу в секцию ускорения АС#3, чтобы далее ускорить заряженную частицу. Таким образом, поскольку ускоряющая энергия увеличивается, заряженная частица перемещается к последующим секциям ускорения. В последней секции ускорения АС#157 заряженная частица ускоряется до степени, при которой энергия инжекции равна 428 MeV/u и энергия эмиссии равна 432 MeV/u. Энергия инжекции и энергия эмиссии для всех секций ускорения АС#1-АС#157 представлены в табл. 3-8. То есть ускоритель частиц с траекторией, напоминающей раскручивающуюся спираль, показанный на фиг. 4А и 4В, может выдавать следующий выигрыш в энергии.
Радиус инжекции: 0,27 м.
Радиус эмиссии: 4,99 м.
Энергия инжекции: 2 MeV/u.
Энергия эмиссии: 432 MeV/u.
Далее приводится описание работы секций регулировки TU#1-TU#157 со ссылкой на фиг. 19. На фиг. 19 блок управления 46 прикладывает напряжение соответствующего значения на два пластинчатых электрода, встроенных в каждую секцию регулировки, а именно пластину вертикально установленного электрода U и пластину горизонтально установленного электрода R, посредством аналогового устройства вывода данных. Электрический потенциал вертикально установленного пластинчатого электрода D и горизонтально установленного пластинчатого электрода L фиксируется при потенциале земли. Благодаря электрическим полям, генерируемым вертикально установленными пластинчатыми электродами U и D и горизонтально установленными пластинчатыми электродами L и R, траектория, вдоль которой движется заряженная частица 40, корректируется в вертикальном (вверх и вниз) и горизонтальном (влево и вправо) направлениях. Например, эти электрические поля корректируют небольшие отклонения от траектории, вызванные едва различимыми отклонения между силами магнитного поля поворотных магнитов 44 и 45,
погрешностями техники и т.п. при вводе в эксплуатацию устройства значение аналогового выхода устанавливается по соответствующему значению для каждого уровня ускоряющей энергии заряженной частицы 40. Поэтому блок управления 46 выводит значение, установленное в соответствии с соответствующей энергией ускорения. С установкой секций регулировки TU#1-TU#157 в определенной степени могут быть уменьшены качественные ошибки в поворотных магнитах 44 и 45, и, следовательно, можно уменьшить стоимость магнитов, сократить период времени, требуемый для ввода в эксплуатацию, и т.п. Как сформулировано выше, когда траектория заряженной частицы отклоняется от принятой траектории из-за, например, погрешности техники ускоряющих электродов-трубок или поворотных магнитов; траектория заряженной частицы может быть скорректирована до первоначальной траектории электрическими полями, генерируемыми установочным напряжением, приложенным к корректирующим пластинчатым электродам. Кроме того, поскольку траектория ускоренной заряженной частицы может быть точно скорректирована, могут быть уменьшены производственные ошибки и ошибки монтажа, и, следовательно, можно получить ускоритель, который облегчает операции по вводу установки в эксплуатацию.
Далее описывается работа секций регистрации со ссылкой на фиг. 20. Фиг. 20 представляет диаграмму для объяснения примера, в котором используются сцинтилляторы для детекторов заряженных частиц, установленных в секциях регулировки TU#1-TU#157. После того как заряженная частица 40 испускается из секции регулировки TU#m, она вводится в секцию регистрации DT#m. В это время, если заряженная частица 40 движется вдоль корректной траектории, заряженная частица 40 пройдет через секцию регистрации DT#m и инжектируется в поворотный магнит 45, без инжектирования в четыре детектора в секции регистрации DT#m, т.е. детекторы U, D, L и R. Блок управления 46 контролирует испускание света сцинтилляторами при помощи оптического/электрического конвертера 47, и если он подтвердит испускание света сцинтилляторами, а именно инжекцию заряженной частицы 40 в детекторы, он незамедлительно предупреждает оператора о произошедшем действии и останавливает операцию ускорения, чтобы гарантировать безопасность устройства. Таким образом установкой детекторов заряженных частиц в зонах, где ускоренная заряженная частица не должна проходить, когда устройство работает в обычном режиме, можно однозначно установить, выполняется или нет операция ускорения в обычном режиме. Таким образом, поскольку можно сразу же обнаружить отклонение траектории ускоренной заряженной частицы от предопределенной траектории и остановить операцию ускорения, ускоритель получается безопасным.
Как описано выше, в настоящем варианте ускоряющие электроды-трубки соединены в контур через поворотные магниты, т.е. нет необходимости в размещении ускоряющих электродов-трубок в линию, и следовательно, может быть уменьшена полная длина ускорителя. Кроме того, путем выбора поворотных магнитов соответствующей формы и силы магнитного поля можно создать траекторию, по которой заряженная частица, ускоренная ускоряющими электродами-трубками, возвращается к одному и тому же ускоряющему электроду-трубке. Следовательно, заряженная частица может быть ускорена многократно одним ускоряющим электродом-трубкой. Поскольку заряженная частица может быть таким образом ускорена многократно одним ускоряющим электродом-трубкой с использованием поворотных магнитов, можно достичь высокого выхода энергии. Кроме того, в случае использования постоянных магнитов в качестве поворотных магнитов, можно получить ускоритель, который во время работы потребляет мало энергии.
Вариант 3.
Фиг. 21 представляет диаграмму, показывающую конфигурацию устройства регистрации заряженных частиц, относящегося к варианту 3 настоящего изобретения. На фиг. 21 40 означает заряженную частицу, 50 означает регистрирующий электрод-трубку #1, 51 означает регистрирующий электрод-трубку #2, 52 означает регистрирующий электрод-трубку #3, 54 означает источник постоянного тока на 1 кВ, и 55 означает амперметр. Для ускорения заряженной частицы (ион шестивалентного углерода) при помощи ускорителя частиц с траекторией, напоминающей раскручивающуюся спираль, изображенного на фиг. 4А и 4В, необходимо ускорить заряженную частицу до 2 MeV/u в предварительном ускорителе. В примере, показанном на фиг. 21, заряженная частица, которая ускорена до 2 MeV/u, инжектируется в первую секцию ускорения АС#1 ускорителя частиц с траекторией, напоминающей раскручивающуюся спираль, через транспортный путь 56.
Ниже описана работа устройства регистрации заряженной частицы, скомпонованного, как описано выше. К трем регистрирующим электродам-трубкам, помещенным с тыльной стороны транспортного пути 56, прикладывается фиксированное напряжение. В частности, нулевой потенциал прикладывается к регистрирующим электродам-трубкам #1 и #3, тогда как электрический потенциал 1 кВ прикладывается к регистрирующему электроду-трубке #2. Заряженная частица 40 проходит через эти регистрирующие электроды-трубки до введения в секцию ускорения АС#1 по транспортному пути 56. В это время заряженная частица 40 замедляется разностью потенциалов между регистрирующими электродами-трубками #1 и #2 и затем вновь ускоряется разностью потенциалов между регистрирующими электродами-трубками #2 и #3. Поскольку значения энергии замедления и энергии ускорения являются в основном одинаковыми, ускоряющая энергия заряженной частицы 40 существенно не изменяется при прохождении заряженной частицы 40 через эти регистрирующие электроды-трубки.
Когда заряженная частица 40 замедляется в зазоре между регистрирующими электродами-трубками #1 и #2, через источник 54 постоянного тока на 1 кВ проходит отрицательный ускоряющий электрический ток. С другой стороны, когда заряженная частица 40 ускоряется в зазоре между регистрирующими электродами-трубками #2 и #3, через источник 54 постоянного тока на 1 кВ проходит положительный ускоряющий электрический ток. Амперметр 55 измеряет эти положительный и отрицательный токи ускорения и представляет информацию блоку управления 46 об измеренных токах ускорения. Блок управления 46 может получить местоположение, скорость и общее количество заряда заряженной частицы 40 на основе значений, измеренных амперметром 55. На основе этих данных блок управления 46 может вычислить время, соответствующее приложению ускоряющего напряжения (200 кВ) к ускоряющему электроду-трубке, встроенной в первую секцию ускорения АС#1.
Когда в качестве предварительного ускорителя используется линейный ускоритель заряженных частиц, изображенный на фиг. 1, регистрирующие электроды-трубки не нужны. Как показано на фиг. 22, при условии, что длина транспортного пути 66 определена, время, соответствующее приложению ускоряющего напряжения к ускоряющему электроду-трубке, встроенной в секцию ускоренияАС#1, может быть вычислено на основе данных по расчету времени для приложения ускоряющего напряжения к ускоряющему электроду-трубке LA#28 и, следовательно, может быть плавно продолжено ускорение без необходимости использования регистрирующего электрода-трубки.
Другие варианты.
Вышеупомянутый вариант 2 описывает конфигурацию для изменения направления, по которому перемещается заряженная частица при использовании поворотных магнитов, чтобы заставить заряженную частицу пройти через один и тот же ускоряющий электрод-трубку многократно. Однако настоящее изобретение не ограничивается этим вариантом.
Альтернативно, может быть использована конфигурация, при которой множество ускоряющих электродов-трубок не размещается в линию с поворотными магнитами, находящимися между соседними ускоряющими электродами-трубками. При этой конфигурации направление, в котором движется заряженная частица, может быть изменено поворотными магнитами так, чтобы заряженная частица прошла через ускоряющие электроды-трубки, размещенные последовательно нелинейно. Этот тип ускорителя заряженных частиц может быть короче и меньше по сравнению с линейным ускорителем. Обычный ускоритель заряженных частиц генерирует ускоряющее напряжение посредством радиочастотного источника питания и поэтому не может быть уменьшен в размерах, поскольку размер зазора между ускоряющими электродами-трубками всегда должен быть постоянным. Вышеупомянутый небольшой по размерам ускоритель заряженных частиц выгоден еще и тем, он может быть установлен в месте с ограниченным пространством, таком как судно.
Промышленная применимость
Ускоритель заряженных частиц, относящийся к настоящему изобретению, может быть использован в виде линейного ускорителя и ускорителя с траекторией, напоминающей раскручивающуюся спираль, и способ ускорения заряженных частиц, относящийся к настоящему изобретению, пригоден в качестве способа ускорения заряженных частиц, в котором используются эти ускорители заряженных частиц.
Описание ссылочных обозначений.
1 - Источник ионов,
2 - заряженная частица,
3 - источник постоянного тока на 20 кВ,
4 - амперметр,
5 - источник постоянного тока на 200 кВ,
6 - амперметр,
7 - холостой электрод-трубка,
8 - блок управления,
LA#1-LA#28 - ускоряющий электрод-трубка,
S#1-S#28 - цепь переключения,
15 - источник переменного напряжения,
40 - заряженная частица,
41 - устройство ускорения,
42 - настроечный блок,
43 - детектор,
44 - поворотный магнит,
45 - поворотный магнит,
46 - устройство регулировки,
47 - фотоэлектрический конвертер, АС#1-АС#157 - секция ускорения, TU#1-TU#157 - секция регулировки, DT#1-DT#157 - секция регистрации,
50 - регистрирующий электрод-трубка #1,
51 - регистрирующий электрод-трубка #2,
52 - регистрирующий электрод-трубка #3,
54 - источник постоянного тока на 1 кВ,
55 - амперметр,
56 - транспортный путь, 66 - транспортный путь.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Ускоритель заряженных частиц, включающий
источник генерации заряженных частиц для испускания заряженной частицы;
ускоряющий электрод-трубку, через который проходит заряженная частица, излученная источником генерации заряженных частиц и который предназначен для ускорения проходящей заряженной частицы;
цепь возбуждения для приложения напряжения для ускорения заряженной частицы в ускоряющем электроде-трубке;
блок управления для регулирования цепи возбуждения так, чтобы приложение напряжения на ускоряющий электрод-трубку начиналось во время перемещения заряженной частицы через ускоряющий электрод-трубку; и
амперметр для измерения ускоряющего тока, который генерируется в ускоряющем электроде-трубке, когда заряженная частица проходит через ускоряющий электрод-трубку, в котором блок управления выполнен с возможностью определения момента времени начала приложения напряжения к ускоряющему электроду-трубке на основе результатов измерения ускоряющего тока амперметром.
2. Ускоритель заряженных частиц по п.1, который содержит
множество ускоряющих электродов-трубок, множество ускоряющих электродов-трубок размещены в линию, и заряженная частица, излученная источником генерации заряженных частиц, проходит последовательно через множество ускоряющих электродов-трубок, и
блок управления для регулирования цепи возбуждения так, чтобы приложение напряжения выполнялось на тот ускоряющий электрод-трубку, через который перемещается заряженная частица, таким путем напряжение прикладывается последовательно к множеству ускоряющих электродов-трубок.
3. Ускоритель заряженных частиц по п.1, далее включающий поворотный магнит для изменения направления перемещения заряженной частицы, прошедшей через ускоряющий электрод-трубку.
4. Ускоритель заряженных частиц по п.3, в котором поворотный магнит изменяет направление перемещения заряженной частицы, прошедшей через ускоряющий электрод-трубку, чтобы вызвать повторное прохождение заряженной частицы через тот же ускоряющий электрод-трубку, и
блок управления регулирует цепь возбуждения так, чтобы приложение напряжения на ускоряющий электрод-трубку началось во время перемещения заряженной частицы через ускоряющий электрод-трубку, таким путем напряжение прикладывается на один и тот же ускоряющий электрод-трубку многократно.
5. Ускоритель заряженных частиц по п.3, далее включающий настроечный блок для корректировки направления движения заряженных частиц с направлением, которое пересекается с направлением движения.
6. Ускоритель заряженных частиц по п.1, в котором цепь возбуждения выполнена с возможностью изменения значения напряжения, приложенного к ускоряющему электроду-трубке.
7. Ускоритель заряженных частиц по п.1, далее включающий детектор для обнаружения перемещения заряженной частицы, ускоренной ускоряющим электродом-трубкой по предопределенной траектории, в котором блок управления выполнен с возможностью отключения цепи возбуждения, когда измерительным устройством обнаружено, что заряженная частица не перемещается по предопределенной траектории.
8. Способ ускорения заряженных частиц, включающий
стадию излучения заряженной частицы источником генерации заряженных частиц, чтобы заставить заряженную частицу пройти через множество ускоряющих электродов-трубок последовательно; и
стадию начала приложения напряжения для ускорения заряженной частицы в любой ускоряющий электрод-трубке, через который заряженная частица перемещается, таким путем напряжение прикладывают к множеству ускоряющих электродов-трубок последовательно;
измерение амперметром ускоряющего тока, который генерируется в ускоряющем электроде-трубке, когда заряженная частица проходит через ускоряющий электрод-трубку, в котором момент времени начала приложения напряжения к ускоряющему электроду-трубке определяют на основе результатов измерения ускоряющего тока амперметром.
Фиг. 6А
TWJ57 TU#155"
Фиг. 6В
4740
MM:
60мм ,
Фиг. 7А
Фиг. 8В
30 мм
Фиг. 10Е
Фиг. 10F
Фиг. 11В
60 мм
Фиг. 11Е
Фиг. 12В
60 мм
Фиг. 12D
60 мм
Фиг. 12Е
Фиг. 13В
60 мм
Фиг. 13Е
Фиг. 14С
Фиг. 15
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
025967
- 1 -
(19)
025967
- 1 -
(19)
025967
- 1 -
(19)
025967
- 1 -
(19)
025967
- 4 -
025967
Таблица 1
- 5 -
025967
Таблица 2
- 6 -
025967
- 7 -
025967
Таблица 3
- 9 -
025967
Таблица 4
- 10 -
025967
Таблица 6
- 11 -
025967
Таблица 8
- 12 -
025967
- 13 -
025967
- 17 -
025967
- 19 -
025967
- 20 -
025967
- 21 -
025967
- 25 -
025967
- 25 -
025967
- 26 -
025967
- 26 -