Описание установки линейный ускоритель ионов И-3
Линейный ускоритель ионов И-3 (рисунок 1) предназначен для использования в качестве инжектора ионного пучка в кольцевой ускоритель, а также может использоваться как самостоятельный ускоритель для исследовательских задач в области ядерной физики. Ускоритель И-3 представляет собой импульсный резонатор с одной пролетной трубкой и двумя ускоряющими зазорами, работающий на частоте 2,504 МГц при напряжении на каждом зазоре до 2 МВ, таким образом, ускоряемый пучок приобретает на выходе ускорителя энергию до 4·Z МэВ, где Z – зарядовое число ускоряемого иона. Резонансный контур ускоряющей структуры, представляющий из себя четвертьволновую линию, возбуждается импульсным двухкаскадным ВЧ-генератором, охваченным контуром обратной связи, стабилизирующим амплитуду ВЧ-напряжения на ускоряющих зазорах. Импульсный автогенератор малой мощности – порядка нескольких киловатт – служит для предварительного подвозбуждения резонатора и обеспечивает прохождение области низкой добротности при малых амплитудах ВЧ-напряжения (мультипактора) и выход в рабочую точку с большой крутизной. Анодное питание ВЧ-генератора осуществляется от линейного модулятора, задающего длительность импульса ВЧ-напряжения.
Рисунок 1 – Линейный ускоритель И-3
Структурная схема ускорителя ионов И-3 показана на рисунке 2, основные параметры ускорителя приведены в таблице 1. Ускоряемые ионы генерируются в мишенной камере лазерного ионного источника (ЛИИ) и поступают на вход ускоряющего резонатора через согласующий канал с тремя электростатическими линзами и группирователем, обеспечивающим формирование банчевой структуры пучка на частоте основного ускоряющего резонатора. Генератор ВЧ-группирователя управляется частотой резонансного контура ускоряющей структуры через фазовращатель, обеспечивающий регулирование фазы формируемого сгустка пучка относительно фазы ускоряющего напряжения.
Рисунок 2 – Структурная схема ускорителя И-3
Установка позволяет ускорять разные типы ионов, генерируемых на выходе ЛИИ. Тип ускоряемых ионов выбирается установкой в мишенной камере ЛИИ цилиндрической поверхности диска из соответствующего материала касательной к фокальной плоскости лазерного луча, создающего факел высокотемпературной плазмы. Рабочий диск выбирается перемещением в вертикальном направлении мишенного барабана, составленного из набора дисков разных материалов.
Таблица 1 ‑ Основные характеристики линейного канала ИЛУ И-3
|
Лазерный ионный источник |
|
|
Энергия СО2 – лазера Л5, Дж |
5 |
|
Энергия СО2 – лазера Л100, Дж |
100 |
|
Длина дрейфовой трубки, м |
1,3 |
|
Разрывающий промежуток: ширина, мм апертура, Æ, мм напряжение, кВ тип электродов |
40 70 50 плоскопараллельные |
|
Типы генерируемых ионов |
С4+, Al11+, Si12+, Fe16+, Ag19+ и др. |
|
Ускоряющий резонатор |
|
|
Резонансная частота, МГц |
2,504 |
|
Число ускоряющих зазоров |
2 |
|
Ширина ускоряющих зазоров, мм |
250 |
|
Амплитуда напряжения на зазоре, МВ |
2 |
|
Длина трубки дрейфа, мм |
1920 |
|
Апертура, Æ, мм |
70-90 |
|
Энергия инжекции, кВ |
48 |
|
ВЧ-группирователь |
|
|
Геометрическая длина, м |
0,4 |
|
Число ускоряющих зазоров |
2 |
|
Ширина ускоряющих зазоров, мм |
50 |
|
Апертура, Æ, мм |
80 |
|
Длина пролетной трубки, мм |
250 |
|
Максимальная амплитуда напряжения на зазоре, кВ |
до 10 |
1. Экспериментальные возможности установки
Энергия ускоренного пучка ионов на выходе ускорителя И-3 определяется зарядовым числом иона, выбираемым на выходе ЛИИ и амплитудой ускоряющего напряжения в резонаторе, величина которой варьируется в диапазоне до 4 МВ.
Максимальная интенсивность ускоренного пучка составляет ~1011 частиц/c для легких ионов (типа С4+), ~1010 частиц/c для средних по массе ионов (типа Fe16+) и ~109 частиц/c для тяжелых ионов типа Ag19+ и тяжелее.
Облучение образцов может осуществляться внутри вакуумного объема камеры, установленной на выводном ионопроводе ускоренного пучка.
Регулируемые параметры ускоряющего резонатора и выходной ионопровод позволяют формировать требуемые характеристики ускоренного пучка на испытательном стенде с использованием квадрупольных линз и анализирующего магнита.
Характеристики пучка в зоне облучения образцов могут варьироваться настройкой режима ускорения частиц и оптического канала. Диапазоны значений рабочих параметров приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Характеристики пучка ионов в зоне облучения И-3
|
Энергия ионов |
до 4Z МэВ |
|
Размер рабочей зона облучения |
до 60 мм |
|
Плотность интегрального потока протонов за 1 импульс в центре рабочей зоны облучения |
(106¸1010) см-2 |
|
Неравномерность интегрального потока протонов за 1 импульс в пределах рабочей зоны облучения |
не более ±15% |
2. Основные направления использования ускоренного пучка
Ускорительная установка И-3 использовалась в качестве инжектора тяжелых ионов комплекса кольцевых ускорителей ИТЭФ-ТВН. В настоящее время установка используется для технологических исследований по тематике физики пучков заряженных частиц и ускорительной техники, а также планируется ее использование по следующим направлениям:
- радиационная обработка полупроводниковых структур для улучшения их эксплуатационных параметров
- исследования радиационно-индуцированных изменений материалов при воздействии пучка заряженных частиц
- исследования по радиационной биологии
- методические исследования аппаратуры физических исследований
