Разработка компактных ускоряющих структур для комплексов прикладного назначения
Дается обзор применения ускоряющих структур с высокочастотной квадрупольной и переменно-фазовой фокусировкой в диапазоне рабочих частот 325…450 МГц в современных электро- и ядерно-физических комплексах прикладного назначения. Рассматриваются проблемы моделирования и изготовления таких структур. Демо...
Gespeichert in:
| Datum: | 2010 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2010
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/15684 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Разработка компактных ускоряющих структур для комплексов прикладного назначения / Ю.А. Свистунов, А.Д. Овсянников // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 2. — С. 48-51. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-15684 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-156842011-02-01T12:03:08Z Разработка компактных ускоряющих структур для комплексов прикладного назначения Свистунов, Ю.А. Овсянников, А.Д. Физика и техника ускорителей Дается обзор применения ускоряющих структур с высокочастотной квадрупольной и переменно-фазовой фокусировкой в диапазоне рабочих частот 325…450 МГц в современных электро- и ядерно-физических комплексах прикладного назначения. Рассматриваются проблемы моделирования и изготовления таких структур. Демонстрируется новый подход к оптимизации динамики частиц и геометрии электродов в резонаторах с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой. Дається огляд застосування прискорювальних структур з високочастотним квадрупольним і Змінно-фазовим фокусуванням у діапазоні робочих частот 325...450 МГц у сучасних електро- і ядерно-фізичних комплексах прикладного призначення. Розглядаються проблеми моделювання і виготовлення таких структур. Демонструється новий підхід до оптимізації динаміки частинок і геометрії електродів у резонаторах з просторово-однорідним квадрупольним фокусуванням. Review of accelerating structures of working frequency diapason 325…450 MHz used in electrophysical and nuclear-physical complexes is given. Problems of modeling and manufacturing of such structures are considered. New ideas of particles beam optimization in RFQ are presented. 2010 Article Разработка компактных ускоряющих структур для комплексов прикладного назначения / Ю.А. Свистунов, А.Д. Овсянников // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 2. — С. 48-51. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/15684 539.12.076 ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Физика и техника ускорителей Физика и техника ускорителей |
| spellingShingle |
Физика и техника ускорителей Физика и техника ускорителей Свистунов, Ю.А. Овсянников, А.Д. Разработка компактных ускоряющих структур для комплексов прикладного назначения |
| description |
Дается обзор применения ускоряющих структур с высокочастотной квадрупольной и переменно-фазовой фокусировкой в диапазоне рабочих частот 325…450 МГц в современных электро- и ядерно-физических комплексах прикладного назначения. Рассматриваются проблемы моделирования и изготовления таких структур. Демонстрируется новый подход к оптимизации динамики частиц и геометрии электродов в резонаторах с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой. |
| format |
Article |
| author |
Свистунов, Ю.А. Овсянников, А.Д. |
| author_facet |
Свистунов, Ю.А. Овсянников, А.Д. |
| author_sort |
Свистунов, Ю.А. |
| title |
Разработка компактных ускоряющих структур для комплексов прикладного назначения |
| title_short |
Разработка компактных ускоряющих структур для комплексов прикладного назначения |
| title_full |
Разработка компактных ускоряющих структур для комплексов прикладного назначения |
| title_fullStr |
Разработка компактных ускоряющих структур для комплексов прикладного назначения |
| title_full_unstemmed |
Разработка компактных ускоряющих структур для комплексов прикладного назначения |
| title_sort |
разработка компактных ускоряющих структур для комплексов прикладного назначения |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| publishDate |
2010 |
| topic_facet |
Физика и техника ускорителей |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/15684 |
| citation_txt |
Разработка компактных ускоряющих структур для комплексов прикладного назначения / Ю.А. Свистунов, А.Д. Овсянников // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 2. — С. 48-51. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT svistunovûa razrabotkakompaktnyhuskorâûŝihstrukturdlâkompleksovprikladnogonaznačeniâ AT ovsânnikovad razrabotkakompaktnyhuskorâûŝihstrukturdlâkompleksovprikladnogonaznačeniâ |
| first_indexed |
2025-07-02T17:03:48Z |
| last_indexed |
2025-07-02T17:03:48Z |
| _version_ |
1836555518978555904 |
| fulltext |
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2010. № 2.
Series: Nuclear Physics Investigations (53), p.48-51.
48
УДК 539.12.076
РАЗРАБОТКА КОМПАКТНЫХ УСКОРЯЮЩИХ СТРУКТУР
ДЛЯ КОМПЛЕКСОВ ПРИКЛАДНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Ю.А. Свистунов1, А.Д. Овсянников2
1ФГУП "НИИЭФА им. Д.В. Ефремова", Санкт-Петербург, Россия
E-mail: svistunov@luts.niiefa.spb.su;
2Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия
E-mail: ovs74@mail.ru
Дается обзор применения ускоряющих структур с высокочастотной квадрупольной и переменно-фазовой
фокусировкой в диапазоне рабочих частот 325…450 МГц в современных электро- и ядерно-физических
комплексах прикладного назначения. Рассматриваются проблемы моделирования и изготовления таких
структур. Демонстрируется новый подход к оптимизации динамики частиц и геометрии электродов в резо-
наторах с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой.
ВВЕДЕНИЕ
Разработка резонансных структур линейных ус-
корителей ионов в диапазоне частот 325…450 МГц
началась с конца восьмидесятых − начала девяно-
стых годов прошлого века. Возможность этих раз-
работок была обусловлена соответствующим разви-
тием производственных технологий и компьютер-
ных средств численного моделирования физических
процессов в ускорителях. Первым крупным успехом
было создание в США ускорителя отрицательных
ионов водорода с рабочей частотой 425 МГц для
эксперимента BEAR в 1989 году. На базе разработок
СОИ впоследствии были созданы фирмой AccSys
Technology коммерческие линейные ускорители
протонов и дейтронов с выходной энергией 2 и
0.9 МэВ соответственно, ускоряющие структуры
которых работали также на частоте 425 МГц. Сле-
дует отметить, что 2-МэВ ускоритель протонов PL-2
с высокочастотной квадрупольной фокусировкой
(RFQ) разрабатывался как начальная часть 11-МэВ
ускорителя для PET-комплекса. В настоящее время
ускоряющие структуры типа RFQ в указанном диа-
пазоне частот разрабатываются для ускорителей
прикладного назначения и как начальная часть ус-
корительных комплексов высоких энергий, в тех
случаях, когда не требуются большие средние и им-
пульсные токи. Важным достоинством таких уско-
рителей являются их малые габариты, которые соче-
таются, как правило, с высокой яркостью пучка. Все
представленные в таблице ускорители работают при
нормальной температуре. Изготовление ускоряю-
щих структур в этом диапазоне частот производят
на высокоточном оборудовании, поскольку допуски
на геометрические размеры резонаторов и выполне-
ние модуляции электродов RFQ составляют микро-
ны. Результаты математического моделирования
ускоряющих структур и динамики частиц должны
быть жестко согласованы с возможностями изготов-
ления. В случае требований ограничения длины ус-
коряющей структуры RFQ желательно при расчете
геометрии электродов использовать математические
методы теории управления для выбора основных
параметров канала ускорителя.
В таблице приведены, по данным конференции
LINAC 2008 (Виктория, Британская Колумбия), па-
раметры линейных ускорителей ионов в диапазоне
рабочих частот 324…433 МГц как действующих,
так и находящихся в различных стадиях разработки.
Действующие и проектируемые ускорители ионов в диапазоне частот 324…433 МГц
Проект,
лаборатория
Тип частиц,
рабочая частота
Состав
ускорителя
Энергия
(МэВ)
Ток (мА)
Ip/Iav L (м) Статус
SNS,
Oak Ridge
H-/402.5 RFQ/DTL 2.5/86 38/1.6 3/30 действующий
CSNS, IHEP,
Beijing
H-/324 RFQ/DTL 3.5/81 30/2.1 3.6/50 проект
J-PARC, KEK H-/324 RFQ/DTL 3.0/50 27/0.3 3/27 достигнутый результат
PEFP, KAERJ H+/350 RFQ/DTL 3.0/20 20/10-3 /18.61 тестовые испытания
LINAC4,
CERN
H-/352.2 RFQ/IH,
DTL
3.0/160 40/0.96 /80 проект
FNAL LNAC,
FNAL
H±/325 RFQ/CH /10 проект
TRASCO RFQ,
LNL, Legnaro
H+/352.2 RFQ 5 30 7.2 проект для ADS
NG, NIIEFA-
IGCAR
D+/433 RFQ 1 10/10-2 1.2 в стадии разработки
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
УПРАВЛЕНИЯ. ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ
Уравнения движения частицы в структуре с RFQ
имеют вид [1]:
z
L FKz
LW
TeU
d
zd
=+= )~cos()cos(4 0
0
2
2
ϕτω
τ
, (1)
xxQx
Kz
LW
TLeU
aW
LeU
d
xd
=+×
×+=
)0
~cos(
))sin(
2
0
4
2
0
(
2
2
ϕτω
π
κ
τ , (2)
yQy
Kz
LW
TeU
aW
eU
d
yd
y
LL
=+×
×+−=
)~cos(
))sin(4(
0
2
0
2
0
2
2
ϕτω
π
κ
τ , (3)
где ct=τ , cπωω 2~ = , − напряжение между
электродами, − эффективность ускорения, −
энергия покоя,
LU
T 0W
L − длина периода, ω − частота
ускоряющего поля, 0ϕ − начальная фаза, − ско-
рость света,
c
LK π2= , − минимальный радиус на
периоде,
a
)4(1 πκ T−= .
Уравнения для огибающих пучка в плоскостях
τd
dxx, и
τd
dyy, согласно определению [2] можно
записать в виде:
yx
yx
S
d
dS ,
12
,
11 2=
τ
, (4)
yxyx
yx
yx
SSQ
d
dS ,
22
,
11,
,
12 +⋅=
τ
, (5)
yx
yx
yx
SQ
d
dS ,
12,
,
22 2 ⋅=
τ
. (6)
Динамику частиц в плоскости, перпендикуляр-
ной оси пучка, в случае микроканонического рас-
пределения заряда можно описать уравнениями [1]:
,~)1(
4
2
)~cos())sin(8(
00
02
0
2
0
2
2
xQx
rr
rr
Wrvr
I
xkz
LW
TeU
aW
eU
d
xd
x
yx
yx
yx
LL
=
+
−
−−
−++=
πε
ϕτωπ
κ
τ
(7)
,~)1(
4
2
)~cos())sin(8(
00
02
0
2
0
2
2
yQy
rr
rr
Wrvr
I
ykz
LW
TeU
aW
eU
d
yd
y
yx
yx
yx
LL
=
+
−
+−
−++−=
πε
ϕτωπ
κ
τ
(8)
где
dt
dzv = ; и − полуоси эллиптического ци-
линдра;
xr yr
I − средний ток.
Заметим, что и в этом случае возможно рассмат-
ривать уравнения для огибающих (4)-(6), следует
только подставить в них xQ~ и yQ~ вместо xQ и
соответственно, а при вычислении
yQ
xQ~ и yQ~ следу-
ет считать xSxr 11= , ySyr 11= .
При исследовании динамики заряженных частиц
часто бывает полезно в качестве независимой пере-
менной рассматривать продольную координату . В
частности, это целесообразно сделать, когда не учи-
тывается взаимодействие частиц.
z
Перейдем к независимой переменной . Урав-
нение продольного движения (1) в этом случае
можно записать в следующей форме:
z
β
ωϕ ~
=
dz
d ,
β
β zF
dz
d
= , (9)
где 0
~ ϕτωϕ += — текущая фаза частицы,
c
v
=β −
приведенная скорость.
Уравнения поперечного движения (2), (3) будут
иметь вид:
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ −= zF
dz
dxxxQ
dz
xd
2
1
2
2
β
, (10)
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ −= zF
dz
dyyyQ
dz
yd
2
1
2
2
β
. (11)
Используя эти уравнения, можем выписать ана-
логичные уравнениям (4)-(6) уравнения для оги-
бающих
,
,
x ydS x y11 2S12dz
= , (12)
yxSyxSzFyxSyxQ
dz
yxdS ,
22
,
122
,
11
,
,
12 +−⋅=
ββ
, (13)
yxSzFyxSyxQ
dz
yxdS ,
222
2,
12
,2
,
22
ββ
−⋅= . (14)
Рассмотрим различные постановки задач опти-
мизации динамики пучка. Следует отметить, что
развиваемый подход позволяет проводить поэтап-
ную оптимизацию и рассматривать задачи оптими-
зации различной сложности. Типовой сценарий оп-
тимизации включает следующие шаги:
− оптимизацию продольного движения в эквива-
лентной бегущей волне [3] (с использованием мето-
дики совместной оптимизации динамики синхрон-
ной частицы и пучка траекторий, возмущенных по
начальным данным). На этом этапе выбирается за-
кон изменения синхронной фазы и интенсивности
ускорения вдоль канала с учетом ряда ограничений,
влияющих на качество группирования и захвата
частиц пучка в режим ускорения, а также на качест-
во фокусировки пучка;
− выбор основных параметров канала ускорителя с
ПОКФ (длин ячеек, величин апертуры и модуляции,
напряжений на электродах и т.д.) на основе резуль-
татов, полученных на первом этапе, и дальнейшей
оптимизации канала [4];
− построение согласующей секции [5].
Рассмотрим подробнее задачу оптимизации по-
перечного движения. Эта проблема может решаться
различными путями, в зависимости от стоящих пе-
ред проектировщиком ограничений и приоритетов.
Эту проблему также целесообразно разбивать на
49
отдельные подзадачи и решать их последовательно
(поэтапно). Рассмотрим постановки соответствую-
щих задач оптимизации.
Задача 1. Рассмотрим задачу оптимизации попе-
речного движения вдоль движения синхронной час-
тицы.
Продольное движение синхронной частицы счи-
таем известным, выбранным на этапе оптимизации
продольного движения. Функции )(zLU , ,
− фиксированы. В качестве управления на
данном этапе можно рассматривать минимальный
радиус на пространственном периоде .
)(zT
)(zL
)(zaa =
Введем функционал:
∫Φ=
Z
dzzazSaI
0
))(),(11()( , (15)
где
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
≥−
<
=Φ
2 ,2)2(
2 ,0
),(
asas
as
as . (16)
Величина , входящая в функционал, опреде-
ляется при решении уравнений (12)-(14) при про-
дольном движении, определяемом уравнениями (9),
при начальных условиях, соответствующих син-
хронной частице. Величина z — продольная коор-
дината, соответствующая выходу из ускорителя.
11S
Поставленная задача является стандартной задачей
оптимизации программного управления. Для ее ре-
шения можно применить методы оптимизации, ис-
пользующие первую вариацию функционала.
Задача 2. Рассмотрим задачу оптимизации попе-
речного движения пучка траекторий.
Пусть заданы матрицы , )0,0(,
0 βϕyxS 0)0,0( M∈βϕ .
Рассмотрим функционал, определенный на пучке
траекторий:
ZdZd
uZM
ZZZyxSG
zdzd
Z
uzM
zzzyxSaI
βϕβϕ
βϕβϕ
∫+
+∫ ∫ Φ=
,
),,(,(
0 ,
)),,(,
11()(
. (17)
Здесь функция определяется так же, как и в
задаче 1, а функция оценивает отклонение эле-
ментов матриц от заданной величины.
Первое слагаемое в функционале (17) обеспечивает
фокусировку пучка. Минимизация второго слагае-
мого обеспечивает, в частности, минимизацию эф-
фективного эмиттанса пучка на выходе ускорителя.
Φ
G
)0,0(,
0 βϕyxS
Таким образом, используемые при оптимизации
функционалы (приведенные в данной работе и ранее
[3, 4]) описывают достаточно широко различные
возможности оптимизации продольного и попереч-
ного движений. Возможно также проводить совме-
стную оптимизацию движения синхронной частицы
и динамики пучка в целом.
На основе разработанных методов можно рас-
сматривать в различных постановках задачу мини-
мизации эффективного эмиттанса пучка на выходе
ускорителя. При этом можно рассматривать совме-
стную оптимизацию продольного и поперечного
движения.
Разумеется, оптимизация с использованием
уравнений огибающих, является лишь частью моде-
лирования RFQ. Она дает приближенную информа-
цию, например, о потерях частиц в структуре и ве-
личине эмиттанса на выходе ускорителя. Поэтому
после проведения расчетов, описанных выше, обяза-
тельным является расчет динамики по трехмерной
программе с возможно более тщательным учетом
влияния сил объемного заряда методом "частица-
частица" или "частица-сетка".
ПРОБЛЕМЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
Проведенные исследования показали, что при
энергии инжекции протонов от 50 до 80 кэВ воз-
можно иметь структуры почти со 100% захватом
частиц в режим ускорения. При этом при выходной
энергии от 2 до 5 МэВ темп ускорения превышал
1 МэВ/м. Расчеты проводились с помощью про-
грамм BDO-RFQ и LIDOS. Рассматривались струк-
туры, предназначенные для ускорения протонов
(f=352 МГц) и дейтронов (f=433 МГц). Нейтронный
генератор, который изготавливается в НИИЭФА для
Центра атомных исследований им. Индиры Ганди
(Чиннаи, Индия) имеет в своем составе RFQ с рабо-
чей частотой 433 МГц, который ускоряет дейтроны
до энергии 1 МэВ. Как видно из таблицы, значения
импульсного и среднего тока пучка не являются
проблемными, однако по условиям размещения НГ
длина RFQ не должна превышать 1,3 м. Выбор час-
тоты 433 МГц, низкой энергии инжекции (25 кэВ) и,
собственно, среднего радиуса канала ускорителя
(1,8 мм) и напряжения на электродах (48 кВ) обу-
славливает очень жесткие допуски на отклонения
геометрических размеров резонатора от номинала и
не менее высокие требования к классу шероховато-
сти внутренних поверхностей. Например, модуля-
ция электродов должна быть выполнена с точно-
стью 1…2 мкм, класс обработки поверхности не
ниже 10-11 класса. Опыт НИИЭФА по разработке
экспериментальных резонаторов RFQ с частотой
433 МГц, настройке и испытаниям (в том числе и
при работе с пучком), позволил определиться с тре-
бованиями к оборудованию и с технологией изго-
товления.
ЛИТЕРАТУРА
1. I.M. Kapchinsky, V.A. Teplyakov. Linear Ion Ac-
celerator with Spartially Homogeneous Strong Fo-
cusing”// Prib. Tekh., Eksp. 1970, №2.
2. D.A. Ovsyannikov. Modeling and Optimization of
Charged Particle Beam Dynamics. Leningrag: Len-
ingrad State University, 1990, p.312.
3. B.I. Bondarev, A.P. Durkin, A.D. Ovsyannikov.
New Mathematical Optimization Models for RFQ
Structures // Proc. of the 1999 Particle Accelerator
Conf. New York, 1999, p.2808-2810.
4. D.A. Ovsyannikov, A.D. Ovsyannikov, Yu.A. Svis-
tunov, et al. Beam dynamics optimization: models,
methods and applications // NIM. 2006, v.A558,
p.11-19.
50
51
5. A.D. Ovsyannikov, D.A. Ovsyannikov, S.L. Chung.
Optimization of a Radial Matching Section // Intern.
Journ. of Mod. Phys. 2009, v.A24, №5, p.952-958.
Статья поступила в редакцию 08.09.2009 г.
DESIGNING OF COMPACT ACCELERATING STRUCTURES FOR APPLIED COMPLEXES
WITH ACCELERATORS
Yu.A. Svistunov, A.D. Ovsyannikov
Review of accelerating structures of working frequency diapason 325…450 MHz used in electrophysical and
nuclear-physical complexes is given. Problems of modeling and manufacturing of such structures are considered.
New ideas of particles beam optimization in RFQ are presented.
РОЗРОБКА КОМПАКТНИХ ПРИСКОРЮЮЧИХ СТРУКТУР ДЛЯ КОМПЛЕКСІВ
ПРИКЛАДНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ
Ю.А. Свистунов, А.Д. Овсянников
Дається огляд застосування прискорювальних структур з високочастотним квадрупольним і Змінно-
фазовим фокусуванням у діапазоні робочих частот 325...450 МГц у сучасних електро- і ядерно-фізичних
комплексах прикладного призначення. Розглядаються проблеми моделювання і виготовлення таких струк-
тур. Демонструється новий підхід до оптимізації динаміки частинок і геометрії електродів у резонаторах з
просторово-однорідним квадрупольним фокусуванням.
|