Численное моделирование группировки и ускорения сильноточного протонного пучка в линейном ускорителе с фокусировкой электронным пучком

Методом компьютерного моделирования исследуется ускорение протонов с током 0.1...0.6 А, энергией до 3 МэВ. Рабочая частота ускорителя 152.5 МГц. Параметры фокусирующего электронного пучка меняются в пределах: ток 40...100 А, энергия 100 кэВ, напряженность фокусирующего магнитного поля 2...3 кЭ. Ко...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2004
Hauptverfasser:	Иванов, Б.И., Шулика, Н.Г.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2004
Schriftenreihe:	Вопросы атомной науки и техники
Schlagworte:	Динамика пучков ионов
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80457
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:	Численное моделирование группировки и ускорения сильноточного протонного пучка в линейном ускорителе с фокусировкой электронным пучком / Б.И. Иванов, Н.Г. Шулика // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 4. — С. 139-144. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-80457
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-804572015-04-19T03:02:31Z Численное моделирование группировки и ускорения сильноточного протонного пучка в линейном ускорителе с фокусировкой электронным пучком Иванов, Б.И. Шулика, Н.Г. Динамика пучков ионов Методом компьютерного моделирования исследуется ускорение протонов с током 0.1...0.6 А, энергией до 3 МэВ. Рабочая частота ускорителя 152.5 МГц. Параметры фокусирующего электронного пучка меняются в пределах: ток 40...100 А, энергия 100 кэВ, напряженность фокусирующего магнитного поля 2...3 кЭ. Коэффициент захвата протонов в ускорение достигает 99%. За допомогою комп'ютерного моделювання досліджується прискорення протонів із струмом 0.1 ...0.6 А, енергією до 3 МеВ. Робоча частота 152.5 МГц. При цьому параметри фокусуючого електронного пучка змінюються у межах: струм 40...100 А, енергія 100 кеВ, напруженість фокусуючого магнітного поля 2...3 кЕ. Коефіцієнт захоплення протонів у прискорення досягає 99%. In this work it is simulated acceleration of the proton beam with current of 0.1...0.6 A, energy up to 3 MeV. In this case the parameters of focusing electron beam are varied in the following limits: the current is 40...100 A, energy 100 kV, intensity of focusing magnetic field 2...3 kOe. The efficiency of proton capture to the acceleration process has been calculated up to 99%. 2004 Article Численное моделирование группировки и ускорения сильноточного протонного пучка в линейном ускорителе с фокусировкой электронным пучком / Б.И. Иванов, Н.Г. Шулика // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 4. — С. 139-144. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80457 621.384.6 ru Вопросы атомной науки и техники 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	Динамика пучков ионов Динамика пучков ионов
spellingShingle	Динамика пучков ионов Динамика пучков ионов Иванов, Б.И. Шулика, Н.Г. Численное моделирование группировки и ускорения сильноточного протонного пучка в линейном ускорителе с фокусировкой электронным пучком Вопросы атомной науки и техники
description	Методом компьютерного моделирования исследуется ускорение протонов с током 0.1...0.6 А, энергией до 3 МэВ. Рабочая частота ускорителя 152.5 МГц. Параметры фокусирующего электронного пучка меняются в пределах: ток 40...100 А, энергия 100 кэВ, напряженность фокусирующего магнитного поля 2...3 кЭ. Коэффициент захвата протонов в ускорение достигает 99%.
format	Article
author	Иванов, Б.И. Шулика, Н.Г.
author_facet	Иванов, Б.И. Шулика, Н.Г.
author_sort	Иванов, Б.И.
title	Численное моделирование группировки и ускорения сильноточного протонного пучка в линейном ускорителе с фокусировкой электронным пучком
title_short	Численное моделирование группировки и ускорения сильноточного протонного пучка в линейном ускорителе с фокусировкой электронным пучком
title_full	Численное моделирование группировки и ускорения сильноточного протонного пучка в линейном ускорителе с фокусировкой электронным пучком
title_fullStr	Численное моделирование группировки и ускорения сильноточного протонного пучка в линейном ускорителе с фокусировкой электронным пучком
title_full_unstemmed	Численное моделирование группировки и ускорения сильноточного протонного пучка в линейном ускорителе с фокусировкой электронным пучком
title_sort	численное моделирование группировки и ускорения сильноточного протонного пучка в линейном ускорителе с фокусировкой электронным пучком
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2004
topic_facet	Динамика пучков ионов
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80457
citation_txt	Численное моделирование группировки и ускорения сильноточного протонного пучка в линейном ускорителе с фокусировкой электронным пучком / Б.И. Иванов, Н.Г. Шулика // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 4. — С. 139-144. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT ivanovbi čislennoemodelirovaniegruppirovkiiuskoreniâsilʹnotočnogoprotonnogopučkavlinejnomuskoritelesfokusirovkojélektronnympučkom AT šulikang čislennoemodelirovaniegruppirovkiiuskoreniâsilʹnotočnogoprotonnogopučkavlinejnomuskoritelesfokusirovkojélektronnympučkom
first_indexed	2025-07-06T04:28:17Z
last_indexed	2025-07-06T04:28:17Z
_version_	1836870373350572032
fulltext	УДК 621.384.6 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГРУППИРОВКИ И УСКОРЕНИЯ СИЛЬНОТОЧНОГО ПРОТОННОГО ПУЧКА В ЛИНЕЙНОМ УСКО- РИТЕЛЕ С ФОКУСИРОВКОЙ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ Б.И. Иванов, Н.Г. Шулика ННЦ ХФТИ, 61108, Харьков, ул. Академическая, 1, Украина Методом компьютерного моделирования исследуется ускорение протонов с током 0.1...0.6 А, энергией до 3 МэВ. Рабочая частота ускорителя 152.5 МГц. Параметры фокусирующего электронного пучка меняются в пределах: ток 40...100 А, энергия 100 кэВ, напряженность фокусирующего магнитного поля 2...3 кЭ. Коэффи- циент захвата протонов в ускорение достигает 99%. 1. ВВЕДЕНИЕ Целью данной работы является разработка физи- ческих основ для создания опытного образца силь- ноточного линейного ускорителя протонов на отно- сительно низкие энергии (10…30 МэВ), работающе- го в непрерывном (или квазинепрерывном) режиме, который может служить начальной частью полно- масштабного линейного резонансного ускорителя со средним током до 30 мА и выходной энергией до 1 ГэВ. Пучки протонов с такой энергией и интенсив- ностью предполагается использовать (см., например, [1,2]) для создания мощных источников нейтронов для управления подкритическим ядерным реактором, в котором принципиально исключен неконтролируе- мый рост скорости цепной реакции, приводящей к авариям типа чернобыльской. Кроме того, при увели- чении среднего тока ускоренного пучка протонов до 200…300 мА с помощью таких ускорителей возмож- но «сжигание» (трансмутация) долгоживущих радио- активных изотопов, образующихся в ядерном топлив- ном цикле действующих энергетических реакторов как на тепловых, так и на быстрых нейтронах. В настоящее время практически во всех сооружае- мых и разрабатываемых мощных линейных ускорите- лях ионов применяется начальная часть ускорителя (НЧУ) на основе пространственно-однородной квад- рупольной фокусировки (ПОКФ), предложенной И.М. Капчинским и В.А. Тепляковым [3]. В процессе формирования, группировки и пред- варительного ускорения в НЧУ ионного пучка зна- чительно повышается коэффициент захвата пучка в режим ускорения и увеличивается кулоновский пре- дел интенсивности ускоренного тока. Особенности ПОКФ уже достаточно хорошо изучены, и весь пре- дыдущий опыт работы с ускорителями на этой осно- ве сконцентрирован и реализован при разработке, сооружении и запуске в Лос-Аламосе демонстраци- онного ускорителя LEDA [4], рассчитанного на не- прерывный режим работы с интенсивностью про- тонного пучка равной 100 мА. И хотя в отдельных экспериментах на ускорительных установках на основе ПОКФ получены более интенсивные протон- ные пучки (свыше 200 мА), учитывая знакоперемен- ный характер сил, обеспечивающих поперечную устойчивость движения частиц в этих каналах, вряд ли стоит ожидать существенного увеличения интен- сивности протонных пучков в устойчиво работаю- щих ускорителях этого типа по сравнению с интен- сивностью пучка в демонстрационном ускорителе LEDA. Поэтому с целью увеличения предела интенсив- ности ускоряемых пучков разработчики ускорителей ведут поиск других направлений реализации НЧУ с фокусировкой знакопостоянными поперечными си- лами, в частности, с помощью продольного магнит- ного поля, создаваемого сверхпроводящими солено- идами [5,6]. Разработан проект ускорителя на энер- гию 1 ГэВ и средний ток до 250 мА, в котором при- меняется НЧУ с поперечной фокусировкой сверх- сильным продольным магнитным полем. Добиться снижения фокусирующего продольно- го поля можно, применяя для фокусировки ионов электронный пучок, удерживаемый на оси канала продольным магнитным полем. При этом для удер- жания мощного электронного пучка с про- странственным зарядом, достаточным для фокуси- ровки протонов, необходимы магнитные поля в 20… 30 раз меньше, чем для фокусировки протонов. Та- кая система фокусировки вполне может быть реали- зована без применения сверхпроводящих соленои- дов. Теоретически возможность фокусировки прото- нов электронным пучком рассмотрена в работе [7], а некоторые экспериментальные результаты приведе- ны в работе [8]. Однако к настоящему времени си- стематические исследования этого метода в при- менении к линейным резонансным ускорителям про- тонов были представлены слабо. В предлагаемой работе приведены результаты исследований с помощью компьютерного моделиро- вания основных особенностей каналов формирова- ния, группировки и ускорения сильноточного про- тонного пучка от энергии 100 кэВ до энергии 3.0 МэВ с фокусировкой объемным зарядом электронного пуч- ка. Предварительные результаты по данной тематике изложены в [9,10]. В настоящей работе содержится подробная информация о методике компьютерного моделирования и приводится физическая интерпрета- ция полученных результатов. 2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КАНАЛА С РАБОЧЕЙ ЧАСТОТОЙ 152,5 МГц ___________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 4. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (4), с.139-144. 139 Канал группировки и предварительного ускоре- ния НЧУ представляет собой последовательность цилиндрических электродов (трубок дрейфа), разде- ленных промежутками, на которые подается высоко- частотное напряжение частотой 152,5 МГц. Ам- плитуда напряжения между электродами изменяется ступенями от 12,8 кВ в начале канала до 76,8 кВ в его конце. Расстояние между трубками дрейфа изме- няется так же ступенями от 3 до 10 мм в соответ- ствии с изменением амплитуды высокочастотного напряжения. Такой канал может быть реализован на базе Н-резонаторов с трубками дрейфа, расположен- ными группами на гребенчатых подвесках. Каждая группа объединяет трубки дрейфа с одинаковыми значениями амплитуды высокочастотного напряже- ния. Общее количество периодов ускорения равно 128, длина канала составляет 4,75 м. Распределение напряжения между трубками дрейфа предусматрива- ет реализацию канала в виде двух секций. В первой секции располагаются 44 периода ускорения, во вто- рой 84. Энергия протонов на входе составляет 0,1 МэВ, на выходе 3 МэВ. 3. МЕТОДИКА КОМПЬЮТЕРНОГО МО- ДЕЛИРОВАНИЯ Для поперечной фокусировки протонного пучка с помощью объемного заряда электронов в процессе моделирования энергия электронов равнялась 100 кэВ, а ток электронного пучка изменялся от 15 А до 100 А. Радиус электронного пучка изменялся в пределах от 1 до 2 мм. Для удержания электронного пучка током 100 А и радиусом ∼2 мм необходимо продольное магнитное поле с индукцией ∼0,25 Тл. В процессе движения электронного пучка через резо- натор его энергия изменяется в диапазоне (100± 38) кэВ. Возникающая модуляция плотности элек- тронов приводит к появлению продольного электри- ческого поля, синфазного с высокочастотным элек- трическим полем резонатора. Оценки показывают, что при токе электронного пучка, равном 100 А, ам- плитуда продольного электрического поля, вызванно- го модуляцией скорости электронов, составляет ∼5% от амплитуды ускоряющего высокочастотного поля резонатора. В этих условиях влияние продольного поля объемного заряда электронов на динамику про- тонов не учитывалось. В реальном случае амплитуда высокочастотного электрического поля резонатора может быть выбрана так, чтобы самосогласованное электрическое поле равнялось расчетному резонанс- ному значению. В процессе моделирования динамики протонов электронный пучок рассматривался в виде длинного цилиндра с равномерной плотностью, в ко- тором существует только поперечное поле объемного заряда. Математическое моделирование движения протонного пучка в канале выполнялось с учетом объемного заряда ускоряемых протонов. Для опреде- ления поля объемного заряда использовался метод «крупных» частиц с кулоновской сеткой 64×32×32. Количество крупных частиц в процессе моделирова- ния изменялось от 10000 до 25000. 4. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ Приведенные ниже результаты относятся к слу- чаю, когда протонный пучок стартует внутри элек- тронного. Процесс инжекции протонного пучка в электронный исследовался отдельно. С помощью генератора случайных чисел фор- мировались координаты и скорости протонного пуч- ка на входе в ускоритель. Полный радиус пучка со- ставлял 0,5 мм, а максимальный наклон траектории частиц к оси канала – ± 60 мрад. Входной энергети- ческий спектр изменялся в пределах 0,5% и 5%. Сред- неквадратичный эмиттанс по координатам хх′ и уу′ составлял ∼ 0,35 мм⋅мрад, а полный поперечный эмиттанс равнялся ∼ 0,5 мм⋅мрад. При энергетиче- ском разбросе пучка на входе в ускоритель, равном ± 5%, продольный среднеквадратичный эмиттанс ра- вен ∼ 0,7 мм⋅мрад (1 мм⋅мрад составляет 172 кэВ⋅ град). Невозмущенная высокочастотным полем плот- ность электронов в пучке составляла ∼ 4⋅1011 см-3 при токе ∼ 100 А. В процессе моделирования выбирались условия, при которых не более 1% протонов выходи- ли за поперечные пределы электронного пучка. Для поддержания этих требований с учетом расширения протонного пучка в процессе движения в канале ускорителя при изменении начального тока инжек- ции от 100 до 600 мА, ток электронов необходимо менять в пределах от 43 до 75 А. Так как при движении пучка в канале ускорителя одной из характеристик, определяющей возмож- ность потерь частиц, является значение поперечного эмиттанса; при моделировании значительное внима- ние уделялось определению изменения (роста) эмит- танса в процессе группировки и ускорения при раз- личной интенсивности протонного пучка. Средне- квадратичный эмиттанс для плоскости хх′ (аналогич- но для уу′) определялся по формуле: 2224 xxxxx ′−′=ε . (1) Для продольной плоскости – по формуле: ( ) ( ) ( )( ) 2224 ssssz zzzz β−β−−β−β−=ε . (2) Здесь х координата частицы вдоль оси ординат; х′ – угол наклона траектории к оси z; z – текущая координата частицы вдоль оси канала; zs – коорди- ната синхронной частицы; β и βs – относительные скорости текущей и синхронной частиц, соответ- ственно. Изменение эмиттанса пучка на выходе канала в зависимости от тока инжекции при начальном энер- гетическом разбросе ±0,5% показано на рис.1. _______________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 4. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (4), с.144-149.140 Рис. 1. Изменение эмиттанса пучка на выходе кана- ла в зависимости от тока инжекции при начальном энергетическом разбросе ±0,5% Кривая 1 соответствует эмиттансу на плоскости хх′, кривая 2 относится к продольному эмиттансу zβz. Несколько неожиданным является тот факт, что обе эти кривые имеют минимум в диапазоне токов 300…400 мА. Такая зависимость поперечного и про- дольного эмиттанса от тока в значительной мере объясняется тем, что при токах до 200 мА при груп- пировке пучка в нем образуются локальные уплотне- ния и разрежения плотности частиц. Иными слова- ми, процесс группировки частиц при относительно небольшом начальном энергетическом разбросе в пучке сопровождается значительными нарушениями однородности распределения фазовой плотности ча- стиц. Это следует из результатов, приведенных на рис. 2-4. Рис. 2. Характеристики пучка на выходе ускорите- ля для слабого тока: фазовый портрет пучка на продольной плоскости (а); распределение плотно- сти частиц на плоскости rz (б) На рис.2,а показан фазовый портрет пучка на продольной плоскости zβz на выходе ускорителя для слабого тока, когда влиянием кулоновских сил рас- талкивания можно пренебречь. Изменение плотно- сти частиц в сгустке протонов в этом случае видно из рис.2,б. Здесь каждая точка изображает координа- ты частиц на плоскости rz, где 22 yxr += , st zzz −= , zt – продольная координата текущей ча- стицы, zs – координата синхронной частицы. На рис.2,б отчетливо видны вертикальные линии повы- шенной плотности, которые по положению хорошо коррелируют с точками поворота линий на фазовом портрете (см. рис.2,а). На рис.3 и 4 показаны анало- гичные результаты для токов 200 и 300 мА. При токе 200 мА (рис.3,а и 3,б) еще заметны локальные уплот- нения и разрежения, границы которых сильно раз- мыты. При токе 300 мА (рис.4,а и 4,б) ускоряемый сгусток протонов имеет плотное ядро, окруженное ореолом. В ореольной части уплотнения не заметны. Рис. 3. Характеристики пучка на выходе ускорите- ля для тока 200 мА: фазовый портрет пучка на продольной плоскости (а); распределение плотно- сти частиц на плоскости rz (б) Наличие уплотнений и разрежений плотности ча- стиц в ускоряемом сгустке подтверждается и струк- турой кулоновских сил расталкивания. На рис.5 по- казано изменение продольной напряженности поля объемного заряда протонного пучка в 28-м периоде ускорителя на оси канала при значениях тока 100 мА, 300 мА и 500 мА. Здесь по оси абсцисс отло- ___________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 4. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (4), с.139-144. 141 жен номер кулоновской ячейки kz вдоль оси сгустка (kz=33 соответствует середине сгустка), а по оси ор- динат – напряженность продольного кулоновского поля в кВ/см. При токе 300 мА продольная напряженность ку- лоновского поля вблизи середины сгустка обращает- ся в нуль, в передней части (kz>33) напряженность положительна, в задней (kz<33) – отрицательна. Это означает, что кулоновские силы расталкивают сгу- сток в целом, препятствуя его группировке силами высокочастотного поля. На краях сгустка в 28-м пе- риоде еще наблюдаются небольшие локальные уплотнения, которые на структуре кулоновского поля проявляются в виде максимума (kz∼50) и мини- мума (kz∼13). Аналогичная структура кулоновских сил наблюдается при токах до 600 мА. При этом об- ращает Рис. 4. Характеристики пучка на выходе ускорите- ля для тока 300 мА; фазовый портрет пучка на продольной плоскости (а); распределение плотно- сти частиц на плоскости rz (б) Рис. 5. Изменение продольной напряженности куло- новского поля в 28-м периоде ускорителя на оси ка- нала при различных значениях тока на себя внимание некоторое отклонение от симмет- рии по отношению к центру в распределении напря- женности кулоновского поля для тока 500 мА. При токах 500 мА и более локальные максимум и мини- мум на краях сгустка отсутствуют. При этом в 28-м периоде максимальные значения напряженности ку- лоновского поля для токов 300 мА и 500 мА практи- чески одинаковы, что свидетельствует о наступив- шем равновесии кулоновских сил с силами высоко- частотного поля для этих значений токов. При токе 100 мА на кривой распределения напряженности продольного поля наблюдается несколько максиму- мов и минимумов. В области 26≤ kz ≤36 напряжен- ность поля объемного заряда меняет знак. Формаль- но в этом участке сгустка кулоновские силы объем- ного заряда осуществляют продольную фокусировку протонного пучка. Фактически это означает, что плотность протонов по краям сгустка выше плотно- сти в его центре. Рис. 6. Изменение полного поперечного эмиттанса (кривая 1) и продольного (кривая 2) эмиттанса вдоль длины канала до 28-го периода ускорения при токе в пучке, равном 200 мА На рис.6 показано изменение полного поперечно- го эмиттанса (кривая 1) и продольного (кривая 2) эмиттанса вдоль длины канала до 28-го периода ускорения при токе в пучке, равном 200 мА. По оси абсцисс отложен номер периода, по оси ординат – значения эмиттансов. На этом же рисунке (кривая 3) показано изменение внутренней потенциальной _______________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 4. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (4), с.144-149.142 энергии в сгустке (в джоулях), связанной с куло- новскими силами расталкивания. Эта энергия опре- делялась суммированием произведения qi⋅Vi, где qi – заряд макрочастицы, Vi – потенциал кулоновского поля в точке, где эта частица находится. Эта величи- на отражает степень сжатия сгустка. Как следует из рис.6, в начале канала наблюдается очень сильный рост продольного эмиттанса, что связано с расту- щим разбросом частиц по скоростям при группиров- ке пучка нелинейным (синусоидальным) высокоча- стотным полем. Несмотря на некоторый статистиче- ский разброс, наблюдается определенная корреля- ция в поведении эмиттансов и внутренней потенци- альной энергии сжатого сгустка. Минимумы для продольного и максимумы для поперечного эмит- тансов совпадают с максимумами потенциальной энергии. Иными словами, при продольном сжатии пучка его продольный эмиттанс уменьшается, а по- перечный растет. Последовательность максимумов на кривой поперечного эмиттанса соответствует по- следовательности продольных фокусов. Несмотря на сильный рост поперечного эмиттанса и внутренней потенциальной энергии в диапазоне от первого до 28-го периода ускорения, к 30-му периоду этот рост значительно замедляется и к концу ускорителя по- перечный эмиттанс даже снижается на 2,8% по отно- шению к значению в 28-м периоде, а продольный возрастает на 29% по отношению к соответствующе- му значению. Значение внутренней потенциальной энергии сгустка к концу ускорителя снижается в 2 раза, по отношению к значению в 28-м периоде. Это связано с ростом скорости частиц и связанным с этим снижением плотности. Приведенные результаты показывают, что про- цесс формирования и группировки протонного пуч- ка на начальном участке ускорителя сопровождается образованием локальных уплотнений и разрежений в сгустке, что приводит к сильному росту попереч- ного эмиттанса при токах до 150…200 мА. Сильное нарушение однородности распределения плотности частиц в процессе группировки можно проследить из рис.7,а,б. На рис.7,а показан фазовый портрет пучка с током 100 мА в 7-м периоде ускорения, где достигается первый продольный фокус, а на рис.7,б показано распределение плотности частиц в плоско- сти rz. В этом месте пучок представляется в виде плотного диска, нанизанного на стержень со значи- тельно меньшей плотностью. Рис. 7. Характеристики пучка в седьмом периоде ускорителя для тока 100 мА: фазовый портрет пучка на продольной плоскости (а); распределение плотности частиц на плоскости rz (б) Для сравнения на рис.8 показаны распределения напряженностей продольного (Ez) на оси и попереч- ного (Er) кулоновского поля на радиусе 0,4 мм. Мак- симальная величина радиальной напряженности ку- лоновского поля на этом радиусе составляет 18,7 кВ/см, а значение поля объемного заряда элек- тронного пучка равно 18 кВ/см, т.е. в продольном фокусе поле объемного заряда протонного пучка по абсолютному значению превосходит кулоновское поле пучка электронов. Однако на радиусе 0,5 мм напряженность поля объемного заряда электронов (36 кВ/см) по абсолютному значению превосходит напряженность поля объемного заряда протонов (30 кВ/см). Для точки с радиусом 0,72 мм напряжен- ность поля объемного заряда электронного пучка (52 кВ/см) на 13 кВ/см по абсолютному значению выше напряженности поля объемного заряда про- тонного пучка. ___________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 4. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (4), с.139-144. 143 Рис. 8. Распределения напряженностей продольно- го (Ez) и поперечного (Er) кулоновского поля вдоль сгустка Рассматриваемый канал характеризуется высо- ким коэффициентом захвата пучка в режим ускоре- ния. При токах протонного пучка до 400 мА включи- тельно при начальном энергетическом разбросе ±0,5 % коэффициент захвата составляет 99,5% и снижа- ется до 98% при токе 600 мА. Увеличение начально- го энергетического разброса протонного пучка до 5 % практически не влияет на коэффициент захвата, несколько снижая поперечный эмиттанс, что в неко- торой степени объясняется относительным снижени- ем плотности частиц в первом продольном фокусе из-за увеличения начального энергетического раз- броса. Полученные результаты математического моде- лирования процесса движения протонного пучка че- рез ускоритель показали, что при группировке ин- тенсивных пучков образуются сгустки с сильно неоднородным распределением плотности частиц. Возникающая при этом неоднородность в распреде- лении напряженности поля объемного заряда яв- ляется одной из причин роста поперечного эмиттан- са при формировании и ускорении интенсивных пуч- ков. 5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Полученные в рамках упрощенной модели ре- зультаты математического моделирования процесса формирования, группировки и ускорения интенсив- ных протонных пучков в линейных ускорителях с фокусировкой объемным зарядом электронного пуч- ка показали перспективность этого метода для раз- работки сильноточных ускорителей протонов с тока- ми 500...600 мА и более. Для дальнейшего развития этого направления необходима разработка модели, учитывающей более подробное влияние различных факторов (высокочастотного поля и поля объемного заряда ускоряемого пучка на характеристики пучка электронов и процесс удержания его на оси при дви- жении через ускоритель). Кроме того, предполагает- ся объединить в одной модели электронную пушку, ускорительные секции, область инжекции протонно- го пучка в ускоритель и рекуператор интенсивного электронного пучка. ЛИТЕРАТУРA 1. C. Rubbia. The energy amplifier concept // Proc. of 1994 Int. Conf. on Accel.-Driven Transmutation Technology and Applications, Las Vegas, p.35-39. 2. Н.А. Хижняк. Пути создания безопасной, эколо- гически чистой ядерной энергетики в Украине: Препринт ХФТИ 94-8, Харьков, 1994, 22 с. 3. И.М. Капчинский, В.А. Тепляков // ПТЭ, 1970, №2, с.19-21. 4. L.M.Young // Proc. of the PAC-2001, p.309-313. 5. Б.И. Бондарев, А.А. Кузьмин, Б.П. Мурин и др. // Труды VI Всесоюзного совещания по ускори- телям заряженных частиц. Дубна. 1979, т.1, с.260-263. 6. Г.И. Бацких, Б.П. Мурин, И.В. Чувило и др. // Труды X совещания по ускорителям заряжен- ных частиц, 1999, т.1, Протвино, с.203-211. 7. А.И. Ахиезер, Г.Я. Любарский, Я.Б. Файнберг // Теория и расчет линейных ускорителей. М.: «Госатомиздат». 1962, с.131-146. 8. Н.И. Абраменко, Н.М. Гаврилов, Е.В. Громов и др. // ВАНТ. 1985, вып.2(23), с.48-50. 9. Б.И. Иванов, Н.Г. Шулика. Концепция началь- ной части линейного сильноточного протонного ускорителя с фокусировкой электронным пуч- ком // ВАНТ. 2003, вып.4, с.81-84. 10. B.I. Ivanov, N.G. Shulika. Simulation of the initial part of a high-current proton accelerator with focus- ing by an electron beam // ВАНТ. 2004, v.2, p.27- 29. SIMULATION OF BUNCHING AND ACCELERATION OF HIGH CURRENT PROTON BEAM IN A LINEAR ACCELERATOR WITH FOCUSING BY ELECTRON BEAM B.I. Ivanov, N.G. Shulika In this work it is simulated acceleration of the proton beam with current of 0.1...0.6 A, energy up to 3 MeV. In this case the parameters of focusing electron beam are varied in the following limits: the current is 40...100 A, ener- gy 100 kV, intensity of focusing magnetic field 2...3 kOe. The efficiency of proton capture to the acceleration pro- cess has been calculated up to 99%. _______________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 4. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (4), с.144-149.144 ЧИСЛОВЕ МОДЕЛЮВАННЯ ГРУПУВАННЯ ТА ПРИСКОРЕННЯ СИЛЬНОСТРУМОВОГО ПРО- ТОННОГО ПУЧКА В ЛІНІЙНОМУ ПРИСКОРЮВАЧІ З ФОКУСУВАННЯМ ЕЛЕКТРОННИМ ПУЧКОМ Б.І. Іванов, М.Г. Шуліка За допомогою комп'ютерного моделювання досліджується прискорення протонів із струмом 0.1...0.6 А, енергією до 3 МеВ. Робоча частота 152.5 МГц. При цьому параметри фокусуючого електронного пучка змінюються у межах: струм 40...100 А, енергія 100 кеВ, напруженість фокусуючого магнітного поля 2...3 кЕ. Коефіцієнт захоплення протонів у прискорення досягає 99%. ___________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 4. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (4), с.139-144. 145 Б.И. Иванов, Н.Г. Шулика ННЦ ХФТИ, 61108, Харьков, ул. Академическая, 1, Украина ЛИТЕРАТУРA Simulation OF bunching and ACCELERATion of high current proton BEAM in A linear ACCELERATor WITH FOCUSING BY ELECTRON BEAM B.I. Ivanov, N.G. Shulika Б.І. Іванов, М.Г. Шуліка

Численное моделирование группировки и ускорения сильноточного протонного пучка в линейном ускорителе с фокусировкой электронным пучком

Institution

Ähnliche Einträge