Новые разработки ВЧ-фокусировки пучков ионов
Обсуждаются результаты работ по дальнейшему совершенствованию переменно-фазовой фокусировки ионов в линейных ускорителях. 1. Вариант переменно-фазовой фокусировки с плывущим центром сгустка (ПФФ с ПЦС), предложенный в 1996 году, был широко апробирован в расчетах ускоряющих структур предобдирочной...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2003 |
| Main Authors: | , , , , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2003
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111216 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Новые разработки ВЧ-фокусировки пучков ионов / В.А. Бомко, С.А. Вдовин, Б.В. Зайцев, А.Ф. Кобец, Б.И. Рудяк, Е.Д. Маринина, Ю.В. Мелешкова, З.Е. Птухина, Н.И. Ермилова, С.С. Тишкин // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 274-278. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-111216 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Бомко, В.А. Вдовин, С.А. Зайцев, Б.В. Кобец, А.Ф. Рудяк, Б.И. Маринина, Е.Д. Мелешкова, Ю.В. Птухина, З.Е. Ермилова, Н.И. Тишкин, С.С. 2017-01-08T18:50:26Z 2017-01-08T18:50:26Z 2003 Новые разработки ВЧ-фокусировки пучков ионов / В.А. Бомко, С.А. Вдовин, Б.В. Зайцев, А.Ф. Кобец, Б.И. Рудяк, Е.Д. Маринина, Ю.В. Мелешкова, З.Е. Птухина, Н.И. Ермилова, С.С. Тишкин // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 274-278. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111216 621.384 Обсуждаются результаты работ по дальнейшему совершенствованию переменно-фазовой фокусировки ионов в линейных ускорителях. 1. Вариант переменно-фазовой фокусировки с плывущим центром сгустка (ПФФ с ПЦС), предложенный в 1996 году, был широко апробирован в расчетах ускоряющих структур предобдирочной секции линейного ускорителя многозарядных ионов (ЛУМЗИ) для различных характеристик пучка: ПОС-4, ПОС-32, ПОС-46. Достоинство метода заключается в очень высоком темпе ускорения. Недостаток – зависимость радиально-фазовой устойчивости сгустков от тока пучка. 2. Вариант переменно-фазовой фокусировки с шаговым изменением синхронной фазы (ПФФ с ШИФ). Комплексный фокусирующий период формируется из участков радиальной и фазовой фокусировки путем слежения за набегом фаз радиальных и фазовых колебаний. В структуру фокусирующего периода входят ячейки как с большими по абсолютной величине фазами, так и ячейки с φs близкими к нулю. Апробация на структуре ПОС-4 дала достаточно высокий захват по радиальному и фазовому движению пучка ионов A/q=4 с током 15 мА. 3. Комбинация ПФФ с высокочастотными квадруполями (ПФФ с ВЧК). Разработан и исследован фокусирующий период ПФФ с включением в его структуру блока ВЧ-квадруполя на переходной ячейке длиной 3/2 βλ. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Приложения и технологии Новые разработки ВЧ-фокусировки пучков ионов Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Новые разработки ВЧ-фокусировки пучков ионов |
| spellingShingle |
Новые разработки ВЧ-фокусировки пучков ионов Бомко, В.А. Вдовин, С.А. Зайцев, Б.В. Кобец, А.Ф. Рудяк, Б.И. Маринина, Е.Д. Мелешкова, Ю.В. Птухина, З.Е. Ермилова, Н.И. Тишкин, С.С. Приложения и технологии |
| title_short |
Новые разработки ВЧ-фокусировки пучков ионов |
| title_full |
Новые разработки ВЧ-фокусировки пучков ионов |
| title_fullStr |
Новые разработки ВЧ-фокусировки пучков ионов |
| title_full_unstemmed |
Новые разработки ВЧ-фокусировки пучков ионов |
| title_sort |
новые разработки вч-фокусировки пучков ионов |
| author |
Бомко, В.А. Вдовин, С.А. Зайцев, Б.В. Кобец, А.Ф. Рудяк, Б.И. Маринина, Е.Д. Мелешкова, Ю.В. Птухина, З.Е. Ермилова, Н.И. Тишкин, С.С. |
| author_facet |
Бомко, В.А. Вдовин, С.А. Зайцев, Б.В. Кобец, А.Ф. Рудяк, Б.И. Маринина, Е.Д. Мелешкова, Ю.В. Птухина, З.Е. Ермилова, Н.И. Тишкин, С.С. |
| topic |
Приложения и технологии |
| topic_facet |
Приложения и технологии |
| publishDate |
2003 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| description |
Обсуждаются результаты работ по дальнейшему совершенствованию переменно-фазовой фокусировки ионов в линейных ускорителях.
1. Вариант переменно-фазовой фокусировки с плывущим центром сгустка (ПФФ с ПЦС), предложенный в 1996 году, был широко апробирован в расчетах ускоряющих структур предобдирочной секции линейного ускорителя многозарядных ионов (ЛУМЗИ) для различных характеристик пучка: ПОС-4, ПОС-32, ПОС-46. Достоинство метода заключается в очень высоком темпе ускорения. Недостаток – зависимость радиально-фазовой устойчивости сгустков от тока пучка.
2. Вариант переменно-фазовой фокусировки с шаговым изменением синхронной фазы (ПФФ с ШИФ). Комплексный фокусирующий период формируется из участков радиальной и фазовой фокусировки путем слежения за набегом фаз радиальных и фазовых колебаний. В структуру фокусирующего периода входят ячейки как с большими по абсолютной величине фазами, так и ячейки с φs близкими к нулю. Апробация на структуре ПОС-4 дала достаточно высокий захват по радиальному и фазовому движению пучка ионов A/q=4 с током 15 мА.
3. Комбинация ПФФ с высокочастотными квадруполями (ПФФ с ВЧК). Разработан и исследован фокусирующий период ПФФ с включением в его структуру блока ВЧ-квадруполя на переходной ячейке длиной 3/2 βλ.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111216 |
| citation_txt |
Новые разработки ВЧ-фокусировки пучков ионов / В.А. Бомко, С.А. Вдовин, Б.В. Зайцев, А.Ф. Кобец, Б.И. Рудяк, Е.Д. Маринина, Ю.В. Мелешкова, З.Е. Птухина, Н.И. Ермилова, С.С. Тишкин // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 274-278. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT bomkova novyerazrabotkivčfokusirovkipučkovionov AT vdovinsa novyerazrabotkivčfokusirovkipučkovionov AT zaicevbv novyerazrabotkivčfokusirovkipučkovionov AT kobecaf novyerazrabotkivčfokusirovkipučkovionov AT rudâkbi novyerazrabotkivčfokusirovkipučkovionov AT marininaed novyerazrabotkivčfokusirovkipučkovionov AT meleškovaûv novyerazrabotkivčfokusirovkipučkovionov AT ptuhinaze novyerazrabotkivčfokusirovkipučkovionov AT ermilovani novyerazrabotkivčfokusirovkipučkovionov AT tiškinss novyerazrabotkivčfokusirovkipučkovionov |
| first_indexed |
2025-11-24T11:37:43Z |
| last_indexed |
2025-11-24T11:37:43Z |
| _version_ |
1850845600126337024 |
| fulltext |
ПРИЛОЖЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.384
НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ ВЧ-ФОКУСИРОВКИ ПУЧКОВ ИОНОВ
В.А.Бомко, С.А.Вдовин, Б.В.Зайцев, А.Ф.Кобец, Б.И.Рудяк,
Е.Д.Маринина, Ю.В.Мелешкова, З.Е.Птухина, Н.И.Ермилова, С.С.Тишкин
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
61108, г.Харьков, ул.Академическая, 1, bomko@kipt.kharkov.ua
Обсуждаются результаты работ по дальнейшему совершенствованию переменно-фазовой фокусировки
ионов в линейных ускорителях. 1. Вариант переменно-фазовой фокусировки с плывущим центром сгустка
(ПФФ с ПЦС), предложенный в 1996 году, был широко апробирован в расчетах ускоряющих структур
предобдирочной секции линейного ускорителя многозарядных ионов (ЛУМЗИ) для различных характери-
стик пучка: ПОС-4, ПОС-32, ПОС-46. Достоинство метода заключается в очень высоком темпе ускорения.
Недостаток – зависимость радиально-фазовой устойчивости сгустков от тока пучка. 2. Вариант переменно-
фазовой фокусировки с шаговым изменением синхронной фазы (ПФФ с ШИФ). Комплексный фокусирую-
щий период формируется из участков радиальной и фазовой фокусировки путем слежения за набегом фаз
радиальных и фазовых колебаний. В структуру фокусирующего периода входят ячейки как с большими по
абсолютной величине фазами, так и ячейки с ϕs близкими к нулю. Апробация на структуре ПОС-4 дала до-
статочно высокий захват по радиальному и фазовому движению пучка ионов A/q=4 с током 15 мА. 3. Ком-
бинация ПФФ с высокочастотными квадруполями (ПФФ с ВЧК). Разработан и исследован фокусирующий
период ПФФ с включением в его структуру блока ВЧ-квадруполя на переходной ячейке длиной 3/2 βλ.
1. ВВЕДЕНИЕ
В нынешнем году исполняется 50 лет со дня
открытия Я.Б. Файнбергом переменно-фазовой фо-
кусировки пучков в линейных ускорителях ионов
(1953г.) [1]. Этот факт явился основополагающим
среди последовавших в дальнейшем различных ва-
риантов фокусировки пучков ВЧ-полем: про-
странственно-однородной фокусировки (ПОКФ),
предложенной И.М.Капчинским и В.А.Тепляковым
[2], фокусировки ВЧ-квадруполями (ВЧК),
(В.В. Влади-мирский, И.М. Капчинский, В.А. Теп-
ляков, Г.М. Анисимов) [3,4,5]. Идея переменно-фа-
зовой фокусировки (ПФФ) содержит в себе потен-
циальную возможность обеспечения радиально-фа-
зовой устойчивости с последующей фокусировкой
самим ВЧ-полем. В дальнейшем метод ПФФ совер-
шенствовался различными исследователями, в ре-
зультате чего было показано, что радиально-фазовая
устойчивость может быть увеличена за счет асим-
метричного переброса синхронной фазы, совмещен-
ной с центром сгустка [6], а также существенно
улучшены характеристики пучка в варианте моди-
фицированной переменно-фазовой фокусировки
(МПФФ), путем оптимизации количества ячеек на
группирующем и фокусирующем участках структу-
ры и глубиной переброса синхронной фазы [7].
Тем не менее, осталась нерешенной проблема
темпа ускорения и, соответственно, потерь ВЧ-мощ-
ности. Чем выше требования к радиально-фазовой
устойчивости пучка с учетом объемного заряда, тем
большая глубина переброса синхронных фаз, тем
ниже темп ускорения и, соответственно, тем
большая длина ускорителя для получения заданной
энергии частиц. По этой причине нами на протяже-
нии последних лет были проведены исследования
вариантов фокусировки ВЧ-полем, которые позво-
лили бы ускорять достаточно сильноточные пучки
ионов с одновременным обеспечением высокого
темпа ускорения.
2. ПЕРЕМЕННО-ФАЗОВАЯ ФОКУСИ-
РОВКА С ПЛЫВУЩИМ ЦЕНТРОМ
СГУСТКА
Этот вариант ПФФ заключается в комбинации
периодического переброса центра сгустка из обла-
сти отрицательных фаз в положительные и, наобо-
рот, с постоянным превышением энергии центра
сгустка над энергией синхронной частицы, на кото-
рую рассчитываются участки структуры, как в обла-
сти положительных, так и отрицательных фаз. Идея
превышения энергии центра сгустка над энергией
синхронной частицы использовалась ранее в расче-
тах структур с нулевой синхронной фазой [8], где
радиальный фокусирующий эффект ВЧ–поля отсут-
ствует. По этой причине требовалась дополнитель-
ная фокусировка с помощью магнитных квадру-
польных триплетов, вмонтированных в структуру
трубок дрейфа. В нашем варианте [9-11] достигается
одновременный фокусирующий эффект ВЧ – полем,
как по радиальному, так и продольному движению
ускоряемых частиц. Баланс между противоречивы-
ми требованиями радиальной и фазовой устойчиво-
сти достигается в результате оптимального подбора
глубины переброса фаз, количеством ускоряющих
периодов на длине фокусирующего и группирующе-
го участков, а также степенью превышения энергии
центра сгустка над энергией синхронной частицы. В
процессе ускорения такой центр сгустка плывет от-
носительно синхронной фазы.
Высокий темп ускорения, при благоприятной ра-
диально-фазовой устойчивости, достигается за счет
того, что при переходе из участка с отрицательными
фазами в положительные изначальный переброс в
большие фазы, обеспечивающие большую фокуси-
рующую силу, сменяется уплыванием в область
mailto:bomko@kipt.kharkov.ua
меньших фаз, вплоть до 0=Sϕ . Переброс из обла-
сти фаз, близких к нулевой, в отрицательные совер-
шается в сравнительно небольшом диапазоне. С од-
ной стороны, это избавляет от протяженной вставки
длиной β λ , а с другой, достаточно высокое груп-
пирующее действие достигается плавным уплыва-
нием в область с более высокими по абсолютной ве-
личине фазами, которые проходит плывущий центр
сгустка, благодаря превышению его энергии над
энергией расчетной синхронной частицы.
Совершенствование методики ПФФ с ПЦС про-
водилось в процессе расчета линейного ускорителя
тяжелых ионов с большим отношением массового
числа к зарядовому, A/q=32. Его назначение – новая
предобдирочная секция (ПОС - 32) ЛУМЗИ, которая
должна заменить существующую секцию, рассчи-
танную на A/q=15. Это позволит значительно
расширить диапазон масс ускоряемых ионов [12]. В
результате оптимального подбора каждой из трех
указанных выше степеней свободы получена уско-
ряющая структура, характеристики которой приве-
дены в таблице.
Энергия ионов на входе, кэВ 14
Энергия ионов на выходе, кэВ 975
Отношение массового числа ионов к за-
рядному, А/q
32
Рабочая частота, МГц 23,7
Градиент электрического поля в зазорах,
МВ/м
9,5
Длина ускоряющей структуры, м 8
Количество трубок дрейфа 58
Апертура трубок дрейфа, мм 16-24
Синхронная фаза группирующего
участка, град
- 40
Синхронная фаза фокусирующего
участка, град
+ 40
Количество группирующих участков 9
Количество фокусирующих участков 9
Темп ускорения, МэВ/м 3,2
Продольный захват, град 100
Продольный аксептанс,π (кэВ/н) мрад 777
Радиальный аксептанс, мм мрад 491
Нормализованный рад. акс., π мм мрад 0,87
Расчет динамики пучка представляет собой
сложный процесс поддержания радиально-фазовой
устойчивости сгустков в процессе ускорения. На
рис.1 приведен совмещенный график зависимости
фазовых и энергетических характеристик динамики
частиц вдоль ПОС – 32. По оси абсцисс отложен по-
рядковый номер ячеек, составляющих 12 участков
структуры (6 группирующих и 6 фокусирующих).
По ординатам слева – фазовые, а справа – энергети-
ческие характеристики – общая энергия расчетной
частицы (Wc) и сдвиг по энергии центра сгустка от-
носительно энергии синхронной частицы (Wbc-Wc).
Как видно из рис.1, начальное ускорение с группи-
рующим действием осуществляется при достаточно
большой по абсолютной величине синхронной фа-
зой ( °− 70 ). На последующих группирующих
участках ее величина составляет °− 40 , а на фоку-
сирующих - °+ 40 . Фаза центра сгустка (рис.1,
пунктир) на последующих группирующих участках
изменяется незначительно, в среднем превышая
синхронную фазу на несколько градусов. В то же
время, имеет место значительное уплывание фазы
центра сгустка в процессе движения по ячейкам фо-
кусирующих участков. В начале каждого фокусиру-
ющего участка центр сгустка попадает в центр уско-
ряющего зазора в большой положительной фазе, что
дает значительный фокусирующий эффект. В даль-
нейшем центр сгустка плывет в сторону меньших
фаз. Средняя величина фазы центра сгустка на фо-
кусирующих участках изменяется от °44 до °20 .
Поэтому в такой структуре сохраняется высокий
темп ускорения. Степень превышения энергии цен-
тра сгустка над энергией расчетной частицы, Wbc-
Wc, (рис.1, штрих-пунктир) изменяется от 2 кэВ/н на
входе в группирующие участки до 1 кэВ/н на выхо-
де. Для фокусирующих участков эта величина, как
видно из рис.1, изменяется в значительно больших
пределах.
Рис.1. Совмещенный график зависимости фазовых
и энергетических характеристик пучка ионов в про-
цессе ускорения на участках структуры ПОС-32
Радиально-фазовые характеристики сгустка в
процессе прохождения группирующих и фокусиру-
ющих участков структуры наглядно иллюстрируют-
ся на следующих графиках. На рис.2 представлена
сепаратриса, определяющая захват инжектируемого
пучка в процесс устойчивого ускорения.
Рис.2. Сепаратриса, определяющая захват инжек-
тируемого пучка в процесс устойчивого ускорения
Все частицы непрерывного пучка, инжектируе-
мого в линейный ускоритель, находящиеся в преде-
лах разброса энергии %5/ ±=∆ WW и фазовой
протяженностью 100°, захватываются в процесс
устойчивого радиально-фазового движения до рас-
четной энергии.
На рис. 3 представлены радиальные траектории
частиц для радиусов входа 1, 2, 3 и 4 мм с угловой
расходимостью 6, 3, 0, -3, -6 мрад. Траектории ста-
бильного радиального движения примерно соответ-
ствуют нормализованному эмиттансу пучка ионов
на входе π2.0 мм мрад.
Выполнен расчет радиального аксептанса услов-
ной частицы, находящейся в центре исходной сепа-
ратрисы. Его геометрическая величина составляет
350 мм мрад, а нормализованный аксептанс -
π87.0 мм мрад.
Рис.3. Радиальные троектории частиц,
ускоряемых в ПОС-32
3. ПЕРЕМЕННО-ФАЗОВАЯ ФОКУСИ-
РОВКА С ШАГОВЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ
СИНХРОННОЙ ФАЗЫ
Суть этого варианта ПФФ заключается в том, что
структура фокусирующего периода содержит ряд
ячеек, в которых синхронная фаза дискретно (по ша-
гам) изменяется от ячеек с отрицательной (группи-
рующей) фазой ( Sϕ− ), проходя через ячейки с
меньшей по абсолютной величине синхронной фа-
зой и 0=Sϕ , в область положительных (фокусиру-
ющих) фаз и заканчивается переходом в отрицатель-
ные фазы. Например, фокусирующий период может
состоять из ячеек с синхронной фазой -0˚, 75˚, 60˚,
40˚, 0˚, -60˚, 50˚. Оптимизировались и другие вари-
анты расположения Sϕ .
Этот вариант является аналогом ПФФ с ПЦС. В
обоих случаях на каждом из участков структуры
синхронная фаза не является постоянной, а в каждой
ячейке структуры она имеет разное значение, захва-
тывая область с сильным группирующим и фокуси-
рующим действием, а в середине обеспечивает вы-
сокий темп ускорения. Отличие заключается в том,
что в варианте ПФФ с ШИФ в каждой ячейке син-
хронная фаза заранее предсказуема. Формирование
структуры фокусирующего периода выполнялось из
условия оптимального нахождения в области устой-
чивости, которая определялась в процессе расчета
по величине набега фаз радиальных и продольных
колебаний.
Метод фокусировки апробировался на расчете
ускоряющей структуры и динамики ионов предоб-
дирочной секции ЛУМЗИ для ионов с A/q=4 (ПОС -
4) в диапазоне энергий от 30 кэВ/н до 1 МэВ/н. Ре-
зультаты математического моделирования динамики
частиц по программе PARMELA показали эффек-
тивную радиально-фазовую устойчивость ионов в
случае без учета и с учетом объемного заряда пучка.
В структуре с 32 зазорами на длине 2,5 м проведен
пучок ионов с A/q=4 и током 15 мА.
4. УСКОРЯЮЩЕ-ФОКУСИРУЮЩИЙ
КАНАЛ С КОМБИНАЦИЕЙ ПЕРЕМЕННО-
ФАЗОВОЙ И ВЧ-КВАДРУПОЛЬНОЙ
ФОКУСИРОВКИ
Работами коллектива ИФВЭ, возглавляемого
В.А.Тепляковым, разработан и внедрен в практику
на сильноточном ускорителе протонов (УРАЛ) ме-
тод фокусировки ВЧ-квадруполями [5]. Конструк-
тивно он реализован в трубках дрейфа, снабженных
цилиндрическими наконечниками (рогами), образу-
ющими ВЧ-квадруполь. Этот ускоритель работает
более 10 лет в качестве инжектора в ускорительном
комплексе высоких энергий протонов. На выходе
такого линейного ускорителя получают пучок про-
тонов с током около 100 мА и энергией 30 МэВ. В
качестве ускоряющей структуры используется слож-
ная конструкция с невысоким темпом ускорения
(длина более 40 м). Проведенный нами анализ пока-
зал, что комбинация методов фокусировки ПФФ и
ВЧК может дать хороший результат, как по темпу
ускорения, так и радиально-фазовой устойчивости
сильноточных пучков.
Достоинством способов фокусировки ВЧ-полем
является конструктивная простота, а недостатком –
зависимость фокусирующей силы от фазы пролета
частицами ускоряюще-фокусирующего канала, что
приводит, с одной стороны, к сужению области
устойчивости частиц, а с другой – к росту эмиттанса
пучка в процессе ускорения. При ПФФ радиальная
сила, действующая на фокусирующем участке, про-
порциональна ϕsin , где ϕ - фаза пролета центра
ускоряющего зазора, отсчитываемая от максимума
поля. При ВЧ-квадрупольной фокусировке радиаль-
ная сила пропорциональна ϕcos . Таким образом, в
первом случае фокусирующая сила максимальна для
частиц, пролетающих центр ускоряющего зазора в
фазе °90 . По мере уменьшения фазы радиальная
сила постепенно спадает и при φ=0 равна нулю. Во
втором случае (ВЧ-квадруполь) зависимость фоку-
сирующей (знакопеременной) силы от фазы проле-
тающих частиц противоположна, т. е. максимальная
фокусирующая сила действует именно на те части-
цы, для которых ПФФ малоэффективна и не дей-
ствует там, где эффективность ПФФ максимальна.
Нетрудно заметить, что, объединив эти два
способа фокусировки на одном ускоряюще-фокуси-
рующем периоде, можно добиться сохранения ра-
диальной устойчивости при значительно большем
размахе фазовых колебаний захваченных в режим
ускорения частиц.
Нами изучались три варианта ускоряюще-фоку-
сирующего канала с комбинацией ПФФ с ВЧК фо-
кусировкой.
Период фокусировки состоит из ячеек группиру-
ющих ( Sϕ− ), радиально-фокусирующего ВЧ–квад-
руполя и ячеек с высоким темпом ускорения ( Sϕ
близка к нулевой) (рис. 4).
Sϕ = -75° +10° +10° 0° -50°
Рис.4. Ускоряюще–фокусирующий период с
комбинацией ПФФ с ВЧК фокусировкой
Рис.5. Косинус набега фазы радиальных колебаний
частиц в зависимости от фазы влета в ускоряюще-
фокусирующий период
Такой выбор обеспечивает приемлемую величи-
ну фазового угла захвата и высокий темп ускорения.
Величина градиента ВЧ-квадруполя выбирается так,
чтобы косинус набега фазы радиальных колебаний
частиц с учетом их фазового движения полностью
находился в области устойчивости. В качестве ил-
люстрации выполнен расчет ускоряющей структуры
линейного ускорителя протонов и динамики частиц
в диапазоне энергий 1,8…27,5 МэВ. На рис.5 пред-
ставлен косинус набега фазы радиальных колебаний
пучка после прохождения 20 фокусирующих перио-
дов. Длина канала составила 15 м, число ячеек –
100. Рассмотренный вариант эффективен при уско-
рении протонов и тяжелых ионов в длинном многоя-
чеечном резонаторе в диапазоне десятков МэВ.
Особенность второго варианта заключается в
том, что в структуру с ПФФ на определенных
участках устанавливаются блоки ВЧ-квадруполей,
усиливающие фокусирующий эффект, в то время
как основную нагрузку по обеспечению радиально-
фазовой устойчивости несет вариант ПФФ с высо-
ким темпом ускорения.
Для этих целей разработан фокусирующий блок,
содержащий в себе два квадруполя, аналог квадру-
польного дублета (FD), обеспечивающий фокуси-
ровку сразу в двух плоскостях. Установлено, что
наиболее эффективным местом его расположения в
структуре ПФФ является точка переброса сгустка из
участка с положительными фазами в отрицатель-
ные.. Размещенный таким образом блок ВЧ-квадру-
полей обеспечивает дополнительное фокусирующее
действие и ускорение пучка. Схема ВЧ-квадруполь-
ного блока (ВЧКБ) приведена на рис.6.
Рис.6. Схема ВЧ– квадрупольного блока (ВЧКБ) в
ускоряющей структуре встречно-штыревого типа
Длина блока составляет около 3/2 βλ. На рисун-
ке показан косинусоидальный характер распределе-
ния электрического поля в момент времени, когда
фаза центра сгустка в центре зазора ячейки перед
блоком ВЧ-квадруполя составляет 0˚и такой сгусток
после ВЧ-квадруполя должен быть переброшен в
группирующий участок. Как видно из рис.6, в сред-
ней части ВЧКБ имеется полупериод ВЧ–поля с
обратным знаком, который необходимо экраниро-
вать от замедляющего воздействия поля на сгусток.
Поэтому здесь расположена трубка дрейфа c рога-
ми, составляющими два ВЧ-квадруполя со встреч-
ными рогами соседних трубок дрейфа. В структуре
встречноштыревого типа, возбуждаемой ВЧ-полем
со сдвигом фазы в смежных ячейках на π , возмож-
но понизить электрическое поле в зазорах ВЧКБ в
два раза по сравнению с полем в зазорах обычных
ячеек. Это позволяет, соответственно, уменьшить
расстояние между рогами и торцом трубок дрейфа,
увеличив, тем самым, длину ВЧ-квадруполей, под-
держивая требуемую величину радиальных фокуси-
рующих градиентов.
Рис.7. Траектории радиального движения частиц в
структуре начальной части ПОС-46
На рис. 7 представлены траектории радиально-
го движения частиц в структуре начальной части ли-
нейного ускорителя тяжелых ионов с A/q=46 и вход-
ной энергией 42 кэВ/н. Здесь изображено движение
частиц с начальным радиусом до 4 мм и угловым
разбросом для каждого радиуса в диапазоне 9±
мрад. На четырех участках структуры с отрицатель-
ными и положительными синхронными фазами на-
блюдаются характерные для ПФФ с ПЦС колеба-
тельные траектории. В конце четвертого участка
установлен блок ВЧКБ, который оказал дополни-
тельно фокусирующее воздействие. Оптимизация
параметров такой комбинированной структуры поз-
волила обеспечить достаточно высокую устойчи-
вость сгустков при высоком темпе ускорения.
Третий вариант комбинации ПФФ и ВЧК фоку-
сировкой предназначен для ускоряющего канала
промежуточного диапазона энергий протонов от 5
до 100 МэВ. В этом случае он заменит магнитные
квадруполи, располагаемые в промежутках между
группами ускоряющих ячеек. Для ускоряющих
структур, составленных из двухзазорных эллиптиче-
ских ячеек с боковыми резонаторами связи CCDTL
(coupled-cavity drift tube linac) [13], наиболее эффек-
тивных в промежуточном диапазоне энергий, пере-
ход на сверхпроводящий вариант затруднителен,
ввиду сложности структуры ускоряюще-фокусиру-
ющего канала. В этом случае сверхпроводящие
ускоряющие ячейки будут чередоваться с теплыми
фокусирующими системами. Рассматриваемый ва-
риант фокусировки позволит в значительной мере
сделать ускоряющие и фокусирующие ячейки иден-
тичными. Блок ВЧКБ применительно к указанным
целям схематически представлен на рис.8. Его от-
личие от представленного на рис.6 заключается в
том, что в отличие от IH – структур, среднее элек-
трическое поле в зазорах имеет одинаковую величи-
ну, поэтому в замедляющем полупериоде располо-
жен квадруполь. Такой ВЧКБ блок выполняет уско-
ряющую и фокусирующую функцию и конструктив-
но вписывается в структуру ячеек CCDTL, создавая
благоприятные условия для использования сверх-
проводящих систем в диапазоне промежуточных
энергий пучков протонов большой мощности.
Рис.8. Блок ВЧ-квадруполей для ускорителя прото-
нов среднего диапазона энергий в структуре двухза-
зорных резонаторов CCDTL (coupled-cavity drift
tube linac)
ЛИТЕРАТУРА
1. Ya.B.Fainberg. Alternating phase focusing. Proc of
Intern. Symposium on High Energy Accelerators
and Pion Physics. Geneva: CERN, 1956, v.1, p.91.
2. И.М.Капчинский, В.А.Тепляков. // ПТЭ. 1970,
№2, с.19.
3. В.В.Владимирский. ПТЭ. 1956, №3, с.35.
4. П.М.Анисимов, В.А.Тепляков. // ПТЭ. 1963, №1,
с.21.
5. В.А.Тепляков. Использование высокочастотной
квадрупольной фокусировки в линейных уско-
рителях ионов. // Труды 2 Всесоюзного совеща-
ния по ускорителям заряженных частиц. Том 2.
М.: Наука, 1972, с.7-11.
6. В.В.Кушин. О повышении эффективности фазо-
во-переменной фокусировки в линейных уско-
рителях. // Атом. Энергия. 1970, № 29, вып.2,
с.123-124.
7. В.Г.Папкович, Н.А.Хижняк, Н.Г.Шулика. Пере-
менно-фазовая фокусировка в линейном ускори-
теле. // Вопросы атомной науки и техники. Се-
рия: Техника физ. эксперимента. 1978, вып. 2
(2), с.51-56.
8. E.Nolte, G.Geschonke, K.Berdermann et al. The
Munich Heavy ion postaccelerator. Nuclear In-
strum. and Methods. 1979, 158, p.311-317.
9. В.А.Бомко, Ю.П.Мазалов, Ю.В.Мелешкова.
Переменно-фазовая фокусировка с плывущим
центром сгустка. // 15 Всесоюзное совещание по
ускорителям заряженных частиц. Протвино.
1997, т.2, с.50-53.
10.В.А. Бомко, З.Е. Птухина. Динамика частиц в
линейном ускорителе ионов на базе переменно-
фазовой фокусировки с плывущим центром
сгустка. // Доповіді НАН України. №10, 2001,
с.83-87.
11.V.A.Bomko, A.P. Kobets, B.V.Zaitzev et all. Parti-
cle dynamic in the ion linear accelerantor based on
alternation phase focusing with moving center of
the bunch. Proceeding of the eight European parti-
cle conference. EPAC 2002, Paris, France, p.870-
872.
12.V.A.Bomko, Yu.P.Mazalov, Yu.V.Meleshkova, et
all. Prestriping section of the MILAC accelerator
based on the principle of alternating – phase focu-
cusing. // Вопросы атомной науки и техники.
Серия: Ядерно-физические исследования, (34),
с.11-13.
13.N.Holtkamp for the SNS Collaboration. The SNS
Linac and storage ring: challenges and progress to-
wards meeting them. Proceeding of EPAC 2002,
Paris, France. p.164-168.
|