Численное моделирование сильноточного ионного линейного индукционного ускорителя с инжекцией дополнительных электронных пучков

Представлены результаты 2d3v-численного моделирования методом макрочастиц транспортировки и ускорения сильноточного трубчатого ионного пучка в шести магнитоизолированных промежутках. Зарядовая и токовая компенсации осуществляются сопровождающим электронным пучком, а также дополнительно инжектируемым...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
Hauptverfasser:	Богдан, О.В., Карась, В.И., Корнилов, Е.А., Мануйленко, О.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russisch
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2010
Schlagworte:	Новые методы ускорения, сильноточные пучки
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15699
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 сильноточного ионного линейного индукционного ускорителя с инжекцией дополнительных электронных пучков / О.В. Богдан, В.И. Карась, Е.А. Корнилов, О.В. Мануйленко // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 2. — С. 106-110. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859934045876518912
author	Богдан, О.В. Карась, В.И. Корнилов, Е.А. Мануйленко, О.В.
author_facet	Богдан, О.В. Карась, В.И. Корнилов, Е.А. Мануйленко, О.В.
citation_txt	Численное моделирование сильноточного ионного линейного индукционного ускорителя с инжекцией дополнительных электронных пучков / О.В. Богдан, В.И. Карась, Е.А. Корнилов, О.В. Мануйленко // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 2. — С. 106-110. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
collection	DSpace DC
description	Представлены результаты 2d3v-численного моделирования методом макрочастиц транспортировки и ускорения сильноточного трубчатого ионного пучка в шести магнитоизолированных промежутках. Зарядовая и токовая компенсации осуществляются сопровождающим электронным пучком, а также дополнительно инжектируемыми электронными пучками. Ускоряющее электрическое поле приложено к первому, третьему и пятому каспам. Его величина такова, что начальная кинетическая энергия компенсирующих электронных пучков немного выше потенциального барьера ускоряющего поля в каждом каспе, что позволяет электронному пучку преодолеть ускоряющий потенциал в одном каспе. Второй, четвертый и шестой каспы, в которых ускоряющее поле отсутствует, используются для инжекции дополнительных компенсирующих электронных пучков, которые заменяют “отработавший” на предыдущем ускорительном промежутке электронный пучок. При моделировании численно решались полные уравнения Максвелла и релятивистские уравнения движения заряженных частиц. Для вычисления плотностей тока на сетке использована сохраняющая заряд схема. Продемонстрирована возможность транспортировки и ускорения сильноточного трубчатого ионного пучка в шести каспах. Показано, что функция распределения сильноточного ионного пучка на выходе ускорителя существенно улучшается благодаря оптимизации параметров инжектируемых дополнительных электронных пучков. Представлено результати 2d3v-моделювання методом макрочастинок транспортування та прискорення сильнострумового трубчастого іонного пучка у шести магнітоізольованих проміжках. Зарядова й струмова компенсації здійснюються супроводжуючим електронним пучком, а також додатково інжектованими електронними пучками. Прискорююче електричне поле прикладене до першого, третього та п’ятого каспів. Його величина така, що початкова кінетична енергія компенсуючих електронних пучків дещо вище ніж потенціальний бар’єр прискорюючого поля у кожному каспі, що дозволяє електронному пучку подолати прискорюючий потенціал в одному каспі. Другий, четвертий та шостий каспи, в яких прискорююче поле відсутнє, використовуються для інжекції додаткових компенсуючих електронних пучків, що замінюють “відпрацьований” на попередньому прискорюючому проміжку електронний пучок. При чисельному моделюванні розв’язувались повні рівняння Максвела та релятивістські рівняння руху заряджених частинок. Для обчислення густин заряду та струму на сітці застосована схема, що зберігає заряд. Продемонстрована можливість транспортування та прискорення сильнострумового трубчастого іонного пучка у шести каспах. Показано, що функція розподілу сильнострумового іонного пучка на виході прискорювача суттєво покращується завдяки оптимізації параметрів інжектованих додаткових електронних пучків. The 2d3v particle-in-cell simulations of the transportation and acceleration of a high-current tubular ion beam through six magnetoinsulated accelerating gaps are presented. Charge and current compensations are carried out by an accompanying electron beam, and also by additionally injected electron beams. The accelerating electric field is enclosed to the first, third and fifth cusps. Its magnitudes are those, that initial kinetic energy of compensating electron beams is little bit higher than a potential barrier of an accelerating field in each cusp, that allows an electron beam to overcome accelerating potential in one cusp. The second, fourth and sixth cusps in which the accelerating field is absent, are used for injection of additional compensating electron beams which replace the electron beam which has "worked-out" on the previous accelerating gap. The simulations involve solving a complete set of Maxwell’s equations with charge-conserving scheme for calculating the current density on a mesh, and relativistic motion equations for charged particles. The possibility of transporting and acceleration of a high-current tubular ion beam in six cusps is shown. It is shown, that distribution function of a high-current ion beam on an output of the accelerator essentially improves due to optimization of parameters of additionally injected electron beams.
first_indexed	2025-12-07T16:09:00Z
format	Article
fulltext	____________________________________________________________ PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2010. № 2. Series: Nuclear Physics Investigations (53), p.106-110. 106 УДК 533.9 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИЛЬНОТОЧНОГО ИОННОГО ЛИНЕЙНОГО ИНДУКЦИОННОГО УСКОРИТЕЛЯ С ИНЖЕКЦИЕЙ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ О.В. Богдан, В.И. Карась, Е.А. Корнилов, О.В. Мануйленко1 Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина 1E-mail: ovm@kipt.kharkov.ua Представлены результаты 2d3v-численного моделирования методом макрочастиц транспортировки и ус- корения сильноточного трубчатого ионного пучка в шести магнитоизолированных промежутках. Зарядовая и токовая компенсации осуществляются сопровождающим электронным пучком, а также дополнительно инжектируемыми электронными пучками. Ускоряющее электрическое поле приложено к первому, третьему и пятому каспам. Его величина такова, что начальная кинетическая энергия компенсирующих электронных пучков немного выше потенциального барьера ускоряющего поля в каждом каспе, что позволяет электрон- ному пучку преодолеть ускоряющий потенциал в одном каспе. Второй, четвертый и шестой каспы, в кото- рых ускоряющее поле отсутствует, используются для инжекции дополнительных компенсирующих элек- тронных пучков, которые заменяют “отработавший” на предыдущем ускорительном промежутке электрон- ный пучок. При моделировании численно решались полные уравнения Максвелла и релятивистские уравне- ния движения заряженных частиц. Для вычисления плотностей тока на сетке использована сохраняющая заряд схема. Продемонстрирована возможность транспортировки и ускорения сильноточного трубчатого ионного пучка в шести каспах. Показано, что функция распределения сильноточного ионного пучка на вы- ходе ускорителя существенно улучшается благодаря оптимизации параметров инжектируемых дополни- тельных электронных пучков. 1. ВВЕДЕНИЕ Одним из перспективных методов получения сильноточного ионного пучка (СИП) для инерци- ального термоядерного синтеза (ИТС) является ис- пользование линейных индукционных ускорителей (ЛИУ). Вакуумные варианты ЛИУ рассмотрены в [1-3]. При этом одновременно ускоряются от 16 до 120 пучков ионов, поперечная фокусировка которых осуществляется квадрупольными линзами. С ростом энергии число ускоряемых пучков уменьшается за счет сведения нескольких ионных пучков в один. Конечная энергия ионов должна достигать величи- ны 10 ГэВ с энергосодержанием порядка 10 МДж при длительности импульса в несколько десятков наносекунд. Достоинствами такого подхода, по сравнению с использованием линейных резонанс- ных ускорителей, является то, что ЛИУ может рабо- тать при большой частоте импульсов, ускорять с высоким КПД (более 30%, [3]), сильноточные пучки практически любых ионов, а также просто и естест- венно осуществлять временное сжатие токового импульса в процессе ускорения, что позволяет уст- ранить операции, связанные со значительным (на несколько порядков величины) увеличением его тока за счет компрессионных колец. Альтернативой вакуумным вариантам ЛИУ яв- ляется ускоритель, в котором используются коллек- тивные методы фокусировки. В таком ЛИУ силы пространственного заряда ионного пучка скомпен- сированы электронами [2,4,5], а электронный ток подавлен магнитной изоляцией ускоряющих про- межутков [6]. Ускоряемый ток ионов в таком ЛИУ, при обеспечении зарядовой и токовой компенсаций СИП в магнитоизолированном ускоряющем зазоре, может составлять десятки килоампер, что позволяет, для проблемы ИТС, понизить конечную энергию ионов до нескольких сотен мегаэлектронвольт при сохранении требуемого энергосодержания пучков на мишени [2]. При этом отпадает необходимость в сооружении накопительных комплексов и в много- ступенчатом сжатии токового импульса ионов. Так как такой ускоритель является аксиально- симметричным, то известный механизм транспорти- ровки компенсированного ионного пучка (КИП) через магнитный барьер [7] не реализуется, так как не может возникнуть азимутальное поляризацион- ное электрическое поле. Механизм зарядовой и то- ковой компенсаций СИП с помощью электронного пучка в осесимметричном ускоряющем промежутке исследован в [6,8-10], где изучены динамика элек- тронов и ионов в магнитном поле касповой геомет- рии при наличии постоянного внешнего ускоряю- щего поля в одночастичном приближении, а также влияние собственных электрических и магнитных полей электронного и ионного пучков на магнитную изоляцию и их прохождения через касп. В [11, 12] продемонстрирована возможность транспортировки и ускорения КИП в пяти каспах, показано, что функция распределения СИП на выходе ускорителя улучшается с ростом энергии сопровождающего компенсирующего электронного пучка, а также по- казано, что инжекция дополнительных сильноточ- ных электронных пучков в каспы приводит к увели- чению моноэнергетичности ускоряемого СИП и к уменьшению его расходимости. В [13] показано, что при небольшом темпе ускорения, когда кинетиче- ская энергия компенсирующего электронного пучка больше потенциального барьера ускоряющего поля, качество функции распределения СИП на выходе 107 ускорителя практически не ухудшается по сравне- нию со случаем транспортировки. В [14] изучено ускорение КИП в шести магнитоизолированных ускоряющих промежутках. Показано, что оптими- зированная в пространстве и времени инжекция до- полнительных сильноточных электронных пучков в каспы приводит к увеличению монохроматичности и уменьшению расходимости ускоряемого СИП. В данной работе представлены результаты 2d3v моделирования методом макрочастиц (описание кода – см. [11,12]) транспортировки и ускорения СИП в шести магнитоизолированных промежутках. Ускоряющее электрическое поле приложено к пер- вому, третьему и пятому каспам. Второй, четвертый и шестой каспы используются для инжекции допол- нительных компенсирующих электронных пучков, которые заменяют “отработавший” на предыдущем ускорительном промежутке электронный пучок. Продемонстрирована возможность транспортировки и ускорения трубчатого СИП в шести каспах. Пока- зано, что инжекция дополнительных электронных пучков с оптимальными параметрами позволяет существенно улучшить функцию распределения ионного пучка на выходе ускорителя. 2. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ На Рис.1 приведено осевое сечение одного каспа моделируемой ускоряющей структуры, конфигура- ция внешнего магнитного поля и области инжекции пучков. Длина одного каспа =Lz 5 см, радиус =Lr 10 см, первая треть системы – дрейфовое про- странство, вторая треть – ускорительный промежу- ток длиной accL (для первого, третьего и пятого каспов), или область, в которой нет ускоряющего поля, и в правой части которой инжектируется до- полнительный компенсирующий электронный пу- чок (для второго, четвертого и шестого каспов), по- следняя треть – дрейфовое пространство. Рис.1. Конфигурация силовых линий внешнего маг- нитного поля, области инжекции трубчатых элек- тронного и ионного пучков и дополнительного электронного пучка в расчетную область Ускоряющее электрическое поле, приложенное в первом, третьем и пятом каспах, таково, что началь- ная кинетическая энергия компенсирующих элек- тронных пучков e0ε немного выше потенциального барьера ускоряющего поля в каждом каспе − ,e z acc 0eq E L 0 9 ε= ⋅ , что позволяет электронному пучку преодолеть ускоряющий потенциал в одном каспе, не нагружая ионный пучок. Слева в систему непрерывно инжектируются трубчатые замагниченный электрон- ный и незамагниченный ионный пучки. Минималь- ный и максимальный радиусы пучков одинаковы: =minr 2,75 см, =maxr 3,46 см, плотности тока в мо- мент инжекции равны, плотность электронного пучка =0en 4,2·1012 см-3, скорость инжекции электронного пучка =0ev 0,95·с, начальная скорость ионного пучка (протоны) =0iv 0,285·с, амплитуда внешнего магнит- ного поля =0H 7,85 кГс. Для моделирования шести- касповой системы, следующие каспы присоединяют- ся справа с соответствующей инверсией внешнего магнитного поля. Внешние границы системы − иде- ально проводящий металл. Частицы, попавшие на металл удаляются из моделирования. На Рис.2 представлены результаты моделирова- ния транспортировки и ускорения сильноточного КИП в шести каспах. Распределения электронов в {r,z}-пространстве приведены на Рис.2,а,б. На Рис.2,в,г показаны соответствующие им распределе- ния ионов. На Рис.2,д,е изображены, с помощью ли- ний уровня, функции распределения ионов на правой границе шестого каспа ( )rFi ,ε в зависимости от энер- гии ε и поперечной координаты r . а б в г д е Рис.2. Транспортировка (а,в,д) и ускорение (б,г,е) сильноточного КИП в шести каспах. (а,б) – распре- деление электронов, (в,г) – распределение ионов в { }zr, -пространстве, r - поперечная координата, z - продольная координата. (д,е) - функции распреде- ления ионов на правой границе шестого каспа в за- висимости от энергии и поперечной координаты Из Рис.2,а,б видно, что электроны сопровождают ионный пучок, дрейфуя в самосогласованных и внешних полях. В центре каждого каспа часть элек- тронов пучка теряется, что приводит к слабой недо- компенсации объемного заряда ионного пучка и к его уширению (см. Рис.2,в,г). При ускорении (см. Рис.2,б,г,е), начальной кинетической энергии элек- тронного пучка достаточно, чтобы преодолеть уско- ряющий потенциал только в одном каспе. Поэтому, начиная со второго ускорительного каспа (третий касп в моделировании), электронный пучок подгру- жает ускоряемый ионный пучок, что отражается на его динамике в { }zr, -пространстве (см. Рис.2,г). Из 108 Рис.2,д,е видно, что в обоих случаях СИП после про- хождения шести каспов является слаборасходящимся и практически монохроматичным по энергиям, с энергиями на выходе 40,6 МэВ (см. Рис.2,д), что со- ответствует энергии инжекции, и 43,6 МэВ (см. Рис.2,е), что соответствует ускорению в трех каспах. а б в г д е Рис.3. Ускорение сильноточного КИП в шести кас- пах с оптимизированной во времени и пространстве инжекцией дополнительных электронных пучков во втором, четвертом и шестом каспах. (а,б) – рас- пределение электронов, (в,г) – распределение ионов в {r,z}-пространстве. (д,е) − функции распределения ионов на правой границе шестого каспа в зависимо- сти от энергии и поперечной координаты На Рис.3 приведены результаты моделирования ускорения СИП в шести каспах с оптимизированной во времени и пространстве инжекцией дополни- тельных электронных пучков во втором, четвертом и шестом каспах. Оптимизация в пространстве про- ведена подбором места расположения инжекторов и их длины таким образом, чтобы инжектируемый электронный пучок “оборачивал” ускоряемый ион- ный на выходе из каспа, в котором инжектируется электронный пучок. Оптимизация во времени про- ведена подбором момента старта инжекции допол- нительных электронных пучков таким образом, что- бы в момент прихода ионного пучка на правую гра- ницу каспа, в котором инжектируется электронный пучок, эти два пучка встретились. Рис.3,а,в,д соот- ветствует плотности дополнительно инжектируемых пучков =add en 4,2·1012 см-3, а Рис.3,б,г,е − =add en 8,4·1013 см-3, начальные скорости инжекции в обоих вариантах одинаковы − add eV =0,95c. Распре- деления электронов в {r,z}-пространстве приведены на Рис.3,а,б. На Рис.3,в,г показаны соответствующие им распределения ионов. На Рис.3,д,е изображены функции распределения ионов ( )rFi ,ε на правой границе шестого каспа. Из Рис.3,а,б видно, что элек- троны, инжектируемые слева в первый касп, сопро- вождают ионный пучок, дрейфуя в самосогласован- ных и внешних полях. Дополнительно инжектируе- мые электроны не вытесняют полностью инжекти- руемый слева в первый касп электронный пучок. Из Рис.3,д,е видно, что в обоих случаях СИП после прохождения шести каспов является слаборасходя- щимся и практически монохроматичным по энерги- ям, с энергиями на выходе 43.6 МэВ, что соответст- вует сумме ускоряющих потенциалов в трех каспах. а б в) г) д е Рис.4. Ускорение сильноточного КИП в шести кас- пах с оптимизированной во времени и пространстве инжекцией дополнительных электронных пучков во втором, четвертом и шестом каспах. (а,б) – рас- пределение электронов, (в,г) – распределение ионов в {r,z}-пространстве. (д,е) − функции распределения ионов на правой границе шестого каспа в зависимо- сти от энергии и поперечной координаты На Рис.4 приведены результаты моделирования ускорения СИП в шести каспах с оптимизированной во времени и пространстве инжекцией дополнитель- ных электронных пучков во втором, четвертом и шестом каспах. Темп ускорения в первом, третьем и пятом каспах такой же, как и при моделировании, представленном на Рис.3. Рис.4,а,в,д соответствует плотности дополнительно инжектируемых пучков =add en 8,4·1014 см-3, а Рис.4,б,г,е =add en 2,1·1015 см-3, начальные скорости инжекции add eV =0,95c. Распре- деления электронов в {r,z}-пространстве приведены на Рис.4,а,б. На Рис.4,в,г показаны соответствующие распределения ионов. На Рис.4,д,е изображены функ- ции распределения ионов ( )rFi ,ε на правой границе шестого каспа. Из Рис.4,а,б видно, что электроны, инжектируемые слева в первый касп, сопровождают ионный пучок в шести каспах. Однако плотность это- го электронного пучка значительно ниже, чем в мо- делировании, представленном на Рис.3. Из Рис.4,д,е видно, что в обоих случаях СИП, после прохождения шести каспов, является слаборасходящимся и моно- хроматичным по энергиям, с энергиями на выходе 43.6 МэВ. На Рис.5 приведено распределение дополнительно инжектируемых электронных пучков в {r,z}-простран- стве на временах, соответствующих 4 временам проле- та ионов через шесть каспов, а на Рис.6 – плотности дополнительно инжектируемых электронных пучков как функции {r,z} с помощью линий уровня. 109 Рис.5,а,в,д и 6,а,в,д соответствуют плотности допол- нительно инжектируемых пучков add en = 8,4·1014 см-3, а Рис.5,б,г,е и 6,б,г,е − =add en 2,1·1015 cм-3. а б в г д е Рис.5. Распределение дополнительно инжектируемых электронных пучков в {r,z}-пространстве. (а,б) – электроны, инжектируемые во второй касп; (в,г) – электроны, инжектируемые в четвертый касп; (д,е) – электроны, инжектируемые в шестой касп а б в г д е Рис.6. Плотности дополнительно инжектируемых электронных пучков как функции {r,z}. (а,б) – элек- троны, инжектируемые во второй касп; (в,г) – электроны, инжектируемые в четвертый касп; (д,е) – электроны, инжектируемые в шестой касп Из Рис.5,а,б и Рис.6,а,б видно, что максимальная плотность дополнительно инжектируемых электронов во второй касп достигается в правой половине второго каспа и в левой половине третьего каспа. Из Рис.5,в,г и Рис.6,в,г видно, что максимальная плотность дополни- тельно инжектируемых электронов в четвертый касп достигается в правой половине четвертого каспа и в левой половине пятого каспа. И, наконец, из Рис.5,д,е и Рис.6,д,е видно, что максимальная плотность допол- нительно инжектируемых электронов в шестой касп достигается в правой половине шестого каспа. Плот- ности дополнительных пучков в областях, где они дос- тигают максимума, сравнимы с начальной плотностью сопровождающего электронного пучка 0en . Таким образом, дополнительно инжектируемые во второй касп электроны заменяют инжектируемый слева в первый касп “отработавший” электронный пучок, ко- торый преодолел ускоряющий потенциал в первом каспе и при дальнейшем сопровождении СИП только “подгружает” последний. В свою очередь, электроны, инжектируемые в четвертый касп, вытесняют “отрабо- тавший” электронный пучок, инжектируемый во вто- рой касп, и, наконец, электронный пучок, инжекти- руемый в шестой касп, заменяет “отработавший” элек- тронный пучок, инжектируемый в четвертый касп. Отметим, однако, что достичь полной замены “отрабо- тавшего” электронного пучка новым не удается. ВЫВОДЫ Приведены результаты 2d3v-моделирования ме- тодом макрочастиц транспортировки и ускорения СИП в шести магнитоизолированных промежутках. Зарядовая и токовая компенсации осуществляются сопровождающим электронным пучком, а также дополнительно инжектируемыми электронными пучками. Ускоряющее электрическое поле прило- жено к первому, третьему и пятому каспам. Его ве- личина такова, что начальная кинетическая энергия электронных пучков немного выше потенциального барьера ускоряющего поля в каждом каспе, что по- зволяет электронному пучку преодолеть ускоряю- ший потенциал в одном каспе, не нагружая СИП. Второй, четвертый и шестой каспы используются для инжекции дополнительных компенсирующих электронных пучков, которые заменяют “отрабо- тавший” на предыдущем ускоряющем промежутке электронный пучок. Продемонстрирована возмож- ность транспортировки и ускорения КИП в шести каспах. Показано, что функция распределения СИП на выходе ускорителя не ухудшается по сравнению со случаем транспортировки. Инжекция оптимизи- рованных по пространству, времени и плотности электронных пучков в каспы, приводит к увеличе- нию моноэнергетичности ускоренного СИП и уменьшению его расходимости. ЛИТЕРАТУРА 1. Ядерный синтез с инерционным удержанием. Современное состояние и перспективы для энер- гетики / Под редакцией Б.Ю. Шаркова. М.: “Физматлит”, 2005, с.263. 2. О.В. Батищев, В.И. Голота, В.И. Карась и др. Линейный индукционный ускоритель зарядово- компенсированных ионных пучков для инерци- ального УТС // Физика плазмы. 1993, т.19, №5, с.611. 3. S.S. Yu, W.R. Meier, R.P. Abbott, et al. An Updated Point Design for Heavy Ion Fusion: Lawrence Liv- ermore National Laboratory preprint. UCRL-JC- 150169-REV-1, 2002, p.10. 4. V.I. Karas’, V.A. Kiyashko, E.A. Kornilov, Ya.B. Fainberg. Theoretical and experimental inves- tigations of neutralized ion induction linac for iner- tial confinement fusion // NIM. 1989, v.A278, № 1, p.245. 110 5. В.И. Карась, Е.А. Корнилов, Я.Б. Файнберг. Ли- нейный индукционный ускоритель зарядово- компенсированных ионных пучков для инерци- ального УТС // Вопросы атомной науки и техни- ки. Сер. «Плазменная электроника и новые ме- тоды ускорения». 1998, № 1(1), с.101. 6. В.И. Карась, В.В. Мухин, В.Е. Новиков, А.М. На- бока. Об ускорении компенсированного ионного пучка в системах с магнитной изоляцией // Физи- ка плазмы. 1987, т.13, № 4, с.494. 7. W. Peter, N. Rostoker. Theory of plasma injection into a magnetic field // Physics of Fluids. 1982, v.25, №4, p.730. 8. Н.Г. Белова, В.И. Карась, Ю.С. Сигов. Численное моделирование динамики пучков заряженных частиц в аксиально-симметричном неоднород- ном магнитном поле // Физика плазмы. 1990, т.16, №2, с.209. 9. Н.Г. Белова, В.И. Карась. Оптимизация ускоре- ния и зарядовой компенсации сильноточного ионного пучка в двух ускоряющих зазорах ли- нейного индукционного ускорителя // Физика плазмы. 1995, т.21, №12, с.1065. 10. В.И. Карась, Н.Г. Белова. Ускорение и устойчи- вость сильноточного ионного пучка в двух уско- ряющих промежутках индукционного линейного ускорителя // Физика плазмы. 1997, т.23, № 4, с.355. 11. О.В. Богдан, В.И. Карась, Е.А. Корнилов, О.В. Мануйленко. 2.5-мерное численное модели- рование сильноточного ионного линейного ин- дукционного ускорителя // Problems of Atomic Science and Technology. Ser. «Nuclear Physics Investigations». 2008, № 3(49), p.34. 12. О.В. Богдан, В.И. Карась, Е.А. Корнилов, О.В. Мануйленко. 2.5-мерное численное модели- рование сильноточного ионного линейного ин- дукционного ускорителя // Физика плазмы. 2008, т.34, №8, с.725. 13. О.В. Богдан, В.И. Карась, Е.А. Корнилов, О.В. Мануйленко. Численное моделирование сильноточного ионного линейного индукционно- го ускорителя методом макрочастиц // Вопросы атомной науки и техники. Сер. «Плазменная электроника и новые методы ускорения». 2008, №4(6), с.83. 14. O.V. Bogdan, V.I. Karas’, E.A. Kornilov, O.V. Manuilenko. High-current Ion Induction Linac for Heavy Ion Fusion: 2D3V Numerical Simulation // Problems of Atomic Science and Technology. Ser. «Plasma Physics». 2008, № 12(14), p.110. Статья поступила в редакцию 06.10.2009 г. NUMERICAL SIMULATION OF HIGH-CURRENT ION LINEAR INDUCTION ACCELERATOR WITH ADDITIONAL ELECTRON BEAM INJECTION O.V. Bogdan, V.I. Karas, E.A. Kornilov, О.V. Manuilenko The 2d3v particle-in-cell simulations of the transportation and acceleration of a high-current tubular ion beam through six magnetoinsulated accelerating gaps are presented. Charge and current compensations are carried out by an accompanying electron beam, and also by additionally injected electron beams. The accelerating electric field is enclosed to the first, third and fifth cusps. Its magnitudes are those, that initial kinetic energy of compensating elec- tron beams is little bit higher than a potential barrier of an accelerating field in each cusp, that allows an electron beam to overcome accelerating potential in one cusp. The second, fourth and sixth cusps in which the accelerating field is absent, are used for injection of additional compensating electron beams which replace the electron beam which has "worked-out" on the previous accelerating gap. The simulations involve solving a complete set of Max- well’s equations with charge-conserving scheme for calculating the current density on a mesh, and relativistic mo- tion equations for charged particles. The possibility of transporting and acceleration of a high-current tubular ion beam in six cusps is shown. It is shown, that distribution function of a high-current ion beam on an output of the accelerator essentially improves due to optimization of parameters of additionally injected electron beams. ЧИСЕЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ СИЛЬНОСТРУМОВОГО ІОННОГО ЛІНІЙНОГО ІНДУКЦІЙНОГО ПРИСКОРЮВАЧА З ІНЖЕКЦІЄЮ ДОДАТКОВИХ ЕЛЕКТРОННИХ ПУЧКІВ О.В. Богдан, В.І. Карась, Є.О. Корнилов, О.В. Мануйленко Представлено результати 2d3v-моделювання методом макрочастинок транспортування та прискорення сильнострумового трубчастого іонного пучка у шести магнітоізольованих проміжках. Зарядова й струмова компенсації здійснюються супроводжуючим електронним пучком, а також додатково інжектованими елект- ронними пучками. Прискорююче електричне поле прикладене до першого, третього та п’ятого каспів. Його величина така, що початкова кінетична енергія компенсуючих електронних пучків дещо вище ніж потенціа- льний бар’єр прискорюючого поля у кожному каспі, що дозволяє електронному пучку подолати прискорю- ючий потенціал в одному каспі. Другий, четвертий та шостий каспи, в яких прискорююче поле відсутнє, використовуються для інжекції додаткових компенсуючих електронних пучків, що замінюють “відпрацьо- ваний” на попередньому прискорюючому проміжку електронний пучок. При чисельному моделюванні розв’язувались повні рівняння Максвела та релятивістські рівняння руху заряджених частинок. Для обчис- лення густин заряду та струму на сітці застосована схема, що зберігає заряд. Продемонстрована можливість транспортування та прискорення сильнострумового трубчастого іонного пучка у шести каспах. Показано, що функція розподілу сильнострумового іонного пучка на виході прискорювача суттєво покращується за- вдяки оптимізації параметрів інжектованих додаткових електронних пучків.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-15699
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1562-6016
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T16:09:00Z
publishDate	2010
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format	dspace
spelling	Богдан, О.В. Карась, В.И. Корнилов, Е.А. Мануйленко, О.В. 2011-01-31T15:45:49Z 2011-01-31T15:45:49Z 2010 Численное моделирование сильноточного ионного линейного индукционного ускорителя с инжекцией дополнительных электронных пучков / О.В. Богдан, В.И. Карась, Е.А. Корнилов, О.В. Мануйленко // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 2. — С. 106-110. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15699 533.9 Представлены результаты 2d3v-численного моделирования методом макрочастиц транспортировки и ускорения сильноточного трубчатого ионного пучка в шести магнитоизолированных промежутках. Зарядовая и токовая компенсации осуществляются сопровождающим электронным пучком, а также дополнительно инжектируемыми электронными пучками. Ускоряющее электрическое поле приложено к первому, третьему и пятому каспам. Его величина такова, что начальная кинетическая энергия компенсирующих электронных пучков немного выше потенциального барьера ускоряющего поля в каждом каспе, что позволяет электронному пучку преодолеть ускоряющий потенциал в одном каспе. Второй, четвертый и шестой каспы, в которых ускоряющее поле отсутствует, используются для инжекции дополнительных компенсирующих электронных пучков, которые заменяют “отработавший” на предыдущем ускорительном промежутке электронный пучок. При моделировании численно решались полные уравнения Максвелла и релятивистские уравнения движения заряженных частиц. Для вычисления плотностей тока на сетке использована сохраняющая заряд схема. Продемонстрирована возможность транспортировки и ускорения сильноточного трубчатого ионного пучка в шести каспах. Показано, что функция распределения сильноточного ионного пучка на выходе ускорителя существенно улучшается благодаря оптимизации параметров инжектируемых дополнительных электронных пучков. Представлено результати 2d3v-моделювання методом макрочастинок транспортування та прискорення сильнострумового трубчастого іонного пучка у шести магнітоізольованих проміжках. Зарядова й струмова компенсації здійснюються супроводжуючим електронним пучком, а також додатково інжектованими електронними пучками. Прискорююче електричне поле прикладене до першого, третього та п’ятого каспів. Його величина така, що початкова кінетична енергія компенсуючих електронних пучків дещо вище ніж потенціальний бар’єр прискорюючого поля у кожному каспі, що дозволяє електронному пучку подолати прискорюючий потенціал в одному каспі. Другий, четвертий та шостий каспи, в яких прискорююче поле відсутнє, використовуються для інжекції додаткових компенсуючих електронних пучків, що замінюють “відпрацьований” на попередньому прискорюючому проміжку електронний пучок. При чисельному моделюванні розв’язувались повні рівняння Максвела та релятивістські рівняння руху заряджених частинок. Для обчислення густин заряду та струму на сітці застосована схема, що зберігає заряд. Продемонстрована можливість транспортування та прискорення сильнострумового трубчастого іонного пучка у шести каспах. Показано, що функція розподілу сильнострумового іонного пучка на виході прискорювача суттєво покращується завдяки оптимізації параметрів інжектованих додаткових електронних пучків. The 2d3v particle-in-cell simulations of the transportation and acceleration of a high-current tubular ion beam through six magnetoinsulated accelerating gaps are presented. Charge and current compensations are carried out by an accompanying electron beam, and also by additionally injected electron beams. The accelerating electric field is enclosed to the first, third and fifth cusps. Its magnitudes are those, that initial kinetic energy of compensating electron beams is little bit higher than a potential barrier of an accelerating field in each cusp, that allows an electron beam to overcome accelerating potential in one cusp. The second, fourth and sixth cusps in which the accelerating field is absent, are used for injection of additional compensating electron beams which replace the electron beam which has "worked-out" on the previous accelerating gap. The simulations involve solving a complete set of Maxwell’s equations with charge-conserving scheme for calculating the current density on a mesh, and relativistic motion equations for charged particles. The possibility of transporting and acceleration of a high-current tubular ion beam in six cusps is shown. It is shown, that distribution function of a high-current ion beam on an output of the accelerator essentially improves due to optimization of parameters of additionally injected electron beams. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Новые методы ускорения, сильноточные пучки Численное моделирование сильноточного ионного линейного индукционного ускорителя с инжекцией дополнительных электронных пучков Чисельне моделювання сильнострумового іонного лінійного індукційного прискорювача з інжекцією додаткових електронних пучків Numerical simulation of high-current ion linear induction accelerator with additional electron beam injection Article published earlier
spellingShingle	Численное моделирование сильноточного ионного линейного индукционного ускорителя с инжекцией дополнительных электронных пучков Богдан, О.В. Карась, В.И. Корнилов, Е.А. Мануйленко, О.В. Новые методы ускорения, сильноточные пучки
title	Численное моделирование сильноточного ионного линейного индукционного ускорителя с инжекцией дополнительных электронных пучков
title_alt	Чисельне моделювання сильнострумового іонного лінійного індукційного прискорювача з інжекцією додаткових електронних пучків Numerical simulation of high-current ion linear induction accelerator with additional electron beam injection
title_full	Численное моделирование сильноточного ионного линейного индукционного ускорителя с инжекцией дополнительных электронных пучков
title_fullStr	Численное моделирование сильноточного ионного линейного индукционного ускорителя с инжекцией дополнительных электронных пучков
title_full_unstemmed	Численное моделирование сильноточного ионного линейного индукционного ускорителя с инжекцией дополнительных электронных пучков
title_short	Численное моделирование сильноточного ионного линейного индукционного ускорителя с инжекцией дополнительных электронных пучков
title_sort	численное моделирование сильноточного ионного линейного индукционного ускорителя с инжекцией дополнительных электронных пучков
topic	Новые методы ускорения, сильноточные пучки
topic_facet	Новые методы ускорения, сильноточные пучки
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15699
work_keys_str_mv	AT bogdanov čislennoemodelirovaniesilʹnotočnogoionnogolineinogoindukcionnogouskoritelâsinžekcieidopolnitelʹnyhélektronnyhpučkov AT karasʹvi čislennoemodelirovaniesilʹnotočnogoionnogolineinogoindukcionnogouskoritelâsinžekcieidopolnitelʹnyhélektronnyhpučkov AT kornilovea čislennoemodelirovaniesilʹnotočnogoionnogolineinogoindukcionnogouskoritelâsinžekcieidopolnitelʹnyhélektronnyhpučkov AT manuilenkoov čislennoemodelirovaniesilʹnotočnogoionnogolineinogoindukcionnogouskoritelâsinžekcieidopolnitelʹnyhélektronnyhpučkov AT bogdanov čiselʹnemodelûvannâsilʹnostrumovogoíonnogolíníinogoíndukcíinogopriskorûvačazínžekcíêûdodatkovihelektronnihpučkív AT karasʹvi čiselʹnemodelûvannâsilʹnostrumovogoíonnogolíníinogoíndukcíinogopriskorûvačazínžekcíêûdodatkovihelektronnihpučkív AT kornilovea čiselʹnemodelûvannâsilʹnostrumovogoíonnogolíníinogoíndukcíinogopriskorûvačazínžekcíêûdodatkovihelektronnihpučkív AT manuilenkoov čiselʹnemodelûvannâsilʹnostrumovogoíonnogolíníinogoíndukcíinogopriskorûvačazínžekcíêûdodatkovihelektronnihpučkív AT bogdanov numericalsimulationofhighcurrentionlinearinductionacceleratorwithadditionalelectronbeaminjection AT karasʹvi numericalsimulationofhighcurrentionlinearinductionacceleratorwithadditionalelectronbeaminjection AT kornilovea numericalsimulationofhighcurrentionlinearinductionacceleratorwithadditionalelectronbeaminjection AT manuilenkoov numericalsimulationofhighcurrentionlinearinductionacceleratorwithadditionalelectronbeaminjection

Численное моделирование сильноточного ионного линейного индукционного ускорителя с инжекцией дополнительных электронных пучков

Institution

Ähnliche Einträge