Ускоряющая структура с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ) для ускорения пучков тяжелых ионов
Обсуждаются результаты оптимизационных расчетов ускоряющей структуры, обеспечивающей формирование и ускорение пучков тяжелых ионов на участке предобдирочной секции линейного ускорителя многозарядных ионов (ЛУМЗИ). Секция с ПОКФ рассчитывается на ускорение пучков тяжелых ионов интенсивностью 10 мА, о...
Saved in:
| Date: | 2010 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17007 |
| 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: | Ускоряющая структура с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ) для ускорения пучков тяжелых ионов / В.А. Бомко, Б.В. Зайцев, Е.В. Ивахно, А.Ф. Кобец, К.В. Павлий, З.Е. Птухина, С.С. Тишкин // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 3. — С. 26-30. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859939069367156736 |
|---|---|
| author | Бомко, В.А. Зайцев, Б.В. Ивахно, Е.В. Кобец, А.Ф. Павлий, К.В. Птухина, З.Е. Тишкин, С.С. |
| author_facet | Бомко, В.А. Зайцев, Б.В. Ивахно, Е.В. Кобец, А.Ф. Павлий, К.В. Птухина, З.Е. Тишкин, С.С. |
| citation_txt | Ускоряющая структура с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ) для ускорения пучков тяжелых ионов / В.А. Бомко, Б.В. Зайцев, Е.В. Ивахно, А.Ф. Кобец, К.В. Павлий, З.Е. Птухина, С.С. Тишкин // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 3. — С. 26-30. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Обсуждаются результаты оптимизационных расчетов ускоряющей структуры, обеспечивающей формирование и ускорение пучков тяжелых ионов на участке предобдирочной секции линейного ускорителя многозарядных ионов (ЛУМЗИ). Секция с ПОКФ рассчитывается на ускорение пучков тяжелых ионов интенсивностью 10 мА, отношением массового числа к зарядовому A/q≤20, энергией от 6 до 150 кэВ/нукл. Рабочая частота, как и в основной секции ускорителя, составляет 47,2 МГц. В основу расчетов положен вариант формирования сгустков пучка, представляющий собой комбинацию участка с адиабатическим характером изменения параметров пучка и участка с высоким темпом ускорения. Оптимизирован процесс роста коэффициента модуляции электродов высокочастотных квадруполей, создающих фокусирующее и ускоряющее поле, а также характер изменения величины синхронной фазы от -80 до -22°. Длина участка ускорения структуры с ПОКФ составляет 4,28 м, количество ячеек ускоряющей структуры 165, коэффициент захвата ионов в процесс ускорения составляет 75%.
Обговорюються результати оптимізованих розрахунків прискорювальної структури, що забезпечує формування й прискорення пучків важких іонів на ділянці предобдиркової секції лінійного прискорювача багатозарядних іонів. Секція з ПОКФ розраховується на прискорення пучків важких іонів інтенсивністю 10 мА, відношенням масового числа до зарядового A/q ≤ 20, енергії від 6 до 150 кеВ/нукл. Робоча частота, як і в основній секції прискорювача, становить 47,2 МГц. В основу розрахунків покладено варіант формування згустків пучка, що представляє собою комбінацію ділянки з адіабатичним характером зміни параметрів пучка й ділянки з високим темпом прискорення. Оптимізовано процес росту коефіцієнта модуляції електродів високочастотних квадруполів, що створюють фокусуюче й прискорювальне поле, а також характер зміни величини синхронної фази від -80 до -22°. Довжина ділянки прискорення структури з ПОКФ становить 4,28 м, кількість комірок прискорювальної структури 165, коефіцієнт захоплення іонів у процес прискорення становить 75%.
Results of the optimization calculations RFQ accelerating structure, provided forming and acceleration heavy ion beams on the beginning part of the Multicharged Linear Accelerator (MILAC) are discussion. Structure RFQ designed on the heavy ion beams current 10 mA with A/q ≤ 20. Ion energy change from 6 to 150 keV/u. Design frequency put together 47.2 MHz, that is equal frequency of the mine MILAC section. Version of the beam bunches forming which have been putting in calculation, is combination of the structure with adiabatic character beam parameter and of the structure with high duty factor acceleration. Process RFQ electrode modulation coefficient increasing and character changing of the synchronous phase from -80 to -22° have been optimized. Length RFQ-structure is 4.28 m and cells number is 165. Capture coefficient of the ions in accelerating process is 75%.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:10:37Z |
| format | Article |
| fulltext |
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2010. № 3.
Series: Nuclear Physics Investigations (54), p.26-30. 26
УДК 548.74: 539.12.04
УСКОРЯЮЩАЯ СТРУКТУРА С ПРОСТРАНСТВЕННО-
ОДНОРОДНОЙ КВАДРУПОЛЬНОЙ ФОКУСИРОВКОЙ (ПОКФ)
ДЛЯ УСКОРЕНИЯ ПУЧКОВ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ
В.А. Бомко, Б.В. Зайцев, Е.В. Ивахно, А.Ф. Кобец, К.В. Павлий,
З.Е. Птухина, С.С. Тишкин
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
Харьков, Украина
Обсуждаются результаты оптимизационных расчетов ускоряющей структуры, обеспечивающей форми-
рование и ускорение пучков тяжелых ионов на участке предобдирочной секции линейного ускорителя мно-
гозарядных ионов (ЛУМЗИ). Секция с ПОКФ рассчитывается на ускорение пучков тяжелых ионов интен-
сивностью 10 мА, отношением массового числа к зарядовому A/q≤20, энергией от 6 до 150 кэВ/нукл. Рабо-
чая частота, как и в основной секции ускорителя, составляет 47,2 МГц. В основу расчетов положен вариант
формирования сгустков пучка, представляющий собой комбинацию участка с адиабатическим характером
изменения параметров пучка и участка с высоким темпом ускорения. Оптимизирован процесс роста коэф-
фициента модуляции электродов высокочастотных квадруполей, создающих фокусирующее и ускоряющее
поле, а также характер изменения величины синхронной фазы от -80 до -22°. Длина участка ускорения
структуры с ПОКФ составляет 4,28 м, количество ячеек ускоряющей структуры 165, коэффициент захвата
ионов в процесс ускорения составляет 75%.
1. ВВЕДЕНИЕ
Ускоряющая структура с пространственно-
однородной квадрупольной фокусировкой берет
начало с 1970 года, когда И.М. Капчинский и
В.А. Тепляков опубликовали статью «Линейный
ускоритель ионов с пространственно-однородной
жесткой фокусировкой» [1]. Последовавшие за этим
новые публикации этих авторов [2,3,4] заложили
физические и технические основы создания линей-
ных ускорителей этого типа, обеспечивающих эф-
фективное формирование пучков ионов на началь-
ной стадии ускорения. Несколько позже, в Лос-
Аламосе (США) этот тип ускоряющей структуры
был всесторонне исследован, в результате чего к
1979 г. были созданы компьютерные программы по
моделированию геометрических характеристик и
динамики пучков в процессе ускорения, обеспечи-
вающие радиальную и продольную устойчивость
сгустков сильноточных пучков ускоряемых ионов
[5,6]. С тех пор в зарубежной литературе этот тип
ускоряющей структуры значится под названием
«Radio frequency quadrupole» (RFQ). В дальнейшем
ускоряющие структуры этого типа начали широко
внедряться в лабораториях, где имелись в наличии
или создавались новые линейные ускорители прото-
нов и тяжелых ионов. Такой успех был вызван не-
ординарными особенностями структуры ПОКФ,
основные из которых заключались в следующем:
1. Радиальная устойчивость пучка в процессе ус-
корения осуществлялась высокочастотными полями,
создающими пространственно-однородный фокуси-
рующий квадрупольный эффект вдоль канала струк-
туры. Поэтому фокусирующая сила не зависит от
скорости ионов. Это дает возможность значительно
снизить энергию инжекции и соответственно упро-
стить высоковольтное оборудование инжектора.
2. Модуляция полюсов электродов, обращенных к
оси, позволяет создать продольное электрическое по-
ле, обеспечивающее ускорение и группировку пучка.
3. Глубина модуляции и закон изменения син-
хронной фазы вдоль ускоряющей структуры меня-
ются таким образом, что обеспечивается ускорение
квазистационарных сгустков. Это позволяет захва-
тить в процесс ускорения сгустки с первоначальной
фазовой протяженностью 360° при начальной син-
хронной фазе -90°.
4. Ограничения тока ускоряемых частиц, связан-
ные с кулоновским расталкиванием, в квазистацио-
нарных сгустках практически отсутствуют. По мере
ускорения сгустки сжимаются по фазе, сохраняя
постоянные геометрические размеры. При этом со-
храняется средний ток пучка. Пиковый ток сгустка
при начальной энергии близок к среднему, так что
максимальное значение среднего тока, несмотря на
низкую энергию инжекции, оказывается высоким.
5. Применяемые модификации ускоряющих
структур для ПОКФ позволяют значительно увели-
чить рабочую длину волны, что, в свою очередь,
способствует увеличению предельного тока пучка,
величина которого пропорциональна квадрату дли-
ны волны. Фактор увеличения рабочей длины волны
особенно важен при создании линейных ускорите-
лей тяжелых ионов, учитывая, что скорость ионов с
большим отношением массового числа к зарядовому
сравнительно невелика.
Ниже приведены результаты разработки уско-
ряющей структуры типа ПОКФ применительно к
начальной части линейного ускорителя многозаряд-
ных ионов (ЛУМЗИ), рассчитываемой на значи-
тельное расширение диапазона масс и увеличение
тока пучков ускоряемых ионов с учетом особенно-
стей используемого оборудования.
2. ПРЕДОБДИРОЧНАЯ СЕКЦИЯ ЛУМЗИ
Линейный ускоритель многозарядных ионов по-
зволяет ускорять ионы с начальным отношением
массового числа к зарядовому A/q ≤ 15, энергией
инжекции от 30 кэВ/нукл. до 8,5 МэВ/нукл. При
этом инжектор представляет собой сложную систе-
му высоковольтного оборудования, работающего
под потенциалом до 500 кВ с длительностью им-
пульса 300 мкс и частотой посылок 2…5 Гц. Ионы,
получаемые из источника типа дуоплазмотрон с
током около 10 мА, формируются в пучки с требуе-
мыми радиальными характеристиками и подаются
на вход в предобдирочную секцию ЛУМЗИ, рассчи-
танную на ускорение от 30 до 975 кэВ/нукл. Эта
предобдирочная секция (ПОС-15), как и основная
секция ЛУМЗИ, сооружена на базе встречно-
штыревой ускоряющей структуры, позволяющей
применить высокочастотное питание с рабочей дли-
ной волны 6,36 м и отличается высокими электро-
динамическими характеристиками. Однако, в отли-
чие от основной секции, где фокусировка пучка
осуществляется магнитными квадруполями с им-
пульсной системой питания, ПОС-15 была сооруже-
на на базе сеточной фокусировки, которой, наряду с
наиболее высоким темпом ускорения, свойственны
потери пучка за счет малого угла захвата и за счет
рассеяния на сетках. Практически ток пучка, напри-
мер, ионов N+, на выходе ПОС-15 составляет
140 мкА в импульсе, поэтому на выходе основной
секции ток ионов N5+ составляет 30 мкА, или
1010 частиц за импульс.
27
В настоящее время осуществляется разработка
новой предобдирочной секции с увеличенным от-
ношением A/q = 20, что позволит ускорять ионы Ar2+,
Fe3+, Kr4+ и других элементов, отношение массового
числа к зарядовому которых находится в указанных
пределах. В основу начальной части ПОС-20 предпо-
лагается положить структуру ПОКФ (RFQ), которой
свойственны указанные выше преимущества.
3. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ
РАСЧЕТА СТРУКТУРЫ ПОКФ
Процесс адиабатического сжатия сгустков в ус-
коряющей структуре с ПОКФ выполняется при ус-
ловии, что соблюдается оптимальная процедура из-
менения глубины модуляции электродов (m), а так-
же величины синхронной фазы сгустков ( sϕ ) и апер-
турного канала (а). Эффективность ускорения Т
(фактор времени пролета) и фокусировки (χ), опре-
деляются из равенств:
2
2
0 0
0 0
2
0 0
( / 4)( 1) ,
[ ( ) ( )]
[ ( ) ( )]
,
[ ( ) ( )]
mT
m I ka I mka
I ka I mka
m I ka I mka
π
χ
−
=
+
+
=
+
(1)
где k = βλπ /2 ; cv /=β − относительная скорость
ионов; λ − рабочая длина волны. При этом:
πχ /)(41 0 kaIT−= . (2)
Геометрическая длина сепаратрисы составляет:
)(/ ssc vZ ϕω Φ⋅= , (3)
где −sv скорость синхронной частицы; ω − частота
ВЧ-колебаний; )( sϕΦ − фазовая протяженность се-
паратрисы. Отсюда следует, что, если уменьшать
синхронную фазу вдоль оси так, чтобы сохранялась
величина constvss =Φ )(ϕ , то геометрическая длина
сепаратрисы будет постоянной. С другой стороны,
условие обеспечивает сохран-
ность всех фазовых траекторий. Таким образом, в
области адиабатического процесса группировки при
заданных величинах начальной и конечной син-
хронных фаз (
constvT ss =2/)sin(ϕ
0ϕ и kϕ ) эффективность ускорения
( и ) и энергия ( и ) связаны соотноше-
ниями:
0T kT 0W kW
0 0
0 0
( sin / sin ),
( ) ( ) / ,
k k k
k k
T T W W
W W
0ϕ ϕ
ϕ ϕ
=
Φ = Φ
(4)
при этом
)cos1/()sin()( cccstg Φ−Φ−Φ−=ϕ . (5)
4. ВЫБОР ВАРИАНТОВ ПОКФ
Основываясь на приведенных соотношениях,
нами была составлена программа расчета парамет-
ров ускоряющей структуры на участке адиабатиче-
ской группировки. В процессе расчетов определя-
лось увеличение энергии частиц W, ускоряемых
вдоль канала, эффективность ускорения T , текущая
апертура (расстояние электродов до оси в попе-
речных сечениях, где электроды равноудалены от
оси), глубина модуляции электродов m, синхронная
фаза
a
sϕ , а также продольные размеры ячеек вдоль
оси, 2/βλ=L , и рост длины ускоряющей структу-
ры z.
В качестве исходных значений параметров были
определены величины: начальная энергия ионов
60 =W кэВ/нукл. = 120 кэВ, А/q = 20, рабочая длина
волны 36,6=λ м, максимальная глубина модуляции
m = 2, минимальный радиус апертуры = 0,5 см,
средний радиус апертуры cм.
a
75,02/)1(0 =+= maR
Первоочередной задачей было определение оп-
тимальных значений следующих параметров груп-
пирующего участка структуры с квазистационарны-
ми параметрами пучка: конечная энергия частиц,
Wк, величина синхронной фазы на входе, 0ϕ , фазо-
вая длина входной сепаратрисы, Ф0, величина син-
хронной фазы на выходе из участка, kϕ , жесткость
фокусировки, В, обеспечивающей устойчивую ра-
диальную динамику в зависимости от фактора де-
фокусировки, Δ, согласно диаграмме устойчивости
Смитта-Глюкстерна [7]. Величины В и Δ определя-
ются из равенств:
22
2
20 amc
eqVχλ
=Β , 2 2
0
sin
10
seqTV
m c
π ϕ
β
Δ = . (6)
В результате оптимизационных расчетов, в кото-
рых указанные параметры варьировались в допус-
тимых пределах, было установлено, что для таких
больших значений A/q=20 группирующий участок
структуры, обеспечивающий получение оптималь-
ных параметров, становится очень длинным. Поэто-
му потребовался поиск других подходов к парамет-
рам ускоряющей структуры.
В настоящее время в мировой практике создания
ускоряющих структур ПОКФ, пригодных для уско-
рения пучков тяжелых ионов с малой интенсивно-
стью порядка 100 мкА, используется методика,
предложенная Yamada [8]. В этом случае структура
ПОКФ подразделяется на 6 участков:
1. Радиальное согласование (radial matching struc-
ture).
2. Продольное формирование сепаратрисы (sha-
per).
3. Предварительная группировка пучка (pre-
buncher).
4. Группирователь (buncher).
5. Бустер (buster).
6. Участок ускорения (accelerating section).
Отличие варианта Yamada заключается в том,
что на новом участке группировки (prebuncher) име-
ет место компрессия сгустков за счет быстрого изме-
нения синхронной фазы (к примеру, от -90 до -75°).
Это не сказывается особенно на других параметрах
сгустка, так как в случае слаботочных пучков час-
тицы получают предварительную группировку на
участке shaper, сосредоточившись в середине сгуст-
ка. В дальнейшем участок с квазистационарным
процессом группировки (gentle buncher) образуется
по обычному закону.
В нашем варианте осуществление методики Ya-
mada наталкивается на ряд трудностей. Во-первых,
наша структура рассчитывается на входной ток пуч-
ка около 10 мА, а, во-вторых, использование участка
shaper невозможно при слабой технологической ба-
зе, так как в этом случае требуется выполнение ко-
эффициента модуляции m=0,01 на довольно боль-
шом количестве ячеек. При указанных выше пара-
метрах ускоряющего канала, порядка 10 мм, такая
величина коэффициента модуляции определяет раз-
мер около 100 мкм.
28
Мы пошли по другому пути. Упрощение процес-
са формирования пучка осуществляется за счет уве-
личения синхронной фазы на входе в секцию ПОКФ
от -90 до -80°. При этом, как следует из равенства
(5), длина входной сепаратрисы уменьшится от 360
до 270°, следовательно, в процесс ускорения будет
захвачено 75% частиц. Такой подход исключает не-
обходимость группировки частиц, находящихся на
отдаленных расстояниях от синхронной фазы, кото-
рая протекает на значительной длине ускоряющей
структуры и большом количестве ячеек малых раз-
меров. Кроме того, как видно из соотношений (6),
фактор дефокусировки пропорционален sinϕs и об-
ратно пропорционален β2. Следовательно, увеличе-
ние (-ϕs) и более быстрое изменение β снижает фак-
тор дефокусировки, компенсируя при этом более
быстрое увеличение фактора времени пролета, Т,
увеличивающее темп ускорения. В этом случае ком-
поновка ускоряющей структуры упрощается и со-
стоит из участков радиального формирования
(RMS), участка адиабатической группировки (gentle
buncher), бустера и участка ускорения (acсeleration
section).
5. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СТРУКТУРЫ
ПОКФ ДЛЯ ПОС-20
В результате оптимизационных исследований
выполнен расчет ускоряющей структуры при усло-
вии, что входная синхронная фаза составляет -80°.
Полученные величины параметров структуры
ПОКФ приведены в таблице. Как видно, на участке
адиабатики длиной 153 см ионы ускоряются от 6 до
36 кэВ/нукл. При этом синхронная фаза увеличива-
ется от -80 до -36°.
Параметры участка ПОКФ секции ПОС-20
Наименование
параметра RMS Адиабатика Бустер Уско-
рение
Энергия на
входе, кэВ/нукл. 6 6 36 100
Энергия на вы-
ходе, кэВ/нукл. 6 36 100 150
Рабочая часто-
та, МГц 47,2 47,2 47,2 47,2
Разность по-
тенциалов, В 105 105 105 105
Длина участка,
см 13,63 153,12 128,87 125,20
Количество
ячеек 12 95 34 24
Средн. радиус
апертуры, см − 0,75 0,75 0,75
Радиус апер-
туры, см 1,2…0,75 0,70…0,50 0,50 0,50
Фактор фоку-
сировки, В - 3,33…4.68 3,54 3,55
Фактор дефо-
кусировки, Δ - 0,018…0,11 −0,034 −0,018
На входе в структуру ПОКФ располагается сек-
ция радиального формирования пучка. Она предна-
значена для согласования независимого от времени
радиального эмиттанса инжектируемого пучка со
структурой, фокусирующий канал которой зависит
от времени. Этот участок представляет собой квад-
рупольные электроды гладкого профиля с апертурой
сходящегося радиуса, который меняется вдоль оси
согласно соотношению [9]:
)3sin/(sin8)/( 2
0 kzkzra += . (7)
Процесс изменения основных параметров на
участках ПОКФ предобдирочной секции ПОС-20
изображен на Рис.1.
Рис.1. Параметры электродов вдоль канала структуры
ПОКФ: W – энергия синхронной частицы;
а – радиус апертуры; m – коэффициент модуляции;
ϕs – синхронная фаза
Видно, что все параметры медленно меняются в
начале адиабатического участка структуры, дости-
гая к концу участка требуемых величин, которые
обеспечивают квазистационарную группировку час-
тиц в сгустки. Эффективность ускорения в конце
этого участка достигает Т=0,415, при этом эффек-
тивность фокусировки удерживается на уровне
В=3,33…4,68 при величине дефокусирующего пара-
метра, находящегося в пределах Δ= −(0,018…0,108),
что достаточно для удержания радиальных характе-
ристик пучка в зоне устойчивости диаграммы Смит-
та-Глюкстерна [7].
За участком адиабатики следует бустерный уча-
сток длиной 128,8 см с постоянными величинами
m=2 и а=0,5 см, где имеет место более высокий темп
ускорения и величина синхронной фазы увеличива-
ется от -36 до -22°, а энергия растет до 100 кэВ/нукл.
Последний участок, где постоянны величины m, T,
a, ϕs, обеспечивает ускорение ионов до 150 кэВ/нукл.,
на длине 120 см. Таким образом, суммарная длина
структуры ПОКФ составляет 428 см при общем ко-
личестве ячеек 165.
6. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
УСКОРЯЮЩЕЙ СТРУКТУРЫ
Описанная выше ускоряющая структура с про-
странственно-однородной квадрупольной фокуси-
ровкой базируется на встречно-штыревом варианте,
в котором резонатор возбуждается на волне Н110 (IH-
RFQ). Разработка этой структуры и ее внедрение в
действующие ускорительные установки осуществ-
лена в ХФТИ [11,12] и в дальнейшем широко ис-
пользуется в лабораториях, где сооружаются линей-
ные ускорители тяжелых ионов [13]. ПОКФ в на-
чальном варианте в ИТЭФ и других лабораториях
базировалась на структуре четырехкамерного резо-
натора, возбуждаемого на волне Н210. Наш выбор
основан на следующих предпосылках:
1. Внутренний диаметр резонатора почти в 2,5 раза
меньше, чем в четырехкамерном резонаторе, возбуж-
даемом на той же частоте. Эта особенность имеет
большое значение для ускорителей тяжелых ионов, где
требуется как можно большая рабочая длина волны.
2. В четырехкамерном резонаторе диапазон час-
тот рабочей волны перекрывается спектром частот
дипольных мод, которые сильно затрудняют возбу-
ждение ВЧ-мощностью. Отстройка их на допусти-
мое расстояние требует специальных мер, услож-
няющих конструкцию.
3. Особенностью Н110-волны является сильная
ВЧ-связь вдоль резонатора продольным магнитным
полем, что позволяет строить длинные ускоряющие
структуры со стабильным распределением напряже-
ния вдоль оси резонатора.
Схематический вид конструкции ускоряющей
структуры с ПОКФ представлен на Рис.2, где при-
веден небольшой ее участок.
Рис.2. Схематический вид участка структуры
ПОКФ для ПОС-20
На Рис.3 приведена общая схема структуры для
ПОС-20, основанная на встречно-штыревом вариан-
те. Внутренний диаметр резонатора при резонанс-
ной частоте 147,2 МГц составляет 57,5 см. На вход-
ном и выходном концах структуры вмонтированы
концевые резонансные элементы настройки, с по-
мощью которых формируется равномерное распре-
деление напряжения на электродах вдоль всего ка-
нала ускорения.
Рис.3. Общий вид структуры ПОКФ для ПОС-20
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приводятся результаты исследований по раз-
работке ускоряющей структуры с пространствен-
но-однородной квадрупольной фокусировкой
(ПОКФ), предназначенной для начального участ-
ка новой предобдирочной части ЛУМЗИ. Осо-
бенностью выбранного варианта структуры явля-
ется большое отношение массового числа уско-
ряемых ионов к зарядовому, A/q 20, что при
достаточно высоком токе ускоряемого пучка (до
10 мА) потребовало бы большой длины участка
адиабатической группировки сгустков и большо-
го количества ячеек модуляции электродов, обра-
зующих ВЧ-квадруполь. Оптимизационные рас-
четы привели к заключению, что приемлемым
является вариант с увеличенной синхронной фа-
зой до (– 80°). В основу участка ПОКФ предобди-
рочной секции ЛУМЗИ положена встречно-
штыревая ускоряющая структура, конструкция
которой является более простой по сравнению с
общепринятым вариантом четырехкамерного ре-
зонатора. Разработана методика формирования
равномерного распределения напряжения между
электродами вдоль канала большой длины.
≤
29
ЛИТЕРАТУРА
1. И.М. Капчинский, В.А. Тепляков // ПТЭ. 1970,
№ 2, с.19.
2. И.М. Капчинский, А.В. Тепляков // ПТЭ. 1970,
№ 4, с.17.
3. И.М. Капчинский // ПТЭ. 1977, № 4, с.23.
4. И.М. Капчинский. Теория линейных резонанс-
ных ускорителей. М.: «Энергоиздат», 1982.
5. R.H. Stokes, et al. RF Quadrupole beam dynam-
ics // IEEE Trans. 1979, v.NS-26, p.3469.
6. K.R.Crandell, et al. Quadrupole beam dynamics
study // Proc of LINAC, Montauch. 1979, p.2005.
7. И.М. Капчинский. Динамика частиц в линей-
ных резонансных ускорителях. М.: «Атомиз-
дат», 1966.
8. S. Yamada. Buncher section optimization of
heavy ion RFQ linac // Proc. 1989 Linear Conf.
Santa Fe, LA, 9234-C.
9. N. Metrotra, et al. Beam dynamics of the heavy
ion RFQ with prebuncher // PAC2006. №297,
p.264.
10. V. Tokuda and S. Yamada. New formulation the
RFQ Radial matching section // Proc. 1981
LINAC Conf. Santa Fe, LA, p.313.
11. В.А. Бомко, Е.И. Ревуцкий // ЖТФ. 1964, т.34,
в.7, с.1259.
12. V.A. Bomko, et al. // Review of Sc. Instr. 1998,
v.69, № 10, р.3537.
13. U. Ratzinger, et al. The RFQ section of the new
UNILAC prestripper accelerator at GSI // EPAC.
1996, p.304.
Статья поступила в редакцию 06.10.2009 г.
ACCELERATING STRUCTURE WITH RADIO-FREQUENCY QUADRUPOLE, RFQ,
FOR THE HEAVY IONS ACCELERATING
V.A. Bomko, B.V. Zaitsev, E.V. Ivachno, A.F. Kobets, K.V. Pavlii, Z.E. Ptukhina, S.S. Tishkin
Results of the optimization calculations RFQ accelerating structure, provided forming and acceleration heavy ion
beams on the beginning part of the Multi-charged Linear Accelerator (MILAC) are discussion. Structure RFQ de-
signed on the heavy ion beams current 10 mA with A/q ≤ 20. Ion energy change from 6 to 150 keV/u. Design fre-
quency put together 47.2 MHz, that is equal frequency of the mine MILAC section. Version of the beam bunches
forming which have been putting in calculation, is combination of the structure with adiabatic character beam pa-
rameter and of the structure with high duty factor acceleration. Process RFQ electrode modulation coefficient in-
creasing and character changing of the synchronous phase from -80 to -22° have been optimized. Length RFQ-
structure is 4.28 m and cells number is 165. Capture coefficient of the ions in accelerating process is 75%.
ПРИСКОРЮВАЛЬНА СТРУКТУРА ІЗ ПРОСТОРОВО-ОДНОРІДНИМ КВАДРУПОЛЬНИМ
ФОКУСУВАННЯМ (ПОКФ) ДЛЯ ПРИСКОРЕННЯ ПУЧКІВ ВАЖКИХ ІОНІВ
В.А. Бомко, Б.В. Зайцев, Є.В. Івахно, А.П. Кобець, К.В. Павлій, З.Є. Птухіна, С.С. Тішкін
Обговорюються результати оптимізованих розрахунків прискорювальної структури, що забезпечує фор-
мування й прискорення пучків важких іонів на ділянці предобдиркової секції лінійного прискорювача бага-
тозарядних іонів. Секція з ПОКФ розраховується на прискорення пучків важких іонів інтенсивністю 10 мА,
відношенням масового числа до зарядового A/q ≤ 20, енергії від 6 до 150 кеВ/нукл. Робоча частота, як і в
основній секції прискорювача, становить 47,2 МГц. В основу розрахунків покладено варіант формування
згустків пучка, що представляє собою комбінацію ділянки з адіабатичним характером зміни параметрів пуч-
ка й ділянки з високим темпом прискорення. Оптимізовано процес росту коефіцієнта модуляції електродів
високочастотних квадруполів, що створюють фокусуюче й прискорювальне поле, а також характер зміни
величини синхронної фази від -80 до -22°. Довжина ділянки прискорення структури з ПОКФ становить
4,28 м, кількість комірок прискорювальної структури 165, коефіцієнт захоплення іонів у процес прискорення
становить 75%.
30
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-17007 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:10:37Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бомко, В.А. Зайцев, Б.В. Ивахно, Е.В. Кобец, А.Ф. Павлий, К.В. Птухина, З.Е. Тишкин, С.С. 2011-02-18T10:06:58Z 2011-02-18T10:06:58Z 2010 Ускоряющая структура с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ) для ускорения пучков тяжелых ионов / В.А. Бомко, Б.В. Зайцев, Е.В. Ивахно, А.Ф. Кобец, К.В. Павлий, З.Е. Птухина, С.С. Тишкин // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 3. — С. 26-30. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17007 548.74: 539.12.04 Обсуждаются результаты оптимизационных расчетов ускоряющей структуры, обеспечивающей формирование и ускорение пучков тяжелых ионов на участке предобдирочной секции линейного ускорителя многозарядных ионов (ЛУМЗИ). Секция с ПОКФ рассчитывается на ускорение пучков тяжелых ионов интенсивностью 10 мА, отношением массового числа к зарядовому A/q≤20, энергией от 6 до 150 кэВ/нукл. Рабочая частота, как и в основной секции ускорителя, составляет 47,2 МГц. В основу расчетов положен вариант формирования сгустков пучка, представляющий собой комбинацию участка с адиабатическим характером изменения параметров пучка и участка с высоким темпом ускорения. Оптимизирован процесс роста коэффициента модуляции электродов высокочастотных квадруполей, создающих фокусирующее и ускоряющее поле, а также характер изменения величины синхронной фазы от -80 до -22°. Длина участка ускорения структуры с ПОКФ составляет 4,28 м, количество ячеек ускоряющей структуры 165, коэффициент захвата ионов в процесс ускорения составляет 75%. Обговорюються результати оптимізованих розрахунків прискорювальної структури, що забезпечує формування й прискорення пучків важких іонів на ділянці предобдиркової секції лінійного прискорювача багатозарядних іонів. Секція з ПОКФ розраховується на прискорення пучків важких іонів інтенсивністю 10 мА, відношенням масового числа до зарядового A/q ≤ 20, енергії від 6 до 150 кеВ/нукл. Робоча частота, як і в основній секції прискорювача, становить 47,2 МГц. В основу розрахунків покладено варіант формування згустків пучка, що представляє собою комбінацію ділянки з адіабатичним характером зміни параметрів пучка й ділянки з високим темпом прискорення. Оптимізовано процес росту коефіцієнта модуляції електродів високочастотних квадруполів, що створюють фокусуюче й прискорювальне поле, а також характер зміни величини синхронної фази від -80 до -22°. Довжина ділянки прискорення структури з ПОКФ становить 4,28 м, кількість комірок прискорювальної структури 165, коефіцієнт захоплення іонів у процес прискорення становить 75%. Results of the optimization calculations RFQ accelerating structure, provided forming and acceleration heavy ion beams on the beginning part of the Multicharged Linear Accelerator (MILAC) are discussion. Structure RFQ designed on the heavy ion beams current 10 mA with A/q ≤ 20. Ion energy change from 6 to 150 keV/u. Design frequency put together 47.2 MHz, that is equal frequency of the mine MILAC section. Version of the beam bunches forming which have been putting in calculation, is combination of the structure with adiabatic character beam parameter and of the structure with high duty factor acceleration. Process RFQ electrode modulation coefficient increasing and character changing of the synchronous phase from -80 to -22° have been optimized. Length RFQ-structure is 4.28 m and cells number is 165. Capture coefficient of the ions in accelerating process is 75%. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Физика и техника ускорителей Ускоряющая структура с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ) для ускорения пучков тяжелых ионов Прискорювальна структура із просторово-однорідним квадрупольним фокусуванням (ПОКФ) для прискорення пучків важких іонів Accelerating structure with radio-frequency quadrupole, RFQ, for the heavy ions accelerating Article published earlier |
| spellingShingle | Ускоряющая структура с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ) для ускорения пучков тяжелых ионов Бомко, В.А. Зайцев, Б.В. Ивахно, Е.В. Кобец, А.Ф. Павлий, К.В. Птухина, З.Е. Тишкин, С.С. Физика и техника ускорителей |
| title | Ускоряющая структура с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ) для ускорения пучков тяжелых ионов |
| title_alt | Прискорювальна структура із просторово-однорідним квадрупольним фокусуванням (ПОКФ) для прискорення пучків важких іонів Accelerating structure with radio-frequency quadrupole, RFQ, for the heavy ions accelerating |
| title_full | Ускоряющая структура с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ) для ускорения пучков тяжелых ионов |
| title_fullStr | Ускоряющая структура с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ) для ускорения пучков тяжелых ионов |
| title_full_unstemmed | Ускоряющая структура с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ) для ускорения пучков тяжелых ионов |
| title_short | Ускоряющая структура с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ) для ускорения пучков тяжелых ионов |
| title_sort | ускоряющая структура с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (покф) для ускорения пучков тяжелых ионов |
| topic | Физика и техника ускорителей |
| topic_facet | Физика и техника ускорителей |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17007 |
| work_keys_str_mv | AT bomkova uskorâûŝaâstrukturasprostranstvennoodnorodnoikvadrupolʹnoifokusirovkoipokfdlâuskoreniâpučkovtâželyhionov AT zaicevbv uskorâûŝaâstrukturasprostranstvennoodnorodnoikvadrupolʹnoifokusirovkoipokfdlâuskoreniâpučkovtâželyhionov AT ivahnoev uskorâûŝaâstrukturasprostranstvennoodnorodnoikvadrupolʹnoifokusirovkoipokfdlâuskoreniâpučkovtâželyhionov AT kobecaf uskorâûŝaâstrukturasprostranstvennoodnorodnoikvadrupolʹnoifokusirovkoipokfdlâuskoreniâpučkovtâželyhionov AT pavliikv uskorâûŝaâstrukturasprostranstvennoodnorodnoikvadrupolʹnoifokusirovkoipokfdlâuskoreniâpučkovtâželyhionov AT ptuhinaze uskorâûŝaâstrukturasprostranstvennoodnorodnoikvadrupolʹnoifokusirovkoipokfdlâuskoreniâpučkovtâželyhionov AT tiškinss uskorâûŝaâstrukturasprostranstvennoodnorodnoikvadrupolʹnoifokusirovkoipokfdlâuskoreniâpučkovtâželyhionov AT bomkova priskorûvalʹnastrukturaízprostorovoodnorídnimkvadrupolʹnimfokusuvannâmpokfdlâpriskorennâpučkívvažkihíonív AT zaicevbv priskorûvalʹnastrukturaízprostorovoodnorídnimkvadrupolʹnimfokusuvannâmpokfdlâpriskorennâpučkívvažkihíonív AT ivahnoev priskorûvalʹnastrukturaízprostorovoodnorídnimkvadrupolʹnimfokusuvannâmpokfdlâpriskorennâpučkívvažkihíonív AT kobecaf priskorûvalʹnastrukturaízprostorovoodnorídnimkvadrupolʹnimfokusuvannâmpokfdlâpriskorennâpučkívvažkihíonív AT pavliikv priskorûvalʹnastrukturaízprostorovoodnorídnimkvadrupolʹnimfokusuvannâmpokfdlâpriskorennâpučkívvažkihíonív AT ptuhinaze priskorûvalʹnastrukturaízprostorovoodnorídnimkvadrupolʹnimfokusuvannâmpokfdlâpriskorennâpučkívvažkihíonív AT tiškinss priskorûvalʹnastrukturaízprostorovoodnorídnimkvadrupolʹnimfokusuvannâmpokfdlâpriskorennâpučkívvažkihíonív AT bomkova acceleratingstructurewithradiofrequencyquadrupolerfqfortheheavyionsaccelerating AT zaicevbv acceleratingstructurewithradiofrequencyquadrupolerfqfortheheavyionsaccelerating AT ivahnoev acceleratingstructurewithradiofrequencyquadrupolerfqfortheheavyionsaccelerating AT kobecaf acceleratingstructurewithradiofrequencyquadrupolerfqfortheheavyionsaccelerating AT pavliikv acceleratingstructurewithradiofrequencyquadrupolerfqfortheheavyionsaccelerating AT ptuhinaze acceleratingstructurewithradiofrequencyquadrupolerfqfortheheavyionsaccelerating AT tiškinss acceleratingstructurewithradiofrequencyquadrupolerfqfortheheavyionsaccelerating |