Optimization method and development with use of ABC program the input dynamical matcher with reduced slope of beam envelope in wide range of beam currents for heavy ion high current RFQ
An analytical law developed earlier for an output matcher in an initial part of RFQ electrodes was adopted for an input unmodulated dynamical (radio) matcher (IRM). An analytical formula describing the different types of matchers was proposed. The modernization of the code ABC was carried out for...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2006 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2006
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79865 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Optimization method and development with use of ABC program the input dynamical matcher with reduced slope of beam envelope in wide range of beam currents for heavy ion high current RFQ / I.A. Vorobyov // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 3. — С. 125-127. — Бібліогр.: 7 назв. — англ. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859768420766056448 |
|---|---|
| author | Vorobyov, I.A. |
| author_facet | Vorobyov, I.A. |
| citation_txt | Optimization method and development with use of ABC program the input dynamical matcher with reduced slope of beam envelope in wide range of beam currents for heavy ion high current RFQ / I.A. Vorobyov // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 3. — С. 125-127. — Бібліогр.: 7 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | An analytical law developed earlier for an output matcher in an initial part of RFQ electrodes was adopted for an input
unmodulated dynamical (radio) matcher (IRM). An analytical formula describing the different types of matchers
was proposed. The modernization of the code ABC was carried out for channel optimization by applying the analytical
formulae. Developed was the method for matchers’ optimization with maintenance of beam dynamical matching in the
wide range of currents and low sensitivity to the initial RFQ segment with a fringe field difficult to control.
Раніше розроблений аналітичний закон для вихідного узгоджувача початкової частини ПОКФ
адаптовано для вхідного немодульованого динамічного узгоджувача. Запропоновано аналітичну формулу,
що описує різні типи узгоджувачів. Виконано модернізацію програми АВС для оптимізації каналів із
застосуванням аналітичних формул. Розроблено метод оптимізації узгоджувачів із збереженням
динамічного узгодження в широкому діапазоні струмів і зниженою чутливістю до початкової ділянки
ПОКФ з важко контрольованим спадом крайового поля.
Ранее разработанный аналитический закон для выходного согласователя начальной части ПОКФ адаптирован для входного немодулированного динамического согласователя. Предложена аналитическая формула, описывающая различные типы согласователей. Выполнена модернизация программы АВС для оптимизации каналов с применением аналитических формул. Разработан метод оптимизации согласователей с сохранением динамического согласования в широком диапазоне токов и сниженной чувствительностью к начальному участку ПОКФ с трудно контролируемым спадом краевого поля.
|
| first_indexed | 2025-12-02T06:10:48Z |
| format | Article |
| fulltext |
OPTIMIZATION METHOD AND DEVELOPMENT WITH USE OF ABC
PROGRAM THE INPUT DYNAMICAL MATCHER WITH REDUCED
SLOPE OF BEAM ENVELOPE IN WIDE RANGE OF BEAM CURRENTS
FOR HEAVY ION HIGH CURRENT RFQ
I.A. Vorobyov
ITEP, Moscow, Russia
E-mail: vorobjev@itep.ru
An analytical law developed earlier for an output matcher in an initial part of RFQ electrodes was adopted for an in-
put unmodulated dynamical (radio) matcher (IRM). An analytical formula describing the different types of matchers
was proposed. The modernization of the code ABC was carried out for channel optimization by applying the analytical
formulae. Developed was the method for matchers’ optimization with maintenance of beam dynamical matching in the
wide range of currents and low sensitivity to the initial RFQ segment with a fringe field difficult to control.
PACS: 29.17.+w
1. INTRODUCTION
A standard input dynamical matcher developed by
A.I.Balabin [1] has a high-quality dynamical matching
but high values of slopes of matched beam envelopes.
The main characteristics of this matcher taken from [1]
are shown in Fig.1. The need in reduced slopes of input
envelopes [2] for preventing a high emittance growth in
the LEBT requires the development of the appropriate
dynamical matchers at the RFQ input.
Fig.1. Dependences of ellipses’ overlapping factors ξ
for different laws of focusing rigidity and fringe field
recessions on the characteristic Coulomb parameter a
and beam normalized envelopes for different initial
phases of the RF field [1]
A special law presented by Eq. (1) for an average ra-
dius of the RFQ rods for an adiabatic output matcher with
beam transmission from crossover to crossover was de-
veloped in [3] with the use of normalized envelope equa-
tions (2). The direct application of this matcher to the
RFQ input is not possible for a standard matcher length
of 12 cells with a low matching coefficient k, Eq.(3), and
requires additional investigations for providing a high
value for ellipses’ overlapping factor ξ [1].
( ) ( ) ( ) ( )0 0 0 00.5 0 1 cos 0nR n R N R R
N
πж ц= − − +й щз чл ыи ш
. (1)
Fig.2. Dependence of the matching coefficient k on the
number of RFQ cells in output adiabatic matcher
The envelope equations for a KV beam with a space
charge are [4, p.161]:
( )
2 2 2
0
2 3
2 0x a
x x
x x y
d r F rQ r
d r r r
τ
τ
+ − − =
+ ,
( )
2 2 2
0
2 3
2 0y a
y y
y x y
d r F rQ r
d r r r
τ
τ
+ − − =
+ .
The normalized form [1, 3] of these envelope equa-
tions [4, p.161] with the space charge is
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
2
2 3
1 0x
x x
x x y
d aQ
d
ρ τ
τ ρ τ
τ ρ τ ρ τ ρ τ
+ − − =
+
,
(2)
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
2
2 3
1 0y
y y
y x y
d aQ
d
ρ τ
τ ρ τ
τ ρ τ ρ τ ρ τ
+ − − =
+
.
The relation between the real r and normalized ρ en-
velopes in transverse planes are given below [4]:
( ) ( ), 0 ,x y x yr Fτ ρ τ= Ч , 0
0
SVF
β γ
= ,
z
S
τ = ,
where S – focusing period, V0 – normalized emittance in
Lapostolle form, β, γ – relativistic parameters. In the
normalized envelope equations (2) a characteristic
Coulomb parameter a differs from a characteristic
Coulomb radius ra and a Coulomb parameter h of
I.M.Kapchinsky [4, p.163] and is given as follows [3]:
( )
2
0 2
0 00
42 4 peaka Ir Sa h
F IV
= = µ = Ч
β γ
where Ipeak – peak beam current, I0 – characteristic cur-
rent (for ions I0=3,13⋅107Am/Z A, Am – mass and
Z - charge numbers, respectively) [4], µ0 – characteristic
parameter of a channel (phase advance for zero beam
current). If [S] = L, then [V0] = L⋅radian.
The matching (mismatch) coefficient k was calculat-
ed according to I.M.Kapchinsky method [4].
21 4k c= + − , (3)
.
22 2
0 0 0 0
0 02 2
0 0 0
d dc
d d
τ
ρ σ σ ρρ σ
σ ρ τ τ
=
ж ц= + + −з ч
и ш
.
For the exact matching k=1.
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2006. № 3.
Series: Nuclear Physics Investigations (47), p.125-127.
125
An advantage of the normalized envelope equations
is their independence on the channel parameters. This
makes it possible to apply the results, obtained for one
channel and beam parameters variant, to another variant
with similar dynamics. The similarity is provided by the
force function Qx,y(τ) equality, matching conditions ο0, d
ο0/dτ and the characteristic Coulomb parameter a.
2. MODIFIED ANALYTICAL LAW FOR FO-
CUSING RIGIDITY
The special law (1) for the adiabatic output matcher,
developed previously in [3], was generalized to a pro-
posed law (4) for focusing rigidity and introduced into
the optimizing program ABC [5, 6]:
( ) ( )( ) ( )( (( )
( ) ( )
2 2
0
1 min max min
. cos arg cos arg
arg 2 /
K K
c
й щτ = − +Ч Ч Ч Чк ъл ы
= π τ − τ τ − τЧ Ч
32
cc
4 50 5 c 1 sign c
(4)
The region 0<с1<0.5 in (4) provides monotonous
function. With с1>0.5 it is possible to obtain non-
monotonous profiles [7]. Values с1=0.5, с2=с3=с4=1
correspond to the adiabatic matcher (1). At the values
τmin=0, τmax=τ0=6, с1=0.25, с2=с4=2, с3=1, с5=0 the
formula (4) describes the matcher by A.I.Balabin [1]:
( )2 2 2
0
0
sin
2
K K
ж цπ ττ = з чτи ш
As it can be seen, the proposed formula (4) general-
izes a series of different laws for the RFQ matchers.
The first “IRM37” matcher was optimized for a
beam current 55 mA and the second one, “IRM37-400”,
was optimized for a 400 mA current and worth fringe
field recession. Having the monotonous rods profiles at
12 RFQ cells with an initial fringe field of 0.57 of nor-
malized length they were developed with the use of for-
mulae (2), (4) in the code ABC [6].
3. MODERNIZED MATCHER “IRM37”
The optimization results for a beam current 55 mA
are shown in Table 1-2 and Figs.3-4.
Table 1. The Average Matched Beam Normalized En-
velope Parameters at Various Currents of Beam1
I, mA A.I.Balabin “IRM37”
1ρ 1dρ/dτ 1ρ 1dρ/dτ
0 12.680 1-0.533 1.679 -0.164
55 13.382 1-0.799 2.158 -0.259
200 14.231 1-1.346 3.326 -0.519
300 15.990 1-1.635 3.989 -0.651
400 16.838 1-1.882 4.568 -0.761
The fitted parameters in the formula (4) are:
0.57<τ<5.07, с1=0.482, с2=27.626, с3=1.7004,
с4=1.4099, с5=0,118.
Table 2. Ellipses’ Overlapping Factor ξ at Different
Beam Currents and Fringe Field Recessions
1I, mA 1Linear 1Power (n=4) 1Sine
0 194.25 191.51 191.62
400 165.94 150.98 160.17
As it can be seen from the results obtained, the “IR-
M37” matcher has a low value of ellipses’ overlapping
factor ξ at a current 400 mA and it leads to develop the
“IRM37-400”.
Fig.3. Dependences of focusing rigidity on the longitu-
dinal normalized coordinate τ in the matcher by
A.I.Balabin and the modified”IRM37” dynamical one
Fig.4. Dependences of the coefficient ξ on beam current
in the matcher by A.I.Balabin and the ”IRM37” one
4. OPTIMIZED MATCHER “IRM37-400”
The optimization results for a beam current 400 mA
and power n=4 for recession of the fringe field are
shown in Figs.5-7.
Fig.5. Analytical dependences of focusing rigidity on
the longitudinal normalized coordinate τ in the “IR-
M37” and “IRM37-400” dynamical matchers
Fig.6. Dependences of the coefficient ξ on the parame-
ter a at different fringe field recessions in the “IRM37-
400” matcher
126
Fig.7. Dependences of normalized envelopes on the lon-
gitudinal coordinate in the dynamical matcher “IRM37-
400” for different initial phases of the RF field
The “IRM37-400” matcher also provides almost
constant and close to the “IRM37” the normalized enve-
lope parameters, averaged on RF phases, at various
fringe field recessions The fitted parameters in the for-
mula (4) are: c1=0.47286, c2=23.6828, c3=1.6829,
c4=1.7246, c5=0.01691.
5. CONCLUSION
The analytical law for focusing rigidity distribution
along the channel axis, generalizing the number of pre-
viously offered laws for the RFQ dynamical matchers,
is proposed. The optimization method, based on the pro-
posed law and taking into account the worth conditions
for beam dynamics, is created. The coefficients in the
formula proposed are fitted with the use of the high
speed optimized program ABC and may provide a
monotonous RFQ electrode profile. The method devel-
oped allows calculating the dynamical matchers with
practically constant value of ellipses’ overlapping factor
and reducing the sensitivity to the initial part with a
fringe field, difficult to control, in a wide range of beam
current.
In the matchers developed with the monotonous
electrode profile, the envelope slope at the RFQ input is
reduced by almost 2.5 times in comparison with the ap-
plied matchers with the high-quality of matching in a
wide range of beam current and fringe field recession.
The results obtained allow facilitation of the require-
ments for the beam formation system at the RFQ input
and reduction of the emittance growth in the LEBT.
REFERENCES
1. A.I. Balabin, V.S. Kabanov, V.V. Kushin, I.M. Lip-
kin. The numerical investigation of matching of
beam with space-uniform quadrupole channel.
Preprint ITEP, № 28, 1984.
2. J.W. Barth, L. Dahl, J. Glatz et al. Achievements of
the High Current Beam Performance of the GSI
Unilac. Proc. of EPAC-04, Lucern, Switzerland.
2004, p.1171.
3. I.A. Vorobyov. Evolution of phase volume and
beam matching in high power Linac. Autoreferate
of doctor dissertation on physics and mathematics
sciences. Moscow, 2002
4. I.M. Kapchinsky. Theory of Linear Resonance Ac-
celerators. M.: “Energoizdat”, 1982
5. I.A. Vorobyov. Program ABC. Information fond of
algorithms and programs on accelerator theme. AS
and Minatom RF, M., 1992, p.159.
6. I.A.Vorobyov. Analytical law for focusing rigidity
and calculation with use of optimizing ABC code of
dynamical unmodulated matcher with reduced
slope of beam envelope at the RFQ entrance.
Preprint ITEP, № 8-05, 2005.
7. D.G. Koshkarev, L.G. Vorobjev. New Algorithm
for RFQ Matching Section Design // Nucl. Instr.
and Methods. 1993. v.A336, p.291-300.
МЕТОД ОПТИМИЗАЦИИ И РАЗРАБОТКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММЫ АВС ВХОД-
НОГО ДИНАМИЧЕСКОГО СОГЛАСОВАТЕЛЯ СО СНИЖЕННЫМ УГЛОМ НАКЛОНА
ОГИБАЮЩЕЙ ПУЧКА В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ТОКОВ ДЛЯ СИЛЬНОТОЧНОЙ
ТЯЖЕЛОИОННОЙ СЕКЦИИ ПОКФ
И.А. Воробьёв
Ранее разработанный аналитический закон для выходного согласователя начальной части ПОКФ адапти-
рован для входного немодулированного динамического согласователя. Предложена аналитическая формула,
описывающая различные типы согласователей. Выполнена модернизация программы АВС для оптимизации
каналов с применением аналитических формул. Разработан метод оптимизации согласователей с сохранени-
ем динамического согласования в широком диапазоне токов и сниженной чувствительностью к начальному
участку ПОКФ с трудно контролируемым спадом краевого поля.
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2006. № 3.
Series: Nuclear Physics Investigations (47), p.125-127.
127
МЕТОД ОПТИМІЗАЦІЇ І РОЗРОБКА З ВИКОРИСТАННЯМ ПРОГРАМИ АВС ВХІДНОГО
ДИНАМІЧНОГО УЗГОДЖУВАЧА ЗІ ЗНИЖЕНИМ КУТОМ НАХИЛУ ОБІГАЮЧОЇ ПУЧКА В
ШИРОКОМУ ДІАПАЗОНІ СТРУМІВ ДЛЯ ПОТУЖНОСТРУМОВОЇ ВАЖКОІОННОЇ СЕКЦІЇ
ПОКФ
І.А. Воробйов
Раніше розроблений аналітичний закон для вихідного узгоджувача початкової частини ПОКФ
адаптовано для вхідного немодульованого динамічного узгоджувача. Запропоновано аналітичну формулу,
що описує різні типи узгоджувачів. Виконано модернізацію програми АВС для оптимізації каналів із
застосуванням аналітичних формул. Розроблено метод оптимізації узгоджувачів із збереженням
динамічного узгодження в широкому діапазоні струмів і зниженою чутливістю до початкової ділянки
ПОКФ з важко контрольованим спадом крайового поля.
128
Метод оптимизации и разработка с использованием программы АВС входного динамического согласователя со сниженным углом наклона огибающей пучка в широком диапазоне токов для сильноточной тяжелоионной секции ПОКФ
МЕТОД ОПТИМІЗАЦІЇ І РОЗРОБКА З ВИКОРИСТАННЯМ ПРОГРАМИ АВС ВХІДНОГО ДИНАМІЧНОГО узгоджувача ЗІ ЗНИЖЕНИМ КУТОМ НАХИЛУ обігаючої ПУЧКА В ШИРОКОМУ ДІАПАЗОНІ СТРУМІВ ДЛЯ ПОТУЖНОСТРУМОВОЇ важкоіонної СЕКЦІЇ ПОКФ
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-79865 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-02T06:10:48Z |
| publishDate | 2006 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Vorobyov, I.A. 2015-04-05T16:15:57Z 2015-04-05T16:15:57Z 2006 Optimization method and development with use of ABC program the input dynamical matcher with reduced slope of beam envelope in wide range of beam currents for heavy ion high current RFQ / I.A. Vorobyov // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 3. — С. 125-127. — Бібліогр.: 7 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 29.17.+w https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79865 An analytical law developed earlier for an output matcher in an initial part of RFQ electrodes was adopted for an input unmodulated dynamical (radio) matcher (IRM). An analytical formula describing the different types of matchers was proposed. The modernization of the code ABC was carried out for channel optimization by applying the analytical formulae. Developed was the method for matchers’ optimization with maintenance of beam dynamical matching in the wide range of currents and low sensitivity to the initial RFQ segment with a fringe field difficult to control. Раніше розроблений аналітичний закон для вихідного узгоджувача початкової частини ПОКФ адаптовано для вхідного немодульованого динамічного узгоджувача. Запропоновано аналітичну формулу, що описує різні типи узгоджувачів. Виконано модернізацію програми АВС для оптимізації каналів із застосуванням аналітичних формул. Розроблено метод оптимізації узгоджувачів із збереженням динамічного узгодження в широкому діапазоні струмів і зниженою чутливістю до початкової ділянки ПОКФ з важко контрольованим спадом крайового поля. Ранее разработанный аналитический закон для выходного согласователя начальной части ПОКФ адаптирован для входного немодулированного динамического согласователя. Предложена аналитическая формула, описывающая различные типы согласователей. Выполнена модернизация программы АВС для оптимизации каналов с применением аналитических формул. Разработан метод оптимизации согласователей с сохранением динамического согласования в широком диапазоне токов и сниженной чувствительностью к начальному участку ПОКФ с трудно контролируемым спадом краевого поля. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Ускорители заряженных частиц Optimization method and development with use of ABC program the input dynamical matcher with reduced slope of beam envelope in wide range of beam currents for heavy ion high current RFQ Метод оптимизации и разработка с использованием программы АВС входного динамического согласователя со сниженным углом наклона огибающей пучка в широком диапазоне токов для сильноточной тяжелоионной секции ПОКФ Метод оптимізації і розробка з використанням програми АВС вхідного динамічного узгоджувача зі зниженим кутом нахилу обігаючої пучка в широкому діапазоні струмів для потужнострумової важкоіонної секції ПОКФ Article published earlier |
| spellingShingle | Optimization method and development with use of ABC program the input dynamical matcher with reduced slope of beam envelope in wide range of beam currents for heavy ion high current RFQ Vorobyov, I.A. Ускорители заряженных частиц |
| title | Optimization method and development with use of ABC program the input dynamical matcher with reduced slope of beam envelope in wide range of beam currents for heavy ion high current RFQ |
| title_alt | Метод оптимизации и разработка с использованием программы АВС входного динамического согласователя со сниженным углом наклона огибающей пучка в широком диапазоне токов для сильноточной тяжелоионной секции ПОКФ Метод оптимізації і розробка з використанням програми АВС вхідного динамічного узгоджувача зі зниженим кутом нахилу обігаючої пучка в широкому діапазоні струмів для потужнострумової важкоіонної секції ПОКФ |
| title_full | Optimization method and development with use of ABC program the input dynamical matcher with reduced slope of beam envelope in wide range of beam currents for heavy ion high current RFQ |
| title_fullStr | Optimization method and development with use of ABC program the input dynamical matcher with reduced slope of beam envelope in wide range of beam currents for heavy ion high current RFQ |
| title_full_unstemmed | Optimization method and development with use of ABC program the input dynamical matcher with reduced slope of beam envelope in wide range of beam currents for heavy ion high current RFQ |
| title_short | Optimization method and development with use of ABC program the input dynamical matcher with reduced slope of beam envelope in wide range of beam currents for heavy ion high current RFQ |
| title_sort | optimization method and development with use of abc program the input dynamical matcher with reduced slope of beam envelope in wide range of beam currents for heavy ion high current rfq |
| topic | Ускорители заряженных частиц |
| topic_facet | Ускорители заряженных частиц |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79865 |
| work_keys_str_mv | AT vorobyovia optimizationmethodanddevelopmentwithuseofabcprogramtheinputdynamicalmatcherwithreducedslopeofbeamenvelopeinwiderangeofbeamcurrentsforheavyionhighcurrentrfq AT vorobyovia metodoptimizaciiirazrabotkasispolʹzovaniemprogrammyavsvhodnogodinamičeskogosoglasovatelâsosnižennymuglomnaklonaogibaûŝeipučkavširokomdiapazonetokovdlâsilʹnotočnoitâželoionnoisekciipokf AT vorobyovia metodoptimízacííírozrobkazvikoristannâmprogramiavsvhídnogodinamíčnogouzgodžuvačazízniženimkutomnahiluobígaûčoípučkavširokomudíapazonístrumívdlâpotužnostrumovoívažkoíonnoísekcíípokf |