Высокочастотная квадрупольная фокусировка в линейном ускорителе протонов и ионов на средние энергии

• Автор: Пластун, Александр Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 147 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

1. Движение ионного пучка в канале с высокочастотной квадрупольной фокусировкой

1.1. Канал типа ФОДО в гладком приближении

1.1.1. Канал с ВЧ квадрупольной фокусировкой в гладком приближении

1.1.2. Сравнение различных вариантов канала типа ФОДО

1.1.3. Ускорение в канале с ВЧ квадрупольной фокусировкой

1.2. Канал с высокочастотным квадруплетом

1.2.1. Матричный метод анализа каналов с ВЧ фокусировкой

1.2.2. Сравнение канала с ВЧ квадруплетом и канала типа ФОДО

1.3. Проверка методов исследования

2. Выбор параметров канала с высокочастотной квадрупольной фокусировкой
2.1. Выбор оптимальных параметров ускорителей ионов
2.2. ВЧ квадрупольные линзы
3. Резонансные структуры линейных ускорителей ионов
3.1. Резонансные структуры Н-типа с окнами магнитной связи
3.2. Сравнение резонаторов ускорителей ионов
4. Численное моделирование динамики пучков
4.1. Методика расчёта каналов линейных ускорителей ионов
4.2. Ускоритель с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой с трапецеидальными электродами
4.3. Ускоритель с высокочастотной квадрупольной фокусировкой в канале типа ФОДО
4.4. Ускоритель с высокочастотным квадруплетом
4.5. Сравнение с действующими и проектируемыми ускорителями
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Одной из задач современной ускорительной физики является разработка линейных ускорителей ионов на средние энергии - от единиц до десятков МэВ. Они находят применение в качестве инжекторов в циклические ускорители, в том числе в крупные ускорительные комплексы, и широко используются в научных и прикладных целях как самостоятельные установки. Линейные ускорители должны обеспечивать требуемые параметры пучка, такие как энергия, ток, продольный и поперечный эмиттансы и др. Кроме того, они должны быть компактны, дешевы в разработке и изготовлении, а также энергетически эффективны. В области энергий от десятков кэВ до 2 - 3 МэВ таковыми являются ускорители с пространственнооднородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ) [1]. Ускорители такого типа обладают большим числом преимуществ (низкая энергия инжекции, высокий коэффициент захвата пучка, низкий рост эмиттанса пучка и др.) и обеспечивают превосходное формирование ионных сгустков из непрерывного пучка. Немалую роль в распространении ускорителей с ПОКФ играет простота и надежность четырехкамерных резонаторов Н-типа, на базе которых обычно разрабатываются ускорители данного типа. Существенным недостатком традиционных ускорителей с ПОКФ с синусоидальной модуляцией электродов является быстро снижающийся темп ускорения пучка, из-за чего их использование при энергиях выше 3 МэВ неэффективно. Поэтому в линейных ускорителях ионов именно эту энергию можно считать началом диапазона средних энергий. Также его можно определить как диапазон энергий, исторически занятый ускорителем Альвареца-Блюэтта [2, 3].
Ускоритель Альвареца-Блюэтта представляет собой цилиндрический резонатор, нагруженный трубками дрейфа, с видом колебаний, близким к Е0ю. Для поперечной фокусировки пучка в таком ускорителе используются

электромагнитные квадрупольные линзы, размещенные внутри трубок дрейфа. Поскольку магнитная фокусировка крайне неэффективна для фокусировки медленных ионов, ускоритель Альвареца-Блюэтга используется в основном для ускорения пучков протонов и ионов Н Для обеспечения устойчивости поперечного движения тяжелых ионов приходится удлинять период фокусировки за счет увеличения пространства поперечного дрейфа пучка между линзами. Такой вариант ускорителя Альвареца-Блюэтта в иностранной литературе называется «quasi-Alvarez» и имеет существенно меньшую пропускную способность по сравнению с обычным вариантом.
Конструкция электромагнитных квадрупольных линз предъявляет особые требования к геометрии трубок дрейфа - они должны иметь достаточные поперечные размеры, чтобы разместить внутри квадрупольные линзы. Это значительно осложняет создание ускорителей Альвареца-Блюэтта на рабочие частоты выше 150 МГц. Частично эту проблему решает использование магнитотвердых квадрупольных линз [4]. Опыт эксплуатации установки SNS (Spallation Neutron Source, Национальная лаборатория Оук-Ридж, США) [5] подтвердил достаточную стойкость таких линз к радиационному воздействию.
Энергетическая эффективность ускорителя Альвареца-Блюэтта при энергиях ионов ниже 20 - 30 МэВ невысока [3]. Этого недостатка лишены структуры на базе резонаторов Н-типа. Их эффективность монотонно снижается с ростом энергии пучка. Поэтому для ускорения легких ионов до 30 МэВ могут быть пригодны ускорители с магнитотвердыми квадрупольными линзами в трубках дрейфа на базе двух- или четырехкамерных резонаторов Н-типа [6]. К сожалению, ни данные типы ускорителей, ни ускорители Алевареца-Блюэтта не решают проблемы фокусировки тяжелых ионов из-за низкой скорости движения этих ионов в рассматриваемом диапазоне энергий.
В последние годы набирают популярность ускорители ионов с фокусировкой магнитными квадрупольными триплетами [7-9], расположенными между последовательностями трубок дрейфа. Поскольку в трубках дрейфа отсутствуют

дрейфа и зазорами между ними. Амплитуда поля в зазоре типа «трубка-линза» зависит от длины этого зазора, а значение синхронной фазы определяется как длинами зазора и линзы, так и фазой в середине линзы. На рисунке 18 изображена схема зазора «трубка-линза». Считая относительный прирост скорости пучка малым в этом зазоре, получаем следующее выражение для фазы в середине зазора
где (реар - фаза в середине зазора «трубка-линза», ф - фаза в середине линзы, Ь8ар -длина зазора «трубка-линза», Ь - длина линзы. Фаза в зазоре на выходе линзы вычисляется по этой же формуле, если ф8аР и ф поменять местами.
Как и в других резонансных ускорителях, в рассматриваемых структурах область устойчивости продольных колебаний ограничена сепаратрисой, фазовая ширина которой в приближении | ф., | « 90° определяется выражением [31]
где ф* - синхронная фаза, определяемая как фаза поля в момент прохождения синхронной частицей середины ускоряющего зазора. Вертикальный размах сепаратрисы А1¥,ер равен [31]
На рисунке 19 показана зависимость вертикального размаха сепаратрисы от значения синхронной фазы при параметрах канала, приведенных в таблице 2. Аппроксимируя сепаратрису эллипсом, можно оценить её площадь (см. рисунок 20).

Дф~3| Ф4|,