Фокусировка заряженных частиц в линейном резонансном ускорителе высокочастотными скрещенными линзами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ОШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Расширяется круг -задач, в которых используются полученные га линейных ускорителях С ЛУЗ интенсивные пучки заряженных частиц. Кроме традиционного применения ЛУ в качестве инжекторов для циклических ускорителей в в качестве самостоятельных установок для физических исследований Смезонные фабрики, ускорители тяжелых ионов и др. 3 ускорение сильноточных пучков представляет значительный интерес для различных научных и практических приложений, таких как тяжелоионный термоядерный синтез, испытание материалов, злектроядерный бридинг, трансмутация ядерных отходов, производство изотопов для медицины, нейтронная терапия, изготовление ядерных фильтров и других задач.

Диссертация посвящена решению актуальной физической проблеш - выбору наилучшей схемы построения сильноточного ускорителя с ВЧ-фокусировкой, предназначенного для ускорения ионов в области средних энергий. Решение этой проблемы требует разработки метода высокочастотной фокусировки, который является эффективным в широком диапазоне изменения скоростей и сортов ионов к имеет высокий темп ускорения.

Состояние вопроса.

Традиционная схема ускорителя ионов на средние энергии Сдо 100 МэВ5 опирается на использование в начальной части ускорителя СНЧЗО ускоряющей структуры с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой СПОКФЗ, а в основной части СОЧУЗ-резонатороз Альвареца с фокусировкой внешним полем квадрупольных линз. Практическая реализация систем с ПОКФ впервые в мире была начата в ЙФВЭ.

В ЙГЭФ сооружается линейный ускоритель протоков, в начальной части которого используется секция с ПОКФ на частоте 148,8 МГц с выходной энергией 3 МзВ. Дальнейшее ускорение до энергии 95 МэВ должно происходить в трех последовательно расположенных резонаторах Альвареца на удвоенной частоте 297 МГц с фокусировкой магнитотвердыми квадруполяш:, размещенными внутри трубок, дрейфа. Физический запуск начальной части ускорителя с ПОКФ состоялся в 1933- г., а в 1993г. получен

7. Предлэженслособ подавления усредненной нелинейности фокусирующего поля в зазорах с квадрулояьной сииие-грией за счет выбора соответствующей геометрии ускорявшего зазора.

' Практическая ценность.

Основные результаты диссертационной работа использованы при разработке ускорителя дейтронов на 15 МзВ, предназначенного для генерации нейтронов,

Авторзаштает:

1. Способ фокусировки пучка заряженных частиц ВЧ-скреаенйши линзами в линейном одноканальноы и многоканально« резонансном ускорителе.

2. Результата исследовадияфокусйровкк ВЧ~квадруполяш с прямоугольныгш апертурами в ускорявших систеаах со знакопеременной фазировкой.

3. Схемы построения двухсекционного ускорителя дейтронов на энергии 15 ШВ.

• -4. Результаты исследование атдущрр ускоряс?1е^|окусируо-«йх полей в линейных ускорителях с фокусировкой ВЧ-скрещенными

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на Всесоюзной совещании по ускорителям заряженных частиц С г. Москва, 1990г. У, на Всесоюзном семинаре по линейным ускорителям заряженных -частиц С г.Харвдсов, 1991г. >, на Международной конференции яо применение ускорителей в научных исследованиях в промышленности С Denton, Texas, 1992), ва Мегдународной конференции по вычислительной физике ускорителей С Pleasonton, 1993), на Международной конференции во ускорителям заряженных частиц С Washington, 1993 ).

Па материалам диссертации получено два патента на изобретения.

•. Публикации. Результата исследований, вошедших в диссертации, сщублвшванн в 14 работав. '

,. Cm^m y ofoeu работе-

Диссертация состоят яа введения, трех глав, закяочеавя и арииоэрэкия, содержит tTg страшит, шатя 82 рисунка »а 47 страница*» в табашцв список литературы из 99 наименований.

энергия перехода (2,4 МэВ) между секциями и определены условия для полного перезахвата пучка из НЧУ в ОЧУ с помощью какала промежуточного согласования. В тайл. 1 даны физические параметры основной части ускорителя с фазоперемеяной фокусировкой. При численном моделировании на вход основной части ускорителя подается пучок, согласованный по частицам с равновесной фазой. Рост фазового объема пучка в конце секции с ФПФ при номинальном токе составляет 1,4 и объясняется, в основном, неполным перекрытием аксептансов, соответствующих различным фазам ВЧ-поля, а такга разрывом в реальных частотах на стьлсах периодов фокусировки. Показано, что ЛУ, построенный по предложенной схеме, может обеспечить почти полный захват частиц и ускорение пучка практически без потерь при соответствующем преобразовании пучка в канале промехуточного согласования.

Главным недостатком схемы, включающей ПОКФ и ФПФ, является постепенное падение жесткости фокусировки в системе с ФПФ при повышении энергии частиц. Кроме того, на стыке двух секций необходим канал промехуточного согласования. Во второй главе диссертации приведено решение этих проблем за счет использования различных вариантов ВЧ-квадрупольной фокусировхи.

В диссертации подробно рассмотрены вопросы сочетания фокусировки ВЧ-квадруполямя с прямоугольными апертурами к знакопеременной фазировка. На основе предложенной методики оптимизации области устойчивости радиально-фазовых колебаний проведен анализ различных структур периодов фокусировки с ФПКФ, а также других типов ВЧ-фокусировки. Показано, что .при ФПКФ максимальный коэффициент захвата частиц в режим ускорения иохно достичь в системах, содержащих зазоры только с (свадрупольной симметрией поля. При атом, протяженность области устойчивости радиаяьно- фазовых колебаний существенно больше, 1ем на периоде с фокусировкой ВЧ-квадруполями в режиме штофазировки я почти на 30% превышает значение, соответствующее структуре С ФПФ.

Проведенные исследования позволяли предложить новую :трухтурную схему ускорителя дейтронов на 15 МэВ, которая »ключает начальную часть с ПОКФ и оконечную часть с ФПКФ

Та<5л. 1. Сравнительные характеристики каналов основной части ускорителя дейтронов при

«,=2,4*151*8; Х=2,02ы; Е9Явх«160кВ/с«; *сеп=80°; I® =200кА

Параметр Обозначение Единицы измерения Тип фокусировки

ФИФ ф П К Ф ФС I

Длина ускорителя и 3,533 2,П8 2,355

Темп ускорения <1У» в 3,6 4,6 5,3

Кратность периода фокусировки н - 5*6 4*6 2

Радиус апертуры канала а .. 7,5*10 6,7*8,5 5,0

Набег фазы малых про дольных колебаний на периоде фокусировки Л град 80*64 80 .43,5

Вертикальный полуразмах сепаратрисы X ±0,8 ±1,8 +3

насег фазы поперечных колебания на периоде фокусировки град 82,5*66 82,5 45

Пропускная спосоО-вость канала см'мрад 0,448*я 0,404-п 0,384чг

Рост эмиттанса 1,30 1,25 1,08

1вх=60кА 1,40 1,33 1,14

градиентов фокусируювдх сил на периоде типа ФОДО. Радиальное движение частиц определяете« силами со стороны поперечных компонент ускоряющих солей и квадрувольных полей скрещенных линз.: В реязше автофазировзш ускоряющее поле вызывает ВЧ-дефохусировку пучка. Вследствие принятой ориентации линз и приложения к ним соответствующего ВЧ-напряхения частицы при своем движении вдоль оси испытывают действие квадрупольных толей с чередующийся знаками градиента. Это приводит к юявленир в канале ускорителя эффекта жесткой фокусировки.

При фокусировке ВЧ-скрещенньши линзами радиус пучка вдоль укорителя может оставаться неизменным. Поэтому ее удо<5ио риыенять в многолучевом ускорителе, причем конфигурация линз

Е5

Показано, что в приближении тонких линз вклад вшпоюСвкс компонент фокусирующего пола в величину преломления траектории частиц определяется усредненной по периоду ускорят» нелинейностью. Особо следует отметить возможность подавшшя усредненной нелинейности фокусирующего поля в зазоре с квадрупольнсй симетрией за счет выбора соответствующей геометрии зазора.

В приложении рассмотрены некоторые проблема, связанные с практической реализацией способа фокусировка ВЧ-скрэщенными линзами.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Основным итогом диссертационной работы является развитие метода высокочастотной кзадрупольной фокусировки, основанного иа использовании 8Ч-скреаенных линз, а также предложение я исследование различных схем построения ускорителя дейтронов с ВЧ-фокусировкой.

8 процессе исследований, проведенных в диссертации, были получены следующие новые результата:

I. Предложен способ фокусировки ВЧ-схрвщенными линзами, который позволяет обеспечить протяженность области уотхайчявоо-ти радиально-фазовых колебаний вплоть до 360° и жесткость фокусировки, независящую от энергии частиц, а также ^таш значение предельного тока при низкой анерлш я высокий темп ускорения. Показано, что способ фо&усзроаш ВЧ-схреаешшми линзами может быть реализован в мяогоханадьаом варианте. При атом удается обеспечить сохранение оостошшш радиуса пучка з процессе ускорения при высокой шюганияк упаковки каналов. Исследована фокусировка ВЧ-хвадруооюног с прямоугольными апертурами в ускоряющих системы со знакопеременной фаэировхой я предложены варианты строения периода фокусировки с различной симметрией поля в ускоряющих зазорах.

II. Проведена оптимизация ускоряюща-фокусирувщиж у^агау линейных резонансных ускорителей е фокусировкой ВЧ-схрещеязша линзами и с фазопеременной квадрупольной фокусировка*.

Разработана методика анализа а оптимизация аЯа&п устойчивости радиально-фазовых: колебаний в ускоряй»-фкусярую-

Предлоаюи способ подавяашя усредненной жШттвш..-фокусируящего поля в зазорах с квадрупольной симметрией за счет выбора соответствующей геометрии уащщт&рв зазора. Подучены аналитические выражения для параметров, описыэшдок фокусировку, ускорение и нелинейность фокусируидего доля в зазорах о даольной симметрией поля при лииеЗиов аппроясваада потенциала. Определены условия, при которое обеспечивается наилучшая линейность фокусирующего поля к шюшяется приближение "квадратной волны".

Результаты исследований использованы при разработке усао-ритвля дейтронов за 15 ШЗ, предназначенного для генерации нейтронов.

Основные результаты, изложенные в оцубзаковаш

з следующих работах:

1. Балабан А.й., Кропачев Г. Н. Сочетание звакоперешнной фаэн-ровки с ВЧ-хвадрупольной фокусировкой в лщейнон усиораичи». // Тезисы докладов 12 Всесоюзного совещания по усэеоряггеяш ааряаенних частик, С Москва, .3-3 октября 1990г. 3, М.ДШ0,

с. 193.

2. Бадабин А.И., Кшаачев Г.Н.. Крин В. В, Паршин И.О. Динамика частиц в ускорителе с фазоперемешгай фокусировзшй ионов фосфора. // Тезисы докладов 12. Эсесовзвого семинара по лшзйнам уежоситеяям зарязйшах частиц. (Харьков,38-30 чак, 19Шг. 3, Харьков, 1990, с; Ш. '

3. Анашкин М.Е., Балабнн А.И.. Шжпачев Г.Н.. Хадалов С.А. Численное исследование ускоряще-фокусирующих пояейв ВЧ-явад-руполях с пряшугодышни апертурами, /у Тезисы докладов

12 Всесоюзного семинара во линейным усяорятеяямзаряюнздх частиц. (Харьков,28-30 мая, 1991г. 3 .Харьков,1990,«. 98.

4. Баяабин А.й., Кабанов 5: С. , Кропачев Г.Н.. (качкое. Д.Г. Об одной возможности снижения эффекта ростаамнтавса пучка в линейном ускорителе с ШКФ, Препринт ИГЭФ-37, М. .1991.

5. Кропачез Г. Н., Хапалов С. А. Примеление программ бШгЗО для численного решения некоторых задач эяектростачии.

// Тезисы докладов 12 Всесоюзного семинара по ливяУгаш ускорителяы заряженных частиц. СХарысев, Э}-30 мая. 1991г. 3, Харьков, 1990, с. Ш.

ö g

Д

ФФДЦ

ФОДО

..................................... .W, шш

,,(, .у. ,. <,,„,i„, ,,,„,,,......J,»,,. ..J,.,..,,).,, .|„,|<„.

о го m m m 100

re. 4. Зависимость числа ВЧ-екрещенных пина да периоде фокусировки от энергия протонов : знакопеременная фазировка (Î). автофазировка (2.3)