Линейные высокочастотные ускорители протонов и отрицательных ионов водорода для прикладных исследований тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

9-2006-63

На правах рукописи УДК 621.384.633

КОБЕЦ Валерий Васильевич

ЛИНЕЙНЫЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ УСКОРИТЕЛИ ПРОТОНОВ И ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ ВОДОРОДА ДЛЯ ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Специальность: 01.04.20 — физика пучков заряженных частиц

и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Дубна 2006

Работа выполнена в Лаборатории физики частиц Объединенного института ядерных исследований.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор,

член-корреспондент РАН Игорь Николаевич Мешков

Официальные оппоненты:

доктор! технических наук, профессор Леонид Владимирович Кравчук

кандидат1 технических наук Владимир Афанасьевич Михайлов

Ведущая организация:

Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва

Защита диссертации состоится У НоЛи^>-А/_2006 г. в 11 - »

часов на заседании диссертационного совета Д 720.001.05 в Объединенном институте ядерных исследований, г.Дубна Московской области.

Автореферат разослан " ЯЗ " гССиСЛ/ 2006 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Объединенного института ядерных исследований.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук г^/УИ^/^ —'Кривохижин

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Линейные резонансные ускорители нашли широкое применение, как инжекторы больших протонных синхротронов. Однако в последнее время их все с большим успехом и все шире используют и для прикладных целей, таких, как радиационная терапия, испытание полупроводниковых приборов, исследование металлов и других конструкционных материалов, экспериментального облучения тканей и образцов космической техники и т. п.

В Сухумском физико-техническом институте для материаловедческих исследований был создан стенд, включающий в себя две секции линейного высокочастотного ускорителя протонов и отрицательных ионов водорода. Первая секция с пространственно однородной ВЧ фокусировкой до энергии 1,96 МэВ (начальная часть ускорителя - НЧУ) была разработана и изготовлена в ИФВЭ для инжектора в бустер Серпуховского синхротрона У-70. Вторая секция с пространственно периодической ВЧ фокусировкой до энергии 7 МэВ (основная часть ускорителя - ОЧУ) была разработана в ИФВЭ специально для данного стенда. Сборка и физический пуск с протонным пучком секции ОЧУ был осуществлен в ИФВЭ. Для включения секции в состав стенда необходимо было провести детальное исследование параметров ускоренного пучка протонов.

На момент начала исследований на материаловедческом стенде СФТИ в мировой практике не было опыта ускорения отрицательных ионов в структурах с ВЧ фокусировкой. Для исследования возможности таких структур впервые в мире были получены на них пучки отрицательных ионов водорода и проведены детальные исследование параметров этих пучков на энергии 1.96 и 7 МэВ.

Для проведения аналогичных исследований, для производства полупроводниковых устройств методом ионной имплантации, для исследования возможностей использования нагрева плазмы в токамак-реакторах пучками атомов водорода и дейтерия и для ряда других прикладных задач разработка

новых ускоряющих структур в диапазоне энергий от нескольких сотен кэВ до нескольких МэВ является актуальной задачей. Одним из возможных решений является применение впервые предложенной новой ускоряющей структуры на основе полицилиндрических резонаторов. Ускоритель такого типа имеет малые габаритные размеры, высокий темп ускорения, может быть использован для ускорения разных сортов ионов. Для проведения измерения сечений перезарядки отрицательных ионов водорода и дейтерия на газовых и плазменных мишенях в рамках проекта ИТЕР было решено использовать ускорить данного типа.

Для увеличения интенсивности и качества выведенного пучка на Фазотроне ОИЯИ ведутся работы над проектом внешней инжекции, позволяющей увеличить ток выведенного протонного пучка на порядок.

Для этой цели планируется создание системы внешней инжекции в фазотрон на двухсекционном линейном ускорителе отрицательных ионов водорода.

Таким образом, экспериментальные исследования параметров ускоряющих структур с ВЧ квадрупольной фокусировкой, а также разработка и исследования новых типов ускоряющих структур являются актуальной задачей.

Основные цели работы:

Разработка и сооружение ускорителя с пространственно-периодической ВЧ-квадрупольной фокусировкой на энергию 7 МэВ.

Формирование и ускорение пучка отрицательных ионов водорода в ускорителях с пространственно-однородной и пространственно-периодической ВЧ-квдрупольной фокусировкой.

Разработка малогабаритных ускорителей ионов для прикладных исследований.

Сооружение и ввод в действие ускорителя отрицательных ионов водорода и дейтерия на основе четвертьволновых полицилиндрических резонаторов на энергию 1-1,5 МэВ для исследования возможностей нагрева плазмы в ИТЕР.

Разработка физического проекта ускорителя отрицательных ионов водорода с ВЧ фокусировкой для внешней инжекции в Фазотрон.

Научная новизна

Впервые разработан и введен в действие линейный ускоритель протонов с пространственно-периодической ВЧ-квдрупольной фокусировкой на энергию 7 МэВ.

Впервые получены пучки отрицательных ионов водорода на ускорителях с пространственно-однородной и пространственно-периодической ВЧ-квдрупольной фокусировкой на энергию 1,96 и 7 МэВ.

Предложена оригинальная конструкция ускорителя ионов на основе четвертьволновых полицилиндрических резонаторов. Разработан и введен в действие такой ускоритель отрицательных ионов водорода до энергии 1,5 МэВ.

Разработан физический проект линейного ускорителя с пространственно-однородной ВЧ-квдрупольной фокусировкой для внешней инжекции в Фазотрон.

Практическая ценность работы

Полученные результаты показали возможность применения ускорителей с ВЧ-квадрупольной фокусировкой для ускорения отрицательных ионов водорода. На материаловедческом стенде СФТИ проведен комплекс исследований на энергиях ионов 1,96 и 7 МэВ, таких как, например, измерение сечения перезарядки отрицательных ионов водорода в нейтральные атомы и протоны на газовых и пленочных мишенях.

Предложенный ускоритель на основе полицилиндрических резонаторов позволяет ускорять ионы разного сорта до энергии 1-1,5 МэВ. Разработка и пуск ускорителя такого типа позволили выявить следующие его основные достоинства:

- малые габаритные размеры (сооруженный ускоритель на энергию протонов 1,5 МэВ имеет длину 65 см, диаметр вакуумного контейнера 67 см.),

- простота в настройке и эксплуатации,

- возможность плавной регулировки выходной энергии частиц,

- возможность ускорения различных сортов ионов.

В данном ускорителе реализован метод фазопеременной фокусировки, поэтому не требуется дополнительных фокусирующих устройств. Использование группирующего зазора во внутреннем проводнике первого резонатора без увеличения общей длины ускорителя позволяет существенно увеличить коэффициент захвата.

Реализация внешней инжекции в фазотрон позволит увеличить интенсивность ускоренного пучка с 1,25x10й частиц в течение времени захвата в Фазотрон до 1,25 х 1012 частиц.

На защиту выносится:

1 Результаты настройки и тестирования ускорителя протонов с пространственно-периодической ВЧ-квадрупольной фокусировкой на энергию 7 МэВ.

2. Результаты формирования и ускорения пучка отрицательных ионов водорода в ускорителях с пространственно-однородной и пространственно-периодической ВЧ-квадрупольной фокусировкой на энергию 2 и 7 МэВ.

3. Принцип действия и конструкция ускорителя на основе четвертьволновых полицилиндрических резонаторов.

4. Результаты физического пуска ускорителя на основе четвертьволновых полицилиндрических резонаторов.

5. Физический проект ускорителя с пространственно-однородной ВЧ-квадрупольной фокусировкой для внешней инжекции в Фазотрон.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на научных конференциях СФТИ (Сухуми, 1979 — 1983), на Киевском семинаре по физике и технике интенсивных источников ионов и ионных пучков (Киев, 1994), на XIV Совещании по ускорителям заряженных частиц (Протвино, 1994), на V научном семинаре памяти Саранцева (Дубна, 2003), на XIX конференции по ускорителям заряженных частиц ЯиРАС-2004 (Дубна, 2004), неоднократно обсуждались на научных семинарах в Объединенном Институте Ядерных Исследований.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 50 наименований. Общий объем: 96 страниц.

Содержание диссертационной работы

Содержание работы изложено в пяти главах.

Во Введении обосновывается актуальность, сформулированы задачи и цель настоящей работы. Приводятся краткое её содержание и основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 содержит основные предпосылки положенные в основу создания ускорителей с пространственно-однородной и пространственно-периодической ВЧ-квадрупольной фокусировкой. Представлены способы построения ускоряющих структур с пространственно-однородной и пространственно-периодической ВЧ-квадрупольной фокусировкой. Описаны резонаторы, с помощью которых создаются ВЧ-поля в таких структурах.

Глава 2 содержит результаты исследования параметров ускорителя протонов с пространственно периодической ВЧ фокусировкой на энергию 7 МэВ.

Стенд СФТИ для материаловедческих исследований включает в себя две секции линейного высокочастотного ускорителя протонов и отрицательных ионов водорода (Рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема стенда материаловедческих исследований СФТИ.

Секция с пространственно-периодической ВЧ-фокусировкой до энергии 7 МэВ (основная часть ускорителя - ОЧУ) была разработана в ИФВЭ специально для данного стенда. Сборка и физический пуск с протонным пучком секции ОЧУ был осуществлен в ИФВЭ. Для включения секции в состав стенда необходимо было провести детальное исследование параметров ускоренного пучка протонов. Измерение тока пучка осуществлялось индукционными датчиками, установленными на входе ускорителя, между секциями и на выходе ОЧУ, а так же цилиндром Фарадея, который мог устанавливаться на выходе ОЧУ. Форма поперечного сечения пучка наблюдалась по свечению люминесцентного экрана. Для измерения энергетического разброса использовался анализатор на основе поворотного 30°-го магнита со щелевым токоприемником, расположенным после участка дрейфа. Точность измерений разброса частиц по импульсам составляла ±0,5%. Измерение эмитганса пучка на выходе секции проводилось методом двух щелей с использованием многоламельного токоприемника. Измерения производились в двух главных поперечных плоскостях.

Общий измеренный коэффициент захвата составлял 0.7 - 0.8, при токе ускоренного пучка до 120 мА в импульсе длительностью 10 мкс. Энергетический разброс ускоренного пучка не превышал 3,5 %, а при оптимальных режимах и малых токах ± 1,5 %. При токе ускоренного пучка порядка 10-20 мА приведенный эмиттанс составлял примерно 3 • 10"5 см'рад, а при токе 100 мА той же площади соответствовало 20% частиц.

Глава 3 посвящена получению ускоренных пучков отрицательных ионов водорода с энергией 2 и 7 МэВ.

Для ускорения отрицательных ионов водорода был разработан инжектор с источником магнетронного типа в безцезиевом варианте с током эмиссии до 70 мА. Согласование параметров пучка инжектора с НЧУ и исследование прохождения пучка по тракту ускорителя проводилось по методикам, которые применялись ранее для исследований протонного пучка. В этих экспериментах были впервые ускорены пучки отрицательных ионов водорода в структуре с ВЧ квадрупольной фокусировкой (Рис. 2).

б

Рис. 2. Осциллограммы огибающих ВЧ поля в НЧУ (верхняя кривая) и ОЧУ (нижняя кривая) при ускорении пучка Н" с током 15 мА. На сигнале огибающей ОЧУ видна подсадка от тока пучка.

В результате исследований были найдены зависимости тока на выходе из ускорителя от величины ускоряющего высокочастотного поля и энергии инжекции ионов. Оценены потери частиц в ускорителе.

В главе 4 описаны принцип действия и конструкция ускорителя на основе полицилиндрических резонаторов.

Для ускорения различных сортов ионов до энергии 1 - 1.5 МэВ была предложена оригинальная модификация ускорителя на основе коаксиальных резонаторов, позволяющая снизить с одной стороны потери мощности в резонаторе, а с другой стороны осуществить устойчивое ускорение ионов на частоте ВЧ поля 100 — 200 МГц. Такой ускоритель представляет собой цепочку вложенных друг в друга коаксиальных четвертьволновых резонаторов, так, что внешний проводник одного резонатора является одновременно внутренним проводником следующего. При этом мощность потерь из-за деления напряжения в первом приближении уменьшается пропорционально количеству резонаторов. Действительно:

и 2 е

Р„ = —и ОС^'-" 2ИЭ ' " п

где и„ - напряжение на емкостном (ускоряющем) зазоре резонатора, е - полная энергия ускоряемой частицы, Яэ - эквивалентное сопротивление резонатора, п -количество резонаторов.

Если предположить, что эквивалентные сопротивления вложенных резонаторов примерно равны, то полная мощность потерь в резонаторах при равном делении напряжения падает как п'1:

Количество резонаторов может, в принципе, быть любым, но при большом количестве резонаторов непомерно растет диаметр ускорителя и в резонаторах при больших диаметрах появляются, кроме основного, высшие типы колебаний. Поэтому при создании ускоряющей системы необходимо ограничиться разумным количеством резонаторов, исходя из условия возникновения высших типов колебаний:

где Б — внутренний диаметр большого проводника, — внешний диаметр меньшего проводника.

Все резонаторы настроены на одну частоту и запитываются независимо друг от друга, так что фазы высокочастотных полей в резонаторах могут быть произвольными. Такая полицилиндрическая структура позволяет решить проблему устойчивого ускорения пучка методами фазопеременной фокусировки. Кроме того, во внутреннем проводнике первого резонатора может быть размещен одно- или двухзазорный группирователь, что обеспечит достаточно высокий коэффициент захвата пучка в режим ускорения.

Ускоритель такого типа, разработанный и изготовленный в СФТИ, состоит из пяти вложенных друг в друга четвертьволновых резонаторов, во внутреннем проводнике первого резонатора размещен однозазорный группирователь клистронного типа. Радиотехнический расчет резонатора производился с помощью программы МиЬТ1МСЮЕ. Напряжения на зазорах и сдвиги фаз ВЧ

поля между резонаторами рассчитывались с помощью специально разработанной компьютерной программы, моделирующей динамику движения ионов. Расчетные параметры ускорителя приведены в таблице 1, ускоритель в сборе показан на Рис. 3.

Таблица 1. Основные параметры ускорителя

Длина, м 0.7

Диаметр вакуумного контейнера, м 0.67

Диаметр внутреннего цилиндра, м 0.14

Диаметр внешнего цилиндра, м 0.56

Энергия инжекции, кэВ 80

Конечная энергия, МэВ 0.5-1.5

Ширина энергетического спектра, % 5-10

Коэффициент захвата с однозазорным группирователем, % 40

Собственная частота, МГц 156.5

Напряженность поля в зазорах, кВ/см 180

Расчетная собственная добротность резонаторов 8000

Измеренная собственная добротность 5300

Суммарная мощность ВЧ питания, МВт 2.5

Физический пуск ускорителя был осуществлен в 1995 году. В качестве источника ионов использовался источник Н" ионов с объемно плазменным механизмом генерации. Ток инжектируемого пучка составлял 35 мА при длительности импульса 10 — 20 мкс и частоте повторения 0.5 Гц. Длительность импульса ВЧ питания составляла 80 мкс. На выходе ускорителя был получен ток 15 мА в импульсе. Энергия ионов измерялась с помощью магнитного энергоанализатора. Полученный спектр близок к расчетному.

Рис. 3. Ускоритель на основе полицилиндрических резонаторов

в процессе сборки.

В главе 5 описывается система внешней инжекции в фазотрон на основе линейного ускорителя с ВЧ квадрупольной фокусировкой.

Для увеличения интенсивности и качества выведенного пучка на фазотроне ОИЯИ ведутся работы над проектом внешней инжекции, позволяющей увеличить ток выведенного протонного пучка на порядок. В настоящее время внутренний ток в фазотроне составляет 5 мкА при частоте модуляции 250 Гц и времени захвата 20 мкс, то есть при макроскважности 200. Таким образом, импульсный

ток составляет 1 мА в течение времени захвата или 1.25x1011 частиц.

10

Предполагается увеличить число частиц в импульсе до 1.25 х 10 частиц.

Одним из возможных путей решения этой задачи является создание системы внешней инжекции в фазотрон на двухсекционном линейном ускорителе отрицательных ионов водорода. Ускоренные отрицательные ионы водорода перезаряжаются на газовой мишени. Нейтральный пучок инжектируется в фазотрон, где перезаряжается в протоны, которые и захватываются в режим ускорения. Ключевым элементом схемы внешней инжекции в фазотрон является ускоритель отрицательных ионов водорода.

Для этой цели разработан ускоритель, состоящий из двух секций начальной части ускорителя с ПОКФ фокусировкой (НЧУ-1, НЧУ-2).Основные проектные параметры варианта ускоряющей системы приведены в таблице 2.

Таблица 2. Проектные параметры ускорителя для внешней инжекции в фазотрон.

НЧУ-1 НЧУ-2

Энергия инжекции, МэВ 0,098 1,9

Выходная энергия, МэВ 1,9 5

Ток пучка, мА 50 50

Режим работы импульсный:

-частота следования импульсов, Гц 250 250

-длительность импульса тока пучка (по уровню 0,9), мкс 80 80

-длительность ВЧ-импульса (по уровню 0,1 без учета

длительности среза импульса), мкс 130 130

Рабочая частота ВЧ-поля, МГц 144,8 144,8

Амплитуда номинального ускоряющего напряжения, кВ 150 150

Синхронная фаза, град 90-30 30

Собственная добротность резонаторов 1,6x104 1,6x104

Шунтовое сопротивление резонатора, кОм 46,3 45

Мощность собственных потерь в резонаторе не более, кВт 243 250

Мощность, потребляемая пучком, кВт 90,1 150

К.п.д. резонатора, % 27 38

Постоянная времени резонатора, нагружен- ного ВЧ-системой, при критической связи с резонатором, мкс 17,5 17,5

Точность подстройки частоты резонатора, кГц 1 1

Максимальная мощность ВЧ-генератора, кВт 500 500

Нестабильность амплитуды ВЧ-поля не более, % ±2 ±2

Нестабильность фазы ВЧ-поля не более, град ±2 ±2

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы. Выводы

1. В результате настройки и тестирования ускорителя протонов с пространственно периодической ВЧ фокусировкой на энергию 7 МэВ экспериментально установлено, что общий измеренный коэффициент захвата составляет 0.7 - 0.8, при токе ускоренного пучка до 120 мА в импульсе длительностью 10 мкс. Энергетический разброс ускоренного пучка не превышает 3,5 %, а при оптимальных режимах и малых токах ± 1,5 %. При токе ускоренного пучка порядка 10 — 20 мА приведенный эмиттанс составляет примерно 3 * 10"5 см-рад, а при токе 100 мА той же площади соответствует 20% частиц. Данные параметры полностью удовлетворяют требованиям стенда для проведения материаловедческих исследований.

2. В экспериментах на стенде СФТИ с источником магнетронного типа в безцезиевом варианте были впервые ускорены пучки отрицательных ионов водорода в структуре с ВЧ квадрупольной фокусировкой. Согласование параметров пучка отрицательных ионов водорода из инжектора с НЧУ и исследование прохождения пучка по тракту ускорителя проводилось по методикам, которые применялись ранее для исследований протонного пучка. В результате исследований были оптимизированы величины ускоряющего высокочастотного поля и энергии инжекции ионов. Максимальный ускоренный ток при энергии 7 МэВ составил 17 мА.

3. Для ускорения различных сортов ионов до энергии 1 — 1.5 МэВ была предложена оригинальная конструкция ускорителя на основе полициллиндрических резонаторов. Такой ускоритель представляет собой цепочку вложенных друг в друга коаксиальных четвертьволновых резонаторов, запитываемых независимо друг от друга. При этом структура имеет малые габаритные размеры, а мощность потерь из-за деления напряжения уменьшается пропорционально количеству резонаторов. Во внутреннем проводнике первого резонатора может быть размещен одно- или двухзазорный группирователь, что обеспечивает достаточно высокий коэффициент захвата пучка в режим ускорения.

4. В СФТИ для исследования процесса перезарядки Н', Э" ионов на газовой и плазменной мишенях при энергии 1 — 1.5 МэВ был разработан и изготовлен ускоритель на основе полициллиндрических резонаторов. Физический пуск ускорителя был осуществлен в 1995 году. На выходе ускорителя был получен ток 15 мА в импульсе при токе инжекции 35 мА. Энергетический спектр ускоренного пучка близок к рассчетному.

5. Для внешней инжекции в фазотрон предложен линейный ускоритель отрицательных ионов водорода, состоящий из двух секций с ПОКФ фокусировкой с конечной энергией 5 МэВ и током пучка до 50 мА. Длина ускорителя составляет 3.5 м. Импульсная мощность ВЧ питания около 750 кВт, частота ускоряющего поля равна 144,8 МГц. Применение такого ускорителя позволит увеличить число частиц в импульсе с 1.25 х 10й до 1.25 х 1012 частиц.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. В.В.Кобец, Е.М.Сыресин, О.К.Беляев, И.Г.Мальцев, В.Б.Степанов, В.А.Тепляков, Форинжектор на базе линейного ускорителя для внешней инжекции в фазотрон ОИЯИ, Письма в ЭЧАЯ, 2005, Т. 2, № 3 (126), стр. 29 -33.

2. А.К.Геворков, В.В.Кобец, И.С.Савченко, Л.П.Скрипаль, В.П.Сидоров, А.О.Сидорин, Экспериментальный стенд для исследования процесса

перезарядки Н", D" ионов на газовой и плазменной мишенях, Сборник докладов XIV совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 1994, стр. 90 -93.

3. Кобец В.В. и др., Исследование характеристик НЧУ и компенсации спада напряженности поля на ускорителе стенда «Модуль», Отчет СФТИ, № 5716, 1979.

4. Кобец В.В. и др., Исследование параметров сильноточного пучка протонов и характеристик ВЧ-системы ускорителя на энергию 7 МэВ стенда «Модуль», Отчет СФТИ, № 5774, 1980.

5. Кобец В.В. и др., Экспериментальное исследование инжектора отрицательных ионов водорода с ускорителем стенда «Модуль», Отчет СФТИ, № 6380, 1983.

6. Геворков А.К., Карпюк И.А., Кобец В.В., АС № 301077 от 01.09.89.

7. Кобец В.В., Сидорин А.О., Малогабаритный линейный ускоритель ионов на основе полицилиндрических резонаторов, Атомная энергия, SP, 2006, Г. -i00^

Х^/7. 5~/ cJT]J . 4oz -¿tab.

Получено 12 мая 2006 г.

Отпечатано методом прямого репродуцирования с оригинала, предоставленного автором.

Подписано в печать 15.05.2006. Формат 60 х 90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 0,92. Тираж 100 экз. Заказ № 55329.

Издательский отдел Объединенного института ядерных исследований 141980, г. Дубна, Московская обл., ул. Жолио-Кюри, 6. E-mail: publish@pds.jinr.ru www.jinr.ru/publish/

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Принципы построения резонансных линейных ускорителей ионов с пространственно-однородной и пространственно-периодической

ВЧ-квадрупольной фокусировкой

Глава 2. Исследование параметров ускоренного пучка в ускорителе с пространственно-однородной и пространственно-периодической

ВЧ~квадрупольной фокусировкой

§2.1. Ускоритель с ВЧ-квадрупольной фокусировкой на энергию 7 МэВ

§2.2. Измерение параметров ускоренного пучка протонов

§2.3. Профиль пучка на выходе НЧУ коэффициент захвата протонов в режим ускорения

§2.4. Энергетический спектр протонов на выходе НЧУ

§2.5. Эмиттанс пучка протонов, ускоренного в НЧУ

§2.6. Система компенсации нагрузки резонаторов НЧУ и ОЧУ током ускоренных протонов

§2.7. Проводка пучка протонов через две секции ускорителя и его ускорение до энергии 7 МэВ в режиме малых и больших токов

Глава 3. Формирование и ускорение пучка отрицательных ионов водорода в ускорителях с пространственно-однородной и пространственнопериодической ВЧ-квадрупольной фокусировкой

Глава 4. Малогабаритный ускоритель на основе полицилиндрических четвертьволновых коаксиальных резонаторов

§4.1. Характеристика коаксиального четвертьволнового резонатора

§4.2. Конструкция ускорителя на основе полицилиндрических резонаторов

§4.3. Динамика частиц в ускоряющей структуре на основе полицилиндрических четвертьволновых коаксиальных резонаторов

§4.4. Физический пуск ускорителя на основе полицилиндрических четвертьволновых резонаторов

Глава 5. Ускоритель для внешней инжекции в Фазотрон ОИЯИ

§5.1. Эффективность внешней инжекции

§5.2. Инжектор на основе линейного ускорителя

§5.3. Система ВЧ питания ускорителя

Основным условием ускорения заряженных частиц в линейных высокочастотных ускорителях, является обеспечение одновременной фазовой (продольной) и радиальной (поперечной) устойчивости движения заряженных частиц.

В линейных резонансных ускорителях ионов фазовая устойчивость обеспечивается соответствующим выбором распределения равновесной (синхронной) фазы по длине ускоряющего тракта, а устойчивость в радиальной плоскости - внешними фокусирующими устройствами, например, магнитными квадрупольными линзами [1], расположенными в трубках дрейфа ускорителя, так называемая, жесткая фокусировка. Она обеспечивает относительно высокие параметры пучка, однако, сами трубки дрейфа превратились со временем в весьма сложные узлы современных ускорителей.

Существует и другая возможность обеспечения одновременной радиальной и фазовой устойчивости - с помощью самого ускоряющего поля. При этом значительно упрощается конструкция ускоряюще-фокусирующей структуры, в несколько раз уменьшается энергия инжекции ионов в ускоритель, повышаются темп ускорения, интенсивность и качество ускоряемого пучка. Широкую известность получили ускорители с квадрупольной высокочастотной фокусировкой, где устойчивость поперечного движения частиц пучка достигается с помощью квадрупольной конфигурации высокочастотного поля, создаваемого четырехпроводной квадрупольной линией [2,3] или, так называемым, двойным зазором [4], где трубки дрейфа представляют собой обычные полые цилиндры, нагруженные дополнительными электродами, формирующими поля квадрупольной геометрии в ускоряющем зазоре.

Кроме квадрупольной высокочастотной фокусировки существует еще и фазопеременная [5,6]. В ее основу положено периодическое изменение величины и знака равновесной фазы cps вдоль ускоряющего тракта. Этим создается периодическое чередование участков с фазовой фокусировкой и дефокусировкой (радиальной дефокусировкой и фокусировкой соответственно) и при определенном соотношении между ними может быть достигнута одновременная фазовая и радиальная устойчивость движения пучка заряженных частиц.

Линейный высокочастотный ускоритель протонов и отрицательных ионов водорода был выбран в качестве основного "инструмента" специализированного стенда материаловедческих исследований Сухумского физико-технического института (СФТИ) [7,8]. Он состоит из двух секций, первая из которых, с пространственно-однородной ВЧ-квадрупольной фокусировкой [2,3], на энергию до 1,96 МэВ (начальная часть ускорителя - НЧУ) аналогична разработанной в свое время в ИФВЭ для инжектора в бустер Серпуховского синхротрона У-70. Вторая секция с пространственно-периодической [4,9,10] ВЧ-квадрупольной фокусировкой до энергии 7 МэВ (основная часть ускорителя -ОЧУ) была разработана в ИФВЭ специально для данного стенда. Сборка и физический пуск секции ОЧУ с протонным пучком были осуществлены в ИФВЭ. Для включения секции в состав стенда необходимо было провести детальное исследование параметров ускоренного пучка протонов.

На момент начала исследований на материаловедческом стенде СФТИ в мировой практике не было опыта ускорения отрицательных ионов в структурах с ВЧ-квадрупольной фокусировкой. Для исследования возможностей таких структур впервые в мире на них были ускорены отрицательные ионы водорода до энергий 1,96 и 7 МэВ и проведены детальные исследование параметров пучков этих ионов [11].

Разработка новых ускоряющих структур в диапазоне энергий от нескольких сотен кэВ до нескольких МэВ является актуальной задачей для ряда приложений, таких как производство полупроводниковых устройств методом ионной имплантации, нагрев плазмы в токамак-реакторах пучками атомов водорода и дейтерия и ряда других. Одним из возможных решений является применение впервые предложенной новой ускоряющей структуры на основе полицилиндрических резонаторов [12,13]. Ускоритель такого типа имеет малые габаритные размеры, высокий темп ускорения, может быть использован для ускорения разных сортов ионов. Ускоритель данного типа было решено использовать для проведения измерения сечений перезарядки отрицательных ионов водорода и дейтерия на газовых и плазменных мишенях в рамках проекта ИТЕР [14].

В ОИЯИ, с целью увеличения интенсивности и качества выведенного пучка Фазотрона, ведутся работы над проектом внешней инжекции, что позволяет увеличить ток выведенного протонного пучка на порядок. Для этого разработан физический проект системы внешней инжекции на основе двухсекционного линейного ускорителя отрицательных ионов водорода [15].

Таким образом, экспериментальные исследования параметров ускоряющих структур с ВЧ-квадрупольной фокусировкой, а также разработка и исследование новых типов ускоряющих структур являются актуальной задачей.

Основные цели работы.

Разработка и сооружение ускорителя с пространственно-периодической ВЧ-квадрупольной фокусировкой на энергию 7 МэВ.

Формирование и ускорение пучка отрицательных ионов водорода в ускорителях с пространственно-однородной и пространственно-периодической ВЧ-квдрупольной фокусировкой.

Разработка малогабаритных ускорителей ионов для прикладных исследований.

Сооружение и ввод в действие ускорителя отрицательных ионов водорода и дейтерия на основе четвертьволновых полицилиндрических резонаторов на энергию 1-1,5 МэВ для исследования возможностей нагрева плазмы в ИТЕР.

Разработка физического проекта ускорителя отрицательных ионов водорода с ВЧ фокусировкой для внешней инжекции в Фазотрон.

Научная новизна

Впервые разработан и введен в действие линейный ускоритель протонов с пространственно-периодической ВЧ-квдрупольной фокусировкой на энергию 7 МэВ.

Впервые получены пучки отрицательных ионов водорода на ускорителях с пространственно-однородной и пространственно-периодической ВЧ-квдрупольной фокусировкой на энергию 1,96 и 7 МэВ.

Предложена оригинальная конструкция ускорителя ионов на основе четвертьволновых полицилиндрических резонаторов. Разработан и введен в действие такой ускоритель отрицательных ионов водорода до энергии 1,5 МэВ.

Разработан физический проект линейного ускорителя с пространственно-однородной ВЧ-квдрупольной фокусировкой для внешней инжекции в Фазотрон.

Практическая ценность работы

Полученные результаты показали возможность применения ускорителей с ВЧ-квадрупольной фокусировкой для ускорения отрицательных ионов водорода. На материаловедческом стенде СФТИ проведен комплекс исследований на энергиях ионов 1,96 и 7 МэВ, таких как, например, измерение сечения перезарядки отрицательных ионов водорода в нейтральные атомы и протоны на газовых и пленочных мишенях.

Предложенный ускоритель на основе полицилиндрических резонаторов позволяет ускорять ионы разного сорта до энергии 1-1,5 МэВ. Разработка и пуск ускорителя такого типа позволили выявить следующие его основные достоинства:

- малые габаритные размеры (сооруженный ускоритель на энергию протонов 1,5 МэВ имеет длину 65 см, диаметр вакуумного контейнера 67 см.),

- простота в настройке и эксплуатации,

- возможность плавной регулировки выходной энергии частиц,

- возможность ускорения различных сортов ионов.

В данном ускорителе реализован метод фазопеременной фокусировки, поэтому не требуется дополнительных фокусирующих устройств. Использование группирующего зазора во внутреннем проводнике первого резонатора без увеличения общей длины ускорителя позволяет существенно увеличить коэффициент захвата.

Реализация внешней инжекции в фазотрон позволит увеличить интенсивность ускоренного пучка с 1,25x10й частиц в течение времени захвата в Фазотрон до 1,25х 1012 частиц.

На защиту выносится:

1. Результаты настройки и тестирования ускорителя протонов с пространственно-периодической ВЧ-квадрупольной фокусировкой на энергию 7 МэВ.

2. Результаты формирования и ускорения пучка отрицательных ионов водорода в ускорителях с пространственно-однородной и пространственно-периодической ВЧ-квадрупольной фокусировкой на энергию 2 и 7 МэВ.

3. Принцип действия и конструкция ускорителя на основе четвертьволновых полицилиндрических резонаторов.

4. Результаты физического пуска ускорителя на основе четвертьволновых полицилиндрических резонаторов.

5. Физический проект ускорителя с пространственно-однородной ВЧ-квадрупольной фокусировкой для внешней инжекции в Фазотрон.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на научных конференциях СФТИ (Сухуми, 1979 - 1983), на Киевском семинаре по физике и технике интенсивных источников ионов и ионных пучков (Киев, 1994), на XIV Совещании по ускорителям заряженных частиц

Протвино, 1994), на V научном семинаре памяти Саранцева (Дубна, 2003), на XIX конференции по ускорителям заряженных частиц RuPAC-2004 (Дубна, 2004), неоднократно обсуждались на научных семинарах в Объединенном Институте Ядерных Исследований.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [7, 8,11,13,14,15,45].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения работы были получены следующие результаты. Разработан и введен в действие линейный ускоритель протонов с пространственно-периодической ВЧ-фокусировкой на энергию 7 МэВ, проведено его детальное тестирование протонным пучком. На ускорителях с пространственно однородной и пространственно-периодической ВЧ фокусировкой получены пучки отрицательных ионов водорода с энергией 2 и 7 МэВ и пиковым током до 17 мА, проведены исследования параметров этих пучков. Полученные результаты показали возможность применения ускорителей с ВЧ квадрупольной фокусировкой для ускорения отрицательных ионов водорода.

Разработан и введен в действие ускоритель отрицательных ионов водорода до энергии 1.5 МэВ на основе четвертьволновых полицилиндрических резонаторов. Его главные достоинства:

- малые габаритные размеры (сооруженный ускоритель на энергию протонов 1.5 МэВ имеет длину 65 см, диаметр вакуумного контейнера 67 см.),

- простота в настройке и эксплуатации,

- возможность плавной регулировки энергии ускоренных частиц,

- возможность ускорения различных сортов ионов.

В данном ускорителе реализован метод фазопеременной фокусировки, не требующий дополнительных фокусирующих устройств. Использование группирующего зазора без увеличения общей длины ускорителя позволяет существенно увеличить коэффициент захвата.

Разработан физический проект линейного ускорителя с ВЧ-фокусировкой для внешней инжекции в Фазотрон ОИЯИ. Реализация проекта позволит увеличить интенсивность пучка протонов, ускоренных в Фазотроне, не менее чем на порядок - до 1.25хЮ12 частиц.

В заключении выражаю искреннюю благодарность своему научному руководителю Игорю Николаевичу Мешкову, т.к. без его пристального внимания эта работа не состоялась бы.

Искренне благодарю своих коллег по Сухумскому физико-техническому институту: Подлесного Г.Г., Зеленченкова П.В., Кузнецова Г.В., Уколова И.К., Каршока И.А., Калашникова Д.Ю., Сидорина А.О., Геворкова А.К., Зюзина Г.П. за длительную и плодотворную совместную работу.

1. Капчинский И.М., Тепляков В.А., Приборы и техника эксперимента, 1970, № 2, с. 19.

2. Капчинский И.М., Тепляков В.А., Приборы и техника эксперимента, 1970, № 4, с. 17.

3. Тепляков В.А., Приборы и техника эксперимента, 1964, № 6, с. 24.

4. Good M.L.,Fhfse-Reversal in Linear Accelerators, «Phys. Rev.», 1953, v. 92, № 2, p. 538.

5. Fainberg I.B., Alternating Fhase Focusing, In: Proc. Symp. on High Energy Accelerators and Pion Physics, V. 1. Geneva, CERN, 1956, p. 91-100.

6. Кобец B.B. и др., Исследование характеристик НЧУ и компенсации спадагнапряженности поля на ускорителе стенда «Модуль», Отчет СФТИ, № 5716,1979.

7. Кобец В.В. и др., Исследование параметров сильноточного пучка протонов и характеристик ВЧ-системы ускорителя на энергию 7 МэВ стенда «Модуль», Отчет СФТИ, №5774, 1980.

8. Тепляков В.А., Труды Второго всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Москва, 1970,, Наука, 1972, т. 2, с. 7.

9. Мальцев А.П. и др., Препринт ИФВЭ ИНЖ 69-2, Серпухов, 1969.

10. Кобец В.В. и др., Экспериментальное исследование инжектора отрицательных ионовLводорода с ускорителем стенда «Модуль», Отчет СФТИ, № 6380,1983.

11. Геворков А.К., Плютто А.А., Савченко И.С., Салуквадзе Р.Г., АС 3 284424 от 02.02.87.

12. Геворков А.К., Карпюк И.А., Кобец В.В., АС № 301077 от 01.09.89.

13. Кобец В.В. и др., Экспериментальный стенд для исследования процесса перезарядки IT, D" ионов на газовой и плазменной мишенях, 14-е Совещание по ускорителям заряженных частиц, т. 1, с. 90, Протвино, 1994, стр. 90-93.

14. Борисов О.Н., Онищенко JI.M., Внешняя инжекция в Фазотрон, Сообщ. ОИЯИ, 39-97282, Дубна, 1997.

15. Мальцев А.П., Степанов В.Б., Тепляков B.C., Препринт ИФВЭ ИНЖ 71-116, Серпухов, 1971.

16. Капчинский И. М., Препринты ИФВЭ ИНЖ 72-29, ИНЖ 72-30, Серпухов, 1972.

17. Голосай Н.И. и др., Атомная энергия, 1975, т. 39, с. 123.

18. Горшков Б.М. и др., ЖТФ, 1977, т. 47, с.2328.

19. Kapchinskij I.M., LazarevN.V., IEEE Trans. Nucl. Sci., 1979, v. NS-26, p. 3462.

20. Potter J.M., Williams S.W., Humphry F.J., Rodens G.W., Ibid.-P. 3745.

21. Swenson D.A., Los-beta Linac Structures., In: Linear Accelerator Conference, Montauk, N. Y., USA, September 9-14,1979.

22. Fuller C.W., Williams S.W., Potter J.M., Mechanical Design Considerations in FMIT RFQ Development, In: Linear Accelerator Conference, Montauk, N. Y., USA, September 9-14, 1979.

23. Капчинский И.М., Динамика частиц в линейных резонансных ускорителях, М., Атомиздат, 1966.

24. Власов А.Д., Теория линейных ускорителей, М., Атомиздат, 1965.

25. Капчинский И.М., Теория линейных резонансных ускорителей, М, Энергоиздат, 1982

26. Владимирский В.В., Приборы и техника эксперимента, 1956, № 3,с. 35.

27. Дерновой Г.Н., Препринт ИФВЭ ИНЖ 75-1, Серпухов, 1975.

28. Степанов В.Б., Тепляков В.А., Препринт ИФВЭ ИНЖ 74-130, Серпухов, 1974.

29. Степанов В.Б., Препринт ИФВЭ ИНЖ 74-151, Серпухов, 1974.

30. Ardeime M, Tabellen der Elektronenphysik, Ionenphysik und Ubermikroskopie, Berlin, 1956.

31. Гинзтон Э.Л., Измерения на сантиметровых волнах, Изд. иностр. лит., М 1960.

32. Мурин Б.П., Стабилизация и регулирование высокочастотных полей в линейных ускорителях ионов, М, Атомиздат, 1971.

33. Каретников Д.В., и др., Линейные ускорители ионов, М, Госатомиздат, 1962.

34. Вальднер О.А., Власов А.Д., Шальнов А.В., Линейные ускорители, М., Атомиздат,1969.

35. Орлов С.И., Расчет и конструирование коаксиальных резонаторов, Сов. Радио, М,1970.

36. Шимко А.Ф., , Исследование сильноточной ускоряющей структуры на четвертьволновых резонаторах и греппирователя импульсного релятивистского пучка наносекундного диапазона на ее базе, Диссертация на соискание ученой степени к. т. н., Сумы, 1994.г.

37. Павлов А.В., 1-й Международный симпозиум по пучковой технологии в России, Атомная энергия, т. 78, вып. 5, май 1995.

38. Alvarez L.W., et. Al., Rev. Scient. Instrum., 26, 2, III, 1955.

39. Кобец В.В., и др., Малогабаритный линейный ускоритель ионов, Доклад на Киевском 1 семинаре по физике и технике интенсивных источников ионов и ионных пучков, Киев,1994.

40. Кобец В.В., Сидорин А.О., Малогабаритный линейный ускоритель ионов на основе полицилиндрических резонаторов, Атомная энергия, т. 100, вып. 5, стр. 402 404, М. 2006.

41. Аленицкий и др., Сильноточный циклотрон-инжектор для Фазотрона ОИЯИ, Письма в ЭЧАЯ, т. 2, № 3(126), Дубна, 2005.

42. Zherebtsov A., Using the 3D electric fields for calculations of the RFQ parameters, Pr. Of the II Int. BDO Workshop, St.-Petersburg, Russia, 1995.

43. Belyaev О/ et al., IHEP Experience on Creation and Operation of RFQ, Pr. Of the 2000 Int. Linac Conf., USA, Report № MOD21, v. 1, p. 259.

44. Жеребцов A.B., Мальцев А.П., Тепляков B.A., Препринт ИФВЭ 90-29, Протвино, 1990.

45. Абрамов и др., Программное обеспечение для расчета температурных полей и деформаций конструкции ускоряющих структур, Препринт ИФВЭ 84-64, Серпухов, 1984.7