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

Пластун, Александр Сергеевич

Высокочастотная квадрупольная фокусировка в линейном ускорителе протонов и ионов на средние энергии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Пластун, Александр Сергеевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.20 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Высокочастотная квадрупольная фокусировка в линейном ускорителе протонов и ионов на средние энергии»

Автореферат диссертации на тему "Высокочастотная квадрупольная фокусировка в линейном ускорителе протонов и ионов на средние энергии"

На правах рукописи

ПЛАСТУН Александр Сергеевич

ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ КВАДРУПОЛЬНАЯ ФОКУСИРОВКА В ЛИНЕЙНОМ УСКОРИТЕЛЕ ПРОТОНОВ И ИОНОВ НА СРЕДНИЕ ЭНЕРГИИ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 о ИДП 2014

005549210

МОСКВА-2014

005549210

Работа выполнена в

Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ»

НАУЧНЫЙ Полозов Сергей Маркович

РУКОВОДИТЕЛЬ: кандидат физико - математических наук, доцент Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», г. Москва

ОФИЦИАЛЬНЫЕ Розанов Николай Евгеньевич ОППОНЕНТЫ: доктор физико - математических наук,

начальник сектора Открытого акционерного общества «Московский радиотехнический институт РАН»

Фещенко Александр Владимирович доктор физико - математических наук, заведующий отделом ускорительного комплекса Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института ядерных исследований Российской академии наук

ВЕДУЩАЯ Федеральное государственное бюджетное

ОРГАНИЗАЦИЯ: учреждение «Государственный научный центр Российской Федерации - Институт физики высоких энергий» Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Защита диссертации состоится «30» июня 2014 года в 14:30 на заседании диссертационного совета Д 212.130.01 при НИЯУ МИФИ по адресу: 115409, Россия, г. Москва, Каширское ш., д. 31. Тел. (499) 324-84-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ и на сайте http://ods.mephi.ru.

Автореферат разослан <смая 2014 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета ( \/{ [) И.С. Щедрин

к.т.н., доцент

ОСНОВНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 пространственно-однородной квадруполыюй фокусировкой (ПОКФ) [1]. Ускорители такого типа обладают большим числом преимуществ (низкая энергия инжекции, высокий коэффициент захвата пучка, низкий рост эмитганса 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 - Блюэтга [2, 3].

Ускоритель Альвареца - Блюэтта [2], представляет собой цилиндрический резонатор, нагруженный трубками дрейфа, с видом колебаний, близким к Еще. Для поперечной фокусировки пучка в таком ускорителе используются электромагнитные или магнитотвердые квадрупольные линзы [4], расположенные внутри трубок дрейфа. Поскольку магнитная фокусировка крайне неэффективна для фокусировки медленных ионов, ускоритель Альвареца - Блюэтта используется в основном для ускорения пучков протонов и ионов Н".

Последние годы набирают популярность ускорители ионов с фокусировкой магнитными квадрупольными триплетами [5,6],

расположенными между последовательностями трубок дрейфа. Поскольку в трубках дрейфа отсутствуют квадрупольные линзы, их геометрия может быть оптимизирована для достижения высокого значения напряжения на ускоряющих зазорах с целью получения большого темпа ускорения. Однако дефокусировка ускоряющим полем существенно ухудшает фокусировку пучка. Для снижения этого эффекта предложена продольная динамика KONUS (Kombinierte Null Grad Struktur) [7], суть которой заключается в использовании зазоров как с отрицательной, так и с положительной синхронной фазой на длине периода фокусировки, подобно ускорителям с фазопеременной фокусировкой (ФПФ).

Отдельно можно выделить фокусировку высокочастотным (ВЧ) полем. Её главным преимуществом является отсутствие явной зависимости фокусирующей силы от скорости движения частиц. ВЧ фокусировка может осуществляться полями аксиальной или квадрупольной симметрии. К первому типу относятся ФПФ [8], аксиально-симметричная ВЧ фокусировка (АВФ) [9] и фокусировка полем комбинационной волны [10]. Ускорители с ФПФ обеспечивают наиболее высокий темп ускорения в области низких энергий, но имеют малый продолный аксептанс. Линейные ондулягорные ускорители (ЛОУ) и ускорители с АВФ используют несколько пространственных гармоник ВЧ поля для ускорения и фокусировки пучка, но темп ускорения в таких ускорителях значительно уступает ускорителям с ФПФ. В 1956 г. В.В. Владимирским был предложен метод обеспечения продольной и поперечной устойчивости движения частиц за счет отказа от аксиальной симметрии ВЧ поля в ускоряющих зазорах [11]. Для создания квадрупольного ВЧ поля предложены электроды с «рогами» [11] и трубки дрейфа с прямоугольными апертурными отверстиями [12]. С помощью структуры с «рогами», реализованной в резонаторе Н-типа, удается эффективно сочетать ускорение и фокусировку пучка. Средний темп набора энергии в таких ускорителях невысок — около 1,5 МэВ/м. Это объясняется относительно низким значением напряжения на зазорах резонатора, ограниченным пробоем в узком ускоряющем зазоре или в зазоре с квадрупольной симметрией. В свою очередь, трубки дрейфа с прямоугольными апертурными отверстиями обеспечивают значительно более высокую электрическую прочность, чем трубки с «рогами», но создают более слабое фокусирующее поле.

Канал с пространственно - периодической квадрупольной фокусировкой (ППКФ) с «рогами» и двойным зазором [11] имеет достаточную жесткость

для фокусировки пучков легких ионов. Однако фокусировка тяжелых ионов без существенного снижения аксептанса канала затруднительна. Комбинация ФПФ и ППКФ для фокусировки и эффективного ускорения тяжелых ионов была рассмотрена в [13]. Комбинация ФПФ и ППКФ в канале с трубками дрейфа с прямоугольными апертурными отверстиями была рассмотрена в [14]. Такой канал обеспечивает высокий темп ускорения, характерный для ускорителей с ФПФ. В работе [15] предложено размещать квадрупольные «рога» внутри трубок дрейфа резонатора Альвареца. В работе [16] рассмотрен канал с ППКФ, обеспечивающий высокий темп ускорения за счет увеличения напряжения на электродах. При этом необходимо увеличивать радиус апертуры ВЧ квадрупольных линз для поддержания необходимой электрической прочности. Поскольку это приводит к снижению фокусирующих градиентов линз, компенсация жесткости канала достигается удлинением периода фокусировки.

Принимая во внимание особенности перечисленных выше типов ускорителей, необходимо разработать ускорители протонов и ионов, сочетающие в себе простоту и надежность ускорителей с ПОКФ и высокий темп ускорения в диапазоне энергий от единиц до десятков МэВ. В связи с этим представляется перспективным провести оптимизацию геометрии электродов канала с ПОКФ с целью достижения высокого темпа ускорения. Например, применение электродов с трапецеидальной модуляцией позволяет повысить эффективность ускорения в канале с ПОКФ на несколько десятков процентов [17 -19]. Это открывает возможность для использования таких ускорителей в диапазоне средних энергий (3-15 МэВ) без заметного ухудшения фокусировки. Кроме того, в диапазоне средних энергий возможно сочетание высокого темпа ускорения и эффективной фокусировки пучков ионов в ВЧ канале с пространственно - периодической квадрупольной фокусировкой.

Цель работы

Целью работы является разработка и исследование линейных ускорителей протонов и ионов с высокочастотной квадрупольной фокусировкой на средние энергии, обеспечивающих высокий темп ускорения, по сравнению с традиционными ускорителями с ПОКФ. В рамках решения этой задачи рассматриваются следующие вопросы:

- исследование движения протонных и ионных пучков в ускорителях с ВЧ квадрупольной фокусировкой с помощью аналитических методов,

определение условий устойчивости движения пучков, оценка пропускной способности каналов ускорителей, определение параметров согласованных с каналами пучков;

- исследование влияния темпа ускорения и параметров фокусирующей структуры на устойчивость поперечного движения частиц пучка, в том числе на возможные параметрические резонансы;

- разработка ускоряюще-фокусирующих каналов с ВЧ квадрупольной фокусировкой, обеспечивающих достижение высокого темпа ускорения;

- разработка перспективных линейных ускорителей с ВЧ квадрупольной фокусировкой на основе проведенных исследований с использованием современных методов;

- проведение трехмерного численного моделирования динамики пучков в разработанных ускорителях с ВЧ квадрупольной фокусировкой;

- разработка моделей резонаторов для ускорителей с ВЧ квадрупольной фокусировкой.

Научная новизна

1. Впервые предложен пространственно - периодический канал для ускорителя с ВЧ квадрупольной фокусировкой, в котором ускоряющие зазоры формируются между обычными цилиндрическими трубками дрейфа, между трубками дрейфа и ВЧ квадрупольными линзами, образованными наконечниками межкамерных перегородок четырехкамерного резонатора, а также внутри этих линз.

2. В гладком приближении определены области устойчивости поперечных колебаний частиц пучка и параметры каналов с пространственно - периодической ВЧ квадрупольной фокусировкой, при которых снижается либо отсутствует зависимость жесткости фокусировки от фазы ВЧ поля.

3. Разработан сильноточный ускоритель протонов с пространственно -однородной квадрупольной фокусировкой с трапецеидальными электродами, обеспечивающий темп ускорения 2 МэВ/м в диапазоне энергий пучка 1,77 — 7,4 МэВ. Предложена конструкция четырехкамерного резонатора со смещенными окнами магнитной связи для данной секции.

4. Разработаны варианты второй секции ускорителя-инжектора ионов И-4 комплекса ИТЭФ-ТВН (ФГБУ «ГНЦ РФ ИТЭФ») [20]. Результаты проведенного численного моделирования показали, что вариант второй секции ускорителя И-4 с каналом типа ФОДО на базе традиционного

четырехкамерного резонатора обеспечивает величину среднего темпа ускорения 2,5 МэВ/м и эффективного шунтового сопротивления 40 МП/м в диапазоне энергий ионного пучка 5 -12 МэВ. Предложены конструкции резонаторов, в которых реализуются пространственно - периодические каналы с ВЧ квадрупольной фокусировкой.

Практическая ценность

Результаты исследования фокусирующих каналов могут быть использованы при разработке ускорителей с ВЧ квадрупольной фокусировкой, как пространственно-однородной, так и пространственно-периодической.

Результаты сравнения различных видов резонансных структур ускорителей ионов, численного моделирования динамики ионного пучка, а также модели высокочастотных резонаторов использованы при разработке второй секции инжектора И-4 ускорительно-накопительного комплекса ИТЭФ-ТВН (ФГБУ «ГНЦ РФ ИТЭФ» НИЦ «КИ») [20].

Результаты разработки четырехкамерных резонаторов использованы в работе по модернизации инжектора ускорительного комплекса Нуклотрон-МСА (ОИЯИ) [21].

Основные положения, выносимые на защиту

1. В гладком приближении определены параметры каналов типа ФОДО с ВЧ квадрупольной фокусировкой, при которых снижается либо отсутствует зависимость набегов фазы поперечных колебаний частиц пучка на периоде фокусировки от фазы ВЧ поля, при которой пучок проходит ВЧ квадрупольную линзу.

2. Предложена конструкция ВЧ квадрупольной линзы для пространственно-периодического капала, обеспечивающая формирование ускоряющего поля как внутри линзы, так и между линзой и смежными трубками дрейфа.

3. Предложен пространственно-периодический канал с ВЧ квадрупольными линзами и трубками дрейфа, обеспечивающий устойчивость поперечного движения частиц пучка и высокий темп ускорения в диапазоне средних энергий.

4. Показана возможность использования канала с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой в сильноточном линейном ускорителе протонов на энергию 7,4 МэВ при среднем темпе ускорения

2МэВ/м благодаря применению трапецеидальной модуляции электродов канала.

5. Разработана вторая секция с пространственно - периодической ВЧ квадрупольной фокусировкой для линейного ускорителя ионов И-4 (ФГБУ «ГНЦ РФ ИТЭФ»), обеспечивающая темп ускорения 2,5 МэВ/м за счет применения предложенной конструкции ВЧ квадрупольных линз.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных результатов подтверждается систематическим характером исследований, проведенных с помощью современных аналитических и численных методов и программных средств.

Апробация работы

Основные результаты и положения диссертации были представлены на российских и международных конференциях и семинарах, в частности:

- II Международной конференции по ускорителям заряженных частиц IPAC (Сан-Себастьян, Испания, 2011),

- XXVI Международной конференции по линейным ускорителям LINAC (Тель-Авив, Израиль, 2012),

- XXII и XXIII Международных совещаниях по ускорителям заряженных частиц IWCPA (Алушта, Украина, 2011, 2013),

- XXIII Всероссийской конференции по ускорителям заряженных частиц RuPAC (Санкт-Петербург, 2012),

- Научной сессии НИЯУ МИФИ (Москва, 2012,2013,2014),

- XV, XVI, XVII Международных телекоммуникационных конференциях молодых ученых и студентов «Молодежь и неука» (Москва, 2012, 2013, 2014),

- Научном семинаре ФГБУ «ГНЦ РФ ИТЭФ» НИЦ «КИ» (Москва, 2014).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 5 работ, индексированных в базе Web of Science, 8 работ, индексированных в базе Scopus и 2 статьи в журналах, входящих в список рекомендованных ВАК.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 147 страниц, содержит 88 рисунков и 16 таблиц и ссылки на 69 литературных источников.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель, научная новизна и практическая ценность работы; приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится описание результатов исследования поперечного движения ионного пучка в каналах с ВЧ квадрупольной фокусировкой. В первой части главы представлено описание методики расчета основных параметров канала с ВЧ квадрупольной фокусировкой типа ФОДО и параметров пучка в таком канале в гладком приближении. Такой канал состоит из последовательности чередующихся фокусирующих и дефокусирующих участков с ВЧ полем квадрупольной симметрии. На рисунке 1 показан один из возможных вариантов такого канала.

Рисунок 1 - Канал с ВЧ квадрупольной фокусировкой типа ФОДО

В данной главе приведены выражения для набега фазы поперечных колебаний частиц пучка на периоде фокусировки, максимального размера огибающей и параметров Твисса согласованного с каналом пучка, аксеггтанса канала. В приближении представления распределения фокусирующего поля в канале рядом Фурье получены зависимости набега фазы поперечных колебаний частиц и аксеггганса канала от длины периода фокусировки и длины ВЧ квадрупольных линз. Отмечены варианты, представляющие наибольший интерес, проведено сравнение их параметров. Показано, что в канале без ускоряющих зазоров можно выбрать длину линз таким образом,

что набег фазы поперечных колебаний не будет зависеть от фазы поля в момент прохождения частицей середины линзы, как и в немодулированном канале с ПОКФ. Время прохождения частицами длины такой линзы превышает половину периода ВЧ колебаний. ВЧ квадрупольные линзы такой длины впервые рассмотрены в данной работе. Далее исследованы каналы с ВЧ квадрупольной фокусировкой с ускоряющими зазорами. Представлены выражения для размеров области устойчивости продольных колебаний частиц пучка. Подробно исследовано влияние дефокусировки ускоряющим полем на поперечное движение частиц. Приведены рекомендации по выбору параметров канала, позволяющих компенсировать дефокусировку в ускоряющих зазорах. Также исследована возможность возникновения параметрических резонансов поперечных и продольных колебаний частиц. Отмечено влияние пространственного заряда ускоряемого пучка на набег фазы поперечных колебаний частиц в рамках теории Капчинского-В ладимирского.

Во второй части главы представлен матричный метод, адаптированный для анализа каналов с ВЧ квадрупольной фокусировкой. В приближении тонких линз, т.е. предположении постоянства поперечных координат частиц внутри линзы, получены выражения для матриц фокусирующих и дефокусирующих линз. Также рассмотрен альтернативный способ вывода матриц линз, основанный на перемножении матриц отдельных коротких участков ВЧ квадрупольной линзы. Область его применения не ограничена малой длиной линз или их низкой фокусирующей силой. С помощью матричного метода исследованы два периодических канала с ВЧ квадрупольной фокусировкой с одинаковыми длиной периода фокусировки и длиной линз: канал типа ФОДО и канал с ВЧ квадруплетом линз. Представлены зависимости набега фазы поперечных колебаний частиц и максимального значения параметра Твисса 0, характеризующего максимальный размер огибающей пучка, от фокусирующей силы линз. Показано, что в канале с квадруплетом требуется примерно в 1,5 раза более высокий фокусирующий градиент линз для достижения тех же значений набега фазы поперечных колебаний частиц, что и в канале типа ФОДО. При

этом максимальный размер огибающей пучка в канале с квадруплетом всегда меньше, чем в канале типа ФОДО. Определены оптимальные значения набега фазы, обеспечивающие наибольшую пропускную способность каналов. Для обоих типов каналов эти значения лежат в диапазоне 70° — 90° независимо от величины параметра дефокусировки ускоряющим полем. Увеличение этого параметра приводит к необходимости увеличения фокусирующей силы линз и к неизбежному снижению пропускной способности каналов из-за увеличения максимального размера огибающей пучка.

Во второй главе проведен анализ стоимости изготовления и эксплуатации ускорителя ионов. Показано, что снижение стоимости ускорителя, работающего в импульсном режиме, возможно за счет увеличения темпа ускорения, который, в свою очередь, зависит от напряжения на ускоряющих электродах, эффективности ускорения и значения синхронной фазы. Представлены рекомендации по выбору параметров канала, обеспечивающих повышение ускоряющего напряжения и эффективности фокусировки. В частности, предложена конструкция ВЧ квадрупольной линзы для пространственно-периодического канала, обеспечивающая формирование ускоряющего поля как внутри линзы, так и между линзой и смежными трубками дрейфа. Электроды такой ВЧ квадрупольной линзы схематично представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 - ВЧ квадрупольная линза с продольной вариацией потенциала

А - А

Третья глава посвящена резонансным системам линейных ускорителей ионов. Подробно рассмотрены резонаторы Н-типа с окнами магнитной связи. Схематические изображения четырехкамерных резонаторов Н-типа с несмещенными и смещенными окнами связи показаны на рисунке 3. Построены эквивалентные схемы ячеек таких резонаторов, рассмотрен процесс электромагнитных колебаний. Отмечено основное преимущество четырехкамерных резонаторов с окнами магнитной связи над традиционными четырехкамерными резонаторами — хорошее частотное разделение рабочего квадрупольного вида колебаний и дипольных видов колебаний, актуальное для ускорителей с ПОКФ, противоположные электроды которых не имеют гальванической связи между собой. Кроме того, четырехкамерные резонаторы с окнами магнитной связи обладают несколько лучшей стабильностью рабочего вида колебаний благодаря более сильной связи между камерами резонатора в каждой резонансной ячейке.

В данной главе представлены результаты сравнения различных типов резонаторов ускорителей ионов. В таблице 1 показаны основные параметры резонаторов, полученные в результате численного моделирования. Рабочие частоты резонаторов _/о ~ 80 МГц соответствуют рабочей частоте первой секции ускорителя И-4 ФГБУ «ГНЦ РФ ИТЭФ», энергия, запасенная в ВЧ поле, равна 1 Дж, длина выбрана равной 3 м.

Также в третьей главе описываются преимущества и недостатки рассмотренных типов резонансных систем. В частности, отмечена универсальность резонаторов со смещенными окнами магнитной связи, выражающаяся в возможности их использования как для ускорителей с ПОКФ, так и для ускорителей с трубками дрейфа. Они с успехом могут применяться как в ускорителях импульсного, так и непрерывного режима [19], в широком частотном диапазоне — от десятков до нескольких сотен МГц [22, 23].

В четвертой главе представлены результаты разработки секций ускорителей с ВЧ квадрупольной фокусировкой: сильноточного ускорителя протонов с ПОКФ с трапецеидальной модуляцией на энергию до 7,4 МэВ и двух вариантов второй секции ускорителя ионов И-4 ФГБУ «ГНЦ РФ ИТЭФ»

с ВЧ квадрупольной фокусировкой на энергию 12 МэВ с каналом типа ФОДО и каналом с ВЧ квадруплетом. Описана методика разработки ускорителей с применением трехмерного распределения поля в канале, полученного в результате численного моделирования. Также представлены результаты численного моделирования динамики пучков в полученных трехмерных полях канала. Разработаны модели резонаторов и определены их основные геометрические, радиотехнические и энергетические параметры. На рисунках 4-6 изображены трехмерные модели разработанных резонаторов. В таблицах 2-4 представлены основные параметры секций. Благодаря применению предложенных разновидностей ВЧ квадрупольных линз, достигнуты высокие значения темпа ускорения в каждом из ускорителей:

2.0 МэВ/м в сильноточном ускорителе протонов с ПОКФ с трапецеидальными электродами, 2,5 МэВ/м в секции с каналом типа ФОДО и

2.1 МэВ/м в секции с квадруплетом. Хотя каналы не оптимизировались для достижения высоких значений эффективного шунтового сопротивления, полученные значения близки и даже превышают эффективное шунтовое сопротивление ускорителей других типов, например, ускорителя с ППКФ УРАЛ-ЗОМ ФГБУ «ГНЦ РФ ИФВЭ» (20 МО/м при темпе ускорения 1,4 МэВ/м) [24] и ускорителя типа Альвареца-Блюэтга И-2 ФГБУ «ГНЦ РФ ИТЭФ» (10 МП/м при темпе ускорения 0,9 МэВ/м) [25].

Одним из важнейших параметров, определенным в результате численного моделирования динамики пучка, является рост поперечного эмитганса пучка. Так для протонного пучка с током 100 мА в ускорителе с ПОКФ с трапецеидальной модуляцией он составил около 60% на длине секции. Рост эмиттанса в секции ускорителя ионов с каналом типа ФОДО — 25%, а в секции с ВЧ квадруплетом — 200%. Значительный рост эмитганса пучка в секции с ВЧ квадруплетом объясняется, главным образом, большой длиной периода фокусировки, а значит существенным влиянием нелинейных сил дефокусировки ускоряющим полем.

Рисунок 3 - Схематическое изображение четырехкамериого резонатора: (а) с несмещенными, (б) со смещенными окнами магнитной связи

Таблица 1 - Основные параметры резонаторов

Тип резонатора Рабочая частота Частота диполь-ного вида Диаметр резонатора Мощность 134 потерь Добротность Размах вариации поля вдоль канала

А МГц А МГц Д^.м Рвч, кВт е АЕ/Е, %

Традиционный четырехкамерный 80,1 80,3 800 32 20162 -

Четырехкамерный со смещенными окнами связи 80,5 91,3 600 46 13761 0,2

Четырехкамерный с несмещенными окнами связи 81,0 85,6 600 49 12774 10,0

2Н-резонатор 80,5 95,0 832 31 20214 -

Традиционный двухкамерный 80,6 - 760 24 25909 -

Двухкамерный со смещенными окнами связи 80,0 - 600 36 17000 0,2

Двухкамерный с несмещенными окнами связи 79,3 - 600 36 16785 8,2

Резонатор типа 4-гос1 79,9 - 200 175 3779 10,0

Рисунок 4 - Резонатор сильноточного ускорителя протонов с ПОКФ с трапецеидальной модуляцией

Таблица 2 - Основные параметры сильноточного ускорителя протонов с ПОКФ с трапецеидальной модуляцией __

Энергия пучка, МэВ 1,77-7,4

Ток пучка, мА 100

Рабочая частота, МГц 148,5

Набег фазы поперечных колебаний (при фазе, равной синхронной фазе) 40°

Синхронная фаза -30°

Поперечный норм, эмиттанс на входе секции (RMS), л мм мрад 0,23

Поперечный норм, эмиттанс на выходе секции (RMS), я мм мрад 0,36

Длила секции, м 2,78

Межэлектродное напряжение, кВ 300

Максимальное электрическое поле на поверхности электродов, кВ/см 300

Средний темп ускорения, МэВ/м 2,0

Добротность резонатора 11600

Мощность ВЧ потерь, кВт 830

Эффективное шунтовое сопротивление, Mii/м 18

Рисунок 5 - Четырехкамерные резонаторы второй секции ускорителя ионов И-4 с каналом типа ФОДО: (а) со смещенными окнами связи, (б) традиционный четырехкамерный резонатор

Таблица 3 - Основные параметры второй секции ускорителя ионов И-4 с ВЧ квадрупольной фокусировкой в канале типа ФОДО_

Отношения зарядового числа иона к массовому 1/3

Энергия пучка, МэВ 4,7 - 12,17

Ток пучка, мА 30

Рабочая частота, МГц 81,36

Набег фазы поперечных колебаний (при фазе, равной синхроиной фазе) 65° - 90°

Синхронная фаза -10°

Поперечный норм, эмиттанс на входе секции (RMS), % мм мрад 0,25

Поперечный норм, эмиттанс на выходе секции (RMS), я мм мрад 0,31

Длина секции, м 2,96

Межэлектродное напряжение, кВ 475

Максимальное электрическое поле на поверхности электродов, кВ/см 230

Средний темп ускорения, МэВ/м 2,5

Добротность резонатора (с окнами связи/традиционный четырехкамерный без окон связи) 10000 /23700

Мощность ВЧ потерь в резонаторе (с окнами связи/без окон связи), кВт 1160/490

Эффективное шунтовое сопротивление (резонатор с окнами связи/традиционный четырехкамерный резонатор без окон связи), МО/м 17/40

Рисунок 6 - Четырехкамерный резонатор со смещенными окнами связи второй секции ускорителя ионов И-4 с фокусировкой ВЧ квадруплетом

Таблица 4 - Основные параметры второй секции ускорителя ионов И-4 с ВЧ квадруплетом__

Отношения зарядового числа иона к массовому 1/3

Энергия пучка, МэВ 4,7-11,7

Ток пучка, мА 30

Рабочая частота, МГц 81,36

Набег фазы поперечных колебаний (при фазе, равной синхронной фазе) 60°

Синхронная фаза -10°

Поперечный норм, эмиттанс на входе секции (RMS), я мм мрад 0,26

Поперечный норм, эмиттанс на выходе секши (RMS), к мм мрад 0,53

Длина секции, м 3,34

Межэлектродное напряжение. кВ 500

Максимальное электрическое поле на поверхности электродов, кВ/см 230

Средний темп ускорения, МэВ/м 2,1

Добротность резонатора 9500

Мощность ВЧ потерь в резонаторе, кВт 1150

Эффективное шунтовое сопротивление, Mfi/м 13

Основные результаты диссертации

1. В гладком приближении определены длины периода фокусировки и длины линз каналов типа ФОДО с ВЧ квадрупольной фокусировкой, при которых снижается либо отсутствует зависимость набегов фазы поперечных колебаний частиц пучка на периоде фокусировки от фазы ВЧ поля, при которой пучок проходит ВЧ квадрупольную линзу.

2. Изучено влияние эффекта дефокусировки ускоряющим полем на поперечные колебания частиц в канале типа ФОДО с ВЧ квадрупольной фокусировкой и в канале с ВЧ квадруплетом. Рассмотрены способы компенсации влияния данного эффекта.

3. Показано, что снижение стоимости ускорителя, работающего в импульсном режиме, возможно за счет увеличения темпа ускорения. Представлены рекомендации по выбору параметров канала, обеспечивающих повышение ускоряющего напряжения и эффективности фокусировки. Впервые предложен пространственно-периодический канал с ВЧ квадрупольными линзами и трубками дрейфа, обеспечивающий устойчивость поперечного движения частиц пучка и высокий темп ускорения в диапазоне средних энергий.

4. Предложена конструкция ВЧ квадрупольной линзы для пространственно-периодического канала, обеспечивающая формирование ускоряющего поля как внутри линзы, так и между линзой и смежными трубками дрейфа, что позволяет повысить темп ускорения в канале.

5. С помощью численного моделирования электромагнитных колебаний проведено сравнение различных типов резонаторов для линейных ускорителей ионов. Отдельно рассмотрены четырехкамерные резонаторы с окнами магнитной связи.

6. Предложен вариант современной методики разработки каналов линейных ускорителей ионов с ВЧ квадрупольной фокусировкой с

использованием трехмерного распределения поля, рассчитанного на прямоугольной сетке в квазистатическом приближении.

7. Показана возможность использования канала с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой в сильноточном линейном ускорителе протонов на энергию 7,4 МэВ при среднем темпе ускорения 2 МэВ/м благодаря применению трапецеидальной модуляции электродов канала.

8. Разработаны варианты второй секции ускорителя-инжектора ионов И-4 комплекса ИТЭФ-ТВН (ФГБУ «ГНЦ РФ ИТЭФ» НИЦ «КИ»). Результаты проведенного численного моделирования показали, что вариант второй секции ускорителя И-4 с каналом типа ФОДО на базе традиционного четырехкамерного резонатора обеспечивает величину среднего темпа ускорения 2,5 МэВ/м и эффективного шунтового сопротивления 40 MQ/м в диапазоне энергий ионного пучка 5-12 МэВ. Предложены конструкции резонаторов, в которых реализуются пространственно - периодические каналы с ВЧ квадрупольной фокусировкой. Результаты моделирования подтвердили результаты теоретического исследования.

Список литературы, использованной в автореферате:

1.Капчинский И.М., Тепляков В.А. Линейный ускоритель ионов с пространственно-однородной жесткой фокусировкой // Приборы и техника эксперимента. -1970. -№ 2. -С. 19-22.

2. Blewett J.P.. Radial Focusing in the Linear Accelerator // Phys. Rev. -1952. -V.88. - P. 1197.

3. Линейные ускорители ионов. T.2. Основные системы. Под ред. Б. П. Мурина. -М.: Атомиздат, 1978. - 320 с.

4. Kapchinskij I.M., Kozodaev A.M., Lazarev N.V. et al. Design and development of permanent magnet quadrupoles for ion linacs / Proceedings of the 1976 Proton Linear Accelerator Conference, Chalk River, Ontario, Canada. -1976. - P. 350-351.

5. Bylinsky Y., Kugler H., Lapostolle P. et al. Dynamics and tolerances for theCERN interdigital H linac / Proceedings of the 1992 Linear Accelerator Conference, Ottawa, Ontario, Canada. -1992. -P. 220-222.

6. Ratzinger U. The New GSI Prestripper Linac for High Current Heavy Ion Beams / Proceedings of LINAC 1996. -V.l. -P. 288-292.

7. Tiede R., Ratzinger U., Podlech H. et al. KONUS beam dynamics designs using H-mode cavities / Proceedings of Hadron Beam 2008, Nashville, Tennessee, USA. -2008. -P. 223-230.

8. Good M.L. Phase Reversal Focusing in Linear Accelerators // Phys.Rev. -1953. -V.92. - №2. -P.538.

9. Масунов Э.С., Виноградов H.E. Высокочастотная фокусировка ионных пучков в аксиально-симметричной периодической структуре. ЖТФ. -2001. -Т.71. -вып. 9. -С. 79-85.

10. Масунов Э.С. Фокусировка и ускорение пучка в линейном ондуляторном ускорителе. ЖТФ. -1990. -Т.60. -№ 8. -С. 152-157.

11. Владимирский В.В. Вариант жесткой фокусировки в линейном ускорителе // Приборы и техника эксперимента. -1956. -№ 3. -С. 35-37.

12. Тепляков В.А. Фокусировка ускоряющим полем // Приборы и техника эксперимента. -1964. -№ 6. -С. 24-27.

13. Тишкин С.С. Ускоряющий канал начальной части линейного ускорителя тяжелых ионов с комбинированной высокочастотной фокусировкой // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения. -№4. - 2008. -С. 327-331.

14. Балабин А.И., Кропачев Г.Н., Кушин В.В. Фокусировка пучков заряженных частиц ВЧ-скрещенными линзами. Препринт Института теоретической и экспериментальной физики. -Москва. - 1993.

15. Swenson D.A. RF-Focused Drift-Tube Linac Structure, Proceedings of 1994 International Linac Conference, Japan. - 1994.

16. Minaev S. A super-periodic radio frequency quadrupole focused structure for the general part of the ion linac // Nuclear Instruments and Methods in Physics

Research А 489. -2002. -P. 45-58.

17. Балабин А.И., Липкин И.М., Угаров С.Б. О выборе формы электродов в линейном ускорителе с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Техника физического эксперимента. -Вьш.1(36). -1988. - С.20.

18. Belyaev O.K., Teplyakov V.A., Zherebtsov A.V. et al. IHEP experience on creation and operation of RFQs / Proceedings of the 20th Linac Conference. -2000. -P. 259-261.

19. Ostroumov P. N., Mustapha В., Kolomiets A.A. et al. Development and beam test of a continuous wave radio frequency quadrupole accelerator // Phys.Rev. ST Accel.beams, 15,110101. -2012.

20. Andreev V.A., Alexeev N.N., Kolomiets A.A. et al. Progress work on high-current heavy ion linac for ITEP TWAC facility / Proceedings of IPAC'10, Kyoto, Japan. -2010. -P. 801-803.

21. Andreev, V.A., Balabin, A.I., Plastun A.S. et al. Reconstruction of light and polarized ion beam injection system of JINR Nuclotron-NICA accelerator complex // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Nuclear Physics Investigations. - №6(88). - 2013. - P. 8-12.

22. Kashinsky D., Kolomiets A., Kulevoy T. et al. Commissioning of ITEP 27 MHz heavy ion RFQ / Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria. -2000. -P. 854-856.

23. Andreev V.A., Parisi G. Field Stabilization and End-Cell Tuning in a 4-vane RFQ / Proceedings of EPAC-1994, London, England. -1994. P. 1300-1302.

24. Budanov Yu., Belyaev O.K., Teplyakov V.A. et al, Status of the URAL30M linac — a novel injector to the accelerator complex of IHEP / Proceedings of RuPAC 2006. -2006. -P. 273-375.

25.Баталин В.А., Капчинский И.М., B.K. Плотников и др. Линейный ускоритель протонов И-2 на энергию 25 МэВ // Приборы и техника эксперимента. -№5. -1967. -С. 9-12.

Основные публикации по теме диссертации:

Публикации, индексированные в базах Scopus и Web of Science:

1. Plastun A.S., Polozov S.M. Beam dynamics simulation in DTL with RF quadrupole focusing / Proceedings of IPAC-2011, San Sebastian, Spain. - 2011.

- P. 2625-2627.

2. Plastun, A.S., Polozov, S.M., Safikanov, P.R. Optimization of IH-DTL resonator for UNDULAC-iy / Proceedings of IPAC-2011, San Sebastian, Spain. - 2011. -P. 1605-162.

3. Plastun A.S., Polozov S.M. RF quadrupole focusing drift tube linac RF design // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Nuclear Physics Investigations. - №4 (80). - 2012. - P. 29 - 32. ISSN 1562-6016.

4. Plastun A.S., Bondarenko T.V. RF quadrupole focusing lattices / Proceedings of RuPAC-2012, Saint - Petersburg, Russia. - 2012. - P. 331-333.

5. Andreev V.A. , Alexeev N.N., Kolomiets A.A., Koshelev V.A., Plastun A.S. Novel DTL section for ITEP - TWAC heavy ion injector / Proceedings of RuPAC2012, Saint - Petersburg, Russia. - 2012. - P. 469-471.

6. Plastun A.S. RFQ as a second section of front end of ion linac // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Nuclear Physics Investigations. - №6(88).

- 2013. - P. 109-113. ISSN 1562-6016.

7. Plastun A.S., Andreev, V.A., Balabin, A.I. et al. Reconstruction of light and polarized ion beam injection system of JINR Nuclotron-NICA accelerator complex // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Nuclear Physics Investigations. -№6(88). - 2013. - P. 8-12. ISSN 1562-6016.

Публикации в журналах, входящих в список рекомендованных ВАК:

8. Пластун А.С., Полозов С.М. Методика расчета параметров ускоряюще-фокусирующей структуры с гибридной высокочастотной фокусировкой // Ядерная физика и инжиниринг. - том 4. - № 7. - 2013. - С. 636-641.

9. Пластун А.С. Резонансные структуры с окнами магнитной связи для

линейных ускорителей ионов на низкую и промежуточную энергию // Атомная энергия. - 2014. - Т.116. - №1, - С. 35-40.

Публикации в трудах конференций:

10. Пластуп A.C. Линейный ускоритель ионов с высокочастотной квадрупольной фокусировкой / Сборник докладов 15-ой Международной телекоммуникационной конференции студентов и молодых ученых "Молодежь и наука". - 4.2. - 2012, - С. 66.

11. Kolomiets A.A., Piastun A.S. RFQ with improved energy gain / Proceedings of LINAC12 Conference, Tel-Aviv, Israel. - 2012. - P. 41-43.

12. Пластун A.C., Полозов C.M. Высокочастотная квадрупольная фокусировка в ускорителе ионов на средние энергии / Научная Сессия НИЯУ МИФИ 2012. Аннотации докладов. Т.2. - 2012. - С. 143.

13. Пластун A.C. Ускоряющая структура с трубками дрейфа на базе H -резонатора ускорителя ионов / XVI Международная телекоммуникационная конференция молодых ученых и студентов "Молодежь и наука". - 4.2. - 2013. - С. 56-57.

14. Пластун A.C., Полозов С.М. Матричный метод расчета структуры с гибридной высокочастотной квадрупольной фокусировкой / Научная сессия НИЯУ МИФИ 2013.Аннотации докладов. - Т.2. - 2013. - С. 136.

15. Пластун A.C. Погрешности установки трапецеидальных электродов в ускорителе с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой / XVII Международная телекоммуникационная конференция молодых ученых и студентов "Молодежь и наука". - 4.2. - 2014. - С. 111-112.

16. Пластун A.C. Поперечное движение ионного пучка в канале с высокочастотной квадрупольной фокусировкой в гладком приближении / XVII Международная телекоммуникационная конференция молодых ученых и студентов "Молодежь и наука". - 4.2. - 2014. - С. 109-110.

Подписано в печать:

29.04.2014

Заказ № 10007 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш„ 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Пластун, Александр Сергеевич, Москва

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

На правах рукописи

04201459695 ПЛАСТУН Александр Сергеевич

ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ КВАДРУПОЛЬНАЯ ФОКУСИРОВКА В ЛИНЕЙНОМ УСКОРИТЕЛЕ ПРОТОНОВ И ИОНОВ

НА СРЕДНИЕ ЭНЕРГИИ

01.04.20 — физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: к.ф.-м.н., доцент Полозов Сергей Маркович

МОСКВА-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...........................................................................................................................3

1. Движение ионного пучка в канале с высокочастотной квадрупольной фокусировкой.................................................................................................................14

1.1. Канал типа ФОДО в гладком приближении.....................................................14

1.1.1. Канал с ВЧ квадрупольной фокусировкой в гладком приближении......14

1.1.2. Сравнение различных вариантов канала типа ФОДО..............................23

1.1.3. Ускорение в канале с ВЧ квадрупольной фокусировкой.........................34

1.2. Канал с высокочастотным квадруплетом.........................................................45

1.2.1. Матричный метод анализа каналов с ВЧ фокусировкой.........................45

1.2.2. Сравнение канала с ВЧ квадруплетом и канала типа ФОДО..................50

1.3. Проверка методов исследования.......................................................................57

2. Выбор параметров канала с высокочастотной квадрупольной фокусировкой....63

2.1. Выбор оптимальных параметров ускорителей ионов.....................................63

2.2. ВЧ квадрупольные линзы....................................................!..............................68

3. Резонансные структуры линейных ускорителей ионов.........................................75

3.1. Резонансные структуры Н-типа с окнами магнитной связи...........................75

3.2. Сравнение резонаторов ускорителей ионов.....................................................82

4. Численное моделирование динамики пучков.........................................................86

4.1. Методика расчёта каналов линейных ускорителей ионов..............................86

4.2. Ускоритель с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой с трапецеидальными электродами..............................................................................90

4.3. Ускоритель с высокочастотной квадрупольной фокусировкой в канале типа ФОДО........................................................................................................................111

4.4. Ускоритель с высокочастотным квадруплетом..............................................127

4.5. Сравнение с действующими и проектируемыми ускорителями..................135

Заключение...................................................................................................................139

Литература....................................................................................................................141

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 пространственно-однородной 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-Блюэтга [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-Блюэтта 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

квадрупольные линзы, их геометрия может быть оптимизирована для достижения высокого значения напряжения на ускоряющих зазорах с целью получения большого темпа ускорения. Однако дефокусировка ускоряющим полем существенно ухудшает фокусировку пучка. Для снижения этого эффекта предложена продольная динамика KONUS (Kombinierte Null Grad Struktur) [10], суть которой заключается в использовании зазоров как с отрицательной, так и с положительной синхронной фазой на длине периода фокусировки, подобно ускорителям с фазопеременной фокусировкой (ФПФ). Продольный аксептанс ускорителей с динамикой KONUS значительно снижается по сравнению с ускорителями с традиционной продольной динамикой с фиксированной отрицательной синхронной фазой.

Отдельно можно выделить фокусировку высокочастотным (ВЧ1) полем. Её главным преимуществом является отсутствие явной зависимости фокусирующей силы от скорости движения частиц. ВЧ фокусировка может осуществляться полями аксиальной или квадрупольной симметрии. К первому типу относятся ФПФ [И], аксиально-симметричная ВЧ фокусировка (АВФ) [12] и фокусировка полем комбинационной волны [13]. Ускорители с ФПФ обеспечивают наиболее высокий темп ускорения в области низких энергий, но имеют малый продолный аксептанс. Линейные ондуляторные ускорители (ЛОУ) [13] и ускорители с АВФ используют несколько пространственных гармоник ВЧ поля для ускорения и фокусировки пучка, но темп ускорения в таких ускорителях значительно уступает ускорителям с ФПФ.

Значительно большее распространение получили ускорители с фокусировкой ВЧ полями квадрупольной симметрии. В 1956 г. В.В. Владимирским был предложен метод обеспечения продольной и поперечной устойчивости движения частиц за счет отказа от аксиальной симметрии ВЧ поля в ускоряющих зазорах [14]. Для создания квадрупольного ВЧ поля могут использоваться

1 Согласно ГОСТ 24375-80 диапазоны рабочих частот рассматриваемых ускорителей ионов относятся к областям высоких частот (ВЧ), очень высоких частот (ОВЧ) и ультравысоких частот (УВЧ), но для простоты изложения здесь и далее буцет использован термин ВЧ.

электроды с «рогами» [14] и трубки дрейфа с прямоугольными апертурными отверстиями [15]. С помощью структуры с «рогами», реализованной в резонаторе Н-типа, удается эффективно сочетать ускорение и фокусировку пучка. Средний темп набора энергии в таких ускорителях невысок — около 1,5 МэВ/м. Это объясняется относительно низким значением напряжения в зазорах резонатора, ограниченным пробоем в узком ускоряющем зазоре или в зазоре с квадрупольной симметрией. В свою очередь, трубки дрейфа с прямоугольными апертурными отверстиями обеспечивают значительно более высокую электрическую прочность, чем трубки с «рогами», но создают более слабое фокусирующее поле.

Канал с пространственно-периодической квадрупольной фокусировкой (ППКФ) с «рогами» и двойным зазором [14, 16] имеет достаточную жесткость для фокусировки пучков легких ионов. Однако фокусировка тяжелых ионов без существенного снижения аксептанса канала затруднительна. Комбинация ФПФ и ППКФ для фокусировки и эффективного ускорения тяжелых ионов была рассмотрена в [17]. Комбинация ФПФ и ППКФ в канале с трубками дрейфа с прямоугольными апертурными отверстиями была рассмотрена в [18]. Такой канал обеспечивает высокий темп ускорения, характерный для ускорителей с ФПФ. В работе [19] предложено размещать квадрупольные «рога» внутри трубок дрейфа резонатора Альвареца. В работе [20] рассмотрен канал с ППКФ, обеспечивающий высокий темп ускорения за счет увеличения напряжения на электродах. При этом необходимо увеличивать радиус апертуры ВЧ квадрупольных линз для поддержания необходимой электрической прочности. Поскольку это приводит к снижению фокусирующих градиентов линз, компенсация жесткости канала достигается удлинением периода фокусировки.

Актуальной задачей в настоящее время также является разработка промежуточной секции между ускорителем с ПОКФ и сверхпроводящими ускоряющими резонаторами, которые при энергиях до 20 - 30 МэВ используются неэффективно. Это связано с тем, что для обеспечения устойчивости поперечных колебаний частиц и снижения темпа роста поперечного эмитттанса пучка в

ускорителе, при данных энергиях необходимо уменьшать величину ускоряющего напряжения относительно его оптимального значения.

Принимая во внимание особенности перечисленных выше типов ускорителей, необходимо разработать ускорители протонов и ионов, сочетающие в себе простоту и надежность ускорителей с ПОКФ и высокий темп ускорения в диапазоне энергий от единиц до десятков МэВ. В связи с этим представляется перспективным провести оптимизацию геометрии электродов канала с ПОКФ с целью достижения высокого темпа ускорения. Например, применение электродов с трапецеидальной модуляцией позволяет повысить эффективность ускорения в канале с ПОКФ на несколько десятков процентов [21 - 23]. Это открывает возможность для использования таких ускорителей в диапазоне средних энергий (3-15 МэВ) без заметного ухудшения фокусировки. Кроме того, в диапазоне средних энергий возможно сочетание высокого темпа ускорения и эффективной фокусировки пучков ионов в ВЧ канале с пространственно-периодической квадрупольной фокусировкой [24, 25].

Цель работы

- исследование движения протонных и ионных пучков в ускорителях с ВЧ квадрупольной фокусировкой с помощью аналитических методов, определение условий устойчивости движения пучков, оценка пропускной способности каналов ускорителей, определение параметров согласованных с каналами пучков;

- разработка моделей резонаторов для ускорителей с ВЧ квадрупольной фокусировкой.

Научная новизна

1. Впервые предложен пространственно-периодический канал для ускорителя с ВЧ квадрупольной фокусировкой, в котором ускоряющие зазоры формируются между обычными цилиндрическими трубками дрейфа, между трубками дрейфа и ВЧ квадрупольными линзами, образованными наконечниками межкамерных перегородок четырехкамерного резонатора, а также внутри этих линз.

2. В гладком приближении определены области устойчивости поперечных колебаний частиц пучка и параметры каналов с пространственно-периодической ВЧ квадрупольной фокусировкой, при которых снижается либо отсутствует зависимость жесткости фокусировки от фазы ВЧ поля.

3. Разработан сильноточный ускоритель протонов с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой с трапецеидальными электродами, обеспечивающий темп ускорения 2 МэВ/м в диапазоне энергий пучка 1,77 - 7,4 МэВ. Предложена конструкция четырехкамерного резонатора со смещенными окнами магнитной связи для данной секции.

4. Разработаны варианты второй секции ускорителя-инжектора ионов И-4 комплекса ИТЭФ-ТВН (ФГБУ «ГНЦ РФ ИТЭФ» НИЦ «КИ») [26, 27]. Результаты проведенного численного моделирования показали, что вариант второй секции ускорителя И-4 с каналом типа ФОДО на базе традиционного четырехкамерного

резонатора обеспечивает величину среднего темпа ускорения 2,5 МэВ/м и эффективного шунтовош сопротивления 40 МП/м в диапазоне энергий ионного пучка 5-12 МэВ. Предложены конструкции резонаторов, в которых реализуются пространственно-периодические каналы с ВЧ квадрупольной фокусировкой.

Практическая ценность

Результаты разработки четырехкамерных резонаторов использованы в работе по модернизации инжектора ускорительного комплекса Нуклотрон-МСА (ОИЯИ) [28].

Основные положения, выносимые на защиту

2. Предложена конструкция ВЧ квадрупольной линзы для пространственно-периодического канала, обеспечивающая формирование ускоряющего поля как внутри линзы, так и между линзой и смежными трубками дрейфа.

Достоверность полученных результатов

Достоверность �