способ фокусировки пучка заряженных частиц в линейном резонансном ускорителе

Формула изобретения

СПОСОБ ФОКУСИРОВКИ ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ЛИНЕЙНОМ РЕЗОНАНСНОМ УСКОРИТЕЛЕ, в соответствии с которым на пучок заряженных частиц воздействуют трехмерными ВЧ-квадрупольными полями на периодах фокусировки, состоящих из N ускоряющих зазоров со сдвигом фаз k где k целое число, между напряженностями полей, отличающийся тем, что в зазорах каждого периода фокусировки, общее количество которых выбрано четным и не превышающим N, формируют области с тормозящим ВЧ-полем, обладающим квадрупольной симметрией, между областями создают электрические поля, направления которых в любой момент времени совпадают с направлением ускоряющего поля, при этом градиенты поперечных компонент поля внутри зазора изменяют синфазно, а сдвиг фаз между градиентами полей в зазорах с порядковыми номерами l и n выбирают из соотношений

Dv=(l-n)k,

когда зазоры принадлежат одному полупериоду, и

=(l-n)k+,

когда зазоры расположены в разных полупериодах фокусировки,

где n 0,2 N;

l 0,2, N.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к линейным резонансным ускорителям, и может быть использовано при создании новых и реконструкции действующих ускорителей.

Известны способы ВЧ-квадрупольной фокусировки пучка заряженных частиц; пространственно-однородная квадрупольная фокусировка (ПОКФ) и фокусировка ВЧ-квадруполями с "рогатыми" электродами [1] Оба способа дают возможность получить фазовую протяженность радиальной области устойчивости вплоть до 360^о.

Однако данные способы фокусировки имеют сравнительно низкий темп ускорения. Кроме того, при реализации зазоров с выдвинутыми электродами ("рогами") возникает серьезная проблема обеспечения необходимой электрической прочности ускоряющей системы.

Наиболее близким к изобретению является способ фокусировки пучка с помощью ВЧ-квадруполей с прямоугольными апертурами, обеспечивающий высокий темп ускорения в линейном резонансном ускорителе [2] При таком способе фокусировки в зазорах на пучок воздействуют трехмерными ускоряющими полями с квадрупольной симметрией и чередующимися знаками градиентов поперечных сил.

Недостатком этого способа фокусировки является значительное сокращение области радиальной устойчивости.

Целью изобретения является повышение предельного тока ускорителя путем расширения фазовой протяженности области поперечной устойчивости.

Для этого в ускорителе с периодом фокусировки, содержащим N ускоряющих зазоров со сдвигом фаз k (k целое число) между напряженностями полей, в зазорах каждого периода фокусировки, общее количество которых выбрано четным и не превышающим N, формируют области с тормозящим трехмерным ВЧ-полем, обладающим квадрупольной симметрией. Между областями создают электрические поля, направления которых у любой момент времени совпадают с направлением ускоряющего поля. Градиенты поперечных компонент поля внутри зазора изменяют синфазно, а сдвиг фаз между градиентами полей в зазорах с номерами l и n выбирают из соотношений (l-n)k, когда зазоры принадлежат одному полупериоду, и = (l-n)k +, когда зазоры расположены в разных полупериодах фокусировки, где l, n=1, 2,N.

Использование областей с тормозящим трехмерным ВЧ-полем позволяет значительно увеличить градиенты фокусирующих сил за счет выбора напряженностей полей между областями, совпадающих по направлению с ускоряющим полем. Приведенное соотношение между полным числом зазоров и количеством зазоров с тормозящими областями обеспечивает незначительное снижение темпа ускорения. Предлагаемые соотношения для сдвига фаз между градиентами полей в зазорах приводят к возникновению эффекта жесткой фокусировки в ускорителе. Выбором числа тормозящих областей можно обеспечить необходимую жесткость фокусировки и получить заданную фазовую протяженность радиальной области устойчивости.

Применение предлагаемого способа фокусировки пучка загрязненных частиц, основанного на использовании тормозящих высокочастотных полей с квадрупольной симметрией, позволяет получить фазовую протяженность радиальной области устойчивости вплоть до 360^о при высоком темпе ускорения.

На фиг. 1 приведено схематическое изображение устройства для осуществления предлагаемого способа на одном из периодов фокусировки линейного ускорителя; на фиг. 2 то же, в сочетании с фокусировкой ВЧ-квадруполями, имеющими прямоугольные апертуры; на фиг. 3 сечения А-А, Б-Б и В-В на фиг. 1; на фиг. 4 и 5 зависимости максимально достижимой фазовой протяженности сепаратрисы и эффективности ускорения от коэффициента зазора для структур с различными типами ВЧ-фокусировки.

Рассматриваемый период (фиг. 1), содержит четыре зазора (N=4), образованных последовательностью цилиндрических трубок 1 дрейфа исходной ускоряющей системы. С помощью проводящих держателей 3 на трубки подается разноименный ВЧ-потенциал U_i, i= 0,1,N, создающий противофазные поля в соседних зазорах (k=1). Ориентированные одинаково в каждом из двух ускоряющих зазоров и развернутые в последующем полупериоде относительно предыдущего на 90^о двухэлектродные скрещенные линзы 2 с ВЧ-потенциалами на электродах U_фm^j j=1,2,N₁; m= 1,2.M, где N₁- четное число, равное количеству зазоров, где сформированы области с тормозящим ВЧ-полем; M число областей с тормозящим ВЧ-полем, формируют N₁ M областей с тормозящими трехмерными полями, обладающими квадрупольной симметрией. Отношение сторон прямоугольных отверстий в электродах скрещенных линз 2 выбирают из условия a/b<<1, тогда поперечной составляющей электрического поля, направленной вдоль щели, можно пренебречь по сравнению с компонентой поперек щели. Подача потенциала на трубки 1 дрейфа и электроды линз 2 может быть обеспечена, например, путем размещения пролетного канала в высокочастотной резонансной системе на основе H-резонатора с встречными штырями, возбужденной ВЧ-генератором.

Способ фокусировки пучка заряженных частиц в линейном ускорителе осуществляется следующим образом.

На пролетные трубки 1 и электроды скрещенных линз 2 (фиг. 1) подают ВЧ-потенциал, затем в ускоритель инжектируют пучок заряженных частиц. Радиальное движение пучка определяется силами со стороны аксиально-симметричных ускоряющих полей и квадрупольных тормозящих полей. В режиме автофазировки ускоряющее поле вызывает ВЧ-дефокусировку пучка. Поскольку градиенты полей скрещенных линз 2 в соседних полупериодах возбуждаются в противофазе (фиг. 1), то частицы при своем движении вдоль оси испытывают действие квадрупольных полей с чередующими знаками градиента. Это приводит к появлению в канале ускорителя эффекта жесткой фокусировки.

Основным достоинством предложенного способа является возможность наилучшим образом сочетать ВЧ-фокусировку и ускорение пучка заряженных частиц. Действительно, во-первых, использование тормозящих областей позволяет значительно увеличить градиенты фокусирующих сил по сравнению с прототипом, так как направления поперечных компонент полей внутри скрещенных линз и между ними совпадают. При одинаковых напряженностях полей в зазорах и тонких электродах скрещенных линз градиенты увеличиваются вдвое (фиг. 1). Во-вторых, поскольку градиенты квадрупольных полей не снижаются при сокращении размеров тормозящих областей, то выбором M числа скрещенных линз можно, с одной стороны, обеспечить необходимую жесткость фокусировки, а с другой стороны, получить заданную фазовую протяженность радиальной области устойчивости. Причем фазовая протяженность этой области существенно больше, чем в прототипе, и может достигать 360^о. Расширение области радиальной устойчивости достигается за счет увеличения времени взаимодействия пучка с квадрупольными полями. В-третьих, снижение темпа ускорения по сравнению с прототипом, обусловленное присутствием замедляющих полей, незначительно, поскольку тормозящие области выбирают достаточно узкими и располагают их в той части зазора, где мало изменение энергии частиц, взаимодействующих с ВЧ-полем фиксированной амплитуды.

Достоинством предложенного способа является также то, что он легко сочетается с другими известными типами ВЧ-фокусировки, например фазопеременной фокусировкой или фокусировкой ВЧ-квадруполями с прямоугольными апертурами. В этом случае можно добиться уменьшения числа скрещенных линз, а следовательно, увеличения темпа ускорения, сохраняя все преимущества представленного способа.

На фиг. 2 приведено схематическое изображение устройства для осуществления предлагаемого способа в сочетании с фокусировкой ВЧ-квадруполями, имеющими прямоугольные апертуры. Рассматриваемый период фокусировки содержит четыре зазора (N=4), образованных последовательностью пролетных трубок 1 с прямоугольными отверстиями исходной ускоряющей системы. С помощью проводящих держателей 3 на трубки подается разноименный ВЧ-потенциал U_i, i=0,1,N, создающий противофазные поля в соседних зазорах (k=1). Размещенные в двух ускоряющих зазорах (N₁=1) и развернутые друг относительно друга на 90^одвухэлектродные скрещенные линзы 2 с ВЧ-потенциалами на электродах U_фm^j, j= 1,2,N₁; m=1,2,M формируют две области (M=1) с тормозящими трехмерными полями, обладающими квадрупольной симметрией.

Рассмотрим устойчивость радиального движения протонов на периоде фокусировки S=2( -приведенная скорость частицы, -длина волны ВЧ-поля), изображенном на фиг. 2, при следующих значениях параметров исходной ускоряющей системы: фаза равновесной частицы в центре зазора _s30^о, амплитуда поля в зазоре E_g=110 кВ/см и энергия на входе данного периода W_inj= 230 кэВ.

Проведенный анализ показывает, что при поле в линзах 90-110 кВ/см на периоде фокусировки достигается набег фазы поперечных колебаний равновесных частиц _t=60^о и обеспечивается устойчивость радиального движения ионов внутри сепаратрисы в широком диапазоне изменения коэффициента зазора g/ (g длина ускоряющего зазора) (кривая 2, фиг. 4). Для ускорителя, принятого за прототип, при S=2 и _t= 60^она фиг. 4 также приведена зависимость максимально достижимой фазовой протяженности сепаратрисы, в пределах которой выполнены условия поперечной устойчивости, от коэффициента зазора (кривая 1). На фиг. 4 видно, что применение предложенного способа фокусировки позволяет в 4-15 раз расширить фазовую протяженность области радиальной устойчивости.

Темп ускорения на периоде фокусировки можно представить в виде

cos_s где e заряд частицы; E_gmax максимальная напряженность поля в зазоре; L длина периода ускорения; эффективность ускорения. При фиксированных кратности периода ускорения L/, фазе _s и заданном значении E_gmax, ограниченном требованием электрической прочности зазора, достижимый темп ускорения пропорционален параметру Для прототипа, когда поле в ускоряющих зазорах может быть аппроксимировано "квадратной" волной, sin . На фиг. 5 показаны зависимости эффективности ускорения от коэффициента зазора для структур с одинаковыми длинами периодов S=2 и различными типами ВЧ-фокусировки. Сопоставление кривых на фиг. 5 показывает, что параметр максимален для прототипа (кривая 1), а для структуры с "рогатыми" электродами и двойным зазором (кривая 3) эффективность ускорения в 2 раза ниже, поскольку в зазорах с квадрупольной симметрией прирост энергии пренебрежимо мал. Структура, реализующая предлагаемый способ фокусировки (кривая 2), по эффективности ускорения уступает прототипу не более, чем на 25% и превосходит систему с "рогатыми" электродами в 1,5 раза.

Таким образом, применение предложенного способа фокусировки пучка заряженных частиц, основанного на использовании тормозящих высокочастотных полей с квадрупольной симметрией, позволяет существенно расширить область поперечной устойчивости, а следовательно, повысить предельный ток ускорителя, при незначительном снижении темпа ускорения.