Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. Принципы построения резонансных линейных ускорителей
ионов с пространственно-однородной и пространственно-периодической
ВЧ-квадрупольной фокусировкой 11
Глава 2. Исследование параметров ускоренного пучка в ускорителе
с пространственно-однородной и пространственно-периодической
ВЧ-квадрупольной фокусировкой 22
2.1. Ускоритель с ВЧ-квадрупольной фокусировкой на энергию 7 МэВ 22
2.2. Измерение параметров ускоренного пучка протонов 23
2.3. Профиль пучка на выходе НЧУ коэффициент захвата протонов
в режим ускорения 25
2.4. Энергетический спектр протонов на выходе НЧУ 27
2.5. Эмиттанс пучка протонов, ускоренного в НЧУ 28
2.6. Система компенсации нагрузки резонаторов НЧУ и ОЧУ током
ускоренных протонов 30
2.7. Проводка пучка протонов через две секции ускорителя и его
ускорение до энергии 7 МэВ в режиме малых и больших токов 32
Глава 3. Формирование и ускорение пучка отрицательных ионов водорода
в ускорителях с пространственно-однородной и пространственно-
периодической ВЧ-квадрупольной фокусировкой 42
Глава 4. Малогабаритный ускоритель на основе полицилиндрических
четвертьволновых коаксиальных резонаторов 53
4.1. Характеристика коаксиального четвертьволнового резонатора 54
4.2. Конструкция ускорителя на основе полицилиндрических
резонаторов 61
4.3. Динамика частиц в ускоряющей структуре на основе
полицилиндрических четвертьволновых коаксиальных резонаторов 65
4.4. Физический пуск ускорителя на основе полицилиндрических
четвертьволновых резонаторов 74
Глава 5. Ускоритель для внешней инжекции в Фазотрон ОИЯИ 78
5.1. Эффективность внешней инжекции 79
5.2. Инжектор на основе линейного ускорителя 80
5.3. Система ВЧ питания ускорителя 87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 91
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 93
Введение к работе
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 квадрупольнои высокочастотной фокусировкой, где устойчивость поперечного движения частиц пучка достигается с помощью квадрупольнои конфигурации высокочастотного поля, создаваемого четырехпроводной квадрупольнои линией [2,3] или, так называемым, двойным зазором [4], где трубки дрейфа представляют собой обычные полые цилиндры, нагруженные дополнительными электродами, формирующими поля квадрупольнои геометрии в ускоряющем зазоре.
Кроме квадрупольнои 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
5 чередование участков с фазовой фокусировкой и дефокусировкой (радиальной
і 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 I
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.
і 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,
8 - 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
II 10
ускоренного пучка с 1,25x10 частиц в течение времени захвата в Фазотрон до 1,25x10 частиц.
На защиту выносится:
Результаты настройки и тестирования ускорителя протонов с пространственно-периодической ВЧ-квадрупольной фокусировкой на энергию 7 МэВ.
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.
Результаты физического пуска ускорителя на основе четвертьволновых полицилиндрических резонаторов.
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
9 (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].
Во введении обосновывается актуальность, сформулированы задачи и цель настоящей работы. Приводятся краткое её содержание и основные положения, выносимые на защиту.
В главе 1 изложены принципы работы 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.
В главе 2 содержатся результаты исследования параметров ускорителя протонов с пространственно-периодической ВЧ-квадрупольной фокусировкой на энергию 7 МэВ. Приведены полученные значения параметров ускоренного пучка - тока, энергетического разброса и эмиттанса. Показаны результаты измерений величины оптимальной энергии инжекции и коэффициента захвата в режим ускорения, а также уровня оптимальной ВЧ-мощности, вводимой в резонаторы ускорителя.
В главе 3 приводятся результаты формирования и ускорения пучка отрицательных ионов водорода в ускорителях с пространственно-однородной и пространственно-периодической ВЧ-квадрупольной фокусировкой.. Согласование параметров пучка инжектора с НЧУ и исследование прохождения пучка по тракту ускорителя проводилось
10 по методикам, которые применялись ранее для исследований протонного пучка. В этих
экспериментах были впервые в мире ускорены пучки отрицательных ионов водорода в
структурах с пространственно-однородной и пространственно-периодической ВЧ
квадрупольной фокусировкой. 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 приводятся принцип действия и конструкция ускорителя на основе коаксиальных четвертьволновых полицилиндрических резонаторов и результаты физического пуска такого ускорителя. Он представляет собой цепочку вложенных друг в друга коаксиальных четвертьволновых резонаторов, так, что внешний проводник одного резонатора является одновременно внутренним проводником следующего. Поскольку резонаторы ускорителя запитываются ВЧ-мощностыо независимо друг от друга в нем реализована фазопеременная фокусировка ускоряемого пучка ВЧ-полем.
В главе 5 предлагается выполнить схему перезарядной внешней инжекции в Фазотрон ОИЯИ, предложенной в работе [16,17] на основе линейного ускорителя отрицательных ионов водорода. Разработан физический проект линейного ускорителя, состоящего из двух секций с пространственно-однородной ВЧ-квадрупольной фокусировкой.
Описание технических решений, приведенное в данной главе, показывает правильность концепции схемы внешней инжекции в Фазотрон и возможность ее осуществления на основе линейного ускорителя с ВЧК-фокусировкой.
В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.
