Содержание к диссертации
стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И КОМПЬЮТЕРНЫЕ ПРОГРАММЫ
ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ
ИОНОВ 24
Выбор основных параметров ускорителя с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой 28
Разработка ускорителя с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой при помощи программы ACCELL 31
Разработка ускорителя с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой при помощи интерактивной программы RFQDES 33
Многочастичная программа DYNAMION 41
ГЛАВА 2. ЛИНЕЙНЫЕ УСКОРИТЕЛИ, РАЗРАБОТАННЫЕ В
1993 - 2002 гг 61
Начальная часть протонного ускорителя "ИСТРА" 61
Бустерная секция линейного ускорителя Московской Мезонной Фабрики 71
Тяжелоионный ускоритель ИТЭФ с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой 76
Тяжелоионный линейный инжектор установки TWAC 82
Ускоритель с пространственно-однородной квадрупольнои фокусировкой проекта RIA 88
Линейный ускоритель высокой мощности 94
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ АНАЛИЗА НЕЛИНЕЙНОГО
ДВИЖЕНИЯ ЧАСТИЦ 96
Оценка малых потерь частиц в периодическом канале 98
Вычисление матрицы фокусирующего периода ПО
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112
ЛИТЕРАТУРА 116
Введение к работе
Устойчивый интерес к разработке сильноточных линейных ускорителей связан с их эффективным применением как для фундаментальных исследований, так и для и решения различных практических задач. В частности, линейный ускоритель высокой мощности предполагается использовать для трансмутации ядерных отходов, получения элементарных частиц и изучения фундаментальных свойств материи [19,76]. В настоящее время такие ускорители разрабатываются во многих научных центрах: ИТЭФ, МРТИ, LANL, CERN и др. [23,28,29,40,61,80].
Одно из важнейших требований, предъявляемых к начальной части интенсивного линейного ускорителя ионов, заключается в получении
ускоренного пучка с высокой фазовой плотностью тока j = —, где / - ток
пучка, Vp - нормализованный эмиттанс. Иначе существенный рост фазового объема пучка в начале ускорителя приводит к заметной потере частиц и активации установки в целом. Для устранения этих проблем необходимо увеличение апертуры во всем ускорителе, что означает как существенное повышение энергетических затрат на ускорение и фокусировку частиц, так и дальнейшую деградацию пучка из-за нелинейности внешних полей.
Предложенные в различных лабораториях схемы линейного ускорителя высокой мощности отличаются выбором типов ускоряющих структур, величин их рабочих частот и иных параметров. Тем не менее, во всех современных линейных ускорителях ионов в качестве начальной части используется секция с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ). Такой ускоритель, предложенный в 1969 г. В.В. Владимирским, И.М. Капчинским и В.А. Тепляковым [2], в отличие от ранее использовавшихся структур эффективно трансформирует
непрерывный пучок в сгруппированные сгустки и позволяет ускорять сильноточный пучок заряженных частиц низкой энергии. В зарубежных публикациях эта структура получила название Radio Frequency Quadrupole (RFQ).
В ускорителе с ПОКФ квадрупольная фокусировка пучка осуществляется переменным во времени электрическим полем, создаваемым электродами четырехпроводной линии. Продольная ускоряющая компонента электрического поля создается при периодическом изменении расстояния между противоположными электродами одной полярности вдоль оси ускорителя. Пространственный период изменения расстояния между электродами (ячейка) равен пути, который проходит равновесная частица за период изменения внешнего высокочастотного поля, а фазы изменения расстояний в перпендикулярных плоскостях сдвинуты на 180.
Разработка ускоряющих секций с ПОКФ является одним из приоритетных направлений в работе Отдела линейных ускорителей (ЛУ) ИТЭФ. Основателем отдела и соавтором ускорителя с ПОКФ И. М. Капчинским была создана теоретическая база [3,7], на основании которой было построено значительное количество секций с ПОКФ, ускоряющих ионы с различным отношением заряда к массе. С самого начала разработка секций с ПОКФ в Отделе ЛУ ИТЭФ была ориентирована на интенсивные ускорители. Движение ионов в сильноточном линейном ускорителе существенно зависит от взаимодействия заряженных частиц между собой, а во многих случаях влияние пространственного заряда на динамику пучка является определяющим. Поэтому разработка сильноточного линейного ускорителя невозможна без детального учета собственного поля пучка.
При создании первых установок в ИТЭФ [9,11,12] были проверены и экспериментально подтверждены разработанные в Отделе ЛУ методы
расчета и компьютерные программы. Тем не менее, было показано, что требуется их дальнейшее развитие для детальной разработки ускорителя с ПОКФ и более точного моделирования движения частиц с учетом их взаимодействия между собой. Для достижения поставленной цели в Отделе ЛУ ИТЭФ был создан ряд компьютерных программ [21,54,59]. При их создании был учтен накопленный опыт эксплуатации разработанных ранее линейных ускорителей. Основное внимание было уделено детальному описанию внешних электромагнитных полей, адекватному вычислению собственного поля пучка и отказу от линеаризованных приближений при моделировании движения частиц.
Аналитическое выражение для вычисления электрического поля в приосевой области ускорителя с ПОКФ было выведено И.М.Капчинским в предположении сложной нелинейной формы поперечного сечения электродов. Поскольку практически реализовать такую поверхность нельзя, в ускорителе с ПОКФ обычно используют либо электроды цилиндрической формы, либо плоские пластины с закруглением на краю. Очевидно, что это приводит к заметному изменению распределения внешнего поля. Для ускорителей с ПОКФ, разработанных в ИТЭФ с 1983 года, компоненты внешнего электрического поля всегда рассчитывались принимая во внимание реальн ю форму электродов, что существенно влияет как на геометрические параметры структуры, так и на ускорение и фокусировку пучка.
Наиболее известной зарубежной программой для расчета ускорителя с ПОКФ является созданная в Лос-Аламосе (США) программа PARMTEQ [4]. С применением данной программы были разработаны секции с ПОКФ в различных научных центрах мира [37,46,58]. Тем не менее, сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными показало необходимость более точного расчета как параметров ускорителя, так и динамики частиц, особенно при заметном токе пучка. В протонном
ускорителе с ПОКФ в зависимости от рабочей частоты пространственный заряд оказывает влияние на движение частиц уже при импульсном токе пучка в 5-10 мА. Для тяжелоионных ускорителей такая величина составляет 1-2 мА.
Среди многих недостатков программы PARMTEQ основными являются независимое решение уравнений для продольного и поперечного движения частиц, приблизительный учет собственного поля пучка и неточное вычисление полей при помощи аналитических коэффициентов как в процессе разработки ускорителя, так и при моделировании динамики пучка. Результаты измерений в тяжелоионном инжекторе линейного ускорителя UNILAC, запущенном в 1999 году в GSI (Darmstadt, Germany), показали существенное отличие от предсказанных программой PARMTEQ данных для трансмиссии пучка в ускорителе с ПОКФ (IH-RFQ) [77]. Частично эта проблема объясняется несогласованностью пучка с ускорителем и погрешностями установки электродов, но моделирование динамики пучка в IH-RFQ при помощи программ, разработанных в ИТЭФ, показало невозможность достижения расчетных параметров даже при полном согласовании пучка в шестимерном фазовом пространстве и идеальной юстировке ускорителя [85].
Эксплуатация тяжелоионного ускорителя, разработанного при помощи программы PARMTEQ в TRIUMF (Vancouver, Canada), выявила наличие больших потерь частиц [58]. Основной причиной этого является разработка ускорителя с использованием аналитических коэффициентов для вычисления внешнего поля и недостаточно точное определения параметров ускорителя. В 1996 году для решения этой проблемы была применена программа RFQCOEF, позволяющая вычислять высшие гармоники электрического поля в ячейках ускорителя с ПОКФ на основе реальной геометрии электродов. Модифицированная программа PARMTEQ позволяет проводить подобные вычисления только в предположении
идеального поперечного сечения электродов, что приводит к погрешности в величине ускоряющего электрического поля до 33% и неадекватному ускорению частиц. Разработка нового ускорителя с ПОКФ для проекта ISAC первоначально проводилась в предположении "идеальных полей" с использованием аналитических коэффициентов. Вычисление высших гармоник продольной и поперечной составляющих электрического поля с учетом реального поперечного сечения электродов проводилось для дискретного набора геометрических размеров ячейки ускорителя, а затем интерполировалось. Параметры ячейки ускорителя подбирались таким образом, чтобы первые коэффициенты разложения совпали с аналитическими, после чего коэффициенты для восьми высших гармоник вводились в PARMTEQ в качестве начальных данных.
Принятый в ИТЭФ процесс разработки секции с ПОКФ обычно включает в себя использование двух основных независимых программ -генерирующей структуру ускорителя и моделирующей движение частиц. Поскольку детально определить поведение частиц в ускорителе можно только при помощи моделирующей программы, процесс разработки носит итерационный характер. По результатам расчета движения частиц геометрические параметры ячеек канала, определяющие характеристики ускорителя вдоль оси, должны быть скорректированы и снова введены в программу для моделирования динамики пучка. В силу сложной взаимозависимости изменения параметров вдоль оси ускорителя и эволюции пучка такая процедура должна производиться неоднократно.
Детальный расчет движения частиц, принимая во внимание их взаимодействие между собой, даже на мощных компьютерах требует больших затрат машинного времени, поэтому процесс разработки ускорителя с ПОКФ оказывается довольно длительным.
Для решения этой проблемы и повышения качества разработки интенсивного ускорителя с ПОКФ была создана интерактивная программа
RFQ_DES, которая является развитием ранее разработанных кодов, объединенных с графическим объектно-ориентированным интерфейсом. Основными достоинствами программы являются детальный расчет внешнего трехмерного электрического поля на основании реальной геометрии электродов, возможность интерактивной коррекции параметров ячейки на основании моделирование движения частиц и наглядность как процесса разработки, так и анализа результатов.
Главной проблемой при разработке ускорителя с ПОКФ является выбор его основных параметров, в частности таких, как рабочая частота, напряжение и среднее расстояние между противоположными электродами. В зависимости от целей, преследуемых при разработке установки -максимальный темп ускорения, высокая пропускная способность или минимизация роста фазового объема пучка - эти параметры могут существенно различаться. Программа RFQ_DES позволяет изменять основные параметры в широком диапазоне, давая наглядное представление об из взаимозависимости и влиянии на характеристики ускорителя.
Динамика пучка при помощи программы RFQ_DES рассчитывается с учетом взаимодействия частиц между собой непосредственно после определения параметров очередной ячейки ускорителя с ПОКФ и вычисления высших гармоник в разложении электрического поля. Разработка секции с ПОКФ происходит интерактивно и дает возможность непосредственно в процессе расчета учитывать комплексную зависимость параметров ускорителя и пучка, а также их влияние друг на друга. Предусмотренная в программе возможность возвращения назад на любое количество шагов дает возможность тщательного определения параметров ячейки для выполнения требований, предъявляемых к характеристикам ускорителя.
Таким образом, программа RFQ_DES позволяет проводить разработку ускорителя с ПОКФ любого уровня сложности, а в силу наглядного
представления процесса расчета и анализа результатов может быть использована в качестве учебного пособия.
Как было отмечено выше, секция с ПОКФ обычно используется в качестве начальной части линейного ускорителя и предназначена для группировки пучка и его ускорения до энергии, достаточной для эффективного ускорения пучка в последующих структурах. В частности, для протонов характерная величина входной энергии частиц составляет 30-90 кэВ, выходная - 3-5 МэВ. Чаще всего в качестве основных ускоряющих структур используются резонаторы с трубками дрейфа. Обычно поперечное и продольное согласование сгруппированного пучка с последующей ускоряющей секцией осуществляется при помощи специального канала, состоящего из банчеров и квадрупольных линз. Кроме того, между ускоряющими секциями устанавливаются корректоры пучка, диагностическое и иное оборудование, что приводит к большой длине канала. Это также требует установки дополнительных элементов для фокусировки пучка. Таким образом, детальный расчет динамики пучка во всем линейном ускорителе должен включать в себя моделирование движения частиц не только в ускоряющих секциях, но и в транспортных каналах между ними. Для этого используются программы различного уровня сложности, как матричные, так и многочастичные. Наиболее известными матричными программами, позволяющими учитывать влияние пространственного заряда, являются TRACE [18] и MIRKO [10]. Разработанные достаточно давно, эти программы позволяют вычислять эволюцию огибающих пучка в ускоряюще-фокусирующих структурах и предназначены в основном для оптимизации параметров элементов ускорителя. Однако в силу упрощенного матричного описания элементов ускорителя и пучка полученные результаты являются весьма приблизительными.
Многочастичные программы, например PARMTEQ, PARMILA и
PARMTRA [4,24,86], широко используются для расчета динамики пучка в структурах с ПОКФ, ускорительных секциях с трубками дрейфа и транспортных каналах соответственно. Одним из основных недостатков этих программ является использование линейного приближения, что оказывает существенное влияние при низкой энергии частиц, когда связь продольного и поперечного движения велика. Упрощенное задание внешних полей и приблизительное вычисление кулоновского взаимодействия между частицами приводит к заметной разнице между результатами моделирования и измеренными параметрами пучка. Кроме того, при моделировании разными программами разных участков ускорителя начальное распределение частиц обычно формируется заново каждой программой, что не позволяет учитывать детали распределения плотности заряда, образовавшиеся при расчете предыдущей секции.
В ИТЭФ для преодоления подобных недостатков была разработана многочастичная программа DYNAMION (DYNAMics of IONs) [59], предназначенная для детального моделирования динамики пучка заряженных частиц в линейном ускорителе, в том числе и в секции с ПОКФ. В программе интегрируются трехмерные уравнения движения в самом общем виде [1] и адекватно вычисляются как внешние электромагнитные поля, так и кулоновское взаимодействие между частицами. Базируясь на том же алгоритме, что и разработанная ранее в ИТЭФ компьютерная программа PROTON [8,21], программа DYNAMION предназначена для решения широкого спектра задач, в частности для сквозного моделирования движения частиц в линейном ускорителе, состоящем из произвольной последовательности ускоряющих секций различного типа и транспортных каналов между ними, включающими квадрупольные линзы, поворотные магниты, соленоиды и другие элементы, например устройство для перезарядки ионов.
Уравнения движения численно интегрируются по времени методом
предиктор-корректор. Вычисление самосогласованного поля пучка производится методом парных взаимодействий на каждом шаге интегрирования, что позволяет учитывать зависимость полей от неравномерного распределения плотности заряда и тока, которое само определяется движением частиц. Для предотвращения связанных с дискретностью шага интегрирования искусственных столкновений частиц используется модель частиц конечного собственного объема [5,8].
Моделирование динамики пучка в ускорителе при помощи программы DYNAMION может быть проведено как в "идеальных" внешних электромагнитных полях, вычисленных с использованием аналитических коэффициентов, так и ь трехмерных полях, рассчитанных на основании реальной геометрии элементов установки. Для повышения точности расчетов в программе могут быть использованы измеренные распределения ускоряющих и фокусирующих электромагнитных полей или результаты моделирования внешних полей специальными кодами, например OPERA [94] или MAFIA [95]. Такое описание позволяет учитывать нелинейность внешних полей, а также моделировать движение частиц принимая во внимание ошибки юстировки элементов ускорителя.
В программе DYNAMION могут быть заданы различные статистические законы для формирования начального распределения частиц в шестимерном фазовом пространстве, например распределение с равномерной плотностью пространственного заряда (распределение Капчинского-Владимирского) или нормальное распределение с подрезкой на разном уровне. Кроме того, начальное распределение может быть извлечено из результатов расчета динамики пучка в предыдущих частях ускорителя или сформировано по данным измерения эмиттанса пучка, что позволяет учитывать неоднородность плотности заряда в реальном распределения частиц [85].
Программа DYNAMION позволяет моделировать динамику пучка,
состоящего из смеси частиц с различным отношением заряда к массе, что особенно важно, поскольку тяжелоионный пучок, инжектируемый из источника, обычно состоит из смеси ионов с различным зарядовым числом [72,88,89]. Кроме того, эта особенность программы позволяет адекватно моделировать движение частиц в устройстве для перезарядки ионов, где суммарный заряд пучка скачком увеличивается в несколько раз. В процессе перезарядки образуется спектр ионов с разными зарядами, поэтому для дальнейшего ускорения необходимо отделить требуемые частицы, используя поворотные магниты. Как пример можно привести задачу по детальному расчету динамики пучка в сепарирующей секции ускорителя UNILAC, которая была эффективно решена при помощи программы DYNAMION [85].
Описанные выше методы расчета и программы были применены к разработке целого ряда ускорителей с ПОКФ в ИТЭФ и других научных центрах. Следует отметить, что создание ускорителя включает в себя целый комплекс расчетных, технических и конструкторских решений по выбору типа резонатора и его параметров, разработке систем ВЧ питания и охлаждения. Однако основополагающим является определение геометрических размеров ячеек, которые обеспечивают в приосевой области, где происходит движение частиц, требуемые внешние поля, их детальное вычисление и достоверное моделирование динамики пучка при наличии поля пространственного заряда. В диссертации разработка интенсивных ускорителей рассматривается именно с этой точки зрения.
В 1993 г. в Отделе ЛУ ИТЭФ был проведен физический пуск НЧУ-2 -начальной части прототипа сильноточного протонного ускорителя "ИСТРА-36" [16,17,25]. В настоящее время планируется использовать ускоритель в качестве драйвера для создаваемого в ИТЭФ нейтронного генератора [33,34]. Основная идея проекта заключается в получении ускоренного пучка протонов с энергией 36 МэВ, который будет
направляться на бериллиевую мишень, расположеннную в центре подкритической реакторной сборки. Реализация данного проекта позволит проводить эксперименты по облучению материалов, наработку радионуклидов и производство эмиттеров. Также предполагается использование установки для проведения томографических исследований.
Разработанная в ИТЭФ бустерная секция с ПОКФ для линейного ускорителя Московской Мезонной Фабрики [32] была предназначена для повышения надежности работы инжектора при высокой частоте повторения импульсов тока. В 1998 г. ускоритель с ПОКФ был запущен в эксплуатацию, и полученные экспериментальные данные показали, что жесткие требования, предъявляемые к качеству пучка на выходе секции, выполнены. Использование бустерной секции с ПОКФ обеспечило стабильное функционирование ускорителя и позволило увеличить средний тока пучка во всей установке до 150 мкА [57].
В рамках международного сотрудничества с GSI (Darmstadt, Germany) в Отделе ЛУ ИТЭФ был разработан и изготовлен сильноточный тяжелоионный ускоритель с ПОКФ [50,64]. Физический пуск ускорителя был проведен в конце 1999 года. Измерения, проведенные для ионов Си2+ и Си , показали хорошее совпадение с результатами численного моделирования динамики пучка [72].
Для осуществляемого в ИТЭФ проекта TWAC (Тега Watt Accumulator), предназначеного для проведения экспериментальных программ по изучению тяжелоионного синтеза [52,65], была разработана и спроектирована начальная часть линейного ускорителя, который будет использован для инжекции тяжелых ионов в синхротрон. Получаемый из лазерного ионного источника пучок частиц с импульсным током до 100 мА состоит из смеси ионов с разными зарядами. Проведенные исследования показали, что процесс предварительной сепарации тяжелых ионов приводит к росту фазового объема в несколько раз еще до инжекции в ускоритель с
ПОКФ из-за низкой энергии частиц и высокой интенсивности пучка. Для решения этой проблемы было предложено проводить сепарацию частиц после их ускорения в начальной части установки. Для осуществления этой идеи разработана секция с ПОКФ, способная ускорять сильноточный пучок, состоящий из смеси ионов с разными зарядами и средним отношением заряда к массе 1:3 [60,89].
В рамках международного сотрудничества с ANL (Argonn, USA) был разработан ускоритель с ПОКФ для проекта RJA [75]. Как показало моделирование движения частиц, основными целями, достигнутыми при создании ускорителя, являются одновременное ускорение ионов U28+ и U29+ и получение пучка с малым продольным эмиттансом [84,88].
Основным требованием к разработке сильноточного ускорителя с ПОКФ является получение на выходе пучка с высокой фазовой плотностью тока для 90-95% частиц. К характеристикам линейного протонного ускорителя высокой мощности [39,40,42,44,45] предъявляются намного более жесткие требования в силу большой энергии частиц. Если в процессе эксплуатации ускорителя с ПОКФ потерями нескольких процентов частиц можно пренебречь, то при энергии протонов 100-1000 МэВ такие потери являются недопустимыми из-за радиационной активации установки, возникающей при взаимодействии заряженных частиц высокой энергии со стенками ускоряющего канала. Даже при наличии сравнительно небольшого уровня радиактивности требуются специальные меры по защите помещений и персонала, а обслуживание установки должно осуществляться дистанционно.
Наиболее простой путь решения данной проблемы мог бы заключаться в увеличении апертуры ускорителя. Однако это влечет за собой резкое возрастание мощности, необходимой для ускорения и фокусировки пучка. Кроме того, заметное увеличение апертуры приводит к большой нелинейности внешних полей, что ведет к дальнейшей деградации пучка.
Другая возможность снижения потерь частиц состоит в увеличении количества фокусирующих элементов, повышении частоты поперечных колебаний частиц и, соответственно, в уменьшении амплитуды колебаний. Но это означает существенное снижении темпа ускорения и увеличение длины установки, которое приводит к появлению проблем со стороны динамики пучка. В частности, при меньшей эффективности ускорения до заданной энергии на большей длине секции происходит больший рост фазового объема под действием кулоновского расталкивания между заряженными частицами. Кроме того, длинная секция чувствительнее к ошибкам изготовления и юстировки, что также может приводить к росту фазового объема, образованию ореола пучка и в конечном итоге к потерям частиц.
И увеличение мощности, потребляемой ускорителем, и увеличение его длины, и дистанционное обслуживание установки резко повышают стоимость как изготовления, так и эксплуатации ускорителя высокой мощности, которая в настоящее время оценивается по порядку величины в один миллиард долларов. Таким образом, при разработке ускорителя высокой мощности необходим детальный анализ результатов моделирования динамики пучка, позволяющий не только показать принципиальную возможность создания установки, но и определить параметры, обеспечивающие разумную стоимость изготовления и эксплуатации ускорителя.
Проведенные оценки [28,29] показывают, что допустимый уровень относительных потерь протонов с энергией 1 ГэВ и током пучка 100 мА составляет весьма малую величину порядка 10" на метр, то есть учет потерь даже небольшого количества частиц, образующих ореол пучка является необходимым.
В мировых научных центрах был проделан ряд аналитических и компьютерных работ по изучению причин, приводящих к образованию
ореола пучка [15,27,36,66,70]. Тем не менее, в силу того, что образование ореола пучка происходит в результате множества различных процессов, в настоящее время не существует аналитических методов, позволяющих с достаточной точностью вычислять уровень малых потерь частиц высокой энергии в интенсивном пучке. С другой стороны, компьютерное моделирование также не может быть использовано для прямого расчета малых потерь, поскольку для получения достоверной статистики необходимо проводить вычисления с количеством частиц порядка 109, учитывая кулоновское взаимодействие между ними. При характеристиках современных компьютеров это практически неосуществимо.
Обычно анализ результатов компьютерного моделирования динамики пучка в основном сводится к определению роста среднеквадратичного эмиттанса в зависимости от величины тока пучка и параметров ускоряющего канала. Очевидно, что параметры ускорителя высокой мощности должны быть выбраны так, чтобы моделирование динамики пучка, состоящего из 103-105 макрочастиц происходило без потерь. Однако экспериментальные наблюдения всегда фиксируют наличие небольших потерь частиц в ускорителе даже при тех условиях, когда в результатах компьютерного моделирования отсутствуют не только потери частиц, но и рост эмиттанса. Это означает, что вычисления для оценки малых потерь частиц высокой энергии в сильноточном ускорителе должны проводится при условиях, по крайней мере не приводящих к заметному росту фазового объема пучка. Но при этом традиционные методы анализа результатов расчета становятся неэффективными и необходимо развитие специальных методов, позволяющих изучать сложные нелинейные процессы, приводящие к образованию ореола пучка и появлению малых потерь частиц.
Применение корреляционной функции траектории частицы для изучения стохастических процессов подробно исследовано в работе [14].
Разработанная теория была применена для анализа появления локальной неустойчивости движения частиц в канале с периодической фокусировкой. По результатам компьютерного моделирования для каждой частицы пучка вычисляется спектральная плотность корреляционной функции траектории, коэффициенты которой позволяют судить о нелинейности движения конкретной частицы и о степени возмущения пучка в целом [35,51,74].
Связь элементов матрицы фокусирующего периода с нелинейной компонентой движения частиц показана в работах [7,14]. Вычисление матрицы фокусирующего периода для каждой частицы на основании результатов численного интегрирования уравнений движения позволяет использовать разработанную теорию для выявления частиц, испытавших возмущение на данном периоде фокусировки [74].
Основываясь на результатах компьютерного моделирования динамики пучка, предлагаемые методы позволяют изучать процесс формирования ореола пучка и по порядку величины оценивать малые потери частиц в интенсивном линейном ускорителе.
Актуальность проблемы В настоящее время линейные ускорители широко используются как для решения задач, связанных с изучением фундаментального строения материи, так и для практического применения в микроэлектронике, радиохимии и радиотерапии. Создание интенсивных линейных ускорителей высокой энергии существенно расширяет возможности для проведения научных экспериментов и позволяет решать практические проблемы, связанные с переработкой ядерных отходов и производством энергии.
Постановка задачи
При разработке сильноточного линейного ускорителя ионов необходимо решить связанные с особенностями движения частиц
физические проблемы, такие как увеличение средней интенсивности пучка и определение параметров ускорителя, которые обеспечивают получение пучка с высокой фазовой плотностью тока. Проблема роста фазового объема пучка является серьезной теоретической и практической проблемой, наиболее актуальной в области низких энергий. Заметное увеличение фазового объема пучка в ускорителе с ПОКФ препятствует повышению тока пучка во всей установке. Таким образом, разработанный интенсивный ускоритель с ПОКФ должен обеспечить группировку непрерывного пучка при малом росте фазового объема и максимально увеличить число частиц, захваченных в режим ускорения.
Детальное моделирование движения частиц в интенсивном линейном ускорителе должно быть проведено при адекватном описании внешних полей и с учетом кулоновского взаимодействия частиц между собой, неравномерности распределения частиц в пучке, неточности юстировки элементов ускорителя и неполного согласования пучка с ускоряюще-фокусирующими каналом, поскольку все эти эффекты приводят к увеличению фазового объема пучка.
Движение частиц высокой энергии в интенсивном ускорителе должно быть тщательно исследовано, и параметры ускорителя должны быть выбраны так, чтобы малые потери частиц не превышали определенный уровень и не приводили к недопустимой активации установки.
Цель работы
Разработка интенсивных линейных ускорителей ионов на базе созданных методов при помощи компьютерных программ, обеспечивающих высокую достоверность результатов расчета.
Научная новизна
Создана программа ACCELL для разработки ускорителей с ПОКФ с учетом реальной геометрии электродов. С её помощью был разработан ряд установок.
Создана интерактивная программа RFQ_DES, предназначенная для детальной и наглядной разработки ускорителя с ПОКФ с учетом высших гармоник ускоряюще-фокусирующего поля, вычисленных на основании реальной геометрии электродов.
Создана многочастичная программа DYNAMION, предназначенная для моделирования динамики пучка в линейном ускорителе, состоящем из произвольной последовательности ускоряющих секций и транспортных каналов между ними. Детальный расчет движения частиц может быть проведен при адекватном описании внешних электромагнитных полей, кулоновского взаимодействия частиц, начального распределения и с учетом ошибок юстировки элементов ускорителя.
Разработана начальная часть прототипа интенсивного линейного протонного ускорителя ИТЭФ "ИСТРА-36". В 1993 году был проведен физический пуск установки.
Разработана бустерная секция с ПОКФ линейного протонного ускорителя Московской Мезонной Фабрики. Введение секции в эксплуатацию в 1998 г. обеспечило стабильную работу ускорителя и позволило в несколько раз увеличить средний ток пучка.
Разработан тяжелоионный сильноточный ускоритель с ПОКФ на частоте 27 МГц. В 1999 г. в ИТЭФ был проведен физический пуск установки.
Разработан тяжелоионный ускоритель с ПОКФ на частоте 81 МГц -начальная часть сильноточного линейного инжектора установки TWAC, создаваемой в ИТЭФ. Показана эффективность одновременного ускорения ионов с различными зарядами.
8. Разработан тяжелоионный ускоритель с ПОКФ на частоте 57 МГц -
начальная часть линейного ускорителя для проекта RIA (ANL, USA).
Моделирование динамики пучка показало возможность одновременного
78+ 0Q4-
ускорения ионов U и U при получения малого продольного эмиттанса пучка.
Предложен метод исследования стохастической составляющей движения частиц, основанный на вычислении корреляционной функции траектории. Разработанный метод позволяет анализировать процессы, ведущие к образованию ореола пучка, и оценивать малые потери частиц в ускорителе на основании результатов компьютерного моделирования.
Предложен метод анализа локальной неустойчивости движения, основанный на вычислении матрицы периода фокусировки для каждой частицы по её координатам на фазовой плоскости, получаемым в процессе численного интегрирования уравнений движения.
Практическая ценность
Результаты диссертационной работы использованы при разработке, запуске и эксплуатации интенсивных протонных и тяжелоионных ускорителей в ИТЭФ, ИЯИ, GSI, LNL-INFN и ANL, а также при создании в ИТЭФ проекта линейного ускорителя высокой мощности для трансмутации ядерных отходов.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.
В первой главе рассмотрены методы разработки интенсивных линейных ускорителей. Представлены созданные компьютерные программы для разработки ускорителей с ПОКФ и многочастичная программа DYNAMION, предназначенная для моделирования движения частиц в линейном ускорителе, состоящем из произвольной
последовательности ускоряющих секций и транспортных каналов между ними. Приводятся результаты расчетов динамики пучка, проведенных для линейных ускорителей в ИТЭФ, GSI, LNL-INFN, CERN, ANL, и их сравнение с экспериментальными данными.
Вторая глава посвящена описанию разработанных линейных ускорителей. Представлены запущенные в эксплуатацию прототип сильноточного ускорителя протонов в ИТЭФ, бустерная секция протонного линейного ускорителя в ИЯИ и тяжелоионный ускоритель с ПОКФ в ИТЭФ. Приведены параметры установок и результаты моделирования динамики пучка в проектируемых ускорителях проектов TWAC (ИТЭФ) и RIA (ANL). Рассмотрен разработанный в ИТЭФ проект ускорителя высокой мощности.
В третьей главе рассматривается вопрос появления локальной неустойчивости движения частиц в периодическом канале сильноточного линейного ускорителя. Обсуждается влияние кулоновского взаимодействия между частицами на рост фазового объема, образование ореола пучка и появление малых потерь частиц. Предлагаются методы анализа и оценки нелинейных эффектов в поведении частиц, применяемые к результатам компьютерного моделирования динамики пучка. Полученные данные сравниваются с аналитическими вычислениями.
Апробация работы
Результаты исследований, положенные в основу диссертации, многократно докладывались на Всероссийских и международных конференциях и семинарах по ускорителям, в том числе лично автором на семинарах Отдела ЛУ ИТЭФ, на семинаре PS Division CERN (Geneva, Switzerland, 2000 г.), на Международной Конференции по Линейным Ускорителям LINAC-2000 (Monterey, USA, 2000 г.) и на Семинаре Отдела Ускорителей GSI (Darmstadt, Germany, 2001 г.)
Публикации
Основные результаты исследований, вошедших в диссертацию, опубликованы в 20 печатных работах [21,25,26,30,31,33,35,37,41,49-51,55,59,60,63,64,72,74,85].
Основные результаты, представляемые к зашите
Методы расчета и компьютерные программы для разработки интенсивного линейного ускорителя и моделирования динамики пучка.
Разработанные ускорители с ПОКФ.
Методы анализа результатов компьютерного моделирования движения частиц в периодическом канале, предназначенные для изучения стохастической составляющей динамии пучка.
