УСТРОЙСТВО ДИНАМИЧЕСКОГО СОГЛАСОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ОДНОРОДНОГО ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ СО СТАТИЧЕСКИМ КВАДРУПОЛЬНЫМ КАНАЛОМ Российский патент 1998 года по МПК H05H9/04 

Изобретение относится к ускорительной технике, преимущественно к линейным ускорителям заряженных частиц с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ).

В последние годы для создания интенсивных линейных ускорителей стали применяться ускоряюще-фокусирующие структуры с ПОКФ, за которыми могут следовать структуры с магнитостатической квадрупольной фокусировкой, например типа Альвареца. Особенность пространственно-однородной квадрупольной фокусировки ставит при согласовании пучка еще одну проблему, которая в других схемах ускорителей не встречается. Эта особенность состоит в том, что аксептанс канала с ПОКФ зависит от времени, а параметры нормализованного эмиттанса пучка в регулярном канале одинаковы по его длине в каждый момент времени, при этом во входном и выходном сечениях электродов структуры с ПОКФ аксептанс канала имеет разную ориентацию в зависимости от фазы ВЧ поля в момент прохождения этого сечения каждым поперечным слоем сгустка. Получаемая при этом и измеряемая на выходе из ПОКФ форма эмиттанса сгустка определяется совокупностью всех мгновенных эмиттансов поперечных слоев этого сгустка на его длине, что иллюстрируется на фиг. 1. Здесь цифры 1, 2, 3 обозначают соответствующие различным фазам ВЧ поля мгновенные эмиттансы поперечных слоев сгустка. Этот эффект наиболее выражен на входе в структуру с ПОКФ при инжекции непрерывного пучка. Однако, полученные результаты показывают, что и на выходе из ПОКФ этим эффектом нельзя пренебречь.

Для оценки влияния этого эффекта на динамику пучка в ускорителе приняты два параметра K и χ. Коэффициент k определен по главному максимуму колебаний несогласованной огибающей:

где

σ - значение согласованной огибающей;
ρ -значение несогласованной огибающей;
τ = = t/T_ф - время в относительных единицах;
T/_ф - время прохождения синхронной частицей периода фокусировки.

Коэффициент k показывает во сколько раз необходимо увеличить аксептанс канала, чтобы гарантированно пропустить без потерь частиц рассогласованный с каналом пучок. При идеальном согласовании k = 1. коэффициент перекрытия эллипсов χ равен отношению общей площади нескольких эллипсов на фазовой плоскости, соответствующих различным фазам ВЧ поля в пределах фазовой ширины сгустка, к площади мгновенного эллипса и показывает, какая часть рассогласованного пучка будет гарантировано пропущена последующим каналом с аксептансом, равным эмиттансу согласованного пучка на выходе из канала с ПОКФ. Зависимости коэффициентов k и χ на выходе из ПОКФ ускорителя "Истра" ИТЭФ при различных значениях средней фазовой плотности тока пучка j = 0; 1; 2A/сммрад от фазовой длины сгустка до согласования представлены на фиг. 2 и 3 сплошными линиями.

В связи с этим возникает проблема динамического согласования пучка на выходе из структуры с ПОКФ при его последующем ускорении в статическом квадрупольном канале. Под динамическим согласованием понимается преобразование пучка с параметрами, зависящими от времени, в пучок с независящими от времени параметрами или обратное преобразование. Динамическому согласованию пучка на выходе из ПОКФ соответствует совмещение всех элементарных эллипсов на фазовой плотности (1, 2 и 3 на фиг. 1) к единому положению.

Известный способ динамического согласования пространственно-однородного пучка со статическим квадрупольным каналом (Воробьев И.А., Коломиец А.А., авт. св. 1565336. Бюллетень "Открытия, изобретения", N 34, 1991, с. 247) обладает существенным преимуществом по сравнению с другими методами, так как, сохраняя квадрупольную симметрию пучка, позволяет осуществить непосредственную стыковку квадрупольных каналов без применения дополнительных согласующих устройств между ними.

Однако предложенное в вышеуказанном прототипе устройство для динамического согласования пучка состоит из отдельного ВЧ резонатора, соединенного через фазовращатель с резонатором структуры с ПОКФ, формирующей пространственно-однородный пучок. Такое конструктивное решение приводит к серьезным трудностям, связанным с возбуждением ВЧ колебаний в резонаторе с очень короткой (≈vλ/(4c) , где v - продольная скорость синхронной частицы; λ - длина волны ВЧ поля в дополнительном резонаторе, c - скорость света в вакууме) четырехпроводной линией и вызывает эксплуатационные неудобства, обусловленные необходимостью индивидуальной настройки согласующего резонатора и, возможно, введением дополнительных корректирующих квадруполей в пространстве за структурой с ПОКФ.

Цель изобретения - обеспечение динамического согласования пучка при непосредственной стыковке канала с ПОКФ со статическим квадрупольным каналом без применения дополнительных ВЧ резонаторов и магнитных квадрупольных линз.

Цель достигается тем, что к концу электродов структуры с ПОКФ соосно присоединяется дополнительный отрезок четырехпроводной линии, который выполняется профилированным в виде выемки и выступа (фиг. 4). Этот дополнительный отрезок электродов (далее "динамический согласователь"), являясь составной частью структуры с ПОКФ, размещается в одном вакуумном кожухе с ВЧ резонатором. Возбуждаемая ВЧ генератором разность потенциалов на электродах структуры с ПОКФ посредством электрического контакта передается на электроды динамического согласователя.

На фиг. 1 изображены фазовые портреты пространственно-однородного пучка на выходе из структуры с ПОКФ, поясняющие сущность физического эффекта динамического рассогласования; на фиг. 2 - зависимости коэффициента согласования k от фазовой длины сгустка при различных значениях фазовой плотности тока пучка до и после согласования; на фиг. 3 - аналогичные зависимости для коэффициента согласования χ фокусирующей плоскости; на фиг. 4 и 5 - устройство динамического согласования; на фиг. 6 показан фазовый портрет пучка на выходе из структуры с ПОКФ до согласования; на фиг. 7 - то же, после согласования; на фиг. 8, 9 и 10 - измеренные распределения напряженности фокусирующего поля в макете динамического согласователя; на фиг. 11 - таблица значений коэффициента согласования k при различных распределениях фокусирующего поля в динамическом согласователе.

Выемка 1 динамического согласователя (фиг. 4) служит для значительного ослабления электрического поля в канале транспортировки, что обеспечивает необходимый для согласования скачок фаз поперечных колебаний частиц по сравнению с фазой ВЧ колебаний электрического поля в структуре с ПОКФ.

Δϕ = 0,5π - 2πft_в+ 2πm,
где
m = 0; 1; 2;...;
Δϕ разность фаз между колебаниями ВЧ электрического квадрупольного поля и колебаниями согласованной огибающей пучка в структура с ПОКФ;
f - частота колебаний согласующего поля;
t_в - время воздействия этого поля на сгусток заряженных частиц.

Выступ 2 (фиг. 4) служит для совмещения на фазовой плоскости в сечении Б-Б мгновенных эмиттансов различных поперечных слоев сгустка (1, 2 и 3 на фиг. 1). Для обеспечения возможной замены устройства и проведения сравнительных экспериментов на пучке протонов динамический согласователь выполняется из отдельного отрезка четырехпроводной линии, который присоединяется вплотную с помощью винтов 3 (фиг. 5) к электродам структуры с ПОКФ и размещается в том же объеме ВЧ резонатора.

Необходимым условием динамического согласования является обеспечение надлежащего значения сдвига фазы Δϕ . Это достигается тем, что расстояние от конца электродов структуры с ПОКФ (сечение А-А на фиг. 4) до середины выступа 2 (фиг. 4) выбирается приблизительно равным ≈vλ/(4c) + kvλ/c , где k = 0, 1, 2,... . Для наилучшего качества согласования весьма желательно, чтобы k = 0 и центр пучка в сечении А-А, совпадающем с концом электродов структуры с ПОКФ перед выемкой 1 (фиг. 4), находился в положении кроссовера на фазовой плоскости. Это обеспечивается в том случае, если центр сгустка проходит сечение А-А в момент экстремума ВЧ поля. При этом параметры пучка на фазовой плоскости при прохождении участка дрейфа (выемка 1 на фиг. 4) будут иметь наименьшие отклонения от соответствующих параметров в сечении А-А.

Для достижения положительного эффекта также требуется, чтобы параметры выступа 2 (фиг. 4) были определенным образом связаны с параметрами структуры с ПОКФ. Для аналитического выявления этой взаимосвязи использованы уравнения огибающих пучка ρ от времени τ в относительных единицах. Пренебрегая малым изменением параметров центрального поперечного слоя сгустка на длине выемки 1 (фиг. 4), примем условие совмещения элементарных эллипсов сгустка в следующем виде:

где
τ_в = t_в/T_ф - время воздействия ВЧ поля выступа 2 динамического согласователя на частицы пучка;
τ_сг= t_cr/T_ф - время прохождения целым сгустком выходного среза электродов структуры с ПОКФ в относительных единицах.

В приближении малого изменения значения огибающей пучка ρ≈const на длине сгустка и в отсутствие кулоновского взаимодействия достаточно интегрировать только одно уравнение для огибающей пучка в одной из плоскостей. С учетом взаимосвязи между минимальной нормированной частотой ν_min модулем функции Флоке и жесткостью канала K2с

на участке выступа 2 (фиг. 4) в отсутствии фактора дефокусировки и высших гармоник разложения фокусирующего поля получим следующий окончательный вид условия коррекции

Из анализа этого выражения следует, что величина τ_в не может быть больше 1/2, что соответствует условию l_в< vλ/(2c). Значения коэффициентов k и χ после динамического согласователя по результатам численной оптимизации его параметров представлены на фиг. 2 и 3 пунктирными линиями. На фиг. 6 и 7 показаны мгновенные фазовые портреты пучка, взятые при прохождении синхронной частицей выходного сечения А-А (фиг. 4) структуры с ПОКФ и выходного конца динамического согласователя (сечение Б-Б на фиг. 4) по результатам численного моделирования методом крупных частиц по программе PROTON без учета кулоновского взаимодействия с 1000 частиц в сгустке. Распределение амплитуды ВЧ электрического поля вдоль продольной оси на участке динамического согласователя (фиг. 4) аппроксимировано квадратной волной с нулевым значением на участке выемки 1. Результаты расчетов показывают, что максимальные углы отклонения частиц пучка от продольной оси канала больше на фиг. 6, а форма покрытия на фиг. 7 близка к эллиптической, что соответствует предварительным расчетам по методу огибающих. Для вычисления величины эмиттанса покрытие на фиг. 6 аппроксимировано двумя трапециями, а на фиг. 7 обозначены оси эллипса, ограничивающего эмиттанс пучка. Площади аппроксимирующих фигур составляют 9.9 сммрад и 6.9 сммрад, а относительное увеличение мгновенного эффективного эмиттанса 1,65 и 1,15 соответственно, что подтверждает значительное снижение временной зависимости параметров пучка.

Описание выше устройство было реализовано на макете четырехкамерного H-резонатора с рабочей частотой 200 МГц в двух вариантах со следующими геометрическими параметрами: глубина выемки h_a составляет 5 радиусов апертуры канала r_a = 8 мм структуры с ПОКФ, длина выступа l_в = 10 мм, апертура канала на участке выступа r_в = r_a' длина выемки l_a составляет: а) 40 мм, б) 20 мм, в) 10 мм. Результаты измерений распределения электрического поля вдоль продольной оси согласователя по методу возмущения представлены на фиг. 8, 9 и 10 соответственно вариантами а), б) и в). Полученные результаты показывают, что заявляемое устройство обеспечивает необходимое ослабление электрического поля на участке выемки 1 (фиг. 4) в вариантах а) и б) и снижение поля вдвое от максимума в варианте в). Для варианта в) были проведены дополнительные расчеты динамики пучка в согласователе (фиг. 4) с учетом измеренного на макете распределения электрического поля (фиг. 10). Результаты расчетов коэффициента k для фазовой ширины сгустка 70^o представлены в табл. на фиг. 11, из которой следует, что положительный эффект в варианте в) сохраняется. По данным макетирования и дополнительно приведенным численным расчетам распределения амплитуды ВЧ поля в динамическом согласователе установлено, что приемлемое ослабление ВЧ поля на участке выемки 1 (фиг. 4) достигается при h_a > 3r_a' а необходимая величина амплитуды ВЧ поля на участке выступа 2 (фиг. 4) обеспечивается при r_в < 2r_a. При r_в > 2r_a необходимое по условию коррекции значение жесткости фокусировки K_c при необходимом расстоянии ≈vλ/(4c) от конца электродов с ПОКФ до середины выступа 2 (фиг. 4) может быть обеспечено только за счет существенного сокращения длины выемки l_a, что влечет за собой неприемлемое увеличение амплитуды ВЧ поля на участке выемки 1 (фиг. 4). Как показывают измерения распределения электрического поля в динамическом согласователе и расчеты динамики заряженных частиц при значении среднего расстояния от электродов динамического согласователя до продольной оси r_в≈r_a в совокупности с наложенными выше ограничениями обеспечивается необходимое ослабление амплитуды ВЧ поля на участке выемки 1 (фиг. 4) и наилучшее качество динамического согласования. Точное значение длины выступа l_в (фиг. 4) подбирается численными методами и, как правило, составляет ≈0,15vλ/c. Длина выемки l_a при этом оказывается равной ≈0,18vλ/c и достаточной для обеспечения необходимого ослабления величины поля.

Имеется ряд технических решений (авт. св. СССР N 574115, Препринт ИТЭФ N 28, 1984), в которых использованы все ограничительные признаки.

Однако авторам не удалось обнаружить технические решения, в которых:
преследуется цель динамически согласовать пространственно-однородный пучок со статическим каналом с сохранением квадрупольной симметрии пучка без применения отдельных ВЧ резонатора и магнитных квадрупольных линз;
разность фаз между колебаниями ВЧ электрического поля структуры с ПОКФ и согласованной огибающей устанавливают в соответствии с формулой (1) путем значительного ослабления жесткости фокусировки на участке выемки (см. поз. 1 на фиг. 4), что способствует снижению временной зависимости эмиттанса пучка без существенного изменения средних значений его параметров на поперечные фазовые плоскости;
время воздействия ВЧ электрического поля структуры с ПОКФ на заряженные частицы пучка устанавливают меньшим полупериода колебаний этого поля посредством выступа (см. поз. 2 на фиг. 4), имеющего электрический контакт со структурой с ПОКФ, что позволяет компенсировать временную зависимость эмиттанса пучка.

Таким образом, анализ отличительных признаков и проявляемых благодаря им свойств, связанных с достижением положительного эффекта, позволяет считать предлагаемое техническое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

Преимущество данного устройства по сравнению с прототипом заключается в конструктивной простоте при создании необходимых ВЧ полей электродами структуры с ПОКФ в едином резонаторе и появлении возможности непосредственной стыковки структуры с ПОКФ с последующим статическим квадрупольным каналом без применения дополнительных настроечных элементов, снижающих надежность ускорителя в целом.

Литература
1. Воробьев И.А., Коломиец А.А. Способ динамического согласования пространственно-однородного пучка заряженных частиц с фазовой протяженностью менее 180^o. Авторское свидетельство N 1565336. Бюллетень "Открытия, изобретения", N 34, 1991, с. 247.

2. Балабин А.И. и др. Численное исследование согласования пучка с пространственно-однородным квадрупольным каналом. Препринт ИТЭФ N 28, М., 1984.

Использование: в линейных ускорителях заряженных частиц, включающих структуру с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ) и пространственно-периодические структуры типа Альвареца. Сущность изобретения: динамический согласователь пространственно-однородного пучка заряженных частиц со статическим квадрупольным каналом содержит отрезок четырехпроводной линии, расположенный соосно с продольной осью линейного ускорителя с ПОКФ и имеющий электрический контакт с электродами ускорителя. Отрезок линии выполнен профилированным в виде выемки и выступа, размеры которых определенным образом связаны с параметрами структуры с ПОКФ. Преимуществами устройства являются его конструктивная простота, которая обеспечивает размещение динамического согласователя в одном кожухе с ускоряюще-фокусирующим каналом с ПОКФ, и сохранение квадрупольной симметрии пучка, необходимой для его последующей инжекции в структуру типа Альвареца. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Динамический согласователь пространственно-однородного пучка заряженных частиц со статическим квадрупольным каналом, состоящий из отрезка четырехпроводной линии, расположенного соосно с продольной осью линейного ускорителя с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой, формирующего пространственно-однородный пучок, отличающийся тем, что отрезок четырехпроводной линии имеет электрический контакт с электродами ускорителя, выполнен профилированным в виде выемки и выступа с переменным средним расстоянием от электродов отрезка четырехпроводной линии до продольной оси, а расстояние по продольной оси от середины выступа до начала выемки, совпадающего с концом электродов ускорителя с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой, равно Vλ/(4C), где λ - длина волны ВЧ поля в ускорителе, V - продольная скорость синхронной частицы, C - скорость света в вакууме. 2. Динамический согласователь по п. 1, отличающийся тем, что глубина выемки h_a > 3r_a, где r_a - среднее расстояние от электродов линейного ускорителя до продольной оси. 3. Динамический согласователь по п.1, отличающийся тем, что оптимальные параметры выступа находятся в диапазоне: радиус апертуры выступа r_в < 2r_а, длина выступа l_в< (Vλ)/(2C).ю