Способ согласования пучка заряженных частиц с высокочастотным ускоряюще-фокусирующим каналом Советский патент 1992 года по МПК H05H9/00 

Изобретение относится к ускорительной технике, а точнее к способам согласования пучков заряженных частиц с каналом в линейных резонансных ус корителях ионов с фокусировкой частиц несинхронными пространственными гармониками высокочастотного (ВЧ) аксиально-симметричного электрического поля.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано при разработке и создании малогабаритных ускорителей ионов для ионной имплантации и материаловедческих исследований.

Известен способ согласования пучка заряженных частиц с пролетным

каналом в ускорителях с пространственно-однородной квадрулольной фокусировкой, заключающийся в том, что пучок заряженных частиц на начальном согласующем отрезке структуры подвергают воздействию поперечного ВЧ электрического поля с квадрупольной симметрией, жесткость фокусировки которого изменяется вдоль согласующего участка по закону K(z) « « ( i 2/2L), где K| - жесткость фокусировки в пролетном канале ускорителя; 2 - продольная координата, отсчитываемая от входа участка согласования длиной L; р - коэффициент, целочисленное значение которого равно 2 или 3. Данный способ позволяет решить задачу согласования поперечного фазового объема пучка с квадрупольным ВЧ-каналом, однако не может быть применен в ускорите- лях с Аокусировкой частиц несинхронными пространственными гармониками ВЧ электрического поля, в которых помимо необходимости согласования пучка по поперечным координатам од новременно требуется осуществление ВЧ-согласовсЖия пучка с каналом по продольному движению. Под ВЧ-согла- сованием пучка с каналом по продольному движению здесь и далее подразумевается обеспечение таких условий инжекции пучка с нулевым продольным (Ьазовым объемом в сепаратрису продольного движения, при которых средние скорости всех частиц пучка оказываются равными средней скорости равновесной частицы.

Наиболее близким к изобретению является способ согласования пучка с каналом в ускорителе с фокусировкой частиц несинхронными пространст - венными гармониками ВЧ аксиально- симметричного электрического поля, заключающийся в том, что пучок заря женных частиц н§ согласующем участке ускоряющей структуры, имеющем длину, равную половине длины периода фокусировки в пролетном канале, и расположенном непосредственно перед входом в ускоряюще-фокусирующий канал, подвергают воздействию осесим-j метричного высокочастотного электрического поля, амплитуды пространственных гармоник которого вдвое меньше амплитуд гармоник в пролетном канале ускорителя.

7 8295

Недостаток способа согласования пучка с каналом заключается в том, что максимальное значение параметра

с согласования пучка по поперечному движению, имеющего физический смысл коэфсЬициента захвата частиц по поперечным координатам при предельно допустимом для данной фазовой плотЮ ности тока эмиттансе пучка, ограничено величиной 60 - 70%. Данное ограничение параметра согласования обусловлено характером движения пучка на согласующем участке, причем

15 увеличение жесткости фокусировки в канале сопровождается уменьшением параметра согласования.

Целью изобретения является увеличение параметра согласования, а

20 следовательно, уменьшение потерь пуч- ка в пролетном канале ускорителя.

Поставленная цель достигается i тем, что согласно предлагаемому способу обеспечивают новые условия фор , мирования пучка под действием ВЧ- поля, для чего амплитуды пространственных гармоник напряженности элект рического поля на участке согласования изменяют по закону

30 Eft(Z) EonsinP z/ D/ (1)

где EQn - амплитуда n-й пространственной гармоники напряжен ности ВЧ электрического 35 поля в пролетном канале

ускорителя,

L - длина участка согласования;

z продольная координата, 40 отсчитываемая от начала

согласующего участка; р - Фиксированное для выбранного варианта целочисленное значение, лежащее в 45 диапазоне р 1 - 3

25

0

5

s Предлагаемый закон изменения амп литуд гармоник электрического поля - позволяет осуществить постепенное нарастающее воздействие на пучок быстроосциллирующей силы со стороны ВЧ-поля, приводящее к постепенному нарастанию модуляции огибающей пучка в поперечном направлении и модуляций продольной скорости частиц пучка так, что на входе в ускоряющий канал амплитуды и фазы данных модуляций приходят в соответствие с амплитудами и фазами колебаний,

характерных для согласованного пучка в пролетном канале ускорителя. В отличив от скачкообразного изменения амплитуд гармоник в способе-прототиг пе закон (1) позволяет обеспечить независимость длины участка согласования от периода фокусировки в пролетном канале при более высоком значении параметра согласования (до 95%).

Выбор значения показателя степени р определяется-, в основном, удобством настройки ВЧ резонансной системы на заданное распределение поля. Нижняя граница р 1 соответствует распределению напряженности поля на оси Н-резонатора со встречными штырями, равномерно нагруженного трубками дрейфа, и определяют функцию, которую нетрудно реализовать на практике. Значения р 2

и р 3 характеризуют распределение поля с более резким изменением амплитуды; Выбор значения р 3 нецелесообразен возрастания сложностей в настройке ВЧ-дистемы на заданное распределение поля.

На фиг И приведено схематическое изображение устройства для осуществления предлагаемого способа согласо- вания пучка с высокочастотным уско- ряюще фокусирующим каналом Пролетный канал согласующего устройства образован последовательностью цилиндрических трубок дрейфа 1, разделенных промежутками и закрепленных на проводящих держателях 2, с помощью которых на трубки подается разноименный высокочастотный потенциалiU, i 1,2,,J,N. Подача потенциала на трубки пролетного канала может быть осуществлена, например, путем размещения пролетного канала в высокочастотной резонансной системе на основе Н-резонатора со встречными штырями, возбуждаемой с помощью ВЧ-. генератора. Участок согласования длиной L содержит некоторре число N

ячеек, каждая из которых состоят из двух полутрубок и зазора между ними. В случае фокусировки частиц одной несинхронной пространственной гармоникой поля длина ячеек L0 остается

неизменной на участке согласования. ГгГриосевой области согласующего устройства формируется электрическое ВЧ-поле, по спектральному составу

подобное полю в ускоряюще-фокусирую- щем канале, однако амплитуды пространственных гармоник которого изме- с няются вдоль оси z в соответствии с законом (1), Изменение амплитуд , гармоник можно осуществить, например, путем изменения внутреннего диаметра трубок дрейфа либо посредством 0 изменения величины разности потенциалов на зазорах согласующего устройства, либо одновременным варьированием диаметра и величины разнос ти потенциалов.

5 На фиг.2 представлены характерные зависимости изменения величины приведенной скорости продольного движения частиц пучка /3L , отнесенной к приведенной скорости инжек-ции частиц 0 пучка (Зс от продольной координаты z, отнесенной к длине ячейки пролетного канала 1С, при движении частиц на участке согласования и двух первых периодах фокусировки пролет- 5 ного канала ускорителя. Зависимости построены по результатам численного решения уравнения продольной динамики частиц. Кривые, обозначенные цифрами 1 и 2, соответствуют частицам, 0 влетающим в пролетный канала ускорителя в фазах ВЧ-поля, равных значениям 0 и If/2 о Число зазоров согласующего устройства N 6, значение показателя степени р в законе (l) 5 изменения амплитуды поля р 1. Фокусировка частиц в пролетном канале ускорителя осуществляется одной пространственной гармоникой поля с фазовой скоростью, равной удвоенной 0 средней скорости частиц. На длине периода фокусировки содержится две ячейки пролетного канала. Координата z/L0 6 соответствует стыку согласующего устройства и пролетного 5 канала ускорителя.

На фиГоЗ представлены зависимости изменения величины радиуса нормиро- , ванной огибающей пучка р в его сечениях, совершающих продольное дви- 0 жение на участке согласования и двух первых периодах фокусировки пролетного канала ускорителя, от продольной координаты z, отнесенной к длине ячейки LЈ пролетного канала, Зависи- 5 мости построены по результатам чис, ленного решения уравнения для огибающей пучка совместно с уравнением продольного движения частиц. Кривые обозначенные цифрами t и 2, соот

ветствуют .сечениям пучка с фазами входа-в пролетный канал ускорителя, равными значениям 0 . Число за эорой согласующего устройства N 6 значение показателя степени р в законе (1) изменения амплитуды поля р « 1. Фокусировка частиц в пролетном канале ускорителя осуществляетс одной пространственнной гармоникой с фазовой скоростью, равной удвоенной средней скорости частиц. На дли не периода фокусировки содержится две ячейки пролетного канала. Коордната z/L0 6 соответствует стыку согласующего устройства и пролетного канала ускорителя. Значение велН чины набега фазы поперечных колебаний частиц на периоде фокусировки составляет 60 . Зависимости построены для случая нулевой фазовой плотности тока пучка.

На фиг.k приведены зависимости параметра согласования по поперечному движению Ј от величины фазовой плотности тока пучка j . Цифрой.

1обозначена зависимость построенная для случая, когда значение показателя степени р в закон.е (1) распределения амплитуды поля на участк согласования р 2. Число ячеек на

согласующем участке N 10. Цифрой

2обозначена зависимость, характеризующая изменение параметра от фазовой плотности тока j в способе- прототипе. При этом согласующий участок содержит одну ячейку. Зависимости построены по результатам численного решения уравнения для огибающей пучка совместно с уравнением продольного движения частиц. Период фокусировки в пролетном канале ускорителя содержит две ячейки, а значение величины набега фазы поперечных колебаний на периоде фокусировки равно 60°.

. Способ согласования пучка заряженных частиц о каналом ускорителя осуществляется следующим образом На трубки дрейфа согласующего устройства (фиг.1) параметры которого выбраны так, чтобы амплитуды пространственных гармоник напряженности электрического поля на участке сог ласования удовлетворяли условию (t) подают высокочастотные потенциалы, затем во входное сечение согласующего устройства с координатой z « О

15

20

25 ,

с ю

0

инжектируют пучок заряженных частиц. Пучок в процессе движения вдоль оси z согласующего устройства подвергается воздействию ВЧ-поля, сформи- рованного в приосевой области устройства согласования так, что на вьи ходе согласующего участка его параметры соответствуют параметрам пучка, согласованного с пролетным ка налом ускорителя.

Если фокусировка пучка в пролетном канале ускорителя осуществляется од.- ной несинхронной пространственной гармоникой ВЧ электрического поля с постоянной распространения К2, циклической частотой б00 и амплитуддй , Е0, параметры согласующего устройства выбирают таким образом, чтобы на его оси распределение напряженности электрического поля удовлетворяло соотношению

. P/Jzv j-. rin (2L}

E(a,t) Eflsin ()sin()coa(aot,

1, 2, 3.

X2)

0

1 Асимптотическое решение уравнения продольной динамики частицы пучка в согласующем устройстве, инжектируемой в сечение z 0 с приведенной; скоростью |3Б в момент времени t0, когда фаза поля имеет значение может быть представлено в

1 следующей форме:

. Ј

1п7с&г 1 Ґз1пГссч:KZкг 1П L 2кгь Jl L ч

-4)0)(Cf-cf0) (3.1)

ps(-e2gWp rj{c6s G

-ЧЈ) |llc6P G(()+4i . (3.2)

где (j COet - текущая фаза ВЧ-поля; . G Vg/V - отношение скорости

инжекции частицы к фазовой скорости гармо - ники; v - ЯДг;

§ti, « параметр

2у/

длина волны .

ВЧ-колебаний; , релятивистский

фактор;

энергия покоя

частиц.

Формулы (3.1) и (3.2) справедливы, когда число ячеек согласующего устройства N удовлетворяет условию Полученное решение представ- лено в виде суперпозиции равномерного поступательного движения частицы с приведенной скоростью и осцилля тивного движения с нарастающей по мере движения вдоль оси z амплитудой колебаний.

Для достижения максимального коэффициента захвата пучка по продолному движению необходимо на участке согласования осуществить такой разброс скоростей, который соответствует модуляции продольной скорости частиц согласованного пучка под дейсвием поля несинхронной пространственной гармоники в пролетном канале ускорителя:

|Wp5{1-egi4C°S( -С) + f;{c6s(KzL Kpex)j}; (4)

где р 6Х- фаза поля в момент инжек- ции частицы в начало пролетного кайала ускорителя г L;

Ропт оптимальная приведенная скорость частиц на входе ускорителя.

Выражение (4) получено путем решения уравнения продольного движения частиц согласованного пучка в периодическом пролетном канале ускорителя При Ц Срв формула (3.2) совпадает с формулой (k), поскольку G(CfM- -Ср0-)л . Это означает, что распределение напряженности электрического поля в согласующем устройстве в-соответствии с-законом (2) обеспечивает требуемые условия согласования пучка с каналом по продольной координате. Данный вывод подтверждается результатами численного моделирования, представленными на.фиг.20 Видно, как на участке согласования колебания скорости продольного движения частиц нарастают и при z/L0 6 становятся периодическими, что свидетельствует о сог- ,ласовании пучка с каналом по продольной координате.

Асимптотическое решение для нормированной огибающей пучка р в согласующем устройстве может быть записано в виде:

pU,Cf)p((f)l+|sinP (|)cos(K2z - Чр) + )2cos(K2z-Kf)j j (5.1)

dPizj lкл.чСС-1 . .Г . ,„ dCf -pftffcT8 1 (-2L)LSin(K2z- f +§;{ sin (Kui+(j), (5.2)

где р (if) - усредненная нормированная -, огибающая пучка, удовлетворяющая уравнению

- $ V-rpi ««

а j/j,

30 V

G(CP-Cf0)

к;

2Д

Мс-О

5

25

Р

Р ,t,

ILein cgX HG-)1,

R

где Р а теттт

I/V

где R VH

-радиус огибающей;

-нормализованный эмиттанс пучка:

3,13-10 A/Z - характеристи

ческий ток пучка (А); A,eZ - массовое число и заряд

ионов; I - ток пучка.

Как видно из формул (5.1), (5.2), (6), решение уравнения для огибающей пучка на согласующем участке представлено в виде суперпозиции усредненной огибающей 5 (if) и .быстроосцил- лирующей добавки, пропорциональной амплитуде напряженности ВЧ электрического поля. На входе согласующего устройства осциллятивная добавка равна нулю и решение характеризует- „ся только медленной компонентной p(tp). Начальные условия для согла

сованного с ускоряюще-фокусирующим каналом пучка в сечении z « L могут быть представлены в виде:

р(Ь,ф - fl+f coe() +

(7.1)

Ж (|)«cos(K,L +lf)} ;

vG+r

«&Јй- . -ffi irsin (KIL

ОЧTljllo «.г

-If) + g|ein(K2L+(f3,

(Л2)

где F(h)

«,

i/2|&6;

--pl3(1+G2) - набег фазы по- перечных колебаний на периоде фокусировки в пролетном канале ускорителя.

Сшивая решение (5.1 У, (5.2) при z - L с начальными условиями для согласованного пучка 47.1) и (7i2), получим равенство

F(L) /й ,ч

TSf 8%1J J(o

выполнение которого в сечении перехода от согласующего участка к пролетному каналу ускорителя (г L является необходимым условием осуществления согласования пучка с каналом. Заметим, что поскольку -усредненный радиус огибающей согласованнго пучка в пролетном канале ускорителя стационарен, в сечении z L величина р (tf) удовлетворяет также соотношению

Kfrri L

Р Ж

«Ш . о. (8.2) dip

Путем интегрирования уравнения (6) на отрезке от z « L до is О с начальным условиями (8.1), (8.2) можно найти значения радиуса и накл на усредненной огибающей на входе согласующего устройства, определяющие оптимальные условия инжекции пу ка в сечении z ь 0. Отметим, что коэффициенты уравнения (6) не имеют явной зависимости от фазы поля If, a время пролета согласующего участка, в среднем, одинаково для всех части Поэтому условия (8,1) и (8.2), характеризующиеся свойством независимости усредненной огибающей 1J от фазы поля на выходе согласователя, обуславливает независимость пара метров усредненной огибающей от фазы на входе согласующего участка. Так как огибающая усредненного движ ния полностью характеризует решение на входе устройства согласования1, оптимальные условия инжекции пучка г гемении z « 0 не зависят от фазы

5

0

5

поля, что и обеспечивает согласование стационарного фазового объема пучка инжектора с ВЧ ускоряюще- фиксирующим каналом по поперечным координатам. Таким образом, под действием ВЧ электрического поля с л нарастающей по закону (1) амплитудой осуществляется постепенное уменьшение среднего радиуса огибающей Пучка, а также модуляция радиуса и наклона огибающей так, что на входе в пролетный канал ускорителя (е - L) его параметры соответствуют параметрам пучка, согласованного с пролетным каналом.

Фиг.З демонстрирует процесс преобразования на согласующем участке стационарной огибающей пучка инжектора в периодическую огибающую согласованного пучка в пролетном канале ускорителя.

Оценка эффективности предлагаемого способа согласования была проведена путем численного решения уравнения для огибающей пучка на участке согласования совместно с уравнением продольного движения частиц пучка. Система уравнений решалась на отреза ке от входа в пролетный канал ускорителя z L До входа в согласователь z 0. Начальными условиями для величины радиуса и наклона огибающей, а также величины приведенной скорости продольного движения частиц служили, соответствующие периодическим решениям уоявнений в регулярном пролетном канале, т.е. соответствующие согласованному с каналом пучку. Начальные условия зависят от фазы ВЧ- поля в момент старта частиц из сече- ния z « L. Для данной фазовой плотности тока пучка параметром, характеризующим согласование пучка по по- г 5 .перечным координатам, может служить величина относительного перекрытия представляющих эллипсов пучка в сечении z « 0, соответствующих различным фазам поля в момент старта частиц из сечения z - L. Эту величину назовем параметром согласования Пучка с каналом по поперечному движению и обозначать буквой |Г. Предельное значение соответствующее наилучшим согласованиям по попеоечный координатам, равно 1. Параметром, характеризующим согласование пучка с каналом по продольному движению, может служить величина относительно0

5

0

0

5

го разброса скоростей продольного движения частиц в сечении z О, стартующих из сечения z L в разны фазах ВЧ-поля. Эту величину назовем параметром согласования пучка с каналом по продольному движению и обозначим через Ј% Предельное значение Ј, соответствующее наилучшим условиям согласования пучка по продольной координате, равно 0. В процессе численного моделирования параметра Ј и Ј определялись по четырем значениям характеристик пучка в сечении z 0, соответствующим стартовым значениям фазы поля в сечении z L, равным 0,, . Проведенные расчеты показали (фиг.4 что в диапазоне величины фазовой плртности тока ,0 - 1 А/см-мрад величина параметра.., характерная для предлагаемого способа согласования пучка с каналом, изменяется в пределах 95 - 87%, что в 1,3 - 1,4 раза превышает значение параметра Г достижимое при использовании способа-прототипа. При этом значение парметра JJ для предлагаемого Способа согласования пучка с каналом составляет 1,75%, а для способа-прототипа 2,4%. С увеличением величины жест кости фокусировки в пролетном кана- ле ускорителя значение параметра соласования |Г, обеспечиваемое при использовании способа-прототипа, падает, так как принцип его действия основан на предположении о малости набега фазы поперечных колебаний на периоде фокусировки. Предлагаемый

5

способ согласования не имеет данного-, недостатка.

5 Формула изобретения

Способ согласования пучка заряженных частиц с высокочастотным ускоряюще-фокусирующим каналом, заключающийся в том, что на пучок заря-, женных частиц на согласующем участке ускоряющей структуры перед входом в ускоряюще-фокусирующий канал воздействуют аксиально-симметричным высокочастотным полем, отличающийся тем, что, с целью уменьшения потерь пучка, амплитуды пространственных гармоник напряженности E(z) высокочастотного электрического поля на участке согласо- вания изменяют согласо следующему выражению:

EhU) EonsinP(|f),

5

0

5

где Е

- амплитуда n-й пространств i венной гармоники напряженности высокочастотного электрического поля в пролетном канале, В/м; длина участка согласования, м;

продольная координата, м, отсчитываемая от начала - согласующего участка; р - фиксированное для выбранного варианта целочисленное значение р 1 - 3«

он

L z

Изобретение относится к ускорительной технике. Цель изобретения уменьшение потерь пучка - достигается воздействием на пучок аксиально- симметричным высокочастотным полем, амплитуды напряженности пространственных гармоник которого удовлетвор 7Z ряют выражению Е (Z) EQn sin (г-), где Еф,, - амплитуда n-й гармоники поля в пролетном канале ускорителя; L - длина участка согласования; Z - продольная координата, отсчитываемая от начала согласующего участка; р - показатель степени, фиксированный для выбранного варианта, причем р « 1 - 3. Осуществление новых услбвий формирования пучка позволяет увеличить ускоренный ток в 1,3 - 1 Л раза по сравнению с прототипом и расширить возможности реализации способа, ликвидировав зависимость оптимальной длины участка согласования от длины периода фокусировки в пролетном канале ускорителя. 6 ил. VJ 4 00 ю о ел

1к

V,

-и

-им

-И

и,

I

KM

Р«

94

f,A/Ctt-npa9