Квадрупольная ускоряющая структура

 

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано в устройствах ускорения ионных пучков. Квадрупольная ускоряющая структура содержит корпус и электроды, имеющие внутренние полости и приосевой продольный профиль, выполненный по квазипериодическому закону и образующий ускоряюще-фокусирующий канал, состоящий из ускоряющих ячеек. В полости электродов вложены и закреплены полюсные элементы, образующие квадрупольные магнитные линзы, так что на одну ускоряющую ячейку приходится не более одной магнитной линзы, геометрический продольный центр которой расположен на расстоянии Δ_z = β_nλϕ_sn/2π за плоскостью квадрупольной симметрии, ускоряющей ячейки по ходу ускоряемого пучка, где β_n - средняя скорость ускоряемых частиц в ускоряющей ячейке с номером n₁, отнесенная к скорости света; λ - длина волны рабочего типа колебаний, ϕ_sn - синхронная фаза ускоряющей ячейки с номером n, причем длина линзы меньше или равна длине этой ускоряющей ячейки. Линзы, соответствующие соседним ускоряющим ячейкам, повернуты одна относительно другой на прямой угол для обеспечения противофазного воздействия на пучок. Увеличиваются фокусирующие силы, действующие на ускоряемый пучок, уменьшаются поперечные размеры пучка. 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано в устройствах ускорения ионных пучков.

Одной из серьезных проблем, возникающих при создании ускоряющих структур на основе высокочастотной квадруполи, является проблема увеличения фокусирующих сил, действующих на ускоряемый пучок.

Известно предложение об установке твердотельных постоянных магнитных квадрупольных линз в ускоряющую структуру на основе высокочастотной квадруполи [1] . В данной работе представлены результаты численного моделирования динамики пучка, целью которого являлась проверка возможности увеличения фокусирующих сил, действующих на пучок за счет добавления магнитных линз. Имитировалось воздействие линзами, расположенными вдоль ускоряюще- фокусирующего канала, примыкающими друг к другу и имеющими одинаковые продольные протяженности, значение длины магнитных линз было выбрано таким, чтобы оно превышало протяженность любой ускоряющей ячейки.

Согласно выводам авторов этой работы, рассмотренное решение не позволило справиться с поставленной ими задачей, так как под действием дополнительных фокусирующих сил уменьшился лишь среднеквадратический радиус пучка, в то время как ожидаемого уменьшения огибающей пучка не произошло.

Известна квадрупольная ускоряющая структура, содержащая корпус и электроды, имеющие внутренние полости и приосевой продольный профиль, выполненный по квазипериодическому закону и образующий ускоряюще-фокусирующий канал, состоящий из ускоряющих ячеек [2]. Ускоряюще-фокусирующее поле в такой структуре формируется в приосевой области с помощью четырех электродов, имеющих квазипериодическую модуляцию. Среднее значение фокусирующей силы на периоде фокусировки, при заданных значениях модуляции и среднего расстояния электродов от оси, определяется амплитудным значением межэлектродного потенциала. Увеличивая амплитудное значение межэлектродного потенциала, можно увеличить фокусирующую силу, действующую на пучок.

В силу указанной зависимости максимальное значение фокусирующей силы ограничено предельным значением электрического поля, при котором происходит пробой в межэлектродном зазоре. То есть, дальнейшее увеличение сил фокусировки средствами рассматриваемой конструкции оказывается невозможным. Кроме того, условия согласования пучка в рассматриваемой структуре часто требуют, чтобы коррекция фокусирующих сил осуществлялась отдельно во взаимно перпендикулярных направлениях от оси к униполярным электродам, что трудно достигнуть, формируя ускоряюще-фокусирующее поле только геометрией электродов и резонатора.

Изобретение решает задачу увеличения фокусирующих сил, действующих на ускоряемый пучок в квадрупольных ускоряющих структурах линейных ускорителей.

Данная задача достигается в конструкции квадрупольной ускоряющей структуры, которая содержит корпус и электроды, имеющие внутренние полости и приосевой продольный профиль, выполненный по квазипериодическому закону и образующий ускоряюще-фокусирующий канал, состоящий из ускоряющих ячеек, согласно изобретению, в полости электродов вложены и закреплены полюсные элементы, образующие квадрупольные магнитные линзы, так, что на одну ускоряющую ячейку приходится не более одной магнитной линзы, геометрический продольный центр которой расположен на расстоянии Δ_z= β_nλϕ_sn/2π за плоскостью квадрупольной симметрии ускоряющей ячейки по ходу ускоряемого пучка, где β_n -средняя скорость ускоряемых частиц в ускоряющей ячейке с номером n, отнесенная к скорости света, λ - длина волны рабочего типа колебаний, ϕ_sn - синхронная фаза ускоряющей ячейки с номером n, причем, длина линзы меньше или равна длине этой ускоряющей ячейки, а линзы, соответствующие соседним ускоряющим ячейкам, повернуты относительно друг друга на прямой угол для обеспечения противофазного воздействия на пучок.

Частными случаями выполнения изобретения являются: - приосевой продольный профиль электродов квадрупольной ускоряющей структуры выполнен по квазисинусоидальному закону, - приосевой продольный профиль электродов квадрупольной ускоряющей структуры выполнен по квазитрапецеидальному закону, - магнитные линзы квадрупольной ускоряющей структуры расположены группами по n штук, где n может меняться в диапазоне от 2 до N, M - число ускоряющих ячеек в структуре, - в группе линз квадрупольной ускоряющей структуры, полюсные элементы, принадлежащие одному электроду, снабжены подложкой, - у магнитных линз квадрупольной ускоряющей структуры, имеющих длины, равные длинам соответствующих ускоряющих ячеек, и примыкающих друг к другу в продольном направлении, полюсные элементы связаны друг с другом и с подложкой клеевым соединением, - в подложке квадрупольной ускоряющей структуры выполнены резьбовые отверстия для осуществления позиционирования и фиксации связанной с ней группы полюсных элементов в полости электрода с помощью крепежа, - каждый электрод квадрупольной ускоряющей структуры выполнен из двух частей: приосевой части и части, контактирующей с корпусом, в приосевой части электрода выполнена полость для установки магнитных линз, приосевая часть надета на выступ части, контактирующей с корпусом, и эти части позиционированы относительно друг друга штифтами и зафиксированы крепежом.

Возможна также установка в некоторых ускоряющих ячейках (или в их группах) дипольных магнитных линз так, что образуется комбинированная структура, содержащая в разных ячейках квадрупольные или дипольные линзы.

Техническим результатом, возникающим в результате использования изобретения, является уменьшение поперечных размеров пучка, группирование пучка при более высоком темпе ускорения (что позволяет уменьшить габариты структуры), предотвращение роста поперечных размеров пучка в процессе продольной группировки при повышенном темпе ускорения и, как следствие, уменьшение отсева частиц на стенки структуры.

Изобретение поясняется чертежами, где на фигуре 1 изображены поперечное и продольное сечения квадрупольной ускоряющей структуры, фигура 2 отображает поперечное сечение ускоряющей структуры в плоскости установки дипольных линз, фигура 3 поясняет продольное позиционирование магнитных линз относительно ускоряющих ячеек с трапецеидальной модуляцией, фигура 4 демонстрирует продольное позиционирование линз относительно ускоряющих ячеек с синусоидальной модуляцией, на фигуре 5 отображена группа магнитных квадрупольных линз, расположенных с зазором относительно друг друга, на фигуре 6 представлено в увеличенном масштабе поперечное сечение электрода, соответствующего электродам, изображенным на фигуре 1, на фигуре 7 представлено поперечное сечение составного электрода. На фигуре 8 приведены диаграммы, поясняющие работу структуры. На фигуре 9 указаны направления X и Y, в которых возможна независимая корректировка фокусирующих сил с помощью дипольных линз.

Квадрупольная ускоряющая структура состоит из корпуса 1 и четырех сходящихся к оси электродов 2, образующих резонаторный объем (фиг. 1). Электроды снабжены квадрупольными магнитными линзами 3, установленными вплотную друг к другу и размещенными двумя группами 4, 5 вдоль структуры. Линзы изготавливаются с ясно выраженными полюсами из редкоземельных металлов (например, SmCo₅ или др. ) Полюсные элементы магнитных линз скреплены между собой и прикреплены к подложке 6, объединяющей группу линз. Фиксация группы линз в полости электрода осуществляется с помощью крепежа 7 (например, винтов или болтов). Продольное позиционирование дипольных линз выполняется такими же элементами 6, 7, как и для квадрупольных линз. Длина магнитной линзы L_m (фиг. 3) равна длине ускоряющей ячейки L_a, продольный центр магнитной линзы смещен за плоскость квадрупольной симметрии ускоряющей ячейки на расстояние Δ_z= β_nλϕ_sn/2π по ходу пучка. В случае, когда длины магнитных линз короче длин ускоряющих ячеек, в зазоры, возникающие между линзами, могут быть вставлены диэлектрические прокладки 8 (фиг. 5). В конструкции составного электрода (фиг. 7) полюсные элементы магнитных линз 3 располагают в приосевой части электрода 11, приосевая часть электрода фиксируется относительно основания электрода 10 с помощью крепежа 7 и штифтов 9.

Структура работает следующим образом.

В резонаторном объеме, образованном внутренней поверхностью корпуса 1 и поверхностями электродов 2, возбуждаются электромагнитные колебания, которые позволяют сформировать в приосевой области ускоряюще-фокусирующее поле с межэлектродной разностью потенциалов U_L(ϕ) (фиг. 8), где ϕ = ωt - фаза высокочастотного поля ( ω - круговая частота рабочей моды, t - время). Одновременно с этим полем в приосевой области существуют поля, образованные квадрупольными магнитными линзами, которые порождают фокусирующие силы F_X, F_Y (фиг. 8) в направлениях X и Y (фиг. 9). Ускоряемый пучок заряженных частиц вводится в приосевую область, где происходит его формирование в поле, образованном пространственно-временным совмещением переменного во времени ускоряюще-фокусирующего поля, возбуждаемого в резонаторном объеме, и постоянных во времени полей магнитных квадрупольных линз 3. На поясняющих диаграммах (фиг. 8) вертикальные пунктирные линии соответствуют фазе перехода межэлектродного потенциала через нулевое значение и одновременно моменту перехода через нулевое значение фокусирующих сил F_X, F_Y, создаваемых магнитными линзами в направлениях X и Y в поперечной плоскости, перемещающейся вместе с синхронной частицей (практически в эти моменты синхронная частица пересекает плоскости соприкосновения расположенных вплотную соседних линз). Таким образом, магнитное поле в апертуре линз действует на пучок ускоряемых частиц синхронно с фокусирующей компонентой электромагнитного поля резонаторного объема, усиливая эффект "жесткой фокусировки" (линзы включены противофазно друг с другом). Дипольные линзы, позиционированные в продольном направлении аналогичным образом, позволяют корректировать величину фокусирующих сил отдельно в направлениях X и Y (фиг. 2, фиг. 9).

Согласно оценкам, приведенным в работе [3], дополнение структуры с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой магнитными квадрупольными линзами заметно расширяет возможности формирования пучка и может способствовать созданию более компактных ускоряющих секций.

Источники информации 1. W.P.Lysenko and T.F.Wang, Permanent magnet quadrupoles in RFQ LINACS, IEEE Transaction on Nuclear Science, Vol. NS-32; 5, October 1985, p. 2582-2584.

2. Авторское свидетельство N 1144608 A2, кл. H 05 H 9/04, 28.02.89 г.

3. В.И.Петров. Результаты оценочных расчетов динамики пучка в ускоряюще-фокусирующем канале на основе структуры с ПОКФ и магнитных квадрупольных линз - Препринт НИИЭФА П-0933, Москва, ЦНИИатоминформ, 1995 г. (подписано в печать 27.01.95 г.)ы

Формула изобретения

1. Квадрупольная ускоряющая структура, содержащая корпус и электроды, имеющие внутренние полости и приосевой продольный профиль, выполненный по квазипериодическому закону и образующий ускоряюще-фокусирующий канал, состоящий из ускоряющих ячеек, отличающаяся тем, что в полости электродов вложены и закреплены полюсные элементы, образующие квадрупольные магнитные линзы, так что на одну ускоряющую ячейку приходится не более одной магнитной линзы, геометрический продольный центр которой расположен на расстоянии Δ_z = β_nλϕ_sn/2π за плоскостью квадрупольной симметрии ускоряющей ячейки по ходу ускоряемого пучка, где β_n - средняя скорость ускоряемых частиц в ускоряющей ячейке с номером n, отнесенная к скорости света, λ - длина волны рабочего типа колебаний, ϕ_n - синхронная фаза ускоряющей ячейки с номером n, причем длина линзы меньше или равна длине этой ускоряющей ячейки, а линзы, соответствующие соседним ускоряющим ячейкам, повернуты одна относительно другой на прямой угол для обеспечения противофазного воздействия на пучок.

2. Структура по п.1, отличающаяся тем, что приосевой продольный профиль электродов выполнен по квазисинусоидальному закону.

3. Структура по п.1, отличающаяся тем, что приосевой продольный профиль электродов выполнен по квазитрапецеидальному закону.

4. Структура по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что линзы расположены группами по n штук, где n может меняться в диапазоне от 2 до N, N - число ускоряющих ячеек в структуре.

5. Структура по п.4, отличающаяся тем, что в группе линз полюсные элементы, принадлежащие одному электроду, снабжены подложкой.

6. Структура по п. 5, отличающаяся тем, что у магнитных линз, имеющих длины, равные длинам соответствующих ускоряющих ячеек и примыкающих друг к другу в продольном направлении, полюсные элементы связаны друг с другом и с подложкой клеевым соединением.

7. Структура по п.5, отличающаяся тем, что в подложке выполнены резьбовые отверстия для осуществления позиционирования и фиксации связанной с ней группы полюсных элементов в полости электрода с помощью крепежа.

8. Структура по п. 1 или по любому из пп.2 - 7, отличающаяся тем, что каждый электрод выполнен из двух частей: приосевой части и части, контактирующей с корпусом, в приосевой части электрода выполнена полость для установки магнитных линз, приосевая часть надета на выступ части, контактирующей с корпусом, и эти части позиционированы одна относительно другой штифтами и зафиксированы крепежом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9