Линейные высокочастотные ускорители протонов и отрицательных ионов водорода для прикладных исследований тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат технических наук Кобец, Валерий Васильевич

• Кобец, Валерий Васильевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кобец, Валерий Васильевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Принципы построения резонансных линейных ускорителей ионов с пространственно-однородной и пространственно-периодической

ВЧ-квадрупольной фокусировкой

Глава 2. Исследование параметров ускоренного пучка в ускорителе с пространственно-однородной и пространственно-периодической

ВЧ~квадрупольной фокусировкой

§2.1. Ускоритель с ВЧ-квадрупольной фокусировкой на энергию 7 МэВ

§2.2. Измерение параметров ускоренного пучка протонов

§2.3. Профиль пучка на выходе НЧУ коэффициент захвата протонов в режим ускорения

§2.4. Энергетический спектр протонов на выходе НЧУ

§2.5. Эмиттанс пучка протонов, ускоренного в НЧУ

§2.6. Система компенсации нагрузки резонаторов НЧУ и ОЧУ током ускоренных протонов

§2.7. Проводка пучка протонов через две секции ускорителя и его ускорение до энергии 7 МэВ в режиме малых и больших токов

Глава 3. Формирование и ускорение пучка отрицательных ионов водорода в ускорителях с пространственно-однородной и пространственнопериодической ВЧ-квадрупольной фокусировкой

Глава 4. Малогабаритный ускоритель на основе полицилиндрических четвертьволновых коаксиальных резонаторов

§4.1. Характеристика коаксиального четвертьволнового резонатора

§4.2. Конструкция ускорителя на основе полицилиндрических резонаторов

§4.3. Динамика частиц в ускоряющей структуре на основе полицилиндрических четвертьволновых коаксиальных резонаторов

§4.4. Физический пуск ускорителя на основе полицилиндрических четвертьволновых резонаторов

Глава 5. Ускоритель для внешней инжекции в Фазотрон ОИЯИ

§5.1. Эффективность внешней инжекции

§5.2. Инжектор на основе линейного ускорителя

§5.3. Система ВЧ питания ускорителя

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Линейные высокочастотные ускорители протонов и отрицательных ионов водорода для прикладных исследований»

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 квадрупольной высокочастотной фокусировкой, где устойчивость поперечного движения частиц пучка достигается с помощью квадрупольной конфигурации высокочастотного поля, создаваемого четырехпроводной квадрупольной линией [2,3] или, так называемым, двойным зазором [4], где трубки дрейфа представляют собой обычные полые цилиндры, нагруженные дополнительными электродами, формирующими поля квадрупольной геометрии в ускоряющем зазоре.

Кроме квадрупольной 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 чередование участков с фазовой фокусировкой и дефокусировкой (радиальной 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 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.

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,

- 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 ускоренного пучка с 1,25x10й частиц в течение времени захвата в Фазотрон до 1,25х 1012 частиц.

На защиту выносится:

1. Результаты настройки и тестирования ускорителя протонов с пространственно-периодической ВЧ-квадрупольной фокусировкой на энергию 7 МэВ.

2. 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.

4. Результаты физического пуска ускорителя на основе четвертьволновых полицилиндрических резонаторов.

5. 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

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].

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Кобец, Валерий Васильевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения работы были получены следующие результаты. Разработан и введен в действие линейный ускоритель протонов с пространственно-периодической ВЧ-фокусировкой на энергию 7 МэВ, проведено его детальное тестирование протонным пучком. На ускорителях с пространственно однородной и пространственно-периодической ВЧ фокусировкой получены пучки отрицательных ионов водорода с энергией 2 и 7 МэВ и пиковым током до 17 мА, проведены исследования параметров этих пучков. Полученные результаты показали возможность применения ускорителей с ВЧ квадрупольной фокусировкой для ускорения отрицательных ионов водорода.

Разработан и введен в действие ускоритель отрицательных ионов водорода до энергии 1.5 МэВ на основе четвертьволновых полицилиндрических резонаторов. Его главные 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 энергии ускоренных частиц,

- возможность ускорения различных сортов ионов.

В данном ускорителе реализован метод фазопеременной фокусировки, не требующий дополнительных фокусирующих устройств. Использование группирующего зазора без увеличения общей длины ускорителя позволяет существенно увеличить коэффициент захвата.

Разработан физический проект линейного ускорителя с ВЧ-фокусировкой для внешней инжекции в Фазотрон ОИЯИ. Реализация проекта позволит увеличить интенсивность пучка протонов, ускоренных в Фазотроне, не менее чем на порядок - до 1.25хЮ12 частиц.

В заключении выражаю искреннюю благодарность своему научному руководителю Игорю Николаевичу Мешкову, т.к. без его пристального внимания эта работа не состоялась бы.

Искренне благодарю своих коллег по Сухумскому физико-техническому институту: Подлесного Г.Г., Зеленченкова П.В., Кузнецова Г.В., Уколова И.К., Каршока И.А., Калашникова Д.Ю., Сидорина А.О., Геворкова А.К., Зюзина Г.П. за длительную и плодотворную совместную работу.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кобец, Валерий Васильевич, 2005 год

1. Капчинский И.М., Тепляков В.А., Приборы и техника эксперимента, 1970, № 2, с. 19.

2. Капчинский И.М., Тепляков В.А., Приборы и техника эксперимента, 1970, № 4, с. 17.

3. Тепляков В.А., Приборы и техника эксперимента, 1964, № 6, с. 24.

4. Good M.L.,Fhfse-Reversal in Linear Accelerators, «Phys. Rev.», 1953, v. 92, № 2, p. 538.

5. Fainberg I.B., Alternating Fhase Focusing, In: Proc. Symp. on High Energy Accelerators and Pion Physics, V. 1. Geneva, CERN, 1956, p. 91-100.

6. Кобец B.B. и др., Исследование характеристик НЧУ и компенсации спадагнапряженности поля на ускорителе стенда «Модуль», Отчет СФТИ, № 5716,1979.

7. Кобец В.В. и др., Исследование параметров сильноточного пучка протонов и характеристик ВЧ-системы ускорителя на энергию 7 МэВ стенда «Модуль», Отчет СФТИ, №5774, 1980.

8. Тепляков В.А., Труды Второго всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Москва, 1970,, Наука, 1972, т. 2, с. 7.

9. Мальцев А.П. и др., Препринт ИФВЭ ИНЖ 69-2, Серпухов, 1969.

10. Кобец В.В. и др., Экспериментальное исследование инжектора отрицательных ионовLводорода с ускорителем стенда «Модуль», Отчет СФТИ, № 6380,1983.

11. Геворков А.К., Плютто А.А., Савченко И.С., Салуквадзе Р.Г., АС 3 284424 от 02.02.87.

12. Геворков А.К., Карпюк И.А., Кобец В.В., АС № 301077 от 01.09.89.

13. Кобец В.В. и др., Экспериментальный стенд для исследования процесса перезарядки IT, D" ионов на газовой и плазменной мишенях, 14-е Совещание по ускорителям заряженных частиц, т. 1, с. 90, Протвино, 1994, стр. 90-93.

14. Борисов О.Н., Онищенко JI.M., Внешняя инжекция в Фазотрон, Сообщ. ОИЯИ, 39-97282, Дубна, 1997.

15. Мальцев А.П., Степанов В.Б., Тепляков B.C., Препринт ИФВЭ ИНЖ 71-116, Серпухов, 1971.

16. Капчинский И. М., Препринты ИФВЭ ИНЖ 72-29, ИНЖ 72-30, Серпухов, 1972.

17. Голосай Н.И. и др., Атомная энергия, 1975, т. 39, с. 123.

18. Горшков Б.М. и др., ЖТФ, 1977, т. 47, с.2328.

19. Kapchinskij I.M., LazarevN.V., IEEE Trans. Nucl. Sci., 1979, v. NS-26, p. 3462.

20. Potter J.M., Williams S.W., Humphry F.J., Rodens G.W., Ibid.-P. 3745.

21. Swenson D.A., Los-beta Linac Structures., In: Linear Accelerator Conference, Montauk, N. Y., USA, September 9-14,1979.

22. Fuller C.W., Williams S.W., Potter J.M., Mechanical Design Considerations in FMIT RFQ Development, In: Linear Accelerator Conference, Montauk, N. Y., USA, September 9-14, 1979.

23. Капчинский И.М., Динамика частиц в линейных резонансных ускорителях, М., Атомиздат, 1966.

24. Власов А.Д., Теория линейных ускорителей, М., Атомиздат, 1965.

25. Капчинский И.М., Теория линейных резонансных ускорителей, М, Энергоиздат, 1982

26. Владимирский В.В., Приборы и техника эксперимента, 1956, № 3,с. 35.

27. Дерновой Г.Н., Препринт ИФВЭ ИНЖ 75-1, Серпухов, 1975.

28. Степанов В.Б., Тепляков В.А., Препринт ИФВЭ ИНЖ 74-130, Серпухов, 1974.

29. Степанов В.Б., Препринт ИФВЭ ИНЖ 74-151, Серпухов, 1974.

30. Ardeime M, Tabellen der Elektronenphysik, Ionenphysik und Ubermikroskopie, Berlin, 1956.

31. Гинзтон Э.Л., Измерения на сантиметровых волнах, Изд. иностр. лит., М 1960.

32. Мурин Б.П., Стабилизация и регулирование высокочастотных полей в линейных ускорителях ионов, М, Атомиздат, 1971.

33. Каретников Д.В., и др., Линейные ускорители ионов, М, Госатомиздат, 1962.

34. Вальднер О.А., Власов А.Д., Шальнов А.В., Линейные ускорители, М., Атомиздат,1969.

35. Орлов С.И., Расчет и конструирование коаксиальных резонаторов, Сов. Радио, М,1970.

36. Шимко А.Ф., , Исследование сильноточной ускоряющей структуры на четвертьволновых резонаторах и греппирователя импульсного релятивистского пучка наносекундного диапазона на ее базе, Диссертация на соискание ученой степени к. т. н., Сумы, 1994.г.

37. Павлов А.В., 1-й Международный симпозиум по пучковой технологии в России, Атомная энергия, т. 78, вып. 5, май 1995.

38. Alvarez L.W., et. Al., Rev. Scient. Instrum., 26, 2, III, 1955.

39. Кобец В.В., и др., Малогабаритный линейный ускоритель ионов, Доклад на Киевском 1 семинаре по физике и технике интенсивных источников ионов и ионных пучков, Киев,1994.

40. Кобец В.В., Сидорин А.О., Малогабаритный линейный ускоритель ионов на основе полицилиндрических резонаторов, Атомная энергия, т. 100, вып. 5, стр. 402 404, М. 2006.

41. Аленицкий и др., Сильноточный циклотрон-инжектор для Фазотрона ОИЯИ, Письма в ЭЧАЯ, т. 2, № 3(126), Дубна, 2005.

42. Zherebtsov A., Using the 3D electric fields for calculations of the RFQ parameters, Pr. Of the II Int. BDO Workshop, St.-Petersburg, Russia, 1995.

43. Belyaev О/ et al., IHEP Experience on Creation and Operation of RFQ, Pr. Of the 2000 Int. Linac Conf., USA, Report № MOD21, v. 1, p. 259.

44. Жеребцов A.B., Мальцев А.П., Тепляков B.A., Препринт ИФВЭ 90-29, Протвино, 1990.

45. Абрамов и др., Программное обеспечение для расчета температурных полей и деформаций конструкции ускоряющих структур, Препринт ИФВЭ 84-64, Серпухов, 1984.7