Способ согласования пучка заряженных частиц с высокочастотным ускоряюще-фокусирующим каналом

 

Изобретение относится к ускорительной технике. Цель изобретения уменьшение потерь пучка - достигается воздействием на пучок аксиальносимметричным 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

(19у (14) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (g1)g H 05 H 9/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4791544/21 (22) 13.02 90 (46) 15,07.92. Бюл. N 26 (71) Иосковский инженерно-физический институт (72) В;Д.Данилов и А.А.Ильин (53) 621.384.6(088.8) (56) Балабин А,И и др. О выборе про- филя электродов согласующего раструба на входе линейного ускорителя с. пространственно"однородной квадру польной Фокусировкой. - В кн,: Вопро» сы атомной науки и техники. Сер.:

Техника Физического эксперимента.

1983, вып.3(15), с.39-41.

Батыгин Ю.К. и др, Динамическое согласование фазового объема пуска с высокочастотным ускоряюще-фокусирующим каналом. - В кн.: Линейные ускорители. И.: Энергоатомиздат, 1987, с. 26 - 31., (54) СПОСОБ СОГЛАСОВАНИЯ ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ С ВЫСОКОЧАСТОТНЫИ УСКОРЯИЩЕ-ФОКУСИРУОЩИИ КАНАЛОИ

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

2 (57) Изобретение относится. к ускорительной технике. Цель изобретения - уменьшение потерь пучка - достигается воздействием на пучок аксиальносимметричным BblcoKî÷астотным полем, амплитуды напряженности пространст-. венных гармоник которого удовлетворяют. выражению Е (2) = Е sin (†), 42 и on 2I, где Ео - амплитуда и-й гармоники поля в пролетном канале ускорителя;

1 - длина участка согласования; 2продольная координата, отсчитываемая от начала согласующего участка; рпоказатель степени, фиксированный

;для выбранного варианта, причем р = 1 - 3. Осуществление новых условий формирования пучка позволяет увеличить ускоренный ток в 1,3 - 1,4 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, Изобретение наиболее эффективно может быть использовано при разра" ботке и.создании малогабаритных ускорителей ионов для ионной имплантации и материаловедческих исследова1 ми 4

Известен способ согласования пучка заряженных частиц с пролетным

1748295

4 каналом в ускорителях с пространственно-однородной квадрупольной 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) ; sin (»z/2L), где К о - жесткость фокусировки. в пролетном канале ускорителя; в - продольная координата, отсчитываемая от входа -участка согласования длиной 1.; р - коэффициент, целочисленное значение которого равно 2 или 3. Данный способ позволяет решить задачу согласования по- перечного фазового объема .пучка с квадрупольным ВЧ-каналом, однако не может быть применен в ускорите лях с фокусировкой частиц несинх ронными пространственными гармониками ВЧ электрического. поля, в которых помимо необходимости согласования пучка по поперечным координатам од» новременно требуется осуществление

ВЧ-согласования .пучка с,каналом по продольному движению. Под ВЧ-согла сованием пучка с каналом по продольному движению здесь и далее подра зумевается обеспечение таких условий инжекции пучка с нулевым продоль- ным фаэовым обьемом 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 аксиальносимметричного электрического поля, заключающийся в том, что пучок заря» женных частиц на 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 метричного высокочастотного электрического поля, амплитуды пространственных гармоник которого вдвое меньше амплитуд: гармоник в пролетном канале ускорителя.

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 моду-.

55 ляций продольной скорости частиц пучка так, что на входе в ускоряющий канал амплитуды и фазы данных модуляций приходят в соответствие с амплитудами и фазами колебаний, Недостаток способа согласования пучка с каналом заключается в том, что максимальное значение параметра согласования пучка по поперечному движению, имеющего физический смысл коэффициента захвата частиц по поперечным координатам при предельно допустимом для данной фаэовой плот10 ности тока эмиттансе пучка, ограничено величиной 60 - 703. Данное ограничение параметра согласования обусловлено характером движения пуч." ка 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 тем, что согласно предлагаемому способу обеспечивают новые условия фор мирования пучка под действием ВЧ" поля, для чего амплитуды пространст-: венных гармоник напряженности элект рического поля на участке согласо вания изменяют по закону зо . p-Е (Е) Е „sin (7iz gL) ° (1) где Е „ - амплитуда и-й прос гранственной гармоники напряжен ности ВЧ электрического

35 : поля в пролетном канале ускорителя, L — длина участка согласова-. ния ю

z — продольная координата, отсчитываемая от начала согласующего участка; р - Фиксированное для выбран-. ного варианта целочисленное значение, лежащее в

45 диапазоне р = 1 - 3.

5 . .1748295 6 характерных для согласованного пучка в пролетном канале ускорителя. В отличие от скачкообразного изменения амплитуд гармоник в способе-прототи-.

rie закон (l) позволяет обеспечить ,независимость длины участка согласования от периода фокусировки в пролетном канале при более высоком значении параметра согласования (до

9Р).

Выбор значения показателя степени. р определяется; в основном, удобством настройки ВЧ резонансной системы на заданное распределение поля. Нижняя граница р 1 соответствует распределению напряженнос» ти поля на оси H-резонатора со встречными штырями, равномерно Нагруженного трубками дрейфа, и определяют функцию, которую нетрудно реализовать на практике. Значения р 2 и р 3 яарактеривуют распределение . поля с более резким изменением амплитуды; Выбор значения р ) 3 неце лесообразен из за возрастания сложностей в настройке ВЧ-системы. на за". данное распределение поля.

На фиг. 1 приведено схематическое изображение устройства для осуществления предлагаемого способа согласования пучка с высокочастотным ускоряюще 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 потенциал +-Б, i 1,2...,,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 некоторое число 0 ячеек, каждая из которых состоят из

" двух полутрубок и зазора между нимй.

: В случае фокусировки частиц одной несинхронной пространственной paрмо никой поля длина ячеек LC, остается ! неизменной на. участке согласования.

В" приосевой области согласующего " устройства формируется электрическое

ВЧ-поле, по спектральному составу

30 влетающим в пролетный канала ускорителя в фазах ВЧ-поля, равных значениям 0 и 9 /2, Число зазоров согласующего устройства N 6, значение показателя степени р в законе (1) изменения амплитуды поля р = 1. Фокусировка частиц в пролетном канале ускорителя осуществляется одной пространственной гармоникой поля с фазовой скоростью, равйой удвоенной, 35 средней скорости частиц, На длине периода фокусировки содержится две ячейки пролетного канала. Координата э/Lо . 6 соответствует стыку согласующего устройства и пролетного

45 канала ускорителя.

На фиг.3 представлены зависимости изменения величины радиуса нормиро»., ванной огибающей пучка р в его се» чениях, совершающих продольное дви50 жение на участке согласования и двух первых периодах фокусировки пролетного Канала ускорителя, от продольной координаты z, отнесенной к длине ячейки Ly пролетного канала. Зависи55, мости построены по результатам чис-. ленного решения уравнения для огибающей пучка совместно с уравнением продольного движения частиц, Кривые. обозначенные цифрами и 2, соот подобное полю в Ускоряюще-фокУсирующем канале, однако амплитуды пространственных гармоник которого иэме5 няются вдоль осй z в соответствии с законом (1). Изменение амплитуд гармоник можно осуществить, например, путем изменения внутреннего диаметра труоок дрейфа либо посредством

10 изменения величины разности потенциалов на зазорах согласующего устройства, либо одновременным варьированием диаметра и величины разнос» ти потенциалов.

15 Йа фиг,2 представлены характерные зависимости изменения величины приведенной скорости продольного движения частиц пучка (3„, отнесенной к приведенной скорости инжекции частиц

20 пучка р - от продольной координаты

z, отнесенной к длине ячейки пролет" ного канала L, при движении частиц на участке согласования и двух первых периодах фокусировки пролетного канала ускорителя. Зависимости построены по результатам численного решения уравнения продольной динамики частиц. Кривые, обозначенные цифрами 1 и 2, соответствуют частицам, участок содержит одну ячеику. Зави-, симости построены rio 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 уст.ройства (фиг.1), параметры которого выбраны так, чтобы амплитуды пространственных гармоник напряженности электрического поля на участке сог4-. ласования удовлетворяли условию (1) подают высокочастотные потенциалы, затем во входное сечение согласующего устройства с координатой z О, .), -((в)-У)е() вел(С(11-<(«)+ фД1 (3.1) д У . С-..> . I f II Gy-q,) r .

-1Р-(Ij+ „ -" вен(а(р-q,)е(Я, (з.г) е

45 где (Я,t - -текущая фаза ВЧ-поля;

G V®/V - отношение скорости инжекции частицы к фа-:; эовой скорости гармо= ники;

50 « х»: еЯ.д С

Я, — — „- — — =- - - малый параметр

ДЯ ш с и Р (1-G)2. - длина волны

ВЧ-колебаний;, 1- релятивистский фактор;

m с -- энергия покоя о частиц. 55

7 1748295 . - 8 ветствуют,сечениям пучка с фазами : инжектируют пучок заряженных частиц. входа -.в пролетный канал ускбрителя, Пучок в процессе движения вдоль оси равными значениям 0 и Я /2. Число за- х согласующего устройства подверзогрО6 согласующего устройства Н 6, 1 5 гаетсЯ возд»ействию 8Ч-поля, сформи-. . эначение показателя степени р в.ва": рованного в приосевой области уст-, коне (1) изменения амплитуды поля : . ройства согласования так, что на вы р 1. Фокусировка частиц в пролет" ходе согласующего участка eI o параном канале ускорителя осуществляется метры соответствуют параметрам пуч- . одной пространственнной гармоникой 10 ка, согласованного с пролетным ка» с фазовой скоростью, равной удвоен" налом ускорителя.

Ф

»«

) нои среднеи скорости частиц. На дли- Если фокусировка пучка в пролетном, не периода фокусировки содержится канале ускорителя осуществляется од две ячейки пролетного канала. Коорди- ной несинхронной пространственной ната х /1. 6 соответствует стыку jt5 гармоникой ВЧ электрического поля согласующего устройства и пролетно- с послтоянной распространения К, цик"

ro канала ускорителя. Значение велИ- лической частотой 60< и амплитудой чины набега фазы поперечных колеба- Ео, параметры согласующего устройства ) ний частиц на периоде фокусировки : выбирают таким образом, чтобы на составляет 60 . Зависимости вострое; 20 " его оси "распределение напряженност ны для случая нулевой фазовой йлот- электрического поля удовлетворяло ности тока пучка. : . соотношению

На фиг.4 приведены зависимости :::, :. < :;» -, . P fz> параметра согласования по поперечно. . ) 2Ь © иу движению f от величины фввовой плотности тока пучка j . цифрой

0

- 1 обозначена завйсимость), построен- Асимйто ическое решение уравнения ная для случая, когда значение пока-: продольной динамики частицы пучка эателя степени р в законе (1) рас- . в согласующем устройстве, инжектируепределения амплитуды поля на «участке 30 мой в сечение z = 0 с приведенной= согласования р 2. Число ячеек нв .- . . скоростью the в момент времени to, ког-,: ! согласующем участке N 10. цифрой да фаза поля имеет значение ф> . 2 обозначена зависимость, характе-, (До"е| может быть пРедставлено в ривующев ивиенение лврвиетрв (от фазовой плотности )гока j в способе-. 35 с 1 .,с(< прототипе, При этом согласующий, Kz К 2К Ь

1748295 формулы (3.1) и (3,2) справедливы, когда число ячеек согЛасующего устройства N удовлетворяет условию

Npp1. Полученное решение представp g e, Cp) =p((p) g f e- (— ) (-1P) + (-)вcoe();ee+(P))J

cos(K z

Z (5. 1) 30 где R - радиус огибающей;

VН - нормализованный эмиттанс " пучка .

I = 3,13 ° 10 А/Z — характеристиО ческий ток пуч" ка (А);

А,em - массовое число и заряд ионов

I - -ток пучка, лено в виде суперпоэиции равномерноr0 поступательного движения частицы с приведенной скоростью Р и осциллям d0(zp) - С-1 . p «z T . тивного движения с нарастающеи по -Ы-.-1- - - «) -"- (- -)Г-.( мере движения вдоль оси z.àìïëèòóäîé 10 колебаний, для достижения максимального : а+с+(»e (Keee(p)j. (5. 2) коэффициента захвата пучка по продоль г е р - усредненная нормированная ному движению необходимо на участке где Р (Ч) .У Р Д огибающая пучка удовлетсогласования осуществить такой 15 воряющая уравнению

РазбРос скоростей, который соответст- воряющ ур вует. модуляции продольной скорости Щ (° ),(,, (б) частиц согласованного пучка под действием поля несинхронной пространст- 2) . венной гаРмоники в пРолетном канале 20 Хо в10-1) ускорителя: . - Г (-Яо)

p, eJi (-p (cps(K 1. -(а,„)+

0-1 1р - ein ("-) 3((ьСв )

ep.. p вс 9 "и" "" " """ ". — .

31

М летного каЙала ускорителя . - z. Ь р

У

"рот - 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> = фв„формула (3.2) совпадает с формулой (4), поскольку С(с „-ф.)а К Ь. Это означает, что:распрепеление напряженности электричес- 40 Как видно из Формул (5 1)р (5в2), кого поля в согласуницем устройстве, (6), решение уравнения для огибающей в.соответствии с законом (2) пучка на согласующем участке предсобеспечивает требуемые условия сог- тавлено в виде супврпозиции усредласования пучка с каналом по про- ненной огибающей jj(g) и .быстроосцилдольной координате, Данный вывод 45 лирующей добавки, пропорциональной подтверждается результатами числен- амплитуде напряжейности ВЧ электриного моделирования, представленнйми ческого поля. На входе согласующего на фиг,2, Видно, как на участке сог- устройства осциллятивная добавка ласования колебания скорости продоль-. pasHa нулю «р решение характеризует" ного движения частиц нарастают и . 50 ся только медленной компонентной .при г/Ь 6 становятся периоди-, pj s). Начальные условия для согла ческими, что свидетельствует о сог- . кованного с ускоряюще-фокусирующям

;ласовании пучка с каналом по про- . " ; каналом пучка в сечении г Ь могут дольной координате. : быть представлены в виде: дсимптотииеское режение для нор- (< (в) () )+Ю („e(),-(p)e

55 мированной огибающей пучка р в согласУежем УстРойстве может ть );, + (1)в сов(к 1 ыв)), ().1) записанО в виде:

1748295

dP cP) F(h G-1Г . — (sin (К L 2, G-2

- ) + " -sin(K L+tp>), (7 .2> г

I ь поля что и обеспечивает согласоваt ние стационарного фазового объема пучка инжектора с ВЧ ускоряюще5 фиксирующим каналом по поперечным координатам. Таким образом, под действием ВЧ электрического поля с и где p(h) 2п+Д." +зIа; h а/2)йз| нарастающей по закону (1) амплитудой

3() ф осуществляется постепенное умень.-, Р " 3()

3(1+С ) - набег фазы по0 С+1 - щение средйего радиуса Огибающей перечных колеба- 10 лучка, а также модуляция радиуса ний на периоде и наклона огибающей так," что на входе в,пролетный канал ускорителя фокусировки в (к L) его параметры соответствуют пролетном канале (5 2) n „ 15 параметрам пучка, согласованного с ускорителя.

Сшивая решение (5.1), (5,2) при и я cor. пролетным каналом. е - с начальн""и условиям д"я фиг 3 дем„стрирует Процесс

"преобразования на согласующем участ ке стационарной огибающей пучка ин» получим равенство

P(L) . . () 1== - (8 ° 1) 2g жектора в. периодическую огибающую е согласованного пучка в пролетном выполнение которого в сечении перехо а от согласующего участка к пролетному каналу ускорителя (х 2 Ь)

ro способа согласования была провеявляется Йеобходимым условием осу25 дена путем численного решения уравствления согласования пучка с канения для огибающей лучка на участке, налом.. Заметим .что поскольку усредсогласования совместно. с уравнением ненный а иус огибающей согласованного и чка в и олетном канале ускопи теля ста ионарен в сечении в Ь

3Q ке от входа в пролетный канал ускорй-: .величина удовлетворяет также )(ф удовл р

z 0 Начальными условиями для, величины радиуса и наклона огибающей, () (j (3.2) а также величины приведенной скоростй

<КО

35- npî@îëüíîãî движения .частиц сМужили, ПУ м интегРиРова иЯ.УР. соответствующие периодическим решеП-тем интегрирования. уравнения:, 5 . на от езке от в > L: до и 0 НИаЯМ УО ВНЕНИй с. начальным условиями (8.1), 8.2) . о

„са и на„„„, летном канале, v,å. соответствуа ие можно найти значения радиуса и наклп на усреднейной огибцей на входа О глас нне у с каналм пучку. На согласующего устройства, определяю-,40: щие оптимальные условия инжекции пу поля в момент старта частиц из сеченйя к Ь, ЛЛя данной фазовой плот-. е сечении z м. 0 ° Отметим> что „ териэующим согласование пучка -по по;о:. явн и зависимости от фазы поля g, е . р " 4 величина относительного перек ытия раюериэующиеся свойством независи- к р соответствующих сечении в 0 соотеетств их разлмннмм разам поля е момент старта частиц из сечения в Ь. Эт обуславливает независимость пара" ну назовем naраметром согласования метРов УсРедненной огибаюЩей От жению

Так как огибающаЯ УсРеДнейного движе .:, „ „„„Чши„. дельное значение",соответствующее » . 55 :., наилучшим*согласованиям.по попеюечным иия полностью характеризует решение : координатам, равно 1, Параметром,. на входе устройства согласования, характеризующим согласование пучка с оптимальные условия инжекции у а каналом по продольному движению,, сечении z 0 не зависят от фазы может служить величина относительно13

1748295

15

25. Ае Ео "

35

ro разброса скоростей продольного . движения частиц в сечении z О, стартующих из сечения z L в разных фазах В4-поля. Эту величину назовеи параметром. согласования пучка с каналом по продольному движению и обозначим через -.---Предельное значение, соответствующее наилучшим условиям согласования пучка по продольной координате, равно О. В процессе численного моделирования параметра f u g определялись по иетыреи значениям характеристик пучка в сечении z О, соответствующим стартовым значениям фазы поля в сечении. z L, равным О, 9 /2, 3 a/2.

Проведенные расчеты показали (фиг,4) .что в диапазоне величины фазовой плотности тока,0 - 1 А/см-мрад величина параметра., характерная для предлагаемого способа согласования пучка с каналом, изменяется в пределах 95 - 873, что в 1,3 - 1,4 раза превышает значение параметра достижимое при использовании спосо° . ба-прототипа. При этом значение параиетра для предлагаемого способа согласования пучка с каналом составляет 1,753, а для способа-прототипа

2,43. С увеличением велйчины жест кости фокусировки в пролетном кана.ле ускорителя значение параметра сог" ласования, обеспечиваемое при использовании способа-прототипа, падает, так как принцип его действия основан на предположении о малости, набега фазы поперечных колебаний на периоде фокусировки. Предлагаемый

l способ согласования не имеет данного недостатка.

Ф о р и у л а и з о б р е т е н и я

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 входои в ускоряюще-фокусирующий канал воздействуют аксиально-симметричныи высокочастотным полем, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью уменьшения потерь пучка, амплитуды пространственных гармоник напряженности eÄ(z) высокочастотного электрического поля на участке согласования изменяют согласо следующему выражению: амплитуда и-й пространст венной гармоники напряжен- ности высокочастотного электрического поля в пролетном канале, В/м; длина участка согласования, м;

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

ФиаР йц.4

Составитель А.Ильин Техред M.йоргентал Корректор Э.Иончакова

Редактор Т.Лаэоренко

Производственно-издательский комбинат "Патент™, г.ужгород, ул. Гагарина, 101

Ю

Заказ 251 3 Тираж . Подлисное

ВНИИПБ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5