авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Фокусировка и ускорение ионного пучка в высокочастотной системе из независимо фазируемых резонаторов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Самошин Александр Вячеславович

Фокусировка и ускорение ионного пучка

в высокочастотной системе из независимо фазируемых резонаторов

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц

и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Автор:

Москва 2010

Работа выполнена в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ»

Научные руководители доктор физико - математических наук, профессор Масунов Э.С.

кандидат физико-математических наук,

доцент Полозов С.М.

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук

Розанов Н.Е.

кандидат физико-математических наук

Кулевой Т.В.

Ведущая организация: Государственный научный центр

Российской Федерации

Институт физики высоких энергий

Защита состоится " 23 " июня 2010 г. в 1300 на заседании

диссертационного совета Д 212.130.01 в ауд. К-608.

в НИЯУ МИФИ по адресу:

г. Москва, Каширское ш.31, тел. 324-84-98, 323-95-26

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ

Просим принять участие в работе диссертационного совета или

прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью

организации.

Автореферат разослан " 20 " мая 2010 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доцент И.С. Щедрин

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Одной из важнейших задач современной ускорительной физики является создание универсальных линейных ускорителей ионов, в которых можно было бы ускорять как легкие, так и тяжелые частицы, от протонов и дейтронов до ядер урана [1]. При низких энергиях такой универсальный ускоритель является дополнением к уже действующим установкам и может быть использован в качестве ускорителя различных радиоактивных изотопов. Среди проектов, которые рассматриваются в настоящее время, следует отметить ускоритель редких изотопов AEBF (RIA) в Аргонской национальной лаборатории (США), сверхпроводящий линейный ускоритель радиоактивных изотопов GANIL (Франция), TRIUMF (Канада) [1–3]. В Мичиганском университете (США) в 2013 – 2017 гг. планируется создание ускорителя редких изотопов (FRIB) [4]. Предполагается также разработать новый инжектор тяжелых ионов для «Нуклотрона» в Дубне (в рамках проекта NICA) [5]. Ряд подобных проектов ускорителей разрабатывается также в Италии, Китае, Индии.

При высоких энергиях сверхпроводящий ускоритель можно рассматривать как источник ионных пучков мегаваттной мощности, которые необходимы для создания мезонных фабрик нового поколения. Такие ускорители предлагается использовать в мощных нейтронных генераторах, а также с целью получения интенсивных потоков нейтрино, образующихся в результате распада вторичных пучков. В Окриджской Национальной Лаборатории (ORNL, США) создан мощный нейтронный генератор Spallation Neutron Source (SNS) [7]. В CERN разрабатывается проект создания сверхпроводящего мегаваттного ускорителя (SPL) [8], в ведущих Европейских странах (Франция, Германия) рассматривается проект Европейского нейтронного генератора [9].



Трудность создания универсального линейного ионного ускорителя с малой и средней энергией обусловлена жесткими требованиями к системам фокусировки и ускорения нерелятивистских и слаборелятивистских пучков. В зависимости от массы и заряда ускоряемых ионов каждый раз приходится выбирать тот или иной вариант высокочастотной структуры и способ фокусировки пучка. Для решения задачи предлагается использовать один универсальный высокочастотный ускоритель, основной участок которого состоит из идентичных независимо фазируемых коротких сверхпроводящих резонаторов, обеспечивающих высокий темп набора энергии. При этом эффективное ускорение частиц с разным отношением заряда к массе возможно с помощью специального выбора амплитуды и фазы ВЧ поля в каждом резонаторе. Более того, в таком универсальном ускорителе можно без потерь ускорять одновременно несколько изотопов с близкими величинами Z/A.

Все поставленные задачи можно успешно решить, если использовать современные технологии. Прежде всего это касается применения сверхпроводящих резонаторов с большой величиной ускоряющего потенциала и сверхпроводящих соленоидов с величиной магнитного поля до 15 Тл [1] или квадруполей с градиентом до 350 Тл/м [10] для фокусировки пучка. При большом числе резонаторов появляется много свободных параметров, с помощью которых удается настраивать ускоритель для разного сорта частиц.

В случае малой скорости ионных пучков в качестве ускоряющих структур обычно применяются четверть- и полуволновые резонаторы. С экономической точки зрения выгодно, чтобы эти резонаторы имели одинаковую геометрию, в противном случае резко возрастает стоимость ускорителя. Это означает, что фазовая скорость волны будет постоянной в каждом резонаторе. Очевидно, что в такой ускоряющей системе всегда будет нарушаться принцип синхронизма, когда в любой момент времени скорость синхронной частицы равна фазовой скорости ускоряющей волны, то есть будет возникать скольжение частиц относительно ускоряющей волны. Величина скольжения не должна превышать некоторый допустимый предел, так как в случае большого скольжения резко снижается темп ускорения и ухудшается продольная и поперечная устойчивость пучка, падает коэффициент прохождения. При большом числе резонаторов целесообразно разделить их на несколько групп, каждая из которых состоит из идентичных резонаторов. Число одинаковых резонаторов в группе должно быть ограничено, а число групп, объединяющих резонаторы с идентичной геометрией, должно быть минимально. Более того, для каждого типа ионов должны быть выбраны свои оптимальные рабочие параметры системы, которые обычно находятся методами численного моделирования. Заметим, что при рассмотрении фазового движения в такой системе возникает проблема, связанная с отсутствием понятия синхронной частицы.

Во всех проектах по созданию сверхпроводящих ускорителей предполагается, что фокусировку пучка можно реализовать, разместив фокусирующие линзы (соленоиды или квадруполи) в свободные промежутки между резонаторами. Однако, как показал более детальный анализ для низкоэнергетической части ускорителя RIA, когда скорость ионов изменяется в диапазоне 0,01 <  < 0,06, для фокусировки требуются очень большие фокусирующие поля (15 Тл и выше в случае сверхпроводящих соленоидов [1]). Величину фокусирующих полей можно уменьшить, если использовать дополнительную высокочастотную (ВЧ) фокусировку пучка. Одним из возможных методов ВЧ фокусировки является фазопеременная фокусировка, когда фазы влета частиц в ВЧ поле соседних резонаторов выбраны разного знака. При использовании такой комбинированной фокусировки удается снизить величину фокусирующего магнитного поля. Однако возникает серьёзная проблема, связанная с уменьшением продольного аксептанса ускоряющего канала. Поэтому актуальной становится задача выбора оптимальных фаз инжекции пучка в соседние резонаторы для сохранения продольной и поперечной устойчивости пучка.

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование условий продольной и поперечной устойчивости динамики пучка ионов в линейных ускорителях, которые состоят из периодической последовательности сверхпроводящих резонаторов и внешних фокусирующих элементов. В рамках решения этой задачи рассматриваются следующие вопросы:

– разработка методов исследования динамики пучка ионов в периодической последовательности сверхпроводящих резонаторов;

– изучение условий, при которых можно достигнуть одновременно продольной и поперечной устойчивости пучка;

– определение аксептанса канала универсального линейного ускорителя со стандартной и комбинированной фокусировкой;

– выбор конкретного варианта ускорителя тяжелых ионов на примере параметров ускорителя RIA при 0,01 <  < 0,06, в котором обеспечивается оптимальный режим ускорения.

Научная новизна.

1. Исследованы вопросы устойчивости движения пучка ионов от водорода до урана в сверхпроводящих линейных ускорителях, основанных на системе из независимо фазируемых резонаторов и фокусирующих соленоидов или квадруполей.

2. Сформулированы требования на выбор величины фокусирующего поля сверхпроводящих соленоидов и квадрупольных линз в универсальном ускорителе, при которых можно обеспечить устойчивое ускорение тяжелых ионов.

3. Предложен и обоснован метод комбинированной фокусировки пучка с использованием внешней фокусировки и ВЧ поля резонаторов.

4. С использованием метода усреднения по быстрым осцилляциям получено уравнение трехмерного движения в виде уравнения Гамильтона, позволяющее анализировать продольную и поперечную динамику пучка в системе из независимо фазируемых резонаторов методами, которые применяются в обычных ускорителях.

5. Исследована связь продольного и поперечного движения тяжелых ионов с использованием эффективной потенциальной функции. Найден продольный аксептанс ускоряющего канала в случае стандартной и комбинированной фокусировки. Показано, что в собственной системе координат квазиравновесной частицы учет затухания колебаний приводит к увеличению области устойчивого движения частиц.

Практическая ценность. На основе полученных результатов предложен конкретный вариант универсального ускорителя ионов. Разработаны аналитические и численные методы исследования динамики в сверхпроводящих ускорителях.

Основные результаты, выносимые на защиту.

1. Теория квазисинхронного движения частиц в системе, состоящей из независимо фазируемых резонаторов.

2. Результаты исследования особенностей продольной и поперечной динамики пучка в системе из независимо фазируемых резонаторов.

3. Результаты исследования устойчивости продольного и поперечного движения и связи между ними, проведенного с использованием метода усреднения по быстрым осцилляциям, а также уравнения движения в форме уравнения Гамильтона.

4. Результаты численного моделирования динамики пучка тяжелых ионов в сверхпроводящем ускорителе, подтвердившие результаты аналитического исследования. Моделирование проводилось с использованием специально разработанной программы BEAMDULAC-SCL.

5. Конкретный вариант универсального ускорителя ионов с оптимальными характеристиками и минимальной стоимостью создания.

Достоверность научных результатов обоснована всесторонними исследованиями с использованием теоретических методов и численного моделирования. Результаты численного моделирования полностью подтвердили выводы, сделанные при аналитическом исследовании.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации были представлены на российских и международных конференциях и семинарах, в частности:

- 22 Конференции по ускорителям частиц PAC (Альбукерке, Нью-Мексико, США, 2007);

- XX и XXI Международных совещаниях по ускорителям заряженных частиц IWCPA (Алушта 2007, 2009);

- XX и XXI всероссийской конференции по ускорителям заряженных частиц RuPAC (Новосибирск 2006, Звенигород 2008);

- Научной сессии МИФИ (Москва, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009).

- 8-й Московской международной телекоммуникационной конференции молодых и студентов ученых «Молодежь и наука» (Москва, 2005).

По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 4 статьи в журналах по списку ВАК.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 150 страниц, включая 105 рисунков и 4 таблицы.

Содержание работы

В начале работы обоснована необходимость создания универсальных сверхпроводящих ускорителей ионов. Обсуждается актуальность выбора темы, и состояние исследуемого вопроса на текущий момент времени, сформулированы цели и задачи диссертации. Изложена новизна результатов, практическая ценность работы и приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе с помощью матричного метода исследуется простейшая система с базовым вариантом ускоряющего периода, который состоит из последовательности резонаторов и соленоидов или квадруполей, размещенных между резонаторами. При исследовании динамики модулированного пучка, состоящего из коротких, хорошо сгруппированных сгустков, преимущество матричного метода расчета очевидно, так как продольные и поперечные силы, действующие на ионы сгустка, можно с хорошей точностью считать линейными относительно равновесной частицы. При использовании магнитной периодической фокусировки (МПФ) в ускоряющей системе важно учитывать влияние ВЧ поля на поперечное движение пучка. Из матриц периода для продольного и поперечного движений найдены параметры Флоке z и r и условия устойчивости продольных и поперечных колебаний частиц, а также минимальная величина магнитного поля Bmin в зависимости от скорости ионов , необходимая для фокусировки пучка с Z/A = 1/66 (рис. 1 а). В случае, когда максимальная величина огибающей равна Xm = 3 мм, Bmin всегда больше 10 Тл и с ростом скорости уменьшается от 19,5 Тл при  = 0,01 до 11 Тл при  = 0,06. Если Xm = 4 мм, то B  9 Тл только при скорости  > 0,05. Для сравнения на рисунке 1 (б) показано распределение поля в фокусирующем канале из соленоидов при отсутствии ускорения. Видно, что когда огибающая пучка равна Xm = 3 мм, величина магнитного поля не превышает 9 Тл, а для огибающей Xm = 4 мм фокусирующее поле равно 5 Тл. Таким образом, дефокусировка пучка ускоряющим ВЧ полем приводит к необходимости повышения поля в соленоидах почти в 2 раза, что неизбежно приводит к необходимости разработки новых сверхпроводящих соленоидов.





Далее рассматривается возможность применения магнитных и электрических квадруполей для фокусировки пучка тяжелых ионов в универсальном линейном ускорителе. Анализ показал, что для удержания величины огибающей 3 мм достаточно использовать магнитные квадруполи с градиентом поля порядка 160 Тл/м, однако при этом движение будет устойчиво только в диапазоне скоростей частиц 0,02 <  < 0,06. В случае электрических квадруполей показано, что для удержания пучка с величиной огибающей 10 мм необходимо иметь потенциал до 1 МВ, что трудно реализовать. Поэтому электрические квадруполи для фокусировки пучка тяжелых ионов целесообразно использовать только при очень малых скоростях (  10–4).

а) б)

Рис. 1. Распределение фокусирующего магнитного поля в зависимости от скорости пучка при постоянной величине огибающей.

Из результатов анализа для квадруполей видно, что поставленная задача не может быть решена полностью, так как существуют ограничения, связанные либо со сложностью изготовления фокусирующих элементов с необходимыми параметрами, либо с неполным перекрытием интересующего нас диапазона скоростей при сохранении малой огибающей пучка.

Разработка соленоидов с магнитным полем, превышающим 15 Тл [1], является довольно серьезной научно-технической задачей и требует больших финансовых вложений. Поэтому возникает идея уменьшить величину магнитного поля или даже попытаться отказаться от него, если использовать другие способы фокусировки, например, фокусировку ВЧ полем. Во второй главе рассмотрена возможность использования фазопеременной фокусировки (ФПФ), а также совместного использования ФПФ и внешнего поля соленоидов.

Анализ показал, что при использовании только фазопеременной фокусировки для ионов с Z/A = 1/66 величины z и r малы при   0,02 и находятся вблизи границы области устойчивости. При этом реальный размер огибающей будет составлять величину порядка Xm = 1 см. Это означает, что ФПФ в чистом виде, без использования фокусирующих элементов, не позволяет реализовать условия устойчивости пучка.

Очевидно, что дополнительным способом обеспечения поперечной устойчивости движения пучка в рассматриваемой системе является использование фокусирующих соленоидов. В этом случае период ускоряюще-фокусирующей структуры состоит из двух резонаторов, фазы в которых противоположны по знаку, и одного соленоида, размещенного между ними. Наличие соленоида не влияет на продольную динамику пучка, в то время как поперечное движение должно претерпеть изменение. При этом появляется возможность выбора фаз влета квазиравновесной частицы несимметричным образом. Это позволяет значительно улучшить продольную и поперечную динамику пучка. На рисунке 2 показано распределение магнитного поля в ускорителе при 1 = –33° и 2 = 20° для удержания огибающих пучка в пределах величины Xm = 3 мм и Xm = 4.

Наличие второго соленоида в периоде ускоряюще-фокусирующей системы не позволяет значительно уменьшить величину фокусирующего магнитного поля, однако при этом значительно увеличивается число сверхпроводящих соленоидов, а, следовательно, и конечная стоимость ускорителя.

Рис. 2. Зависимость магнитного поля соленоидов для заданных огибающих пучка в ускоряющей системе с периодом, состоящим из соленоида и двух резонаторов при 1 = –33° и 2 = 20°.

Результаты анализа представлены в таблице 1, в которой приведены параметры ускорителя со стандартной и комбинированной фокусировкой.

В основе матричного анализа лежит предположение об одноволновом характере взаимодействия частиц с высокочастотным полем. Кроме того, существенным допущением здесь является предположение о малости амплитуд фазовых и поперечных колебаний частиц, т.е. предположение о линейном характере колебаний частиц. Перечисленные упрощения не всегда являются оправданными. Это связано, прежде всего, с необходимостью рассмотрения возможности увеличения аксептанса ускоряющего канала в сверхпроводящем ускорителе, где потери частиц должны быть минимизированы. Поэтому возникает необходимость рассмотрения нелинейных эффектов при расчете динамики пучка, учет которых является обязательным при выборе окончательного варианта ускорителя.

Таблица 1.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.