Исследование пучка в протонном инжекторе ЛУ ИЯИ РАН

Приводятся результаты численного моделирования и измерений параметров пучка протонов инжектора линейного ускорителя ИЯИ РАН. Исследовалось влияние нестабильности тока пучка и потенциала промежуточного электрода инжектора на характеристики ускоряемого в ЛУ пучка. Установлены емкостный делитель напряж...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2012
Автори:	Белов, А.С., Зубец, В.Н., Никулин, Е.С., Фролов, О.Т., Якушев, В.П.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2012
Назва видання:	Вопросы атомной науки и техники
Теми:	Элементы ускорителей
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108663
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Исследование пучка в протонном инжекторе ЛУ ИЯИ РАН / А.С. Белов, В.Н. Зубец, Е.С. Никулин, О.Т. Фролов, В.П. Якушев // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 3. — С. 44-48. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-108663
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1086632016-11-14T03:02:26Z Исследование пучка в протонном инжекторе ЛУ ИЯИ РАН Белов, А.С. Зубец, В.Н. Никулин, Е.С. Фролов, О.Т. Якушев, В.П. Элементы ускорителей Приводятся результаты численного моделирования и измерений параметров пучка протонов инжектора линейного ускорителя ИЯИ РАН. Исследовалось влияние нестабильности тока пучка и потенциала промежуточного электрода инжектора на характеристики ускоряемого в ЛУ пучка. Установлены емкостный делитель напряжения ускорительной трубки и генератор тока разряда дуоплазматрона со стабилизацией 0,5 %. При токе ионов в импульсе 85 мА нормализованный эмиттанс для 63 % тока равен 0,05π см·мрад. The results of the proton beam simulation and experimental study at the INR RAS Linac injector are presented. Influence of the injector beam current and the accelerating tube intermediate electrode potential transients on the linear accelerator beam parameters have been studied. The capacitive voltage divisor and the duoplasmatron discharge current generator with 0,5 % stabilization have been installed. At the ion pulse current 85 mA the normalized emittans is 0,05 π cm·mrad for 63 % current. Наводяться результати чисельного моделювання і вимірювань параметрів пучка протонів інжектора лінійного прискорювача ІЯД РАН. Досліджувався вплив нестабільності струму пучка і потенціалу проміжного електрода інжектора на характеристики прискореного в ЛП пучка. Встановлено ємнісний дільник напруги прискорювальної трубки і генератор струму розряду дуоплазматрона зі стабілізацією 0,5 %. При струмі іонів в імпульсі 85 мА нормалізований емітанс для 63 % струму дорівнює 0,05 π см·мрад. 2012 Article Исследование пучка в протонном инжекторе ЛУ ИЯИ РАН / А.С. Белов, В.Н. Зубец, Е.С. Никулин, О.Т. Фролов, В.П. Якушев // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 3. — С. 44-48. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108663 621.384.659 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Элементы ускорителей Элементы ускорителей
spellingShingle	Элементы ускорителей Элементы ускорителей Белов, А.С. Зубец, В.Н. Никулин, Е.С. Фролов, О.Т. Якушев, В.П. Исследование пучка в протонном инжекторе ЛУ ИЯИ РАН Вопросы атомной науки и техники
description	Приводятся результаты численного моделирования и измерений параметров пучка протонов инжектора линейного ускорителя ИЯИ РАН. Исследовалось влияние нестабильности тока пучка и потенциала промежуточного электрода инжектора на характеристики ускоряемого в ЛУ пучка. Установлены емкостный делитель напряжения ускорительной трубки и генератор тока разряда дуоплазматрона со стабилизацией 0,5 %. При токе ионов в импульсе 85 мА нормализованный эмиттанс для 63 % тока равен 0,05π см·мрад.
format	Article
author	Белов, А.С. Зубец, В.Н. Никулин, Е.С. Фролов, О.Т. Якушев, В.П.
author_facet	Белов, А.С. Зубец, В.Н. Никулин, Е.С. Фролов, О.Т. Якушев, В.П.
author_sort	Белов, А.С.
title	Исследование пучка в протонном инжекторе ЛУ ИЯИ РАН
title_short	Исследование пучка в протонном инжекторе ЛУ ИЯИ РАН
title_full	Исследование пучка в протонном инжекторе ЛУ ИЯИ РАН
title_fullStr	Исследование пучка в протонном инжекторе ЛУ ИЯИ РАН
title_full_unstemmed	Исследование пучка в протонном инжекторе ЛУ ИЯИ РАН
title_sort	исследование пучка в протонном инжекторе лу ияи ран
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Элементы ускорителей
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108663
citation_txt	Исследование пучка в протонном инжекторе ЛУ ИЯИ РАН / А.С. Белов, В.Н. Зубец, Е.С. Никулин, О.Т. Фролов, В.П. Якушев // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 3. — С. 44-48. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT belovas issledovaniepučkavprotonnominžektoreluiâiran AT zubecvn issledovaniepučkavprotonnominžektoreluiâiran AT nikulines issledovaniepučkavprotonnominžektoreluiâiran AT frolovot issledovaniepučkavprotonnominžektoreluiâiran AT âkuševvp issledovaniepučkavprotonnominžektoreluiâiran
first_indexed	2025-07-07T21:53:36Z
last_indexed	2025-07-07T21:53:36Z
_version_	1837026736682827776
fulltext	ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №3(79) 44 УДК 621.384.659 ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЧКА В ПРОТОННОМ ИНЖЕКТОРЕ ЛУ ИЯИ РАН А.С. Белов, В.Н. Зубец, Е.С. Никулин, О.Т. Фролов, В.П. Якушев ИЯИ РАН, Москва, Россия E-mail: nikulin@inr.ru Приводятся результаты численного моделирования и измерений параметров пучка протонов инжектора линейного ускорителя ИЯИ РАН. Исследовалось влияние нестабильности тока пучка и потенциала проме- жуточного электрода инжектора на характеристики ускоряемого в ЛУ пучка. Установлены емкостный дели- тель напряжения ускорительной трубки и генератор тока разряда дуоплазматрона со стабилизацией 0,5 %. При токе ионов в импульсе 85 мА нормализованный эмиттанс для 63 % тока равен 0,05π см⋅мрад. ВВЕДЕНИЕ Протонный инжектор линейного ускорителя ИЯИ РАН штатно эксплуатируется с конца 80-х го- дов и параллельно ведется работа по его усовершен- ствованию. В начале 2011 г. конструкция инжектора претер- пела очередные модификации, существенно повы- сившие качественные характеристики пучка. Измерения подтвердили обоснованность реше- ний, принятых по результатам численного модели- рования прохождения пучка от начала области фор- мирования до входа в канал транспортировки (КТ) линейного ускорителя (ЛУ). НОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В конце 2010 г. на ускорительной трубке (УТ) инжектора установлен компенсированный делитель напряжения: параллельно существующему рези- стивному водяному делителю дополнительно введе- на цепочка конденсаторов по 680 пФ×20 кВ на каж- дый ускоряющий зазор (Рис.1). Позднее добавлена ещё одна цепочка для первых 7-ми ускоряющих за- зоров по 150 пФ×20 кВ в начальной части УТ, от высоковольтного до промежуточного электрода. (На рисунке эта цепь не показана, так как находится с противоположной стороны УТ). Рис.1. Ускорительная трубка инжектора: 1 – ионный источник; 2 – вытягивающий электрод; 3 – фокусирующий электрод; 4 – заземлённый электрод В феврале 2011 г. тиристорный модулятор тока разряда в системе питания ионного источника заме- нён на транзисторный со стабильностью тока разря- да вдоль импульса не хуже 0,5 %. В результате, ста- бильность вершины импульса тока пучка сущест- венно повысилась. Оба этих изменения позволили значительно уменьшить поворот фазового портрета (ФП) пучка и устранить искажения формы импульса тока в тече- ние импульса ускоряющего напряжения. Стабильность угловой ориентации фазового портрета является одним из основных условий ми- нимизации потерь пучка в ЛУ. Ранее типичный импульс в своей начальной стадии имел асимптотический выход на максимальное значе- ние тока. Сейчас же пучок приобрёл форму, близкую к трапецеидальной, с плоской вершиной (Рис.2). В проведенной серии измерений не ставилась за- дача получения максимальных значений тока про- тонов, однако, настройки параметров инжектора варьировались в широких пределах, вследствие чего амплитуда тока пучка порой вдвое превосходила номинально требуемый уровень и иногда превыша- ла 130 мА. Форма импульса оставалась неизменной во всём диапазоне значений тока. 11 01 2010 21.43 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 100 150 200 250 300 350 400 11 03 2011 ALL0000 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 50 100 150 200 250 300 350 Рис.2. Форма импульса тока пучка инжектора (2010 и 2011 гг) Датчик тока расположен в КТ на расстоянии 0,9 м за коллектором измерителя эмиттанса, служа- щего основным инструментом определения качества пучка. Измеритель [1] установлен на расстоянии 1,7 м от начала области дрейфа пучка, непосредст- венно перед входом в КТ. Измерения проводятся методом 2-х щелей, роль второй щели выполняет набор коллекторных пла- стин с шагом 1 мм. Обработка массивов данных по- зволяет получать ФП пучка в различных видах, а также геометрические характеристики: профиль, его ширину, положение центра тяжести, эмиттанс, фа- зовую плотность, яркость пучка для различных до- лей тока (Рис.3). ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №3(79) 45 Рис.3. Окно вывода результатов измерения эмиттанса В Табл.1 приведен набор значений эмиттанса различных долей тока для одного из специальных (исследовательских) режимов работы инжектора при амплитудном значении тока пучка 65 мА и дли- тельности импульса тока 25 мкс во второй четверти импульса ускоряющего напряжения длительностью 200 мкс. Таблица 1 Эмиттанс долей тока. 18.05.2011. Режим №5 I 63% 86% 95% 98% E 0,0397 0,0840 0,1217 0,1450 Табл.2 отражает динамику изменения эмиттанса (для 63% тока) за всю историю работы инжектора в номинальных (слева) и специальных режимах. Для полного тока эти величины, как правило, в 5-6 раз выше. Соответствующая фазовая плотность пучка в номинальных режимах приведена во второй колонке. Таблица 2 Динамику изменения эмиттанса для 63 % тока Е63% [π см⋅мрад] j63% [А/см⋅мрад] 1990-е г. 0,2…0,1 0,6 2000-е г. 0,1…0,076 0,4 2011 г. 0,05…0,031 1,16 РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ Качеству протонного пучка уделяется неизмен- ное внимание, так как даже небольшие флуктуации его параметров лишь возрастают при прохождении через ЛУ и приводят к увеличению потерь пучка. Однако, большой уровень шума тока протонов, превышавший порой 30 %, не только сам служил источником нежелательных флуктуаций, но и мас- кировал собой особенности формы импульса, не представляя возможности проведения достоверного анализа искажений (Рис.4). Проведенные ранее эксперименты с различной геометрией системы формирования: конический экспандер и вытягивающий электрод; цилиндриче- ский экспандер с квазипирсовой геометрией и пло- ским электродом вытягивания [2]; экспандер с про- филем, близким к соплу Лаваля, квазипирсовой гео- метрией вытягивания и плоским вытягивающим электродом, позволяли получать ток протонов с по- ниженным уровнем шума. Но первые две системы не смогли обеспечить бесшумовой режим во всём диапазоне требуемых настроек инжектора. Третья, со среднеквадратич- ным уровнем шума менее 1 %, обладала необходи- мой устойчивостью во всех режимах, однако, в те- чение нескольких месяцев после её установки про- изошло постепенное существенное уменьшение ам- плитуды тока и возрастание шума. Рис.4. Осциллограмма «шумящего» тока на выходе инжектора Позднее, стабилизировав плазменную границу на выходе ионного источника [3], шум удалось резко снизить. Его уровень стал ниже уровня аппаратных шумов измерительного тракта. На приведенных выше осциллограммах (см. Рис.2) просматриваются лишь шумы 8-битного АЦП-преобразования. В данной системе формирования пучка (Рис.5) изолированный от анода и находящийся под пла- вающим потенциалом экспандер имеет меньшую длину (35 мм) по сравнению с предыдущими безсе- точными экспандерами. Рис.5. Система формирования ионного пучка из дуоплазматрона На выходе экспандера установлена плоская сетка из вольфрамовых проволочек диаметром 0,1 мм с шагом 3 мм. Диаметр эмиссионной поверхности, ограниченной сеткой, равен 30 мм. Квазипирсов- ский электрод экспандера от диаметра 30 мм до диаметра 40 мм имеет угол 23° по отношению к плоскости, перпендикулярной оси системы. Это по- зволяет получить плоскую границу плазмы подбо- ром вытягивающего напряжения для заданной вели- чины ионного тока и свести к минимуму аберрации, ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №3(79) 46 связанные с фокусировкой ионов в ячейках эмисси- онной сетки экспандера. Рис.6. Поворот ФП в течение импульса Проведены исследования изменения параметров фазового портрета в течение импульса ускоряющего напряжения длительностью 200 мкс. Модулятором дуги протонного источника формировался пучок длительностью 25 мкс, который подавался с фикси- рованными задержками относительно начала высо- ковольтного импульса (с шагом 25 мкс) в инжектор. Данные измерений обрабатывались по стандартной методике [4, 5]. Обнаружено, что в средней части импульса в течение 100 мкс происходит поворот фазового портрета на Δξ = 7,5° (Рис.6), что сущест- венно меньше, чем до установки ёмкостного дели- теля и стабилизированного генератора тока разряда. Также исследовалось влияние режимов системы формирования на характеристики пучка. Здесь представлены несколько фазовых портре- тов, полученных при потенциалах вытягивания от 20 до 25 кВ (Рис.7). Остальные параметры инжекто- ра неизменны. Заметно меняется характер поведения фазового портрета при изменении потенциала вытягивания. В диапазоне от 20 до 22 кВ реакция на изменения (по- ворот портрета) довольно резкая, однако, при даль- нейшем росте потенциала поворот незначителен. Рис.7. Фазовые портреты при различных потенциалах вытягивания Аналогичное поведение наблюдается и на мате- матической модели. Если ранее такие соответствия находили с боль- шими допущениями, то теперь доверие к моделиро- ванию существенно возросло. Рис.8. Зависимость ширины профиля пучка от фокусирующего потенциала на расстоянии 1,7 м от начала дрейфа пучка Влияние потенциала фокусировки на геометрию пучка в эксперименте (Рис.8) также находится в со- ответствии с модельными расчётами. Ширина профиля пучка в диапазоне Uфок. от 20 до 28 кВ − менее 1 см. При фокусирующем потен- циале 24 кВ на входе в диагностический бокс (~ 0,5 м до входа в КТ) образуется кроссовер. Одна- ко лучше сформировать его дальше по ходу пучка, чтобы получить на входе в КТ сходящийся пучок. Т.е., предпочтителен диапазон фокусирующих по- тенциалов от 25 кВ и выше. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Численное моделирование проводилось с помо- щью программ Trak и SpaceCharge пакета TriComp, разработанных Field Precision LLC. К примеру, моделирование показало, что изме- нение потенциала промежуточного электрода уско- рительной трубки менее чем на 1 % уже приводит к существенному изменению свойств пучка на выходе инжектора (Рис.9). Рис.9. Влияние потенциала промежуточного электрода УТ На модели хорошо также просматривается изме- нение поведения фазового портрета при различных значениях тока пучка (Рис.10). Рис.10. Влияние тока пучка на ФП Соответствие модели с экспериментом особенно на- глядно при рассмотрении различных аберраций пучка. Один из исследованных типов показан на Рис.11. ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №3(79) 47 Рис.11. Один из исследованных типов аберраций ФП при транспортировке сильноточного протонного пучка Имеющиеся отличия в портретах вызваны, в первую очередь, недостаточной (для нынешних пучков) разрешающей способностью измерителя эмиттанса. Следствие: получаемый в результате из- мерений массив данных состоит из набора значений токов, приходящихся на ячейки фазовой плоскости размером 0,2 см×4 мрад. Данное обстоятельство при малых значениях эмиттанса пучка позволяет наблюдать только до- вольно грубую картину фазового портрета. На пре- деле разрешающей способности измерителя эмит- танса весь ток пучка распределяется лишь на 40-50 элементарных ячеек, в то время как в численном моделировании обычно используем разбивку пучка на 150 лучей. Численное моделирование позволяет определять характеристики пучка в любом сечении на стадиях формирования, ускорения или в дрейфе. На сле- дующих примерах (Рис.12) демонстрируется влия- ние изменения потенциала фокусирующего элек- трода (при прочих фиксированных параметрах) на прохождение пучка инжектора от источника до вхо- да в КТ. При 21 кВ пучок недофокусирован и обрезается входной апертурой КТ. При 25 кВ пучок полностью проходит в КТ, но при этом является расходящимся. Лишь при 29 кВ получаем кроссовер перед вхо- дом в КТ, на расстоянии 2,65 м от протонного ис- точника. Рис.12. Влияние потенциала фокусирующего электрода на прохождение пучка от источника до входа в КТ СОСТАВ ПУЧКА Параллельно проведены измерения для уточне- ния массового состава пучка. Пучок из инжектора, кроме протонной состав- ляющей, включает в себя и ионы Н2 +, и более тяжё- лые ионы остаточных газов, предположительно Н2О+. Присутствие других составляющих в пучке непосредственно не обнаруживается. В номинальном режиме настройки инжектора измерили характеристики пучка обычным методом и зафиксировали, в частности, значение полного тока пучка. Затем на выходе инжектора включили первый магнит корректора, отклоняющего пучок по оси Х, и фазовый портрет пучка разделился на три части (Рис.13). Идентичность фазовых портретов разных масс довольно убедительна. Рис.13. ФП пучка (без корректора) и портреты компонент пучка (магнит корректора включён) Из исходного массива данных выделили области второй и более тяжёлых масс, произвели их стан- дартный программный обсчёт и сравнили получен- ные токи. Получено следующее соотношение значений то- ков: протонная составляющая ~70%, Н2 +~27%, бо- лее тяжелые ионы ~3%. С учётом присутствия в из- меренных токах составляющей, вызванной вторич- ной электронной эмиссией, можно сделать следую- щую оценку: - так как коэффициент вторичной эмиссии весь- ма существенно растет с ростом массы иона, реаль- ная массовая доля, соответствующая току тяжёлых частиц, незначительна – доли процента; - мала и массовая доля Н2 + − около 10 %; - а доля протонной составляющей близка к 90 %. ВЫВОДЫ В результате установки ёмкостного делителя ус- коряющей трубки и стабилизации тока разряда дуо- плазматрона поворот фазового портрета пучка в течение импульса существенно уменьшился. Форма тока пучка стала близка к трапецеидаль- ной с плоской вершиной на всём протяжении им- пульса вплоть до токов 130 мА. Установлено также: протонная компонента пучка близка к 90 %; более тяжёлые ионы имеют те же параметры фазового портрета и не оказывают влияния на эмит- танс протонного пучка. Результаты измерений параметров пучка и чис- ленного моделирования достигли хорошего соответ- ствия. -21 кВ -25 кВ -29 кВ ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №3(79) 48 Данная работа выполнена при финансовой под- держке Министерства образования и науки Россий- ской Федерации, контракт № 16.518.11.7037 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. А.Н. Другаков и др. Автоматизированное изме- рение поперечного эмиттанса на выходе ин- жектора протонов ЛУ ММФ. Москва: ИЯИ АН СССР, 1989, с.3-8. 2. V.I. Derbilov, et al. Average proton beam current increasing at the MMFL injector // Problems of Atomic Science and Technology. Series “Nuclear Physics Investigations” (42). 2004, №1, p.13-15. 3. A.S. Belov, et al. Study of the INR RAS Linac Pulsed Duoplasmatron // Proc. of RUPAC-2010, Protvino, Russia, p.289-291, http://www.accelconf.web.cern.ch/accelconf/r10/pap ers/thchb01 4. К. Штеффен. Оптика пучков высоких энергий. Москва: «Мир», 1969, с.180-187. 5. H.G. Hereward. CERN PS/Int. TH 59-5, Geneva, 1959. Статья поступила в редакцию 23.09.2011 г. THE INR OF RAS PROTON LINAC INJECTOR BEAM STUDY A.S. Belov, V.N. Zubec, E.S. Nikulin, O.T. Frolov, V.P. Yakushev The results of the proton beam simulation and experimental study at the INR RAS Linac injector are presented. Influence of the injector beam current and the accelerating tube intermediate electrode potential transients on the linear accelerator beam parameters have been studied. The capacitive voltage divisor and the duoplasmatron dis- charge current generator with 0,5 % stabilization have been installed. At the ion pulse current 85 mA the normalized emittans is 0,05 π cm⋅mrad for 63 % current. ДОСЛІДЖЕННЯ ПУЧКА В ПРОТОННОМУ ІНЖЕКТОРІ ЛП ІЯД РАН А.С. Бєлов, В.Н. Зубец, Є.С. Нікулін, О.Т. Фролов, В.П. Якушев Наводяться результати чисельного моделювання і вимірювань параметрів пучка протонів інжектора лі- нійного прискорювача ІЯД РАН. Досліджувався вплив нестабільності струму пучка і потенціалу проміжно- го електрода інжектора на характеристики прискореного в ЛП пучка. Встановлено ємнісний дільник напру- ги прискорювальної трубки і генератор струму розряду дуоплазматрона зі стабілізацією 0,5 %. При струмі іонів в імпульсі 85 мА нормалізований емітанс для 63 % струму дорівнює 0,05 π см⋅мрад.

Исследование пучка в протонном инжекторе ЛУ ИЯИ РАН

Репозитарії

Схожі ресурси