Линейные резонансные ускорители ионов с фокусировкой ускоряющим полем
В рамках краткого обзора приведены основные результаты, полученные в Московском инженерно-физическом институте при разработке, проектировании и запуске ускорителей с фокусировкой аксиально-симметричным ускоряющим полем....
Gespeichert in:
| Datum: | 2004 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2004
|
| Schriftenreihe: | Вопросы атомной науки и техники |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80455 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Линейные резонансные ускорители ионов с фокусировкой ускоряющим полем / В.К. Баев, Н.М. Гаврилов // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 4. — С. 130-132. — Бібліогр.: 45 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-80455 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-804552015-04-19T03:02:29Z Линейные резонансные ускорители ионов с фокусировкой ускоряющим полем Баев, В.К. Гаврилов, Н.М Динамика пучков ионов В рамках краткого обзора приведены основные результаты, полученные в Московском инженерно-физическом институте при разработке, проектировании и запуске ускорителей с фокусировкой аксиально-симметричным ускоряющим полем. У рамках короткого огляду приведені основні результати, отримані в Московському інженерно- фізичному інституті при розробці, проектуванні і запуску прискорювачів з фокусуванням прискорюючим аксіально симетричним полем. In the framework of a brief review the main results obtained at Moscow Engineering Physics Institute are presented. They are dedicated to the development, design and starting into operation of accelerators with particle focusing by axially symmetric accelerating field. 2004 Article Линейные резонансные ускорители ионов с фокусировкой ускоряющим полем / В.К. Баев, Н.М. Гаврилов // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 4. — С. 130-132. — Бібліогр.: 45 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80455 621.384.6 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 |
Динамика пучков ионов Динамика пучков ионов |
| spellingShingle |
Динамика пучков ионов Динамика пучков ионов Баев, В.К. Гаврилов, Н.М Линейные резонансные ускорители ионов с фокусировкой ускоряющим полем Вопросы атомной науки и техники |
| description |
В рамках краткого обзора приведены основные результаты, полученные в Московском инженерно-физическом институте при разработке, проектировании и запуске ускорителей с фокусировкой аксиально-симметричным ускоряющим полем. |
| format |
Article |
| author |
Баев, В.К. Гаврилов, Н.М |
| author_facet |
Баев, В.К. Гаврилов, Н.М |
| author_sort |
Баев, В.К. |
| title |
Линейные резонансные ускорители ионов с фокусировкой ускоряющим полем |
| title_short |
Линейные резонансные ускорители ионов с фокусировкой ускоряющим полем |
| title_full |
Линейные резонансные ускорители ионов с фокусировкой ускоряющим полем |
| title_fullStr |
Линейные резонансные ускорители ионов с фокусировкой ускоряющим полем |
| title_full_unstemmed |
Линейные резонансные ускорители ионов с фокусировкой ускоряющим полем |
| title_sort |
линейные резонансные ускорители ионов с фокусировкой ускоряющим полем |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| publishDate |
2004 |
| topic_facet |
Динамика пучков ионов |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80455 |
| citation_txt |
Линейные резонансные ускорители ионов с фокусировкой ускоряющим полем / В.К. Баев, Н.М. Гаврилов // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 4. — С. 130-132. — Бібліогр.: 45 назв. — рос. |
| series |
Вопросы атомной науки и техники |
| work_keys_str_mv |
AT baevvk linejnyerezonansnyeuskoriteliionovsfokusirovkojuskorâûŝimpolem AT gavrilovnm linejnyerezonansnyeuskoriteliionovsfokusirovkojuskorâûŝimpolem |
| first_indexed |
2025-07-06T04:28:09Z |
| last_indexed |
2025-07-06T04:28:09Z |
| _version_ |
1836870365491494912 |
| fulltext |
ДИНАМИКА ПУЧКОВ ИОНОВ
УДК 621.384.6
ЛИНЕЙНЫЕ РЕЗОНАНСНЫЕ УСКОРИТЕЛИ ИОНОВ
С ФОКУСИРОВКОЙ УСКОРЯЮЩИМ ПОЛЕМ
В.К. Баев, Н.М. Гаврилов
Московский инженерно-физический институт
115409, Москва, Каширское шоссе, 31, Россия
В рамках краткого обзора приведены основные результаты, полученные в Московском инженерно-физи-
ческом институте при разработке, проектировании и запуске ускорителей с фокусировкой аксиально-сим-
метричным ускоряющим полем.
Приблизительно со второй половины 60-х годов
в ускорительной технике начало развиваться новое
направление, которое сформировалось в связи с ре-
шением проблемы создания линейных резонансных
ускорителей с фокусировкой ускоряющим полем.
Собственно сама проблема была поставлена го-
раздо раньше в работах Владимирского [1], Гуда [2],
Ткалича [3] и Файнберга [4]. Ими же были намечены
пути ее решения, которые, однако, не позволяли со-
здать эффективные ускоряющие системы. Позднее,
благодаря усилиям Капчинского, Кушина и Тепляко-
ва [5-9] были найдены представляющие практиче-
ский интерес решения задачи ускорения без внеш-
них фокусирующих полей. Речь идёт об ускорителях
с ВЧ квадрупольной фокусировкой и асимметрич-
ной фазопеременной фокусировкой (АФПФ). Пер-
вые имеют две разновидности: ускорители с про-
странственно-однородной квадрупольной фокуси-
ровкой (ПОКФ) и ускорители с пространственно-пе-
риодической квадрупольной фокусировкой (ППКФ),
в основу которой положен так называемый "двойной
зазор". Что касается ускорителей с фазопеременной
фокусировкой (ФПФ) или, как ее еще называют,
переменно-фазовой фокусировкой, то они являются
представителями гораздо более многочисленного се-
мейства ускорителей с фокусировкой ускоряющим
полем, о которых речь пойдет ниже.
К настоящему времени распространение получи-
ли только ускорители с ПОКФ. Общее количество
реализованных или реализуемых проектов этих ма-
шин в различных ускорительных лабораториях мира
уже исчисляется десятками. Менее повезло ускори-
телю с ППКФ. Несмотря на его исключительную
технологичность (по сравнению, например, с резона-
тором Альвареца), этот ускоритель не получил ника-
кого распространения. Известны только две действу-
ющие модели: опытная, на энергию протонов 3,26
МэВ, запущенная в 1973 г. [10], и протонный инжек-
тор на 30 МэВ, получивший название "Урал-30" и
запущенный в 1981 г. [11]. Обе модели были по-
строены в ИФВЭ (г. Протвино). Такая участь уско-
рителя с ППКФ, по всей видимости, объясняется
чрезвычайной сложностью его расчета и настройки,
отпугивающей специалистов из других лабораторий.
Ускорителям с ПОКФ посвящено достаточно
большое количество публикаций, а принцип их ра-
боты и основы теории изложены, например, в моно-
графии [12]. Поэтому перейдем ко второй группе
ускорителей, которые, следуя предложению, сделан-
ному в работе [13], будем называть ускорителями с
аксиально-симметричным ускоряющим полем (ФА-
СУП). Хотя по началу интерес к этим ускорителям
проявляли как отечественные, так и зарубежные ла-
боратории [14-19], однако, ускорители с ПОКФ до-
вольно быстро их вытеснили и сегодня в основном
ими занимаются в ИТЭФ, МИФИ и ХФТИ. Тем не
менее, можно утверждать, что время ускорителей с
ФАСУП еще впереди и забыты они незаслуженно.
Эти машины благодаря своей простоте, технологич-
ности, компактности и надежности должны найти
широкое применение для решения научных и при-
кладных задач, в которых не требуются большие
токи ускоренных пучков, а таких задач множество в
физике твердого тела, микроэлектронике, материа-
ловедении, химии, биологии, медицине, (см. напри-
мер, монографию [20]).
Для обсуждения отдельных разновидностей уско-
рителей с ФАСУП воспользуемся их классификаци-
ей, предложенной в работах [13,21,22]. В ее основу
положены значения параметра /ô óK β β= , где ôβ ,
óβ − относительные скорости ускоряющей и фоку-
сирующей гармоник соответственно. Рассмотрим
сначала ускорители с 1K < . За нижнюю границу
значения K можно взять число 1/3, соответствую-
щее ускорителю с автофокусировкой [23], в котором
ускоряющей и фокусирующей являются первая и
третья гармоники соответственно. Эта разновид-
ность ускорителя не получила распространения из-за
низкой эффективности.
Значения параметра K , лежащие в интервале
1/ 2 1K< < , соответствуют сложным периодам
ФПФ с числом ускоряющих зазоров больше двух.
Долгое время ФПФ представляла чисто академиче-
ский интерес из-за низкой эффективности. Суще-
ственного улучшения свойств ФПФ удалось добить-
ся за счет ее модификаций, одна из которых получи-
ла название асимметричной фазопеременной фоку-
сировки (АФПФ) [9,24], а другая – модифицирован-
ной переменно-фазовой фокусировки (МПФФ)
[25,26]. Суть обеих этих модификаций сводится к
изменению по определенному закону равновесной
______________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 4.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (4), с.130-132.130
фазы вдоль ускоряющих периодов. При этом коэф-
фициент захвата в режим ускорения имеет величину,
близкую к амплитуде модуляции равновесной фазы
60...90°, а темп ускорения может быть доведен до
4...5 МэВ/м [24].
При 1K = уравнения двухволнового приближе-
ния переходят в обычные уравнения, описывающие
движения заряда в поле ускоряющей гармоники.
Перейдем к ускорителям, у которых 1K > . Ин-
тересен вариант с 2K = . Если углы пролета сосед-
них ячеек сделать равными π и 3π , то фаза пролета
центров зазоров остается постоянной. В этом вари-
анте чередование длинных и коротких трубок дрей-
фа необходимо не для переброса фазы, а для получе-
ния второй ускоряющей гармоники, т.е. это не будет
ускоритель с ФПФ.
Очень интересным является ускоритель с 3K = .
Поскольку в процессе ускорения и фокусировки
участвуют лишь нечетные гармоники (третья и пер-
вая соответственно), отпадает необходимость в че-
редовании длинных и коротких трубок дрейфа. Фаза
пролета равновесной частицы центров ускоряющих
зазоров сохраняет постоянное значение в силу сим-
метрии периода фокусировки, причем может оста-
ваться постоянной и амплитуда ускоряющего поля в
зазорах, так что этот вариант не содержит никаких
признаков ФПФ. Следуя предложению авторов ра-
боты [22], будем называть эту разновидность ФА-
СУП фокусировкой полем быстрой волны (ФПБВ).
Ускоритель с ФПБВ может иметь сложные периоды
фокусировки с большим числом зазоров и с изменя-
ющимся пролетным углом и амплитудой ускоряю-
щего поля. Этим вариантам соответствуют значения
параметра K из интервала 1 3K< < . Важное досто-
инство ускорителя с ФПБВ, помимо простоты
конструкции – это низкая энергия инжекции. Уско-
рение на третьей гармонике позволяет в три раза
снизить начальную скорость ионов и существенно
расширить возможности данного частотного диапа-
зона. Так, в двухметровом диапазоне длин волн в
ускорителе с ФПБВ можно ускорять сразу после
инжектора с напряжением 150 кВ довольно большой
набор ионов с отношением заряда к массе вплоть до
1/12.
Упомянем еще о трех разновидностях ускори-
телей с ФАСУП. В одной из них эффект фокусировки
достигается увеличением амплитуды ускоряющего
поля [27], в другой – фокусирующим действием поля
ускоряющей волны при влете в нее заряда [28] и в
третьей – пространственной гармоникой специально
сконструированной ускоряющей системой [29].
Главным итогом работ по ускорителям с ФА-
СУП, выполненных в МИФИ, можно считать запуск
таких ускорителей, среди которых особенно удачной
оказалась модель, построенная на базе так называе-
мого двухпроводного резонатора [30,31]. Этот резо-
натор выгодно отличается своими электродинамиче-
скими характеристиками, простотой конструкции и
ее технологичностью, компактностью и надежно-
стью. Поскольку рабочей волной резонатора служит
Т-волна, то он может сохранять небольшие попереч-
ные размеры при переходе от протонов к более тя-
желым ионам. В частности, резонатор упомянутого
выше ускорителя протонов на энергию 1,2 МэВ име-
ет длину 0,74 м и диаметр 0,2 м при собственной до-
бротности 3600 и шунтовом сопротивлении 66
МОм/м.
В заключение отметим те работы, которые с точ-
ки зрения авторов, намечают наиболее перспектив-
ные направления развития обсуждаемых ускори-
телей. Впервые, применительно к ускорителям с
ФАСУП, была рассмотрена задача динамического
согласования пучка с каналом ускоряющей системы
[32,33]. В качестве согласующего устройства ис-
пользовались первые ячейки ускоряющей системы.
Показано, что динамическое согласование позволяет
увеличить коэффициент захвата частиц в режим
ускорения в 2-3 раза по сравнению с его обычным
значением и довести его до 200° и более с сохране-
нием приемлемого поперечного аксептанса.
Очень важными представляются результаты
[34,35], из которых следует, что ускоритель с ФА-
СУП с обычным (не из сверхпроводника) резонато-
ром может быть переведен на непрерывный режим
работы, а это означает увеличение среднего тока
пучка на несколько порядков. Переход к такому ре-
жиму оказывается возможным по нескольким при-
чинам: во-первых, как показывают расчеты, при
весьма существенном снижении напряженности
ускоряющего поля удается сохранить приемлемыми
темп ускорения и аксептансы; во-вторых, появились
высокоэффективные ускоряющие системы (тот же
упомянутый выше двухпроводный резонатор), и, на-
конец, в-третьих, качество ускоряющих систем мож-
но значительно улучшить за счет высокого уровня
технологии их изготовления.
В начале 60-х годов в МИФИ начались и затем в
течение ряда лет систематически проводились рабо-
ты по созданию многопучковых ускорителей и уско-
рителей с кольцевыми пучками [36-38]. Позже к это-
му направлению подключились другие ускоритель-
ные лаборатории в нашей стране и за рубежом [39-
44], и даже были получены результаты по ускоре-
нию нескольких пучков в Брукхэвене на установке
MEQALAC-1 [45].
ЛИТЕРАТУРА
1. В.В. Владимирский // ПТЭ. 1956, №3, с.35.
2. M.L. Good // Bull. Amer. Phys. Soc. 1952, v.27,
p.16.
3. В.С. Ткалич // ЖЭТФ. 1957, т.32, с.625.
4. Я.Б. Файнберг // ЖТФ. 1959, т.29, с.568.
5. В.А. Тепляков // ПТЭ. 1964, №6, с.24.
6. И.М. Капчинский, В.А. Тепляков // ПТЭ. 1970,
№2, с.119.
7. И.М. Капчинский, В.А. Тепляков // ПТЭ. 1970,
№4, с.17.
8. В.В Кушин // АЭ. 1970, т.29, с.123.
______________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 4.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (4), с.130-132.131
9. И.М. Капчинский. Линейный ускоритель ионов
с высокочастотной жесткой фокусировкой:
Препринты ИФВЭ, ИНЖ – 72-29 (ч.I), ИНЖ –
72-30 (ч. II), Серпухов, 1972.
10. С.А. Ильевский, И.М. Капчинский, Г.Ф. Кузне-
цов и др. // АЭ. 1973, т.34, с.56.
11. А.А. Егоров, В.А. Зенин, С.А. Ильевский и др. //
ЖТФ. 1981, т.51, с.1643.
12. И.М. Капчинский. Теория линейных резо-
нансных ускорителей. М.: «Энергоиздат», 1982.
13. А.В. Шальнов, В.К. Баев, Н.М. Гаврилов //
ВАНТ. Сер. "Техника физического эксперимен-
та". 1985, вып.2 (23).
14. В.В. Кушин, Б.Т. Зарубин, В.В. Свирин,
И.М. Чистяков // ПТЭ. 1972, №6, с.15.
15. Н.А. Хижняк, С.С. Каплин, Н.Е. Ковпак и др. //
ВАНТ. Сер. "Линейные ускорители". 1977, вып.2
(5), с.12.
16. Н.М. Гаврилов, А.В. Шальнов // Научн. конф.
МИФИ. М.: МИФИ, 1971, c.8.
17. D.A. Swenson // Particle Accel. 1976, v.7, p.61.
18. E.A. Knapp, D.A. Swenson // Proc. Proton Linear
Accelerator conf., Chalk River, Canada. 1976, v.2,
p.230.
19. J.M. Potter, S.W. Willams, F.J. Humphry et al. //
IEEE Trans. Nucl. Sci. 1979, v.26, p.3745.
20. Ю.С. Рябухин, А.В. Шальнов. Ускоренные пуч-
ки и их применение. М.: «Атомиздат». 1980.
21. В.К. Баев, Н.М. Гаврилов, С.А. Минаев,
А.В. Шальнов // ЖТФ. 1983, т.53, с.1287.
22. В.К. Баев, Н.М. Гаврилов, С.А. Минаев,
А.В. Шальнов // ДАН СССР. 1984, т.34, с.56.
23. А.Д. Власов. Теория линейных ускорителей. М.:
«Атомиздат». 1965.
24. Линейные ускорители ионов. т.1 / Под ред.
Б.П. Мурина. М.: «Атомиздат». 1978.
25. В.Г. Папкович, Н.А. Хижняк, Н.Г. Шулика //
ВАНТ. Сер. "Техника физического эксперимен-
та". 1978, вып.2, с.51.
26. А.С. Белей, С.С. Каплин, Н.А. Хижняк и др. //
УФЖ. 1982, т.27, с.1132.
27. Д.Г. Зайдин, В.К. Карпасюк // ЖТФ. 1972, т.42,
с.2427.
28. А.Д. Власов // АЭ. 1975, т.38, с.46.
29. Н.М. Гаврилов, В.П. Зубовский // ЖТФ. 1971,
т.41, с.1012.
30. Н.И. Абраменко, А.Н. Антропов, В.К. Баев и др.
// ЖТФ. 1983, т.53, с.858.
31. А.с. №586780. В.К. Баев, В.П. Зубовский //
Открытия. Изобретения. 1982, №10, с.297.
32. А.с. №688088. В.К. Баев, Е.В. Громов, А.Д. Ко-
ляскин // Открытия. Изобретения.1982, №15,
с.315.
33. В.К. Баев, В.В. Рассадин. Разработка, эксплуа-
тация и применение линейных ускорителей. М.:
«Энергоиздат». 1984, с.17.
34. В.К. Баев, Н.М. Гаврилов, В.В. Рассадин //
Письма в ЖТФ. 1984, т.10, с.222.
35. А.Н. Антропов, В.К. Баев, Н.М. Гаврилов и др. //
ВАНТ. Сер. "Техника физического эксперимен-
та". 1985, в.3(24), с.35.
36. Н.М. Гаврилов, Р.К. Гаврилова, Е.В. Громов и
др. // Труды VII Всесоюзного совещания по уско-
рителям заряженных частиц. Дубна. 1981, т.2,
с.37.
37. В.К. Баев, В.А. Власов, Н.М. Гаврилов и др. //
Труды VIII Всесоюзного совещания по ускори-
телям заряженных частиц. Дубна. 1983, т.2,
с.6.
38. В.А. Власов, Н.М. Гаврилов, Р.К. Гаврилова и
др. // ПТЭ. 1985, №1, с.27.
39. В.В. Кушин, П.А. Федотов // Письма в ЖТФ.
1978, т.4, с.258.
40. В.В. Кушин, Б.П. Мурин, П.А. Федотов // ПТЭ.
1981, №2, с.25.
41. A.I. Balabin, G.N. Kropachev, I.O. Parshin,
D.G. Skachkov // Proc. of the 1993 Particle Accel-
erator Conference. v.5, p.3675.
42. R.M. Mobley, I.I. Brodowski et al. // IEEE Trans-
actios on Nuclear Science. 1981, v.NS-28, ¹2,
p.1500.
43. G. Gammel, I. Brodowski, J. Keane et al. // IEEE
Transactios on Nuclear Science. 1981, v.NS-28,
№3, p.3482.
44. В.В. Васильев, В.П. Зубовский, В.В. Кушин и
др. // Научная сессия МИФИ – 2004. М.: МИФИ.
2004, т.7, с.195.
45. T.P. Wangler // High-Current, high-brightness and
high-duty fact. ion injectors workshop. Sun Diego,
May, 21-28. New York. 1986.
LINEAR RESONANT ION ACCELERATORS WITH FOCUSING BY ACCELERATING FIELD
V.K. Baev, N.M. Gavrilov
In the framework of a brief review the main results obtained at Moscow Engineering Physics Institute are pre-
sented. They are dedicated to the development, design and starting into operation of accelerators with particle focus-
ing by axially symmetric accelerating field.
ЛІНІЙНІ РЕЗОНАНСНІ ПРИСКОРЮВАЧІ ІОНІВ З ФОКУСУВАННЯМ ПРИСКОРЮЮЧИМ
ПОЛЕМ
___________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 4.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (4), с. 135-137. 132
В.К. Баєв, М.М. Гаврилов
У рамках короткого огляду приведені основні результати, отримані в Московському інженерно-
фізичному інституті при розробці, проектуванні і запуску прискорювачів з фокусуванням прискорюючим
аксіально симетричним полем.
______________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 4.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (4), с.130-132.133
с фокусировкой ускоряющим полем
В.К. Баев, Н.М. Гаврилов
Московский инженерно-физический институт
115409, Москва, Каширское шоссе, 31, Россия
литература
|