RU2152143C1

RU2152143C1 - Quadruple accelerating structure

Info

Publication number: RU2152143C1
Application number: RU95112299A
Authority: RU
Inventors: В.И. Петров
Priority date: 1995-07-18
Filing date: 1995-07-18
Publication date: 2000-06-27

Abstract

FIELD: accelerating equipment, in particular, ion beam accelerators. SUBSTANCE: device has housing and electrodes, which have inner hollows and axial longitudinal shape, which conforms to quasi- periodic function and provides accelerating-focusing channel consisting of accelerating cells. Electrode hollows contains and fix pole members, which provide quadruple magnetic lenses, so that each accelerating cells has no more than one magnetic lens, which geometric longitudinal center is spaced from quadruple symmetry plane of accelerating cells along direction accelerated beam by distance of Δ_z = β_nλφ_sn/2π, where β_n is mean velocity of accelerated particles in n-th accelerating cell with respect to speed of light, λ is working wavelength, φ_sn is synchronous phase of n-th accelerating cell. Lens length is not greater than length of this accelerating cell. Lenses corresponding to adjacent accelerating cells are turned about each other by right angle in order to provide opposite phase reaction to beam. EFFECT: increased focusing forces, , which effect accelerated beam, decreased cross size of beam. 8 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано в устройствах ускорения ионных пучков. The invention relates to the field of accelerator technology and can be used in ion beam acceleration devices.

Одной из серьезных проблем, возникающих при создании ускоряющих структур на основе высокочастотной квадруполи, является проблема увеличения фокусирующих сил, действующих на ускоряемый пучок. One of the serious problems that arise when creating accelerating structures based on a high-frequency quadrupole is the problem of increasing focusing forces acting on the accelerated beam.

Известно предложение об установке твердотельных постоянных магнитных квадрупольных линз в ускоряющую структуру на основе высокочастотной квадруполи [1] . В данной работе представлены результаты численного моделирования динамики пучка, целью которого являлась проверка возможности увеличения фокусирующих сил, действующих на пучок за счет добавления магнитных линз. Имитировалось воздействие линзами, расположенными вдоль ускоряюще- фокусирующего канала, примыкающими друг к другу и имеющими одинаковые продольные протяженности, значение длины магнитных линз было выбрано таким, чтобы оно превышало протяженность любой ускоряющей ячейки. There is a proposal to install solid-state permanent magnetic quadrupole lenses in an accelerating structure based on a high-frequency quadrupole [1]. This paper presents the results of a numerical simulation of the beam dynamics, the purpose of which was to test the possibility of increasing the focusing forces acting on the beam by adding magnetic lenses. The effect was simulated by lenses located along the accelerating focusing channel adjacent to each other and having the same longitudinal lengths; the length of the magnetic lenses was chosen so that it exceeded the length of any accelerating cell.

Согласно выводам авторов этой работы, рассмотренное решение не позволило справиться с поставленной ими задачей, так как под действием дополнительных фокусирующих сил уменьшился лишь среднеквадратический радиус пучка, в то время как ожидаемого уменьшения огибающей пучка не произошло. According to the conclusions of the authors of this work, the solution considered did not allow them to cope with their task, since under the influence of additional focusing forces only the rms radius of the beam decreased, while the expected decrease in the envelope of the beam did not occur.

Известна квадрупольная ускоряющая структура, содержащая корпус и электроды, имеющие внутренние полости и приосевой продольный профиль, выполненный по квазипериодическому закону и образующий ускоряюще-фокусирующий канал, состоящий из ускоряющих ячеек [2]. Ускоряюще-фокусирующее поле в такой структуре формируется в приосевой области с помощью четырех электродов, имеющих квазипериодическую модуляцию. Среднее значение фокусирующей силы на периоде фокусировки, при заданных значениях модуляции и среднего расстояния электродов от оси, определяется амплитудным значением межэлектродного потенциала. Увеличивая амплитудное значение межэлектродного потенциала, можно увеличить фокусирующую силу, действующую на пучок. Known quadrupole accelerating structure containing a housing and electrodes having internal cavities and an axial longitudinal profile made according to a quasiperiodic law and forming an accelerating-focusing channel consisting of accelerating cells [2]. An accelerating focusing field in such a structure is formed in the axial region using four electrodes having quasiperiodic modulation. The average value of the focusing force on the focusing period, for given values of modulation and the average distance of the electrodes from the axis, is determined by the amplitude value of the interelectrode potential. By increasing the amplitude value of the interelectrode potential, one can increase the focusing force acting on the beam.

В силу указанной зависимости максимальное значение фокусирующей силы ограничено предельным значением электрического поля, при котором происходит пробой в межэлектродном зазоре. То есть, дальнейшее увеличение сил фокусировки средствами рассматриваемой конструкции оказывается невозможным. Кроме того, условия согласования пучка в рассматриваемой структуре часто требуют, чтобы коррекция фокусирующих сил осуществлялась отдельно во взаимно перпендикулярных направлениях от оси к униполярным электродам, что трудно достигнуть, формируя ускоряюще-фокусирующее поле только геометрией электродов и резонатора. By virtue of this dependence, the maximum value of the focusing force is limited by the limiting value of the electric field at which breakdown occurs in the interelectrode gap. That is, a further increase in focusing forces by means of the structure in question is impossible. In addition, the conditions for matching the beam in the structure under consideration often require that the focusing forces are corrected separately in mutually perpendicular directions from the axis to the unipolar electrodes, which is difficult to achieve by forming an accelerating-focusing field only by the geometry of the electrodes and the resonator.

Изобретение решает задачу увеличения фокусирующих сил, действующих на ускоряемый пучок в квадрупольных ускоряющих структурах линейных ускорителей. The invention solves the problem of increasing the focusing forces acting on the accelerated beam in quadrupole accelerating structures of linear accelerators.

Данная задача достигается в конструкции квадрупольной ускоряющей структуры, которая содержит корпус и электроды, имеющие внутренние полости и приосевой продольный профиль, выполненный по квазипериодическому закону и образующий ускоряюще-фокусирующий канал, состоящий из ускоряющих ячеек, согласно изобретению, в полости электродов вложены и закреплены полюсные элементы, образующие квадрупольные магнитные линзы, так, что на одну ускоряющую ячейку приходится не более одной магнитной линзы, геометрический продольный центр которой расположен на расстоянии Δ_z= β_nλφ_sn/2π за плоскостью квадрупольной симметрии ускоряющей ячейки по ходу ускоряемого пучка, где β_n -средняя скорость ускоряемых частиц в ускоряющей ячейке с номером n, отнесенная к скорости света, λ - длина волны рабочего типа колебаний, φ_sn - синхронная фаза ускоряющей ячейки с номером n, причем, длина линзы меньше или равна длине этой ускоряющей ячейки, а линзы, соответствующие соседним ускоряющим ячейкам, повернуты относительно друг друга на прямой угол для обеспечения противофазного воздействия на пучок.This task is achieved in the construction of a quadrupole accelerating structure, which contains a housing and electrodes having internal cavities and an axial longitudinal profile made according to a quasiperiodic law and forming an accelerating-focusing channel, consisting of accelerating cells, according to the invention, pole elements are embedded and fixed in the electrode cavity forming quadrupole magnetic lenses, so that no more than one magnetic lens has one accelerating cell, the geometric longitudinal center of which is located dix distance _{_{_{Δ z = β n λφ sn /}}} 2π quadrupole symmetry plane for accelerating cell during the accelerated beam, where β _n is the average speed of particles being accelerated in the accelerating cell with n number divided by the speed of light, λ - length of the working oscillation wave type , φ _sn is the synchronous phase of the accelerating cell with number n, moreover, the length of the lens is less than or equal to the length of this accelerating cell, and the lenses corresponding to neighboring accelerating cells are rotated relative to each other at right angles to provide antiphase effects on the beam.

Частными случаями выполнения изобретения являются:
- приосевой продольный профиль электродов квадрупольной ускоряющей структуры выполнен по квазисинусоидальному закону,
- приосевой продольный профиль электродов квадрупольной ускоряющей структуры выполнен по квазитрапецеидальному закону,
- магнитные линзы квадрупольной ускоряющей структуры расположены группами по n штук, где n может меняться в диапазоне от 2 до N, M - число ускоряющих ячеек в структуре,
- в группе линз квадрупольной ускоряющей структуры, полюсные элементы, принадлежащие одному электроду, снабжены подложкой,
- у магнитных линз квадрупольной ускоряющей структуры, имеющих длины, равные длинам соответствующих ускоряющих ячеек, и примыкающих друг к другу в продольном направлении, полюсные элементы связаны друг с другом и с подложкой клеевым соединением,
- в подложке квадрупольной ускоряющей структуры выполнены резьбовые отверстия для осуществления позиционирования и фиксации связанной с ней группы полюсных элементов в полости электрода с помощью крепежа,
- каждый электрод квадрупольной ускоряющей структуры выполнен из двух частей: приосевой части и части, контактирующей с корпусом, в приосевой части электрода выполнена полость для установки магнитных линз, приосевая часть надета на выступ части, контактирующей с корпусом, и эти части позиционированы относительно друг друга штифтами и зафиксированы крепежом.Particular cases of the invention are:
- axial longitudinal profile of the electrodes of the quadrupole accelerating structure is made according to the quasi-sinusoidal law,
- axial longitudinal profile of the electrodes of the quadrupole accelerating structure is made according to the quasi-trapezoidal law,
- magnetic lenses of a quadrupole accelerating structure are arranged in groups of n pieces, where n can vary in the range from 2 to N, M is the number of accelerating cells in the structure,
- in the group of lenses of the quadrupole accelerating structure, the pole elements belonging to one electrode are provided with a substrate,
- for magnetic lenses of a quadrupole accelerating structure having lengths equal to the lengths of the corresponding accelerating cells and adjacent to each other in the longitudinal direction, the pole elements are connected to each other and to the substrate by an adhesive joint,
- threaded holes are made in the substrate of the quadrupole accelerating structure for positioning and fixing the group of pole elements associated with it in the electrode cavity using fasteners,
- each electrode of the quadrupole accelerating structure is made of two parts: the axial part and the part in contact with the housing, a cavity for installing magnetic lenses is made in the axial part of the electrode, the axial part is worn on the protrusion of the part in contact with the housing, and these parts are positioned relative to each other by pins and fixed with fasteners.

Возможна также установка в некоторых ускоряющих ячейках (или в их группах) дипольных магнитных линз так, что образуется комбинированная структура, содержащая в разных ячейках квадрупольные или дипольные линзы. It is also possible to install dipole magnetic lenses in some accelerating cells (or in their groups) so that a combined structure is formed containing quadrupole or dipole lenses in different cells.

Техническим результатом, возникающим в результате использования изобретения, является уменьшение поперечных размеров пучка, группирование пучка при более высоком темпе ускорения (что позволяет уменьшить габариты структуры), предотвращение роста поперечных размеров пучка в процессе продольной группировки при повышенном темпе ускорения и, как следствие, уменьшение отсева частиц на стенки структуры. The technical result arising from the use of the invention is to reduce the transverse dimensions of the beam, group the beam at a higher acceleration rate (which allows to reduce the dimensions of the structure), prevent the growth of the transverse dimensions of the beam in the process of longitudinal grouping with an increased rate of acceleration and, as a consequence, reduce the dropout particles to the walls of the structure.

Изобретение поясняется чертежами, где на фигуре 1 изображены поперечное и продольное сечения квадрупольной ускоряющей структуры, фигура 2 отображает поперечное сечение ускоряющей структуры в плоскости установки дипольных линз, фигура 3 поясняет продольное позиционирование магнитных линз относительно ускоряющих ячеек с трапецеидальной модуляцией, фигура 4 демонстрирует продольное позиционирование линз относительно ускоряющих ячеек с синусоидальной модуляцией, на фигуре 5 отображена группа магнитных квадрупольных линз, расположенных с зазором относительно друг друга, на фигуре 6 представлено в увеличенном масштабе поперечное сечение электрода, соответствующего электродам, изображенным на фигуре 1, на фигуре 7 представлено поперечное сечение составного электрода. На фигуре 8 приведены диаграммы, поясняющие работу структуры. На фигуре 9 указаны направления X и Y, в которых возможна независимая корректировка фокусирующих сил с помощью дипольных линз. The invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a cross-section and a longitudinal section of a quadrupole accelerating structure, Fig. 2 shows a cross-section of an accelerating structure in the plane of installation of dipole lenses, Fig. 3 illustrates a longitudinal positioning of magnetic lenses relative to accelerating cells with trapezoidal modulation, Fig. 4 shows a longitudinal positioning of lenses relatively accelerating cells with sinusoidal modulation, figure 5 shows a group of magnetic quadrupole lenses located with a gap relative to each other, Figure 6 is an enlarged cross-sectional view of the electrode corresponding electrodes depicted in Figure 1, Figure 7 is a cross-sectional view of the composite electrode. The figure 8 shows a diagram explaining the operation of the structure. The figure 9 shows the directions of X and Y, in which it is possible to independently adjust the focusing forces using dipole lenses.

Квадрупольная ускоряющая структура состоит из корпуса 1 и четырех сходящихся к оси электродов 2, образующих резонаторный объем (фиг. 1). Электроды снабжены квадрупольными магнитными линзами 3, установленными вплотную друг к другу и размещенными двумя группами 4, 5 вдоль структуры. Линзы изготавливаются с ясно выраженными полюсами из редкоземельных металлов (например, SmCo₅ или др. ) Полюсные элементы магнитных линз скреплены между собой и прикреплены к подложке 6, объединяющей группу линз. Фиксация группы линз в полости электрода осуществляется с помощью крепежа 7 (например, винтов или болтов). Продольное позиционирование дипольных линз выполняется такими же элементами 6, 7, как и для квадрупольных линз. Длина магнитной линзы L_m (фиг. 3) равна длине ускоряющей ячейки L_a, продольный центр магнитной линзы смещен за плоскость квадрупольной симметрии ускоряющей ячейки на расстояние Δ_z= β_nλφ_sn/2π по ходу пучка. В случае, когда длины магнитных линз короче длин ускоряющих ячеек, в зазоры, возникающие между линзами, могут быть вставлены диэлектрические прокладки 8 (фиг. 5). В конструкции составного электрода (фиг. 7) полюсные элементы магнитных линз 3 располагают в приосевой части электрода 11, приосевая часть электрода фиксируется относительно основания электрода 10 с помощью крепежа 7 и штифтов 9.The quadrupole accelerating structure consists of a housing 1 and four electrodes 2 converging to the axis 2, forming a resonator volume (Fig. 1). The electrodes are equipped with quadrupole magnetic lenses 3 mounted close to each other and placed by two groups 4, 5 along the structure. Lenses are made with clearly defined poles of rare-earth metals (for example, SmCo ₅ or others). The pole elements of magnetic lenses are bonded to each other and attached to the substrate 6, uniting a group of lenses. Fixing a group of lenses in the electrode cavity is carried out using fasteners 7 (for example, screws or bolts). The longitudinal positioning of dipole lenses is performed by the same elements 6, 7 as for quadrupole lenses. The length of the magnetic lens L _m (Fig. 3) is equal to the length of the accelerating cell L _a , the longitudinal center of the magnetic lens is shifted beyond the plane of quadrupole symmetry of the accelerating cell by a distance Δ _z = β _n λφ _sn / 2π along the beam. In the case when the lengths of the magnetic lenses are shorter than the lengths of the accelerating cells, dielectric spacers 8 can be inserted into the gaps between the lenses (Fig. 5). In the construction of the composite electrode (Fig. 7), the pole elements of the magnetic lenses 3 are located in the axial part of the electrode 11, the axial part of the electrode is fixed relative to the base of the electrode 10 using fasteners 7 and pins 9.

Структура работает следующим образом. The structure works as follows.

В резонаторном объеме, образованном внутренней поверхностью корпуса 1 и поверхностями электродов 2, возбуждаются электромагнитные колебания, которые позволяют сформировать в приосевой области ускоряюще-фокусирующее поле с межэлектродной разностью потенциалов U_L(φ) (фиг. 8), где φ = ωt - фаза высокочастотного поля ( ω - круговая частота рабочей моды, t - время). Одновременно с этим полем в приосевой области существуют поля, образованные квадрупольными магнитными линзами, которые порождают фокусирующие силы F_X, F_Y (фиг. 8) в направлениях X и Y (фиг. 9). Ускоряемый пучок заряженных частиц вводится в приосевую область, где происходит его формирование в поле, образованном пространственно-временным совмещением переменного во времени ускоряюще-фокусирующего поля, возбуждаемого в резонаторном объеме, и постоянных во времени полей магнитных квадрупольных линз 3. На поясняющих диаграммах (фиг. 8) вертикальные пунктирные линии соответствуют фазе перехода межэлектродного потенциала через нулевое значение и одновременно моменту перехода через нулевое значение фокусирующих сил F_X, F_Y, создаваемых магнитными линзами в направлениях X и Y в поперечной плоскости, перемещающейся вместе с синхронной частицей (практически в эти моменты синхронная частица пересекает плоскости соприкосновения расположенных вплотную соседних линз). Таким образом, магнитное поле в апертуре линз действует на пучок ускоряемых частиц синхронно с фокусирующей компонентой электромагнитного поля резонаторного объема, усиливая эффект "жесткой фокусировки" (линзы включены противофазно друг с другом). Дипольные линзы, позиционированные в продольном направлении аналогичным образом, позволяют корректировать величину фокусирующих сил отдельно в направлениях X и Y (фиг. 2, фиг. 9).In the resonator volume formed by the inner surface of the housing 1 and the surfaces of the electrodes 2, electromagnetic waves are excited that allow the formation of an accelerating-focusing field with an interelectrode potential difference U _L (φ) in the axial region (Fig. 8), where φ = ωt is the high-frequency phase fields (ω is the circular frequency of the working mode, t is time). Simultaneously with this field in the axial region there are fields formed by quadrupole magnetic lenses that generate focusing forces F _X , F _Y (Fig. 8) in the X and Y directions (Fig. 9). An accelerated beam of charged particles is introduced into the axial region, where it is formed in a field formed by the spatiotemporal combination of a time-varying accelerating-focusing field excited in the resonator volume and time-constant fields of magnetic quadrupole lenses 3. In the explanatory diagrams (Fig. 8) the vertical dashed lines correspond to the phase of the transition of the interelectrode potential through the zero value and at the same time the moment of the transition through the zero value of the focusing forces F _X , F _Y , which creates magnetic lenses in the X and Y directions in the transverse plane moving together with the synchronous particle (practically at these moments, the synchronous particle crosses the contact planes of adjacent adjacent lenses). Thus, the magnetic field in the lens aperture acts on the beam of accelerated particles synchronously with the focusing component of the electromagnetic field of the resonator volume, enhancing the effect of "hard focusing" (lenses are switched in antiphase with each other). Dipole lenses, positioned in the longitudinal direction in a similar way, allow you to adjust the magnitude of the focusing forces separately in the X and Y directions (Fig. 2, Fig. 9).

Согласно оценкам, приведенным в работе [3], дополнение структуры с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой магнитными квадрупольными линзами заметно расширяет возможности формирования пучка и может способствовать созданию более компактных ускоряющих секций. According to the estimates given in [3], the addition of a structure with spatially uniform quadrupole focusing by magnetic quadrupole lenses significantly expands the possibilities of beam formation and can contribute to the creation of more compact accelerating sections.

Источники информации
1. W.P.Lysenko and T.F.Wang, Permanent magnet quadrupoles in RFQ LINACS, IEEE Transaction on Nuclear Science, Vol. NS-32; 5, October 1985, p. 2582-2584.Sources of information
1. WPLysenko and TFWang, Permanent magnet quadrupoles in RFQ LINACS, IEEE Transaction on Nuclear Science, Vol. NS-32; 5, October 1985, p. 2582-2584.

2. Авторское свидетельство N 1144608 A2, кл. H 05 H 9/04, 28.02.89 г. 2. Copyright certificate N 1144608 A2, cl. H 05 H 9/04, 02/28/89

3. В.И.Петров. Результаты оценочных расчетов динамики пучка в ускоряюще-фокусирующем канале на основе структуры с ПОКФ и магнитных квадрупольных линз - Препринт НИИЭФА П-0933, Москва, ЦНИИатоминформ, 1995 г. (подписано в печать 27.01.95 г.)ы 3. V.I. Petrov. Results of evaluative calculations of beam dynamics in an accelerating-focusing channel based on a structure with POKF and magnetic quadrupole lenses - Preprint NIIEFA P-0933, Moscow, Central Research Institute of Atominform, 1995 (signed on January 27, 1995)

Claims

1. Quadrupole accelerating structure comprising a housing and electrodes having internal cavities and an axial longitudinal profile made according to a quasiperiodic law and forming an accelerating-focusing channel consisting of accelerating cells, characterized in that the pole elements are formed and fixed in the cavity of the electrodes, forming quadrupole magnetic lenses, so that one accelerating cell has no more than one magnetic lens, the geometrical longitudinal center of which is located at a distance _{_{_{Δ z = β n λφ sn /}}} 2π for plane quadrupole symmetry accelerating cells during the accelerated beam, where β _n - average speed of particles being accelerated in the accelerating cell with n number divided by the speed of light, λ - length of the working mode of oscillation wavelength, φ _n - synchronous phase accelerating cell with n number, the length the lenses are less than or equal to the length of this accelerating cell, and the lenses corresponding to adjacent accelerating cells are rotated relative to each other at a right angle to provide antiphase effects on the beam.

2. The structure according to claim 1, characterized in that the axial longitudinal profile of the electrodes is made according to a quasi-sinusoidal law.

3. The structure according to claim 1, characterized in that the axial longitudinal profile of the electrodes is made according to the quasi-trapezoidal law.

4. The structure according to claim 1, or 2, or 3, characterized in that the lenses are arranged in groups of n pieces, where n can vary in the range from 2 to N, N is the number of accelerating cells in the structure.

5. The structure according to claim 4, characterized in that in the group of lenses the pole elements belonging to one electrode are provided with a substrate.

6. The structure according to p. 5, characterized in that for magnetic lenses having lengths equal to the lengths of the corresponding accelerating cells and adjacent to each other in the longitudinal direction, the pole elements are connected to each other and to the substrate by an adhesive joint.

7. The structure according to claim 5, characterized in that threaded holes are made in the substrate for positioning and fixing the group of pole elements associated with it in the electrode cavity using fasteners.

8. The structure according to claim 1 or according to any one of claims 2 to 7, characterized in that each electrode is made of two parts: a paraxial part and a part in contact with the housing, a cavity for installing magnetic lenses is made in the paraxial part of the electrode, the paraxial part put on the protrusion of the part in contact with the housing, and these parts are positioned one relative to the other with pins and fixed with fasteners.