SU1748295A1 - Способ согласовани пучка зар женных частиц с высокочастотным ускор юще-фокусирующим каналом - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к ускорительной технике. Цель изобретени  уменьшение потерь пучка - достигаетс  воздействием на пучок аксиально- симметричным высокочастотным полем, амплитуды напр женности пространственных гармоник которого удовлетвор 7Z р ют выражению Е (Z) EQn sin (г-), где Еф,, - амплитуда n-й гармоники пол  в пролетном канале ускорител ; L - длина участка согласовани ; Z - продольна  координата, отсчитываема  от начала согласующего участка; р - показатель степени, фиксированный дл  выбранного варианта, причем р « 1 - 3. Осуществление новых услбвий формировани  пучка позвол ет увеличить ускоренный ток в 1,3 - 1 Л раза по сравнению с прототипом и расширить возможности реализации способа, ликвидировав зависимость оптимальной длины участка согласовани  от длины периода фокусировки в пролетном канале ускорител . 6 ил. VJ 4 00 ю о ел

Description

Изобретение относитс  к ускорительной технике, а точнее к способам согласовани  пучков зар женных частиц с каналом в линейных резонансных ус корител х ионов с фокусировкой частиц несинхронными пространственными гармониками высокочастотного (ВЧ) аксиально-симметричного электрического пол .

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано при разработке и создании малогабаритных ускорителей ионов дл  ионной имплантации и материаловедческих исследований .

Известен способ согласовани  пучка зар женных частиц с пролетным

каналом в ускорител х с пространственно-однородной квадрулольной фокусировкой , заключающийс  в том, что пучок зар женных частиц на начальном согласующем отрезке структуры подвергают воздействию поперечного ВЧ электрического пол  с квадрупольной симметрией, жесткость фокусировки которого измен етс  вдоль согласующего участка по закону K(z) « « ( i 2/2L), где K| - жесткость фокусировки в пролетном канале ускорител ; 2 - продольна  координата, отсчитываема  от входа участка согласовани  длиной L; р - коэффициент, целочисленное значение которого равно 2 или 3. Данный способ позвол ет решить задачу согласовани  поперечного фазового объема пучка с квадрупольным ВЧ-каналом, однако не может быть применен в ускорите- л х с Аокусировкой частиц несинхронными пространственными гармониками ВЧ электрического пол , в которых помимо необходимости согласовани  пучка по поперечным координатам од новременно требуетс  осуществление ВЧ-согласовсЖи  пучка с каналом по продольному движению. Под ВЧ-согла- сованием пучка с каналом по продольному движению здесь и далее подразумеваетс  обеспечение таких условий инжекции пучка с нулевым продольным (Ьазовым объемом в сепаратрису продольного движени , при которых средние скорости всех частиц пучка оказываютс  равными средней скорости равновесной частицы.

Наиболее близким к изобретению  вл етс  способ согласовани  пучка с каналом в ускорителе с фокусировкой частиц несинхронными пространст - венными гармониками ВЧ аксиально- симметричного электрического пол , заключающийс  в том, что пучок зар  женных частиц н§ согласующем участке ускор ющей структуры, имеющем длину, равную половине длины периода фокусировки в пролетном канале, и расположенном непосредственно перед входом в ускор юще-фокусирующий канал , подвергают воздействию осесим-j метричного высокочастотного электрического пол , амплитуды пространственных гармоник которого вдвое меньше амплитуд гармоник в пролетном канале ускорител .

7 8295

Недостаток способа согласовани  пучка с каналом заключаетс  в том, что максимальное значение параметра

с согласовани  пучка по поперечному движению, имеющего физический смысл коэфсЬициента захвата частиц по поперечным координатам при предельно допустимом дл  данной фазовой плотЮ ности тока эмиттансе пучка, ограничено величиной 60 - 70%. Данное ограничение параметра согласовани  обусловлено характером движени  пучка на согласующем участке, причем

15 увеличение жесткости фокусировки в канале сопровождаетс  уменьшением параметра согласовани .

Целью изобретени   вл етс  увеличение параметра согласовани , а

20 следовательно, уменьшение потерь пуч- ка в пролетном канале ускорител .

Поставленна  цель достигаетс  i тем, что согласно предлагаемому способу обеспечивают новые услови  фор , мировани  пучка под действием ВЧ- пол , дл  чего амплитуды пространственных гармоник напр женности элект рического пол  на участке согласовани  измен ют по закону

30 Eft(Z) EonsinP z/ D/ (1)

где EQn - амплитуда n-й пространственной гармоники напр жен ности ВЧ электрического 35 пол  в пролетном канале

ускорител ,

L - длина участка согласовани ;

z продольна  координата, 40 отсчитываема  от начала

согласующего участка; р - Фиксированное дл  выбранного варианта целочисленное значение, лежащее в 45 диапазоне р 1 - 3

25

0

5

s Предлагаемый закон изменени  амп литуд гармоник электрического пол  - позвол ет осуществить постепенное нарастающее воздействие на пучок быстроосциллирующей силы со стороны ВЧ-пол , привод щее к постепенному нарастанию модул ции огибающей пучка в поперечном направлении и модул ций продольной скорости частиц пучка так, что на входе в ускор ющий канал амплитуды и фазы данных модул ций приход т в соответствие с амплитудами и фазами колебаний,

характерных дл  согласованного пучка в пролетном канале ускорител . В отличив от скачкообразного изменени  амплитуд гармоник в способе-прототиг пе закон (1) позвол ет обеспечить независимость длины участка согласовани  от периода фокусировки в пролетном канале при более высоком значении параметра согласовани  (до 95%).

Выбор значени  показател  степени р определ етс -, в основном, удобством настройки ВЧ резонансной системы на заданное распределение пол . Нижн   граница р 1 соответствует распределению напр женности пол  на оси Н-резонатора со встречными штыр ми, равномерно нагруженного трубками дрейфа, и определ ют функцию, которую нетрудно реализовать на практике. Значени  р 2

и р 3 характеризуют распределение пол  с более резким изменением амплитуды; Выбор значени  р 3 нецелесообразен возрастани  сложностей в настройке ВЧ-дистемы на заданное распределение пол .

На фиг И приведено схематическое изображение устройства дл  осуществлени  предлагаемого способа согласо- вани  пучка с высокочастотным уско- р юще фокусирующим каналом Пролетный канал согласующего устройства образован последовательностью цилиндрических трубок дрейфа 1, разделенных промежутками и закрепленных на провод щих держател х 2, с помощью которых на трубки подаетс  разноименный высокочастотный потенциалiU, i 1,2,,J,N. Подача потенциала на трубки пролетного канала может быть осуществлена, например, путем размещени  пролетного канала в высокочастотной резонансной системе на основе Н-резонатора со встречными штыр ми, возбуждаемой с помощью ВЧ-. генератора. Участок согласовани  длиной L содержит некоторре число N

 чеек, кажда  из которых состо т из двух полутрубок и зазора между ними. В случае фокусировки частиц одной несинхронной пространственной гармоникой пол  длина  чеек L0 остаетс 

неизменной на участке согласовани . ГгГриосевой области согласующего устройства формируетс  электрическое ВЧ-поле, по спектральному составу

подобное полю в ускор юще-фокусирую- щем канале, однако амплитуды пространственных гармоник которого изме- с н ютс  вдоль оси z в соответствии с законом (1), Изменение амплитуд , гармоник можно осуществить, например , путем изменени  внутреннего диаметра трубок дрейфа либо посредством 0 изменени  величины разности потенциалов на зазорах согласующего устройства, либо одновременным варьированием диаметра и величины разнос ти потенциалов.

5 На фиг.2 представлены характерные зависимости изменени  величины приведенной скорости продольного движени  частиц пучка /3L , отнесенной к приведенной скорости инжек-ции частиц 0 пучка (Зс от продольной координаты z, отнесенной к длине  чейки пролетного канала 1С, при движении частиц на участке согласовани  и двух первых периодах фокусировки пролет- 5 ного канала ускорител . Зависимости построены по результатам численного решени  уравнени  продольной динамики частиц. Кривые, обозначенные цифрами 1 и 2, соответствуют частицам, 0 влетающим в пролетный канала ускорител  в фазах ВЧ-пол , равных значени м 0 и If/2 о Число зазоров согласующего устройства N 6, значение показател  степени р в законе (l) 5 изменени  амплитуды пол  р 1. Фокусировка частиц в пролетном канале ускорител  осуществл етс  одной пространственной гармоникой пол  с фазовой скоростью, равной удвоенной 0 средней скорости частиц. На длине периода фокусировки содержитс  две  чейки пролетного канала. Координата z/L0 6 соответствует стыку согласующего устройства и пролетного 5 канала ускорител .

На фиГоЗ представлены зависимости изменени  величины радиуса нормиро- , ванной огибающей пучка р в его сечени х , совершающих продольное дви- 0 жение на участке согласовани  и двух первых периодах фокусировки пролетного канала ускорител , от продольной координаты z, отнесенной к длине  чейки LЈ пролетного канала, Зависи- 5 мости построены по результатам чис, ленного решени  уравнени  дл  огибающей пучка совместно с уравнением продольного движени  частиц. Кривые обозначенные цифрами t и 2, соот

ветствуют .сечени м пучка с фазами входа-в пролетный канал ускорител , равными значени м 0 . Число за эорой согласующего устройства N 6 значение показател  степени р в законе (1) изменени  амплитуды пол  р « 1. Фокусировка частиц в пролетном канале ускорител  осуществл етс одной пространственнной гармоникой с фазовой скоростью, равной удвоенной средней скорости частиц. На дли не периода фокусировки содержитс  две  чейки пролетного канала. Коордната z/L0 6 соответствует стыку согласующего устройства и пролетного канала ускорител . Значение велН чины набега фазы поперечных колебаний частиц на периоде фокусировки составл ет 60 . Зависимости построены дл  случа  нулевой фазовой плотности тока пучка.

На фиг.k приведены зависимости параметра согласовани  по поперечному движению Ј от величины фазовой плотности тока пучка j . Цифрой.

1обозначена зависимость построенна  дл  случа , когда значение показател  степени р в закон.е (1) распределени  амплитуды пол  на участк согласовани  р 2. Число  чеек на

согласующем участке N 10. Цифрой

2обозначена зависимость, характеризующа  изменение параметра от фазовой плотности тока j в способе- прототипе. При этом согласующий участок содержит одну  чейку. Зависимости построены по результатам численного решени  уравнени  дл  огибающей пучка совместно с уравнением продольного движени  частиц. Период фокусировки в пролетном канале ускорител  содержит две  чейки , а значение величины набега фазы поперечных колебаний на периоде фокусировки равно 60°.

. Способ согласовани  пучка зар женных частиц о каналом ускорител  осуществл етс  следующим образом На трубки дрейфа согласующего устройства (фиг.1) параметры которого выбраны так, чтобы амплитуды пространственных гармоник напр женности электрического пол  на участке сог ласовани  удовлетвор ли условию (t) подают высокочастотные потенциалы, затем во входное сечение согласующего устройства с координатой z « О

15

20

25 ,

с ю

0

инжектируют пучок зар женных частиц. Пучок в процессе движени  вдоль оси z согласующего устройства подвергаетс  воздействию ВЧ-пол , сформи- рованного в приосевой области устройства согласовани  так, что на вьи ходе согласующего участка его параметры соответствуют параметрам пучка , согласованного с пролетным ка налом ускорител .

Если фокусировка пучка в пролетном канале ускорител  осуществл етс  од.- ной несинхронной пространственной гармоникой ВЧ электрического пол  с посто нной распространени  К2, циклической частотой б00 и амплитуддй , Е0, параметры согласующего устройства выбирают таким образом, чтобы на его оси распределение напр женности электрического пол  удовлетвор ло соотношению

. P/Jzv j-. rin (2L}

E(a,t) Eflsin ()sin()coa(aot,

1, 2, 3.

X2)

0

1 Асимптотическое решение уравнени  продольной динамики частицы пучка в согласующем устройстве, инжектируемой в сечение z 0 с приведенной; скоростью |3Б в момент времени t0, когда фаза пол  имеет значение может быть представлено в

1 следующей форме:

. Ј

1п7с&г 1 Ґз1пГссч:KZкг 1П L 2кгь Jl L ч

-4)0)(Cf-cf0) (3.1)

ps(-e2gWp rj{c6s G

-ЧЈ) |llc6P G(()+4i . (3.2)

где (j COet - текуща  фаза ВЧ-пол ; . G Vg/V - отношение скорости

инжекции частицы к фазовой скорости гармо - ники; v - ЯДг;

§ti, « параметр

2у/

длина волны .

ВЧ-колебаний; , рел тивистский

фактор;

энерги  поко 

частиц.

Формулы (3.1) и (3.2) справедливы , когда число  чеек согласующего устройства N удовлетвор ет условию Полученное решение представ- лено в виде суперпозиции равномерного поступательного движени  частицы с приведенной скоростью и осцилл  тивного движени  с нарастающей по мере движени  вдоль оси z амплитудой колебаний.

Дл  достижени  максимального коэффициента захвата пучка по продолному движению необходимо на участке согласовани  осуществить такой разброс скоростей, который соответствует модул ции продольной скорости частиц согласованного пучка под дейсвием пол  несинхронной пространственной гармоники в пролетном канале ускорител :

|Wp5{1-egi4C°S( -С) + f;{c6s(KzL Kpex)j}; (4)

где р 6Х- фаза пол  в момент инжек- ции частицы в начало пролетного кайала ускорител  г L;

Ропт оптимальна  приведенна  скорость частиц на входе ускорител .

Выражение (4) получено путем решени  уравнени  продольного движени  частиц согласованного пучка в периодическом пролетном канале ускорител  При Ц Срв формула (3.2) совпадает с формулой (k), поскольку G(CfM- -Ср0-)л . Это означает, что распределение напр женности электрического пол  в согласующем устройстве в-соответствии с-законом (2) обеспечивает требуемые услови  согласовани  пучка с каналом по продольной координате. Данный вывод подтверждаетс  результатами численного моделировани , представленными на.фиг.20 Видно, как на участке согласовани  колебани  скорости продольного движени  частиц нарастают и при z/L0 6 станов тс  периодическими , что свидетельствует о сог- ,ласовании пучка с каналом по продольной координате.

Асимптотическое решение дл  нормированной огибающей пучка р в согласующем устройстве может быть записано в виде:

pU,Cf)p((f)l+|sinP (|)cos(K2z - Чр) + )2cos(K2z-Kf)j j (5.1)

dPizj lкл.чСС-1 . .Г . ,„ dCf -pftffcT8 1 (-2L)LSin(K2z- f +§;{ sin (Kui+(j), (5.2)

где р (if) - усредненна  нормированна  -, огибающа  пучка, удовлетвор юща  уравнению

- $ V-rpi ««

а j/j,

30 V

G(CP-Cf0)

к;

2Д

Мс-О

5

25

Р

Р ,t,

ILein cgX HG-)1,

R

где Р а теттт

I/V

где R VH

-радиус огибающей;

-нормализованный эмиттанс пучка:

3,13-10 A/Z - характеристи

ческий ток пучка (А); A,eZ - массовое число и зар д

ионов; I - ток пучка.

Как видно из формул (5.1), (5.2), (6), решение уравнени  дл  огибающей пучка на согласующем участке представлено в виде суперпозиции усредненной огибающей 5 (if) и .быстроосцил- лирующей добавки, пропорциональной амплитуде напр женности ВЧ электрического пол . На входе согласующего устройства осцилл тивна  добавка равна нулю и решение характеризует- „с  только медленной компонентной p(tp). Начальные услови  дл  согла

сованного с ускор юще-фокусирующим каналом пучка в сечении z « L могут быть представлены в виде:

р(Ь,ф - fl+f coe() +

(7.1)

Ж (|)«cos(K,L +lf)} ;

vG+r

«&Јй- . -ffi irsin (KIL

ОЧTljllo «.г

-If) + g|ein(K2L+(f3,

(Л2)

где F(h)

«,

i/2|&6;

--pl3(1+G2) - набег фазы по- перечных колебаний на периоде фокусировки в пролетном канале ускорител .

Сшива  решение (5.1 У, (5.2) при z - L с начальными услови ми дл  согласованного пучка 47.1) и (7i2), получим равенство

F(L) /й ,ч

TSf 8%1J J(o

выполнение которого в сечении перехода от согласующего участка к пролетному каналу ускорител  (г L  вл етс  необходимым условием осуществлени  согласовани  пучка с каналом . Заметим, что поскольку -усредненный радиус огибающей согласованнго пучка в пролетном канале ускорител  стационарен, в сечении z L величина р (tf) удовлетвор ет также соотношению

Kfrri L

Р Ж

«Ш . о. (8.2) dip

Путем интегрировани  уравнени  (6) на отрезке от z « L до is О с начальным услови ми (8.1), (8.2) можно найти значени  радиуса и накл на усредненной огибающей на входе согласующего устройства, определ ющие оптимальные услови  инжекции пу ка в сечении z ь 0. Отметим, что коэффициенты уравнени  (6) не имеют  вной зависимости от фазы пол  If, a врем  пролета согласующего участка, в среднем, одинаково дл  всех части Поэтому услови  (8,1) и (8.2), характеризующиес  свойством независимости усредненной огибающей 1J от фазы пол  на выходе согласовател , обуславливает независимость пара метров усредненной огибающей от фазы на входе согласующего участка. Так как огибающа  усредненного движ ни  полностью характеризует решение на входе устройства согласовани 1, оптимальные услови  инжекции пучка г гемении z « 0 не завис т от фазы

5

0

5

пол , что и обеспечивает согласование стационарного фазового объема пучка инжектора с ВЧ ускор юще- фиксирующим каналом по поперечным координатам. Таким образом, под действием ВЧ электрического пол  с л нарастающей по закону (1) амплитудой осуществл етс  постепенное уменьшение среднего радиуса огибающей Пучка, а также модул ци  радиуса и наклона огибающей так, что на входе в пролетный канал ускорител  (е - L) его параметры соответствуют параметрам пучка, согласованного с пролетным каналом.

Фиг.З демонстрирует процесс преобразовани  на согласующем участке стационарной огибающей пучка инжектора в периодическую огибающую согласованного пучка в пролетном канале ускорител .

Оценка эффективности предлагаемого способа согласовани  была проведена путем численного решени  уравнени  дл  огибающей пучка на участке согласовани  совместно с уравнением продольного движени  частиц пучка. Система уравнений решалась на отреза ке от входа в пролетный канал ускорител  z L До входа в согласователь z 0. Начальными услови ми дл  величины радиуса и наклона огибающей, а также величины приведенной скорости продольного движени  частиц служили, соответствующие периодическим решени м уо внений в регул рном пролетном канале, т.е. соответствующие согласованному с каналом пучку. Начальные услови  завис т от фазы ВЧ- пол  в момент старта частиц из сече- ни  z « L. Дл  данной фазовой плотности тока пучка параметром, характеризующим согласование пучка по по- г 5 .перечным координатам, может служить величина относительного перекрыти  представл ющих эллипсов пучка в сечении z « 0, соответствующих различным фазам пол  в момент старта частиц из сечени  z - L. Эту величину назовем параметром согласовани  Пучка с каналом по поперечному движению и обозначать буквой |Г. Предельное значение соответствующее наилучшим согласовани м по попеоечный координатам, равно 1. Параметром, характеризующим согласование пучка с каналом по продольному движению, может служить величина относительно0

5

0

0

5

го разброса скоростей продольного движени  частиц в сечении z О, стартующих из сечени  z L в разны фазах ВЧ-пол . Эту величину назовем параметром согласовани  пучка с каналом по продольному движению и обозначим через Ј% Предельное значение Ј, соответствующее наилучшим услови м согласовани  пучка по продольной координате, равно 0. В процессе численного моделировани  параметра Ј и Ј определ лись по четырем значени м характеристик пучка в сечении z 0, соответствующим стартовым значени м фазы пол  в сечении z L, равным 0,, . Проведенные расчеты показали (фиг.4 что в диапазоне величины фазовой плртности тока ,0 - 1 А/см-мрад величина параметра.., характерна  дл  предлагаемого способа согласовани  пучка с каналом, измен етс  в пределах 95 - 87%, что в 1,3 - 1,4 раза превышает значение параметра Г достижимое при использовании способа-прототипа . При этом значение парметра JJ дл  предлагаемого Способа согласовани  пучка с каналом составл ет 1,75%, а дл  способа-прототипа 2,4%. С увеличением величины жест кости фокусировки в пролетном кана- ле ускорител  значение параметра соласовани  |Г, обеспечиваемое при использовании способа-прототипа, падает , так как принцип его действи  основан на предположении о малости набега фазы поперечных колебаний на периоде фокусировки. Предлагаемый

5

способ согласовани  не имеет данного-, недостатка.

Claims (1)

1. 5 Формула изобретени 

   Способ согласовани  пучка зар женных частиц с высокочастотным ускор юще-фокусирующим каналом, заключающийс  в том, что на пучок зар -, женных частиц на согласующем участке ускор ющей структуры перед входом в ускор юще-фокусирующий канал воздействуют аксиально-симметричным высокочастотным полем, отличающийс  тем, что, с целью уменьшени  потерь пучка, амплитуды пространственных гармоник напр женности E(z) высокочастотного электрического пол  на участке согласо- вани  измен ют согласо следующему выражению:

   EhU) EonsinP(|f),

   5

   0

   5

   где Е

   - амплитуда n-й пространств i венной гармоники напр женности высокочастотного электрического пол  в пролетном канале, В/м; длина участка согласовани , м;

   продольна  координата, м, отсчитываема  от начала - согласующего участка; р - фиксированное дл  выбранного варианта целочисленное значение р 1 - 3«

   он

   L z

   1к

   V,

   -и

   -им

   -И

   и,

   I

   KM

   Р«

   94

   f,A/Ctt-npa9