ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 5-13
_ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО _
- ЭКСПЕРИМЕНТА -
УДК 539.125.4.03.621.3.038
ИНЖЕКТОР ДЛЯ МНОГОЛУЧЕВОГО УСКОРИТЕЛЯ ПРОТОНОВ
© 2004 г. Б. К. Кондратьев, В. В. Кушин, С. В. Плотников, А. В. Турчин, В. И. Турчин
ФГНЦ РФ "Институт теоретической и экспериментальной физики" Россия, 117259, Москва, ул. Б. Черемушкинская, 25 Поступила в редакцию 27.01.2004 г.
Описаны эксперименты по ускорению протонов в 19-канальном ускорителе с фазопеременной фокусировкой. Разработан и испытан источник ионов с мультипольным магнитным полем, позволяющий получать на выходе инжектора пучки заряженных частиц с малым фазовым объемом и высокой фазовой плотностью тока. В экспериментальном многолучевом ускорителе протонов на энергию 530 кэВ с таким источником ускорен пучок с током более 40 мА.
Многолучевые ускорители ионов с фазопеременной фокусировкой (ф.п.ф.) характеризуются высоким темпом ускорения заряженных частиц и принципиальной возможностью получения больших токов ускоренного пучка благодаря одновременному ускорению нескольких пучков [1]. Важной проблемой таких ускорителей, как и обычных одноканальных ускорителей, является сохранение исходной интенсивности пучка, которая может уменьшаться в результате роста эмиттанса при ускорении пучка и его транспортировки на мишень.
Для исследования особенностей одновременного ускорения нескольких пучков протонов в единой ускоряющей структуре с ф.п.ф. создан экспериментальный ускоритель протонов на энергию 0.53 МэВ [2]. В состав ускорителя входят 19-канальная ускоряющая фокусирующая высокочастотная (в.ч.) структура с диаметром каждого канала 7 мм, инжектор, а также системы в.ч.-питания, вакуумного обеспечения, электропитания и диагностики параметров пучка, охлаждения. Система инжекции ионов выполнена на основе источников протонов плазматронного типа.
Разработка инжекторов, генерирующих интенсивные пучки ионов с большой фазовой плотностью тока и малым значением фазового объема, является важной задачей при построении ускорителей заряженных частиц. Особую актуальность данная проблема приобретает в установках, имеющих малые поперечные размеры ускоряющих каналов.
В линейных резонансных ускорителях величина предельного тока 1р, ускоряемого в одном канале, зависит от энергии инжекции пучка в ускоряющую структуру, рабочей частоты ускоряющего поля, диаметра апертуры [3]:
где Ук - аксептанс ускоряющего канала; 3 - фазовая плотность тока пучка, определяемая отношением тока ионов в пучке 1р к эмиттансу пучка Уп.
Величина эмиттанса нерелятивистского ионного пучка рассчитывается, согласно [4], как
= ш!йМр,
(2)
где Я - поперечный размер пучка, М - масса иона в пучке, р = mv - импульс частицы, с - скорость света. Пропускная способность ускоряющего канала Ук определяется выражением
Ук = Рт
уг
Т'
(3)
1р = 0.53Ук,
(1)
где у = 1/л/1 - р2 - фактор Лоренца, Р = и/с - относительная скорость частицы, и - скорость частицы, с - скорость света в вакууме, V - мгновенная частота поперечных колебаний, Ь - длина ускоряющего канала, г - радиус апертуры этого канала.
Повысить пропускную способность канала можно, увеличивая радиус г. При этом для устранения искажений электрического поля в ускоряющих промежутках, связанных с эффектом "провисания поля", следует, например, увеличивать расстояние между ускоряющими электродами (трубками дрейфа), что приводит к необходимости повышения энергии инжекции ионов в ускоряющую структуру.
Из (1) и (3) следует, что увеличение тока пучка на выходе ускорителя может быть достигнуто путем создания в нем дополнительных ускоряющих каналов. При этом размеры апертуры каждого канала не должны превосходить предельных значений, обеспечивающих приемлемую конфигурацию электрического поля, необходимого для ускорения и фокусировки заряженных частиц. Другой возможностью повышения тока пучка яв-
ляется увеличение его фазовой плотности ] в ускоряющем канале.
Если в трубках дрейфа выполнить п апертур, оставив неизменным размер самих трубок дрейфа, и разделить соответствующим образом инжектируемый в ускоряющую структуру пучок ионов на п трубок тока, то характерный размер
каждой трубки тока в пучке уменьшится в 4П раз. Значения эмиттанса Уп и фазовой плотности тока пучка ] в отдельно взятой трубке тока уменьшатся также 4п раз. Пропускная способность каждого канала в такой ускоряющей структуре уменьшится в п раз. Согласно (1), после сведения всех малых пучков в один, даже без учета потерь частиц на межканальных перегородках и внутренних стенках ускоряющих каналов, полный ток ионов на выходе ускорителя с п каналами, построенного
таким образом, уменьшится в Тп раз. С другой стороны, значительное увеличение числа ускоряющих каналов с сохранением неизменным радиуса каждого канала потребует увеличения диаметра трубок дрейфа, что неизбежно приведет к уменьшению шунтового сопротивления ускоряющей в.ч.-структуры и возрастанию потребляемой электрической мощности.
Работы, проведенные в ЦЕРН [5] и Национальной лаборатории им. Ферми (США) [6], демонстрируют эффект увеличения поперечного фазового объема пучка при его ускорении в канале линейного резонансного ускорителя. В [4] показано, что в определенных случаях поперечный эмиттанс пучка при его ускорении в линейном ускорителе может увеличиваться в несколько раза. Это обстоятельство осложняет проектирование многоапертурных ускорителей, где ускоряющие каналы имеют сравнительно малые аксептансы. Эффект расширения фазового объема пучка связан с нелинейностью как внешних фокусирующих сил и ускоряющего в.ч.-поля, так и собственного поля в пучке.
Из-за нелинейности поля пространственного заряда ускоряемых пучков последние приобретают неоднородные радиальные профили, что приводит к рассогласованию между полями линзы и объемного заряда. В работе [7] показано, что рост эмиттанса в ускорительном канале пропорционален величине тока пучка в этом канале.
Наименьшие искажения электрического поля обеспечиваются в зазоре между двумя параллельными плоскостями. Отверстия в этих плоскостях приводят к искажению электрического поля в области их апертур. Чем меньше отношение диаметра отверстия к длине зазора между плоскостями, тем меньшую деформацию испытывает поле в области апертуры и в ускоряющем промежутке. Искажение ускоряющего поля в зазоре между трубками дрейфа будет зависеть не только от
геометрического фактора формы поверхностей электродов, но и от действия собственного поля ускоряемого пучка, влияющего на направление силовых линий внешнего поля [3]. Это приводит к необходимости уменьшения пространственной плотности зарядов в ускоряемом пучке.
Таким образом, при конструировании многоапертурных ускорителей следует увеличивать число ускоряющих каналов с малыми размерами апертур в трубках дрейфа. Увеличение поперечных размеров трубок дрейфа обусловливает необходимость увеличения диаметра инжектируемого в ускоряющую структуру ионного пучка с последующим его разбиением на трубки тока, что способствует уменьшению объемного заряда в трубке тока отдельного канала.
Выполнение сформулированных выше требований: уменьшение размеров апертуры отдельного ускоряющего канала и уменьшение плотности тока, ускоряемого по такому каналу, - обусловливает уменьшение пространственного заряда в трубке тока, согласно (1) и (3), и приводит к уменьшению величины тока ионного пучка, ускоренного в каждом ускоряющем канале. Эту негативную тенденцию можно преодолеть, если, согласно (1), увеличить фазовую плотность тока пучка ] в ускоряемой трубке тока. Поскольку требование к уменьшению пространственного заряда в ускоряемом пучке заряженных частиц остается в силе, увеличивать значение ] целесообразно путем уменьшения поперечного эмиттанса пучка Уп для каждого канала.
Таким образом, при выборе оптимального числа ускоряющих каналов следует исходить из компромисса между желанием ускорять большие токи и минимизацией роста эмиттанса пучков из-за нелинейностей ускоряющего поля.
В работе [3] показано, что наибольший ускоренный ток пучка в канале линейного ускорителя достигается при выполнении условия
Уп = у к/3. (4)
Согласно выражениям (1), (3) и (4), выбор оптимальных размеров апертуры отдельного ускоряющего канала и числа каналов при заданной геометрии трубок дрейфа в многоапертурном ускорителе зависит от величины эмиттанса Уп ионного пучка, инжектируемого в ускоряющий канал. Чрезмерное уменьшение или увеличение числа ускоряющих каналов приведет к уменьшению тока ускоренного пучка ионов на выходе ускорителя. Таким образом, выбор оптимального числа ускоряющих каналов в многоапертурном ускорителе будет в значительной мере определяться возможностями его инжектора.
Перспектива проектирования ускорителей с большим числом ускоряющих каналов и малыми размерами апертур, по-видимому, будет тесно
связана с решением проблемы разработки инжекторов, способных генерировать пучки ионов с большой фазовой плотностью тока и малыми значениями эмиттанса.
В [8] показано, что эмиттанс эмитируемого катодом пучка заряженных частиц связан с температурой эмиттера выражением
У п = Сргк
к Тк
к\и'
(5)
Л = АТ2 ехр(-еф/Т,
(6)
где А - универсальная константа, еф - работа выхода электрона из металла.
Из выражения (6) следует, что для получения плотности тока первичных электронов с катода величиной в несколько ампер на квадратный сантиметр катод необходимо нагревать до температуры ~2000 К. Если материалом катода является
то плотность 3е > 1 А/см2 обеспечивается при температуре эмиттера Тк > 2600 К; используя ка-
тоды из ЬаБ6, можно достичь 3е ~ 20 А/см2 при Тк ~ 2000 К. При этом срок службы катода в вакууме определяется несколькими десятками часов [11]. Кроме того, горячие катоды, использующиеся в газовом разряде, из-за нарушения баланса мощности и под действием ионной бомбардировки быстро разрушаются и требуют частой замены [10].
Плотность электронного тока плазменного эмиттера можно оценить, согласно [10], по формуле
где Ср - токовый коэффициент, гк - радиус эмиттера, Тк - его температура, и - напряжение экстракции, д - заряд частицы, к - постоянная Больц-мана. Если п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.