пространственно-однородная квадрупольная фокусировка

ПРОСТРАНСТВЕННО-ОДНОРОДНАЯ КВАДРУПОЛЬНАЯ ФОКУСИРОВКА - фокусировка пучков заряж. частиц в линейных ускорителях или каналах транс-портировки, обусловленная чередованием во време-ни направления квадрупольно-симметричного элек-трич. поля. Практич. разработка структур с П--о. к. ф. началась в СССР в 1970 (за рубежом широко развернулась с 1979). До 70-х гг. в линейных ускорителях и каналах транспортировки была известна фокусировка частиц со знакопеременной пространственно-периодич. структурой, состоящей из статич. квадрупольных линз. Один из возможных пространственных периодов такой структуры показан на рис. 1 (и - пост. напряжение на электродах). В отличие от пространственно-периодич. фокусирующих структур, канал с П--о. к. ф.

Рис. 1. Пространственно-периодический квадрупольный фокусирующий канал.

в принципе представляет собой длинную четырёхпро-водную линию с квадрупольной симметрией, на к-рую подано ВЧ-напряжение (рис. 2). Заряж. частицы, движущиеся вдоль продольной оси симметрии, испытывают действие поперечного электрич. поля с перем. знаком градиента. Это приводит к эффекту квадрупольной фокусировки в пространственно-однородной структуре. Направление сил, действующих на движущуюся частицу, в каждой из координатных плоскостей меняется на длине пути, соответствующей половине периода ВЧ-поля. Длина периода фокусировки составляет , где- скорость частицы, l - длина волны электрич. поля в свободном пространстве. Макс. градиент фокусирующего поля в первом приближении равен где - амплитуда ВЧ-напряжения, a - мин. расстояние от оси до электрода.

Рис. 2. Пространственно-однородный квадрупольный фокусирующий канал.

В канале с П--о. к. ф. может быть создана продольная ускоряющая компонента электрич. поля за счёт пе-риодич. изменения потенциала вдоль продольной оси симметрии с периодом bl, что позволяет использовать этот тип фокусировки в линейном ускорителе. Необходимое изменение потенциала возникает при периодич. модуляции расстояний с периодом bl между противостоящими электродами, если фазы модуляции для электродов с противоположными полярностями сдвинуты на 180°. Другими словами, когда расстояние между электродами, лежащими в горизонтальной плоскости, возрастает, то расстояние между электродами, лежащими в вертикальной плоскости, уменьшается. Амплитуда разности потенциалов на периоде ускорения bl/2 в первом приближении составляет ,

где

m - отношение макс. расстояния от оси симметрии до ближайшей точки электрода к минимальному, k = = 2p/bl, I₀ - модифициров. ф-ция Бесселя нулевого порядка. При модуляции формы электродов и заданном их мин. расстоянии от оси ускорителя сила фокусировки снижается примерно на 40-50%; появляется, как и при пространственно-периодич. фокусировке (см. Квад-рупольная фокусировка), высокочастотный дефокуси-рующий эффект.

В линейных ускорителях с П--о. к. ф. сила фокусировки не зависит от энергии частиц и от их фазы относительно ВЧ-поля. Все частицы фокусируются примерно одинаково. Это позволяет спец. образом использовать эффект автофазировки. В непрерывном пучке на входе ускорителя сгустки частиц следуют вплотную друг за другом, но по мере роста скорости частиц они раздвигаются, сохраняя приблизительно неизменные гео-метрич. размеры и, следовательно, пост. плотность пространственного заряда. Захват частиц в режим ускорения может достигать 95-97%, что вдвое выше лучших значений этого параметра в др. известных структурах. Линейные ускорители с П--о. к. ф. могут работать при весьма низких нач. скоростях частиц. Но при малых нач. скоростях сохраняется высокое предельное значение тока пучка.

Эффект П--о. к. ф. используется в инжекторах протонных и тяжелоионных синхротронов. Использование П--о. к. ф. в линейных ускорителях дало возможность получить сильноточные пучки ионов, применяемые в ряде новых технологий: в создании высокопоточных нейтронных генераторов для радиац. материаловедения, связанного с проблемами термоядерных реакторов; формировании сильноточных пучков протонов для электроядерного метода "наработки" ядерного горючего, для уничтожения радиоактивных отходов АЭС; создании линейных ускорителей сверхтяжёлых малозарядных ионов для ионного термоядерного синтеза, создании малогабаритных генераторов мощных атомных пучков. Осн. трудности создания линейного ускорителя были связаны с низким коэф. захвата частиц в режим ускорения и с высокой энергией инжекции, при к-рой электростатич. предускорители теряли электрич. прочность.

В линейных ускорителях протонов и ионов используются частоты в диапазоне 80-450 МГц. Для создания ВЧ-напряжения на четырёхпроводной линии в этом диапазоне применяются четырёхкамерные объёмные резонаторы разл. конструкции с продольной магн. волной.

В зависимости от типа иона и требуемых параметров пучка в линейных ускорителях тяжёлых ионов используются частоты в диапазоне 6-30 МГц. Разработаны резонансные структуры в виде четвертьволновых отрезков коаксиальной линии с разрезным внутр. стеблем; разработаны также резонансные структуры, содержащие сосредоточенные индуктивности.

В модулиров. четырёхпроводных линиях применяются преим. цилиндрич. электроды с периодически меняющимся диаметром или плоские электроды перем. длины, каждый из к-рых ограничен в сечении полукругом с постоянным по всей длине радиусом.

Область устойчивости поперечных колебаний частиц по координатам и импульсам на входе канала с П--о. к. ф. изменяется с частотой перем. фокусирующего поля. Реализованы разл. методы согласования статич. пучка на входе канала с перем. областью устойчивости.

Лит.: Капчинский И. М., Теория линейных резонансных ускорителей, М., 1982, с. 130; Klein H., Development of the different RFQ accelerating structures and operation experience, "IEEE Trans. Nucl. Sci,", 1983, v, NS-30, № 4, p. 3313.

И. М. Капчинский.

   <<      Предметный указатель      >>