Выбор магнитного поля квадруполей для фокусировки ионов в сверхпроводящем линейном ускорителе

А. В. БЯКОВСКИЙ, А. В. САМОШИН

Научный руководитель – Э. С. МАСУНОВ, д. ф.-м. н., профессор

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

ВЫБОР МАГНИТНОГО ПОЛЯ КВАДРУПОЛЕЙ
ДЛЯ ФОКУСИРОВКИ ИОНОВ В СВЕРХПРОВОДЯЩЕМ ЛИНЕЙНОМ УСКОРИТЕЛЕ

Выполнен анализ условий фокусировки пучков тяжелых ионных в сверхпроводящем ускорителе. Проведен расчет фокусирующей системы в диапазоне энергий от 50 кэВ/нуклон до 0.9 МэВ/нуклон.

Основной проблемой при разработке ускорителя тяжелых ионов (Z/A ≥ 1/66) является проблема выбора системы фокусировки пучка на начальном участке ускорения, где скорость частиц β меняется в диапазоне от 0.01 до 0.06. Для ускорения пучка целесообразно использовать сверхпроводящие четвертьволновые резонаторы, а фокусировку ионов осуществлять с помощью коротких сверхпроводящих соленоидов. Расчет поперечной динамики в линейном ускорителе, проведенный в [1–2] при начальном эмиттансе пучка Э = 0.1π мм·мрад, показал, что фокусировка всего спектра масс ионов при величине Z/A ≥ 1/66 может быть реализована, если магнитное поле соленоида B превышает 15 Тл. Цель настоящей работы предложить другой вариант ускорителя, где вместо соленоидов используются магнитные квадруполи.

Были рассмотрены два варианта фокусирующей структуры. В первом варианте период ускоряющей системы состоит из резонатора, за которым следует дуплет из фокусирующего и дефокусирующего квадруполей (система 1). Во втором варианте, резонаторы расположены между фокусирующими и дефокусирующими квадруполями (система 2).

Несложно показать, что при выбранной амплитуде ускоряющего поля и фазе равновесной частицы максимальная величина огибающей пучка (Xm) находится в середине фокусирующего квадруполя. Если задан начальный эмиттанс пучка, величину огибающей можно найти по формуле:

, (1)

где Э – эмиттанс пучка, M12 – элемент матрицы периода, μ – параметр Флоке. Будем искать во всем диапазоне скоростей частиц необходимые градиенты магнитного поля, при которых максимальная огибающая пучка равна 3 и 4мм. Для решения поставленной задачи находилась зависимость градиента магнитного поля от скорости ускоряемых частиц для двух значений максимальной величины огибающей: Xm = 3мм и Xm = 4мм (рис. 1). Расчет показал, что в системе 1 при Xm = 3мм, минимальная скорость частиц, при которой возможна фокусировка, равна β = 0.013, а при Xm = 4мм фокусировка возможна во всем рассматриваемом диапазоне скоростей. Аналогично для системы 2 минимальные скорости равны β = 0.021 и β = 0.016 соответственно.