RF quadrupole focusing drift tube linac RF design

Drift tube linacs with quadrupole focusing based on Interdigital H-type (IH) resonators are used at medium energies of proton beams. The linac with spatially periodic quadrupole focusing designed by V.A. Teplyakov (SH-DTL, RFQ-DTL) provides enough energy gain rate and good focusing but it is too sophisticated at tuning. The DTL with magnetic quadrupole focusing is simpler then the first one at tuning but it is deprived of advantages of RF focusing. The IH-DTL linac proposed in Frankfurt University is new perspective but rare system. The new RF quadrupole focusing structure will be proposed in this paper. Such structure consists of periodic sequence of several number of drift tubes and RF quadrupole electrodes, located in the same IH-resonator. Different designs of the structure will be considered. Electrodynamic parameters of the one convenient structure will be determined. New structure will be compared with conventional DTL, RFQ-DTL and IH-DTL linacs.Линейные ускорители с трубками дрейфа и квадрупольной фокусировкой на основе H- (IH)-резонаторов используются в диапазоне средних энергий протонных пучков. Линейный ускоритель с пространственно-периодической квадрупольной фокусировкой, разработанный В.А. Тепляковым (SH-DTL), обеспечивает достаточный темп ускорения и хорошую фокусировку, но слишком сложный в настройке. Ускоритель с трубками дрейфа и магнитной квадрупольной фокусировкой проще в настройке, но он лишён преимуществ высокочастотной фокусировки. Такой ускоритель (IH-DTL), предложенный во Франкфуртском университете, является новой перспективной, но мало распространённой системой. В статье предложена новая структура с высокочастотной (ВЧ) квадрупольной фокусировкой. Такая структура состоит из периодической последовательности нескольких трубок дрейфа и ВЧ-квадрупольных электродов, расположенных в одном IH-резонаторе. Будут рассмотрены различные виды моделей структуры и определены некоторые электродинамические параметры наиболее привлекательных структур. Будет произведено сравнение новой структуры с традиционным ускорителем с трубками дрейфа, SH-DTL и IH-DTL.Лінійні прискорювачі з трубками дрейфу і квадрупольним фокусуванням на основі H- (IH)-резонаторів використовуються в діапазоні середніх енергій протонних пучків. Лінійний прискорювач з просторово-періодичним квадрупольним фокусуванням, розроблений В.О. Тепляковим (SH-DTL), забезпечує достатній темп прискорення і хороше фокусування, але занадто складний в налаштуванні. Прискорювач з трубками дрейфу та магнітним квадрупольним фокусуванням простіший в налаштуванні, але він позбавлений переваг високочастотного фокусування. Такий прискорювач (IH-DTL), який запропонований у Франкфуртському університеті, є новою перспективною, але мало розповсюдженою системою. У статті запропонована нова структура з високочастотним (ВЧ) квадрупольним фокусуванням. Така структура складається з періодичної послідовності декількох трубок дрейфу і ВЧ-квадрупольних електродів, розташованих в одному IH-резонаторі. Будуть розглянуті різні види моделей структури та визначені деякі електродинамічні параметри найбільш привабливих структур. Буде проведено порівняння нової структури з традиційним прискорювачем з трубками дрейфу SH-DTL і IH-DTL

RF quadrupole focusing drift tube linac RF design

Drift tube linacs with quadrupole focusing based on Interdigital H-type (IH) resonators are used at medium energies of proton beams. The linac with spatially periodic quadrupole focusing designed by V.A. Teplyakov (SH-DTL, RFQ-DTL) provides enough energy gain rate and good focusing but it is too sophisticated at tuning. The DTL with magnetic quadrupole focusing is simpler then the first one at tuning but it is deprived of advantages of RF focusing. The IH-DTL linac proposed in Frankfurt University is new perspective but rare system. The new RF quadrupole focusing structure will be proposed in this paper. Such structure consists of periodic sequence of several number of drift tubes and RF quadrupole electrodes, located in the same IH-resonator. Different designs of the structure will be considered. Electrodynamic parameters of the one convenient structure will be determined. New structure will be compared with conventional DTL, RFQ-DTL and IH-DTL linacs.Линейные ускорители с трубками дрейфа и квадрупольной фокусировкой на основе H- (IH)-резонаторов используются в диапазоне средних энергий протонных пучков. Линейный ускоритель с пространственно-периодической квадрупольной фокусировкой, разработанный В.А. Тепляковым (SH-DTL), обеспечивает достаточный темп ускорения и хорошую фокусировку, но слишком сложный в настройке. Ускоритель с трубками дрейфа и магнитной квадрупольной фокусировкой проще в настройке, но он лишён преимуществ высокочастотной фокусировки. Такой ускоритель (IH-DTL), предложенный во Франкфуртском университете, является новой перспективной, но мало распространённой системой. В статье предложена новая структура с высокочастотной (ВЧ) квадрупольной фокусировкой. Такая структура состоит из периодической последовательности нескольких трубок дрейфа и ВЧ-квадрупольных электродов, расположенных в одном IH-резонаторе. Будут рассмотрены различные виды моделей структуры и определены некоторые электродинамические параметры наиболее привлекательных структур. Будет произведено сравнение новой структуры с традиционным ускорителем с трубками дрейфа, SH-DTL и IH-DTL.Лінійні прискорювачі з трубками дрейфу і квадрупольним фокусуванням на основі H- (IH)-резонаторів використовуються в діапазоні середніх енергій протонних пучків. Лінійний прискорювач з просторово-періодичним квадрупольним фокусуванням, розроблений В.О. Тепляковим (SH-DTL), забезпечує достатній темп прискорення і хороше фокусування, але занадто складний в налаштуванні. Прискорювач з трубками дрейфу та магнітним квадрупольним фокусуванням простіший в налаштуванні, але він позбавлений переваг високочастотного фокусування. Такий прискорювач (IH-DTL), який запропонований у Франкфуртському університеті, є новою перспективною, але мало розповсюдженою системою. У статті запропонована нова структура з високочастотним (ВЧ) квадрупольним фокусуванням. Така структура складається з періодичної послідовності декількох трубок дрейфу і ВЧ-квадрупольних електродів, розташованих в одному IH-резонаторі. Будуть розглянуті різні види моделей структури та визначені деякі електродинамічні параметри найбільш привабливих структур. Буде проведено порівняння нової структури з традиційним прискорювачем з трубками дрейфу SH-DTL і IH-DTL

Ion beam dynamics in superconducting drift tube linac

Ion superconducting linac is based on periodic system from short identical niobium drift tube cavities. This linac supplies typically 1 MV of accelerating potential per cavity. By specific phasing of the RF cavities one can provide a stable particle motion in the whole accelerator. The longitudinal and transverse ion beam dynamics is studied in this linac. The equation of motion in the Hamiltonian form done by means of the smooth approximation. This equation is used for analysis of the nonlinear ion beam dynamics in superconducting linac. It was shown that the connection between the phase acceptance and the transverse emittance can be found by means of the effective potential function. The focusing methods by the solenoid field and RF field are studied. The results of this investigation are compared with the numerical simulation of ion beam dynamics in superconducting linac.Линейный ионный сверхпроводящий ускоритель основан на периодической последовательности коротких идентичных ниобиевых резонаторов с трубками дрейфа. В таком ускорителе каждый резонатор обеспечивает ускоряющее напряжение около 1 МВ. С помощью специальной фазировки поля в каждом резонаторе можно обеспечить устойчивое движение во всем ускорителе. Изучается продольная и поперечная динамика пучка в таком ускорителе. С помощью метода усреднения получено трехмерное уравнение движения в гамильтоновой форме. Это уравнение используется для анализа нелинейной динамики пучка в сверхпроводящем ускорителе. Показано, как найти связь между фазовым аксептансом и поперечным эмиттансом пучка с помощью эффективной потенциальной функции. Изучаются методы фокусировки с помощью магнитного поля соленоидов и ВЧ-поля. Результаты исследований сравниваются с численным моделированием динамики ионного пучка в сверхпроводящем линейном ускорителе.Лінійний іонний надпровідний прискорювач заснований на періодичній послідовності коротких ідентичних ніобієвих резонаторів із трубками дрейфу. У такому прискорювачі кожен резонатор забезпечує прискорювальну напругу близько 1 МВ. За допомогою спеціального фазування поля в кожному резонаторі можна забезпечити стійкий рух у всьому прискорювачі. Вивчається поздовжня і поперечна динаміка пучка в такому прискорювачі. За допомогою методу усереднення отримане тривимірне рівняння руху в гамільтоновій формі. Це рівняння використається для аналізу нелінійної динаміки пучка у надпровідному прискорювачі. Показано, як знайти зв'язок між фазовим аксептансом і поперечним еміттансом пучка за допомогою ефективної потенційної функції. Вивчаються методи фокусування за допомогою магнітного поля соленоїдів і ВЧ-поля. Результати досліджень погоджуються із чисельним моделюванням динаміки іонного пучка в надпровідному лінійному прискорювачі

Ion beam dynamics in superconducting drift tube linac

Ion superconducting linac is based on periodic system from short identical niobium drift tube cavities. This linac supplies typically 1 MV of accelerating potential per cavity. By specific phasing of the RF cavities one can provide a stable particle motion in the whole accelerator. The longitudinal and transverse ion beam dynamics is studied in this linac. The equation of motion in the Hamiltonian form done by means of the smooth approximation. This equation is used for analysis of the nonlinear ion beam dynamics in superconducting linac. It was shown that the connection between the phase acceptance and the transverse emittance can be found by means of the effective potential function. The focusing methods by the solenoid field and RF field are studied. The results of this investigation are compared with the numerical simulation of ion beam dynamics in superconducting linac.Линейный ионный сверхпроводящий ускоритель основан на периодической последовательности коротких идентичных ниобиевых резонаторов с трубками дрейфа. В таком ускорителе каждый резонатор обеспечивает ускоряющее напряжение около 1 МВ. С помощью специальной фазировки поля в каждом резонаторе можно обеспечить устойчивое движение во всем ускорителе. Изучается продольная и поперечная динамика пучка в таком ускорителе. С помощью метода усреднения получено трехмерное уравнение движения в гамильтоновой форме. Это уравнение используется для анализа нелинейной динамики пучка в сверхпроводящем ускорителе. Показано, как найти связь между фазовым аксептансом и поперечным эмиттансом пучка с помощью эффективной потенциальной функции. Изучаются методы фокусировки с помощью магнитного поля соленоидов и ВЧ-поля. Результаты исследований сравниваются с численным моделированием динамики ионного пучка в сверхпроводящем линейном ускорителе.Лінійний іонний надпровідний прискорювач заснований на періодичній послідовності коротких ідентичних ніобієвих резонаторів із трубками дрейфу. У такому прискорювачі кожен резонатор забезпечує прискорювальну напругу близько 1 МВ. За допомогою спеціального фазування поля в кожному резонаторі можна забезпечити стійкий рух у всьому прискорювачі. Вивчається поздовжня і поперечна динаміка пучка в такому прискорювачі. За допомогою методу усереднення отримане тривимірне рівняння руху в гамільтоновій формі. Це рівняння використається для аналізу нелінійної динаміки пучка у надпровідному прискорювачі. Показано, як знайти зв'язок між фазовим аксептансом і поперечним еміттансом пучка за допомогою ефективної потенційної функції. Вивчаються методи фокусування за допомогою магнітного поля соленоїдів і ВЧ-поля. Результати досліджень погоджуються із чисельним моделюванням динаміки іонного пучка в надпровідному лінійному прискорювачі

RFQ as a second section of front end of ion linac

There is a problem of low accelerating efficiency at front end part of ion linac. Conventional RFQ doesn’t allow effective accelerating at energies higher than 3 MeV. The paper presents one of the possible ways to modify an RFQ for ion acceleration up to 15 MeV with reasonable energy gain rate. Conventional RFQ electrodes and modified electrodes are compared. Results of beam dynamics simulation are presented and discussed. RF design of the resonator of second section has been carried out. Main RF parameters of the resonator are presented.Існує проблема, пов'язана з низькою ефективністю прискорення в початковій частині лінійного прискорювача іонів. Традиційний прискорювач з просторово-однорідним квадрупольним фокусуванням (ПОКФ) не дозволяє ефективно прискорювати при енергіях вище 3 МеВ. Представлено один з можливих способів модифікації прискорювача з ПОКФ з метою прискорення іонів до енергії 15 МеВ при прийнятному темпі прискорення. Виконано порівняння традиційних і модифікованих електродів. Представлено і обговорюються результати моделювання динаміки пучка. Розроблено модель високочастотного (ВЧ) резонатора для другої секції прискорювача. Представлено основні ВЧ-параметри резонатора.Существует проблема, связанная с низкой эффективностью ускорения в начальной части линейного ускорителя ионов. Традиционный ускоритель с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ) не позволяет эффективно ускорять при энергиях выше 3 МэВ. Представлен один из возможных способов модификации ускорителя с ПОКФ с целью ускорения ионов до энергии 15 МэВ при приемлемом темпе ускорения. Выполнено сравнение традиционных и модифицированных электродов. Представлены и обсуждаются результаты моделирования динамики пучка. Разработана модель высокочастотного (ВЧ) резонатора для второй секции ускорителя. Представлены основные ВЧ-параметры резонатора

Reconstruction of light and polarized ion beam injection system of JINR Nuclotron-NICA accelerator complex

The NICA ion collider project at JINR is under development at present. As a part of the project the Nuclotron injector upgrade has been started. The work is provided in cooperation of JINR, MEPhI and ITEP. Up to now the Nuclotron injection system consist of a number of proton and ion sources, the 650 keV pulsed preinjector and DTL linac LU-20 (Alvarez type). Such system provides injection into Nuclotron of 20 MeV proton and 5 MeV/u (Z/A >0.3) ion beams. The ion beam acceleration is realized at the 2nd harmonic of bunch travelling mode. The 650 kV high-voltage platform will be replaced by new RFQ structure. The R&D of this system is discussed in the report. Results of beam dynamics simulation in RFQ and MEBT between RFQ and LU-20, electrodynamics simula-tion, construction of RFQ resonator, RF feeding system construction will be presented. The RF power system is assembled and tested at equivalent load and RFQ resonator manufacturing is started.В даний час в ОІЯД розробляється і реалізується проект коллайдера важких іонів NICA, а також проводиться необхідна реконструкція «Нуклотрона». Зокрема, співробітниками ОІЯД, МІФІ та ІТЕФ проводиться реконструкція системи інжекції іонного пучка. В даний час система інжекції включає в себе кілька джерел протонів і іонів, імпульсний електростатичний інжектор на 650 кВ і прискорювач Альвареца ЛУ-20. Ця система дозволяє інжектувати в «Нуклотрон» пучки протонів з енергією 20 МеВ і важких іонів з енергією 5 МеВ/нукл. При цьому прискорення іонів у ЛУ-20 виробляється на другий кратності. У результаті реконструкції високовольтний інжектор повинен бути замінений прискорювачем-группірователем з просторово-однорідним квадрупольним фокусуванням (ПОКФ). Розглянуто хід робіт зі створення цього нового прискорювача. Представлено результати моделювання динаміки пучка в резонаторі з ПОКФ і каналі узгодження з ЛУ-20, результати моделювання електродинамічних характеристик прискорюючого резонатора і його конструювання, результати розробки системи високочастотного живлення. В даний час система харчування зібрана і налаштована на еквівалентне навантаження , а резонатор з ПОКФ переданий у виробництво.В настоящее время в ОИЯИ разрабатывается и реализуется проект коллайдера тяжелых ионов NICA, а также проводится необходимая реконструкция «Нуклотрона». В частности, сотрудниками ОИЯИ, МИФИ и ИТЭФ проводится реконструкция системы инжекции ионного пучка. В настоящее время система инжекции включает в себя несколько источников протонов и ионов, импульсный электростатический инжектор на 650 кВ и ускоритель Альвареца ЛУ-20. Эта система позволяет инжектировать в «Нуклотрон» пучки протонов с энергией 20 МэВ и тяжелых ионов с энергией 5 МэВ/нукл. При этом ускорение ионов в ЛУ-20 производится на второй кратности. В результате реконструкции высоковольтный инжектор должен быть заменен ускорителем-группирователем с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ). Рассмотрен ход работ по созданию этого нового ускорителя. Представлены результаты моделирования динамики пучка в резонаторе с ПОКФ и канале согласования с ЛУ-20, результаты моделирования электродинамических характеристик ускоряющего резонатора и его конструирования, результаты разработки системы высокочастотного питания. В настоящее время система питания собрана и настроена на эквивалентную нагрузку, а резонатор с ПОКФ передан в производство