Complex approach of beam dynamic investigation in SC linac

Beam dynamic investigation is difficult for superconducting linac consisting from periodic sequences of independently phased accelerating cavities and focusing solenoids. The matrix calculation was preferably used for previous estimate of accelerating structure parameters. The matrix calculation does not allow properly investigate the longitudinal motion. The smooth approximation can be used to investigate the nonlinear ion beam dynamics in such accelerating structure and to calculate the longitudinal and transverse acceptances. The potential function and equation of motion in the Hamiltonian form are devised by the smooth approximation. The advantages and disadvantages of each method will describe, the results of investigation will compare. Application package for ion beam dynamic analysis will create. A numerical simulation of beam dynamics in the full field will carry out for the different variants of the accelerator structure based on analytically obtained results.Анализ динамики ионного пучка в сверхпроводящем ускорителе, состоящем из последовательности независимо фазированных ускоряющих резонаторов и фокусирующих соленоидов, представляет сложную задачу. Для первоначальной оценки параметров ускоряющей структуры удобно использовать матричный метод расчета. Матричный метод не дает возможности корректно исследовать продольное движение. Для исследования нелинейной динамики в такой ускоряющей структуре и определения продольного и поперечного аксептанса может быть использовано гладкое приближение. В гладком приближении найдена потенциальная функция и уравнения движения в форме уравнения Гамильтона. Описываются достоинства и недостатки каждого метода, проводится сравнение результатов исследования. Создан пакет прикладных программ для анализа динамики пучка ионов. На основе полученных данных проведено численное моделирование динамики пучка в полном поле для различных вариантов ускорителя.Аналіз динаміки іонного пучка в надпровідному прискорювачі, що складається з послідовності незалежно фазованих прискорюючих резонаторів і фокусуючих соленоїдів, представляє складну задачу. Для початкової оцінки параметрів прискорюючої структури зручно використовувати матричний метод розрахунку. Матричний метод не дає можливості коректно досліджувати поздовжній рух. Для дослідження нелінійної динаміки в такій прискорюючій структурі та визначення поздовжнього і поперечного аксептанса може бути використано гладке наближення. У гладкому наближенні знайдено потенційну функцію і рівняння руху в формі рівняння Гамільтона. Описуються переваги і недоліки кожного методу, проводиться порівняння результатів дослідження. Створено пакет прикладних програм для аналізу динаміки пучка іонів. На основі отриманих даних проведено чисельне моделювання динаміки пучка в повному полі для різних варіантів прискорювача

Beam dynamics simulation in high power driver linac using BEAMDULAC-SCL code

A number of superconducting linear accelerators-drivers of high-power proton beams are discussed at present. Such accelerators are necessary for accelerating driven systems (ADS) and spallation neutron sources (SNS). The successful development of the conventional nuclear power plants based on reactors utilizing fissile isotope as ²³⁵U, ²³⁹Pu completely satisfied available requirements both civil nuclear power engineering and nuclear weapon complex for a long time. But last time the safety requirements for traditional nuclear reactors based on the uranium (or uranium-plutonium) fuel are hardening, impossibility of receiving necessary amount of uranium of some countries and large amount of accumulated radioactive waste leads to R&D of fast reactors and subcritical nuclear systems. Waste processing can be also done using ADS with external source of neutrons − a proton accelerator with a beam power of 1…10 MW. The parameters of an accelerator-driver obtained by numerical simulation in the updated BEAMDULAC-SCL code are presented in this report.В последнее время в мире обсуждается несколько проектов сверхпроводящих линейных укорителейдрайверов мощных протонных пучков. Такие ускорители необходимы для подкритических ядерных систем и мощных нейтронных генераторов. Успешное развитие традиционной ядерной энергетики на основе реакторов, использующих делящиеся изотопы ²³⁵U, ²³⁹Pu, долгое время полностью удовлетворяло имеющиеся потребности как гражданской ядерной энергетики, так и ядерно-оружейного комплекса. Однако в последнее время ситуация стала меняться. Ужесточение требований безопасности традиционных ядерных реакторов на урановом (или уран-плутониевом) топливе, невозможность получения необходимого количества урана некоторыми странами, а также большое количество накопленных радиоактивных отходов привело к активизации работ по развитию реакторов на быстрых нейтронах и подкритических ядерных установок. Подкритическая ядерная установка, использующая внешний источник нейтронов – ускоритель протонов с мощностью пучка 1…10 МВт, может служить и для переработки радиоактивных отходов. Приводятся параметры ускорителядрайвера, полученные с помощью моделирования в усовершенствованной программе BEAMDULAC-SCL.Останнім часом у світі обговорюється декілька проектів надпровідних лінійних прискорювачівдрайверов потужних протонних пучків. Такі прискорювачі потрібні для підкритичних ядерних систем і потужних нейтронних генераторів. Успішний розвиток традиційної ядерної енергетики на основі реакторів, що використовують ізотопи, що діляться – ²³⁵U, ²³⁹Pu, довгий час повністю задовольняло наявні потреби як цивільної ядерної енергетики, так і ядерно-збройового комплексу. Проте останнім часом ситуація стала мінятися. Посилення вимог безпеки традиційних ядерних реакторів на урановому (чи уран-плутонієвим) паливі, неможливість отримання необхідної кількості урану деякими країнами, а також велика кількість накопичених радіоактивних відходів привело до активізації робіт по розвитку реакторів на швидких нейтронах і підкритичних ядерних установок. Підкритична ядерна установка, що використовує зовнішнє джерело нейтронів – прискорювач протонів з потужністю пучка 1…10 МВт, може служити і для переробки радіоактивних відходів. Наводяться параметри прискорювача-драйвера, отримані за допомогою моделювання у вдосконаленій програмі BEAMDULAC-SCL

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

Ion beam acceleration in system from periodic sequence of independetly phased cavities

Ion superconducting linac is based on periodic system consisting of the identical niobium cavities. By specific phasing of the RF cavities one can provide a stable particle motion in the whole accelerator. In this paper the beam stability conditions are founded. The matrix calculation and motion equation in the smooth approximation are used for alternating phase focusing analysis in superconducting linac.Надпровідний лінійний прискорювач іонів заснований на використанні періодичної системи, що складається з ідентичних ніобієвих резонаторів. За допомогою спеціального фазування ВЧ-резонаторів можна забезпечити стійкий рух часток у всьому прискорювачі. У статті знайдено умови стійкості руху пучка іонів. Для аналізу фазозмінного фокусування пучка у надпровідному прискорювачі використано матричний метод розрахунку і рівняння руху у гладкому наближенні.Сверхпроводящий линейный ускоритель ионов основан на использовании периодической системы, состоящей из идентичных ниобиевых резонаторов. Посредством специального фазирования ВЧ-резонаторов можно обеспечить устойчивое движение частиц во всем ускорителе. В этой статье найдены условия устойчивости движения пучка ионов. Матричный метод расчета и уравнение движения в гладком приближении используются для анализа фазопеременной фокусировки пучка в сверхпроводящем ускорителе

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

Technical preparations for the in-vessel 14 MeV neutron calibration at JET

The power output of fusion devices is measured from their neutron yields which relate directly to the fusion yield. In this paper we describe the devices and methods that have been prepared to perform a new in situ 14 MeV neutron calibration at JET in view of the new DT campaign planned at JET in the next years. The target accuracy of this calibration is ±10% as required for ITER, where a precise neutron yield measurement is important, e.g., for tritium accountancy. In this paper, the constraints and early decisions which defined the main calibration approach are discussed, e.g., the choice of 14 MeV neutron source and the deployment method. The physics preparations, source issues, safety and engineering aspects required to calibrate directly the JET neutron detectors are also discussed. The existing JET remote-handling system will be used to deploy the neutron source inside the JET vessel. For this purpose, compatible tooling and systems necessary to ensure safe and efficient deployment have been developed. The scientific programme of the preparatory phase is devoted to fully characterizing the selected 14 MeV neutron generator to be used as the calibrating source, obtain a better understanding of the limitations of the calibration, optimise the measurements and other provisions, and to provide corrections for perturbing factors (e.g., anisotropy of the neutron generator, neutron energy spectrum dependence on emission angle). Much of this work has been based on an extensive programme of Monte-Carlo calculations which provide support and guidance in developing the calibration strategy