The numerical field calculation in structures with the space-uniform quadruple focusing by the method of auxiliary charges

In the paper the procedure of solving integral equations with the use of auxiliary charges is used. The electrostatic field potential is presented in the form of superposition of the fields of point sources located out of the investigated region at some distance from it. The values of N charges are determined from the boundary conditions at N points of the boundary. The definition of the point sources is equivalent to using some function of the charge density at the boundary of the region. This approach was used for the calculation of structures with the space-uniform quadruple focusing with sinusoidal and trapezoidal modulation, and also a section of the transverse matching of the “funnel”

On beam propagation stability in a linac accelerating channel based on combined RF-focusing

The issue of simultaneous longitudinal and transverse particle propagation stability in a linear ion accelerator channel based on combined RF-focusing is investigated. Values for RFQ field gradient to provide transverse propagation stability for all the particles in an acceleration mode are calculated. It is also shown that electrical strength of the electrodes influences the gradient value. Much attention is given to modeling of an accelerating-focusing channel which provides the minimal growth in beam emittance.Досліджено питання забезпечення одночасної повздовжньої та поперечної стійкості руху частинок у каналах лінійних прискорювачів іонів з комбінованим високочастотним фокусуванням. Визначені значення градієнтів високочастотного квадрупольного поля, при яких забезпечується поперечна стійкість для всіх частинок, що захоплені в режим прискорення по фазовому руху. Показано, що ці значення можна забезпечити в квадрупольних зазорах при виконанні умов електричної міцності електродів. Особлива увага приділена побудові каналів, що прискорюють та фокусують, з мінімальним ростом eмітанса пучка при прискоренні.Исследован вопрос обеспечения одновременной продольной и поперечной устойчивости движения частиц в каналах линейных ускорителей ионов с комбинированной высокочастотной фокусировкой. Определены значения градиентов высокочастотного квадрупольного поля, при которых обеспечивается поперечная устойчивость для всех частиц, захваченных в режим ускорения по фазовому движению. Показано, что эти значения можно обеспечить в квадрупольных зазорах при соблюдении электрической прочности электродов. Особое внимание уделено построению ускоряюще-фокусирующих каналов с минимальным ростом эмиттанса пучка в процессе ускорения

Variant of the accelerating and focusing structure of the high current light ion linear accelerator

In the paper, the IH structure for He+ beam with the injection energy of 30 keV/u and A/q=4 is presented. Focusing of He+ beam is performed with the method of alternating phase focusing with the stepped changing synchronous phase along the focusing period. In order to increase the beam capture coefficient into the mode of acceleration the increasing field is applied in the initial part of the structure. The elements of the accelerating structure were calculated with the LINACV2 code; ion beam dynamics was calculated with Poisson Superfish and PARMELA codes. The limiting accelerated current is 11.5 mA with injection current 60 mA.Представлена ускоряющая IH-структура для пучка ионов He + с энергией инжекции 30 кэВ/нукл. и A/q=4. Фокусировка пучка He + осуществляется методом переменно-фазовой фокусировки в варианте шагового изменения синхронной фазы вдоль фокусирующего периода. Для увеличения коэффициента захвата пучка в режим ускорения в начальной части структуры применяется нарастающее поле. Выполнен расчет элементов ускоряющей структуры по программе LINACV2 и динамики пучка ускоряемых ионов по программам Poisson Superfish и PARMELA. Предельный ускоряемый ток равен 11,5 мА при токе инжекции 60 мА.У статті презентовано прискорюючу IH-структуру для пучка іонів He + з енергією інжекції 30 кеВ/нукл. і A/q=4. Фокусування пучка He + здійснюється за методом змінно-фазового фокусування у варіанті покрокової зміни синхронної фази уздовж фокусуючого періоду. Щоб збільшити коефіцієнт захоплення пучка у режим прискорення, у початковій частині структури застосовується поле, яке нарощується. Виконано розрахунки елементів прискорюючої структури за програмою LINACV2 та динаміки пучка за програмами Poisson Superfish і PARMELA. Межа струму, що прискорюється, дорівнює 11,5 мА, якщо інжектовано струм 60 мА

An accelerating channel of intermediate part of high-current proton linac based on combined focusing by rf field

Particle dynamics in an accelerating-and-focusing channel of intermediate part of a proton linac based on combined rf-focusing under following conditions: energy range 3…100 MeV, current 100 mA, and acceleration rate 5 MeV/m, is studied. To implement combined rf-focusing, it is proposed to use accelerating structures of two different types: an Interdigital IH-type structure allows acceleration in the range of 3 to 20 MeV, while a Crossbar CHtype structure accelerates particles from 20 up to 100 MeV. Also, methods to adjust rf-field amplitude in quadrupole gaps for both (IH and CH) structures are discussed.Досліджено динаміку частинок у каналі, що прискорює та фокусує, середньої частини протонного прискорювача з комбінованим високочастотним фокусуванням у діапазоні енергій 3…100 МеВ для струму 100 мА з темпом прискорення 5 МеВ/м. Запропоновано схему реалізації даного варіанту фокусування на основі двох типів структур, що прискорюють. У діапазоні енергій 3…20 МеВ запропоновано використовувати IH-структуру, а для діапазону енергій 20…100 МеВ – CH-структуру. Розглянуто методи налаштування амплітуди високочастотних полів у квадрупольних зазорах для IH- та CH-структур.Исследована динамика частиц в ускоряюще-фокусирующем канале промежуточной части протонного ускорителя с комбинированной высокочастотной фокусировкой в диапазоне энергий 3…100 МэВ для 100 мА тока с темпом ускорения 5 МэВ/м. Предложена схема реализации данного варианта фокусировки на базе двух типов ускоряющих структур. В диапазоне энергий 3…20 МэВ предложено использовать IH-структуру, а в диапазоне 20…100 МэВ – CH-структуру. Рассмотрены методы настройки амплитуды высокочастотных полей в квадрупольных зазорах для IH- и CH-структур

Coulomb limit for accelerating current in a linac accelerating channel based on combined RF focusing

Ion beam propagation stability in an accelerating channel based on combined RF-focusing (CRFF) at high spacecharge density is investigated. It is demonstrated that in case of grouped beam acceleration, the Coulomb current limitation for both the proton and the heavy ion beam is higher in case of a CRFF-based channel than for an initial part of any modern accelerator based on RFQ focusing.Досліджено стійкість руху іонних пучків у каналах, що прискорюють, з комбінованим високочастотним фокусуванням (КВЧФ) при великій густині просторового заряду. Показано, що для каналу в КВЧФструктурі, який призначено для прискорення згрупованих пучків, кулонівський поріг струму, що прискорюється, для протонів та важких іонів перевищує струми, які отримані в сучасних лінійних прискорювачах у початковій частині за допомогою просторово-однорідного квадрупольного фокусування.Изучена устойчивость движения ионных пучков в ускоряющих каналах с комбинированной высокочастотной фокусировкой (КВЧФ) при большой плотности пространственного заряда. Показано, что для канала в КВЧФ-структуре, предназначенного для ускорения сгруппированных пучков, кулоновский предел ускоряемого тока как для протонов, так и для тяжелых ионов превышает токи, получаемые в современных линейных ускорителях в начальной части при помощи пространственно-однородной квадрупольной фокусировки

APFRFQ – a simulation environment for the development of high-current linear ion accelerators with RF focusing

Presented is an interactive environment, APFRFQ, for calculating linear accelerators based on rf field focusing of different types, namely, alternating phase focusing (APF), rf quadrupole focusing (RFQ) and a combination of previous two methods (APF&RFQ). The APFRFQ environment is capable of performing the following tasks in the interactive mode: setting the parameters of the accelerating gaps, calculating the accelerating-focusing channels of linear accelerators taking into account the real geometry of the electrodes, performing numerical simulation of particle dynamics in the calculated channels with the space charge forces taking into account, matching the input parameters of the beam with the given six-dimensional phase distribution and the accelerating structure.Представлено APFRFQ – середовище чисельного моделювання для розробки великострумових лінійних прискорювачів з фокусуванням ВЧ-полем: змінно-фазовим фокусуванням (APF), ВЧ-квадрупольним фокусуванням (RFQ) та комбінацією згаданих фокусувань (APF&RFQ). Інтегроване середовище APFRFQ дозволяє в інтерактивному режимі вирішувати наступні задачі: задавати параметри прискорювальних зазорів, розраховувати прискорювально-фокусувальні канали лінійного прискорювача з урахуванням реальної геометрії електродів, проводити числове моделювання динаміки частинок у каналах, що були розраховані, з урахуванням сил об’ємного заряду, узгоджувати вхідні параметри пучка із заданим шестивимірним фазовим розподілом та прискорювальною структурою.Представлена APFRFQ – среда численного моделирования для разработки сильноточных линейных ускорителей с фокусировкой ВЧ-полем: переменно-фазовой фокусировкой (APF), ВЧ-квадрупольной фокусировкой (RFQ) и их комбинацией (APF&RFQ). Интегрированная среда APFRFQ позволяет в диалоговом ре-жиме выполнять следующие задачи: задавать параметры ускоряющих зазоров, рассчитывать ускоряюще-фокусирующие каналы линейных ускорителей с учетом реальной геометрии электродов, проводить численное моделирование динамики частиц в рассчитанных каналах с учетом сил объемного заряда, осуществлять согласование входных параметров пучка с заданным шестимерным фазовым распределением и ускоряющей структурой

The prospects for small-gap resonators based on combined RF focusing for use in proton linacs

For high-current ion linacs operating over the medium energy range, the use of an accelerating structure that implements combined rf focusing (CRFF) is suggested. Considered is the focusing provided by short IH-, CH-, and two-gap spoke cavities. The absence of external focusing elements and the structural simplicity of the proposed resonators makes them promising for use in accelerators operating in continuous or low-duty mode, which are built on superconducting cavities.Для великострумових лінійних прискорювачів у середньому діапазоні енергій запропоновано використання малопроміжкових прискорювальних структур з комбінованим ВЧ-фокусуванням. Розглянуто схему реалізації даного типу фокусування на основі коротких IH-, CH- та 2-gap spoke резонаторів. Відсутність зовнішніх фокусувальних елементів та конструктивна простота запропонованих варіантів робить їх перспективними при використанні у прискорювачах, що працюють у неперервному режимі або режимі з малою скважністю, які побудовані на надпровідних резонаторах.Для сильноточных линейных ускорителей в среднем диапазоне энергий предлагается использовать малозазорные ускоряющие структуры с комбинированной ВЧ-фокусировкой. Рассмотрена схема реализации данного типа фокусировки на базе коротких IH-, CH-, и 2-gap spoke резонаторов. Отсутствие внешних фокусирующих элементов и конструктивная простота предложенных вариантов делает перспективными их использование для ускорителей, работающих в непрерывном режиме или режиме с малой скважностью, построенных на основе сверхпроводящих резонаторов

Variant of alternating phase focusing with the stepped change of the synchronous phase

In the paper the calculation of the accelerating structure with the stepped change of the synchronous phase is presented. The method is tested for the calculation of the accelerating structure and He⁺ beam with A/q=4 in the energy range from 30 keV/n to 0.975 MeV/n.В роботі запропонований розрахунок прискорюючої структури із покроковим зміненням синхронної фази. Метод апробовано на розрахунку прискорюючої структури і динаміки пучка іонів Не⁺ з A/q=4 в інтервалі енергій 30 кеВ/н...0.975 МеВ/н.В работе предлагается расчет ускоряющей структуры с шаговым изменением синхронной фазы. Метод апробирован на расчете ускоряющей структуры и динамики пучка ионов Не⁺ с A/q=4 в диапазоне энергий 30 кэВ/н...0.975 МэВ/н

Engineering of the low-energy beam transport line in the He⁺ ions linac

The design of a low-energy beam transport line in the helium ions linear accelerator is proposed. For experiments with the low-energy helium ions the vacuum chamber in a transport line is in addition included for an irradiation of investigated materials. The mathematical modeling method investigates coordination variants of an injector beam output emittance with an accelerating structure acceptance with use of electromagnetic quadrupole lenses, electrostatic lenses and the focusing solenoid. It is shown that the optimal variant, ad hoc, is the focusing solenoid application. The calculated value of a current of the helium accelerated ions makes 4.5 mА.Запропоновано схему лінії транспортування низькоенергетичного пучка в лінійному прискорювачі іонів гелію. Для експериментів із низькоенергетичними іонами гелію в лінію транспортування додатково включена вакуумна камера для опромінення досліджуваних матеріалів. Методом математичного моделювання досліджено варіанти узгодження вихідного емітанса пучка інжектора з аксептансом прискорювальної структури з використанням електромагнітних квадрупольних лінз, електростатичних лінз і фокусуючого соленоїда. Показано, що найбільш оптимальним для даного випадку є варіант із застосуванням фокусуючого соленоїда. Розрахункове значення струму прискорених іонів гелію становить 4,5 мА.Предложена схема линии транспортировки низкоэнергетического пучка в линейном ускорителе ионов гелия. Для экспериментов с низкоэнергетическими ионами гелия в линию транспортировки дополнительно включена вакуумная камера для облучения исследуемых материалов. Методом математического моделирования исследованы варианты согласования выходного эмиттанса пучка инжектора с аксептансом ускоряющей структуры с использованием электромагнитных квадрупольных линз, электростатических линз и фокусирующего соленоида. Показано, что наиболее оптимальным для данного случая является вариант с применением фокусирующего соленоида. Расчетное значение тока ускоренных ионов гелия составляет 4,5 мА

Accelerating structure with combined radio-frequency focusing for acceleration of heavy ions A/q ≤ 20 to energy 1 MeV/u

A general arrangement of initial part for multicharged ion linac (MILAC) with two-segment accelerating structure has been developed. The first segment, an interdigital H-type (IH) accelerating structure with radio-frequency quadrupole (RFQ) focusing provides ion acceleration from 6 up to 100 keV/u with high capture efficiency of injected ions. The second segment consisting of IH accelerating structure based on a combination of alternating phase and quadrupole radio-frequency focusing (CRFF) delivers radial-phase stability to ion acceleration from 100 up to 975 keV/u.Розроблено загальну схему початкової частини лінійного прискорювача багатозарядних іонів (ЛПБЗІ), прискорююча структура якого складається з двох ділянок. На першій ділянці прискорення іонів від (6 до 100 кеВ/нукл.) високе захоплення в процес прискорення інжектованих іонів забезпечить зустрічно-штирьова (IH) прискорююча структура з просторово однорідним квадрупольним фокусуванням (ПОКФ), на другій ділянці (від 100 до 975 кеВ/нукл.) радіально-фазова стійкість іонів досягається за допомогою IHприскорюючої структури на основі комбінації змінно-фазового та квадрупольного високочастотного фокусувань (КВЧФ).Разработана общая схема начальной части линейного ускорителя многозарядных ионов (ЛУМЗИ), ускоряющая структура которой состоит из двух участков. На первом участке ускорения ионов (от 6 до 100 кэВ/нукл.) высокий захват в процесс ускорения инжектированных ионов обеспечит встречно-штыревая (IH) ускоряющая структура с пространственно однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ), на втором участке (от 100 до 975 кэВ/нукл.) радиально-фазовая устойчивость ионов достигается c помощью IHускоряющей структуры на основе комбинации переменно-фазовой и квадрупольной высокочастотной фокусировок (КВЧФ)