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

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

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

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

Optimization of axially symmetric drift tube geometry

The integral equation method had been used for calculation of the electric field strength between drift tubes as well as on their surfaces, power distribution of RF surface losses, and mutual tubes capacitance. The method gives an opportunity to find the critical surface points where the field strength and the linear power density have the maximum values

Ion beam forming dynamics in an injector taking into account a plasma boundary

The developed program code taking into account a shape and position of an emitting plasma boundary had been used to examine a deuterium beam forming in an injector. It has been shown that the beams formed by a three-electrode ion optical system have a complex density distribution in a beam phase space. For the narrow current range it is possible to have a beam crossover at the injector output with a radius of 1mm and divergence less then 20 mrad

A channel of high current deuteron linac with low radiation losses

The performances of an accelerating channel of a high-current deuteron linac for production of ⁹⁹Mo-⁹⁹mTc medical radioisotope-generator are given. The radioisotope is produced by deuteron beam bombardment of natural molybdenum targets. The mean yield of ⁹⁹Mo radioisotope is no less than 0.16 Ci/h. The produced radioisotope has the high rаdionuclide purity. The accelerating channel has been calculated for average beam current of 1 mA, and deuteron energy of 14 MeV. The longitudinal and transverse movement stabilities of charged particle beam are ensured with RF accelerating electric field. The initial section is the radio frequency quadrupole with the output energy of 2 MeV, and two other sections are structures with modified alternative-phase focusing. Low deuteron losses in the accelerating channel result in low induced activity of accelerating structure elements.Надано характеристики каналу потужно струмового лінійного прискорювача дейтронів, призначеного для виробництва медичного радіоізотопу–генератора ⁹⁹Mo-⁹⁹mTc, що утворюється при бомбардуванні пучком дейтронів мішеней із природного молібдену. Середня швидкість виробництва радіоізотопу ⁹⁹Mo, що має високу радіонуклідну чистоту, складає близько 0,16 Kі/година. Канал прискорювача розраховано на середній струм пучка 1 мА і енергію дейтронів 14 МеВ Канал лінійного резонансного прискорювача складається з трьох секцій які використовують високочастотне фокусування пучка заряджених частинок безпосередньо прискорюючим електричним полем. Перша секція є структурою з просторово-однорідним квадрупольним фокусуванням, з енергією інжекції 100 кеВ і вихідною – 2 МеВ, а дві інші секції є структурами з модифікованим змінно-фазовим фокусуванням. Низький рівень втрат дейтронів у каналі приводить до малої наведеної активності елементів прискорюючих структур.Приводятся характеристики ускоряющего канала сильноточного линейного ускорителя дейтронов, предназначенного для производства медицинского радиоизотопа – генератора ⁹⁹Mo-⁹⁹mTc, образующегося при бомбардировке пучком дейтронов мишеней из природного молибдена. Средняя производительность радиоизотопа ⁹⁹Mo, который имеет высокую радионуклидную чистоту, составляет более 0,16 Ku/ч. Ускоряющий канал рассчитан на средний ток пучка 1 мA и энергию дейтронов 14 МэВ. Он состоит из трех секций с высокочастотной фокусировкой пучка непосредственно ускоряющим электрическим полем. Первая секция является структурой на основе пространственно-однородной квадрупольной фокусировки с выходной энергией 2 МэВ, а две другие секции представляют структуры с модифицированной переменно-фазовой фокусировкой. Низкий уровень потерь дейтронов в канале приводит к малой наведенной активности элементов ускоряющих структур

Adjustment of resonance frequency in H-structures accelerating

It is necessary to adjust the resonant frequency of the accelerating structures during operation of high-frequency linear accelerators on the H-wave. The deviation of the resonant frequency of the resonator from the calculated value is due to the connection of input devices and control of RF power when changing the level of matching of the resonator with the feeder line that transports the RF power to the resonator, as well as when changing the temperature mode of the resonator. The problem is especially urgent when the accelerator structure consists of several resonators. The paper presents the designs of several resonant frequency tuners and the results of their research. The influence of the change of the frequency of oscillations excited in the accelerating structure on the parameters of the accelerated beam is considered.У процесі експлуатації високочастотних лінійних прискорювачів іонів на Н-хвилі необхідно коригувати резонансну частоту прискорювального резонатора. Відхилення резонансної частоти резонатора від розрахункового значення відбувається внаслідок підключення до нього пристроїв введення і контролю ВЧ-потужності при зміні рівня узгодження резонатора з хвильовим опором фідерної лінії, яка транспортує ВЧ-потужність у прискорювач, а також при зміни його температурного режиму. Проблема особливо актуальна в разі, коли прискорювальна структура складається з декількох резонаторів. Представлено конструкції кількох настроювачів резонансної частоти та результати їх досліджень. Розглянуто вплив зміни частоти коливань збуджуваних у прискорювальній структурі, на параметри прискореного пучка.В процессе эксплуатации высокочастотных линейных ускорителей ионов на Н-волне необходимо корректировать резонансную частоту ускоряющих структур. Отклонение резонансной частоты резонатора от расчетного значения происходит вследствие подключения к нему элементов ввода её мощности и контроля, при нарушении степени согласования входного сопротивления резонатора с волновым сопротивлением фидерной линии, по которой ВЧ-мощность поступает в ускоритель, а также при изменении его температурного режима. Проблема особенно актуальна в случае, когда ускоряющая структура состоит из нескольких резонаторов. Представлены конструкции нескольких настройщиков резонансной частоты и результаты их исследований. Изучено влияние изменения частоты колебаний, возбуждаемых в ускоряющей структуре, на параметры ускоренного пучка

Radiation performances of a high current deuteron linac channel

The results of numerical simulation of spatial and time performances of the radiation field, which is produced by the induced activity in high-current deuteron linac elements, are given.Наведено результати чисельного моделювання просторових і часових характеристик радіаційного поля, що створюється наведеною активністю елементів сильнострумового прискорювача дейтронів.Приведены результаты численного моделирования пространственных и временных характеристик радиационного поля, создаваемого наведенной активностью в элементах сильноточного линейного ускорителя дейтронов