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

A neutron source on a basis of a subcritical assembly driven by a deuteron linac

The main characteristics of a conceptual thermal neutron source based on a subcritical uranium assembly are presented. A driver for the subcritical assembly is a deuteron linac with output energy of 23 MeV and an average beam current of 1 mA. The initial neutron generation is produced in nuclear reactions as accelerated deuterons bombard a beryllium target.Приведены результаты исследований основных характеристик концептуальной схемы источника тепло- вых нейтронов на основе подкритической урановой сборки, управляемой линейным ускорителем дейтронов с энергией 23 МэВ и средним током 1 мА. Генерация первичных нейтронов обусловлена ядерными реакция- ми при бомбардировке бериллиевой мишени ускоренными дейтронами.Наведені результати досліджень основних характеристик концептуальної схеми джерела теплових нейтронів на базі підкритичної уранової збірки, що керується лінійним прискорювачем дейтронів з енергією 23 МеВ та середнім струмом 1 мА. Генерація первинних нейтронів зумовлена ядерними реакціями внаслідок бомбардування берилієвої мішені прискореними дейтронами