文摘
一个名叫脉冲同步直线加速器低能质子加速器(PSLA)的提出和发展流体物理研究所,这是由unipolar-pulsed高电压。Pulsed-accelerating电场和低能离子光束精确同步的时间和空间位置持续加速。的操作模式和特征介绍了PSLA。目前,一个低能质子PSLA已得到验证的可行性原则。平均梯度加速3 MV / m的质子。
1。介绍
低能质子和重离子能量从数以百计的keV / u兆电子伏/ u有广泛的应用,如材料分析(1- - - - - -3],低能核物理[4,5),生物医学(6,7),离子离子注入机(8],喷油器的高能离子加速器(9]。因为能量很低,空间电荷效应很强。特别是对于超重的加速离子(10)集群和带电粒子(11)有一个很大的质荷比,加速效率很低。
加速低能离子的最简单方法是使用高压缝隙等,在静电加速器。然而,由于绝缘限制,平均加速度梯度是1∼2 MV / m (12),最终实现能量不高。在早期,即使在今天,一直尽最大努力建立这样笨重的设备,如商用单例和Tandetron所产生的高电压工程欧罗巴b . v . [13)和静电Pelletron和串列加速器产生的静电学总公司(14]。射频四极(RFQ),它提供了梁加速度、横向聚焦,和纵向聚束同时,是一个非常有效的解决方案来提高梁的能量兆电子伏水平,使它几乎默认选择作为许多高能离子加速器注入器(15- - - - - -17]。然而,平均加速度梯度的RFQ通常小于1 MV / m。例如,欧洲的询价单的平均加速度梯度散裂源约为0.8 MV / m (18),整个射频系统的RFQ加速器仍然需要一个大空间19]。此外,通常询价表旨在加速离子光束的特定的荷质比。脉冲高电压可以用来加速低能离子,但很少有。例如,脉冲高电压可以用马克思发生器产生的提取重离子束(20.)或通过集成开关电源和感应腔加速重与不同质荷比的离子感应同步加速器(21- - - - - -23]。据我们所知,这种类型的加速器不存在,对重离子加速目前仍在运行。图1显示带电粒子加速了三种电场。
基于对低能质子和离子加速器,日益增长的需要和追求的简洁和成本效益,我们提出了一个低能质子加速器驱动脉冲高电压,即脉冲同步直线加速器(PSLA) [24]。Pulsed-accelerating电场和低能离子光束精确同步的时间和空间位置持续加速。
2。PSLA的概念
脉冲离子束加速在结构组成的许多小蛀牙,和脉冲高电压产生的差距在这样一个腔。脉冲高电压和梁之间的同步实现通过控制每个脉冲触发延迟确保脉冲光束穿过时准备好空白。梁本身,PSLA类似于直流高压加速器,可以任意质荷比的离子加速不管初速度,包括成本很高重离子和集群离子状态。绝缘子的脉冲高压击穿强度显著提高直流高压击穿强度的比较。分解的研究表明,绝缘材料可以承受一些问/ m如果磁场梯度脉冲持续时间的持续时间保持几微秒或sub-nanoseconds (25,26]。因此,PSLA很容易达到平均加速度梯度以上10 MV / m。
查询词听起来类似于虚拟行波加速介质壁加速器(27,28]。然而,有一个重要的区别:介质壁加速器的电路拓扑和寄生参数会导致所谓的电路耦合效应和空腔耦合效应在介质壁加速器29日]。基于我们之前的研究介质壁加速器的经验,我们可以重新排列孤立磁芯轴和径向方向解耦电路耦合腔结构和优化和匹配的抵抗分离腔耦合。然后,我们的原始介质壁加速器(30.)开发的流体物理研究所(奖学金项目)已经逐渐演变为今天的PSLA。
图2显示了一个简单的示意图PSLA,组成的离子源和十个加速腔。我们假设光束穿过结构,及其位置如图2(一)-2分别(c)。同时,我们需要触发脉冲与梁同步加速运动,表示在同一图。红色区域表示加速脉冲高电压,而蓝色区域表示减速场耦合脉冲高电压。每个区域的长度可以根据需要调整以适应梁参数如梁长度和能源。
3所示。数值模拟
3.1。(1]质子加速Square-Pulsed高电压
我们模拟了加速度的质子束PSLA使用神奇的软件,假设平方脉冲高电压的波形,如图3。光束在50 keV提取,然后在每个加速度加速腔脉冲高电压100 kV,和脉冲宽度大约是10∼12 ns。轨道和能量分布相同的图所示。梁仍在结构时,头会让更多的能量,因为它通过更多的蛀牙。梁离开结构、梁的主要部分得到相同的能量。然而,头部和尾部有不同的能量由于纵向空间电荷。纵向空间电荷取决于电流强度变化,所以能量调制将观察到的只有头部和尾部区域的电流强度剖面显著变化。此外,小横梁的大小表明横向聚焦在这种情况下是足够好的。相比之下,由于缺乏纵向集中,一些长度变得更长时间由于能量扩散和纵向空间电荷。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
3.2。(2Sinusoidal-Pulsed]质子加速的电场
为了增加纵向聚焦脉冲波形的上升时间和下降时间是类似的共振结构的射频(RF)加速。结果在图4表明,梁纵向方向的压缩。事实上,实际的脉冲高压电源产生的窄脉冲宽度,使其更接近射频波而不是一个方波。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
相比之下,图3质子束流的信封尤其是在漂移管变得比这大得多,但梁的总能量较低,类似于off-crest加速度在传统的射频结构。为了聚焦光束的纵向方向,梁头应获得更少的能量和群尾应该获得更多的能量。因此,当梁结构,群头比群尾较低的能量。一个也可以注意到能量分散片比,在图3在这种情况下。在传统射频加速,纵向聚焦可以调整通过改变所谓的同步相位和振幅。在PSLA的情况下,一个可以改变脉冲延迟和振幅形式更灵活的纵向调优。梁的长度比图要短得多3,这意味着纵向聚焦是按预期工作。也就是说光束能量分布,梁信封,串的长度可以通过改变调整时间序列建立每个加速腔的电场。通过比较最大能量的头部和尾部如图4 (d)和4 (f),最大能量的值群头和尾巴是相反的,这意味着有一个合适的位置安装目标之间的漂移管z= 180毫米,z= 250毫米,所有脉冲的能量质子束流几乎是相等的。这表明脉冲质子束的能量分布是最优的。
4所示。实验验证
PSLA的原型,而现在,它正在测试中。PSLA原型由40质子keV ECR离子源喷射器five-pulsed同步加速单元和一个质子束测量系统。每个脉冲同步加速单元构成的一个加速腔是由脉冲功率发生器(31日),由固态集成脉冲形成线,光导半导体开关,激光二极管触发器和铁氧体磁性环组成的传输线变压器和输电线路。五个加速腔连续连接。每一个加速腔相当于平面电容。因此,这种腔的等效电路及其驱动程序是一个传输线变压器的拓扑结构。每个脉冲发电机供应脉冲高电压与一个典型的加速腔50∼80 kV,幅度10 ns(应用),持续时间和上升时间和下降时间5∼8 ns。的布局PSLA原型如图5。验证实验完成了利用两种类型的加速结构,已被讨论(24]。质子束测量系统组成的磁分析器,快速闪烁体和ICCD相机是建立测量光束的能量。
(一)
(b)
实验结果如图所示6。图片从左到右的人物6(一)和6 (b)显示实验结果用2段5-stage-pulsed同步加速腔,分别。在这里,阶段意味着添加数量的蛀牙。我们观察到,梁是加速了这些synchronous-pulsed高电压。应该强调,有区别的条件验证实验和仿真结果,如工作电压的单加速度单位和加速阶段的数量。由于向量模型的稳定性和可靠性较低引起的电脑寿命的限制(32还未达到),脉冲质子加速9-stage-pulsed高压下100千伏每阶段。我们只有验证结果脉冲加速质子的加速电压50 kV /阶段。质子束加速的实验1 - 5阶段已经完成,和质子束流加速到最大能源约300 keV 5-stage-pulsed同步加速单元。结果,获得的能量通过添加每个额外的空腔是不同的,从30 keV 60凯文。我们希望包括更多的蛀牙在一个单一的结构和为每个腔提供100千伏。图6也表明,绝缘膜结构提供电压高于漂移管结构在我们的测试。结构长度小于10厘米在这两种情况下,估计平均加速度梯度是3 MV / m。
(一)
(b)
5。结论
低能质子PSLA由脉冲高电压是建立和测试。基本思想是脉冲电场加速和光束可以在时间和空间位置精确同步持续加速。本文介绍了PSLA的操作模式,和一些功能PSLA已经讨论。加速度和运输的低能质子束PSLA已经验证了仿真和实验验证。我们的结果表明,平均梯度加速3 MV / m可以获得在目前的原型,而且,未来的改进可以增加梯度。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者要感谢星光副教授,中国散裂中子源的高能物理研究所,中国科学院,为他的援助在抛光。这项研究得到了国家自然科学基金(批准号。51977200,51977200,11735012)。