Э.С. МАСУНОВ, С.М. ПОЛОЗОВ

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПУЧКА ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ

В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ОНДУЛЯТОРЕ
Современные источники заряженных частиц позволяют получать интенсивные пучки ионов с различными отношениями заряда к массе. Транспортировка таких пучков от источника к ускоряющей секции является непростой задачей, т.к. ток пучка велик, а скорость ионов мала. Выбор системы транспортировки зависит от основных параметров пучка: начального поперечного эмиттанса, энергии пучка, отношения заряда к массе, тока пучка. Обычно для транспортировки аксиально-симметричного пучка используют системы магнитных или электростатических линз. Системы для транспортировки ленточных ионных пучков в настоящее время изучены слабо. Использование магнитных линз для тяжелых ионов представляется малоперспективным, т.к. для этого требуются магнитные поля очень большой интенсивности. В этом случае предлагается использовать электростатический ондулятор [1-2] (рис. 1). Эта система является достаточно простой и не требует использования больших электростатических потенциалов. Электростатический ондулятор позволяет транспортировать аксиально-симметричные и ленточные пучки ионов с отношением заряда к массе Z/А=1/10-1/60.

Рис. 1. Электростатический ондулятор.

Динамика пучка тяжелых ионов в электростатическом ондуляторе была исследована аналитически и с помощью численного моделирования. Было получено условие поперечной фокусировки пучка:

,

где V – разность потенциалов между электродами ондулятора, D – период ондулятора, A и Z – массовое число и заряд иона,  - скорость частиц, I – ток пучка, S – площадь поперечного сечения пучка, A – ток Альфвена, 1, =3/4 для аксиально-симметричного пучка и 2, =2 для ленточного пучка. Например, для транспортировки ленточного пука ионов бора при I=10 мA, =0.001 и S=0.33.0 см² амплитуда поля ондулятора должна быть равна = 10 кВ/см. Для аксиально-симметричного пучка при =10 кВ/см и радиусе пучка r_b=0.15 см предельный ток равен I=0.75 мA.

Численное моделирование динамики пучка тяжелых ионов в электростатическом ондуляторе проводилось с использованием программы BEAMDULAC. Было показано, что для транспортировки пучков без потерь на расстояния порядка 1 м необходимо создать на оси канала ондулятора электростатическое поля с напряженностью 10-30 кВ/см (при D=2 см). Эта величина превышает значение, найденное аналитически. Последнее обстоятельство связано с необходимостью получения на выходе из канала транспортировки пучков высокого качества. Необходимо также отметить, что предложенная система позволяет транспортировать пучки с очень большим начальным поперечным эмиттансом =150 mmmrad для ионов бора при I=10 мA и =0.001.

Указанные параметры ондулятора (период и напряженность поля) достаточно легко реализовать практически. Так, например, для транспортировки пучка ионов бора при указанных выше параметрах требуется величина напряженности поля Е₀=12-14 кВ/см. Она может быть получена при разнести потенциалов между соседними электродами V=40 кВ (см. в этом сборнике работу С.М. Полозов. Моделирование полей в электростатическом ондуляторе).

Работа выполнена при поддержке РФФИ (Грант № 04-02-16667) и CRDF (MO-011-02 Y2-P-11-20).
Список литературы

1. 
   Э.С. Масунов. ЖТФ, 35, No. 8, стр. 962, 1990.
   
2. 
   E.S. Masunov, S. M. Polozov, A.S. Roshal. Radiation Physics and Chemistry, 2001, v. 61, pp. 491-493.