Введение 3
Постановка задачи 5
Обзор литературы 6
Глава 1. Основные принципах работы 8
1.1. Резонансные ускорители 8
1.2. Переменно-фазовая фокусировка 9
Глава 2. Модели аппроксимации поля 10
2.1. Модель аппроксимации распределения поля вдоль оси с помощью косинуса 12
2.2. Модель аппроксимации распределения поля вдоль оси с помощью функции ошибок 13
2.3. Сравнение моделей аппроксимаций 15
Глава 3. Расчет геометрии основной части ускорителя 17
3.1. Трехмерная модель резонатора 17
3.2. Расчет собственной частоты резонатора 20
3.3. Настройка собственной частоты периодов 22
3.4. Алгоритм выбора геометрических параметров 24
Глава 4. Моделирование динамики частиц 25
4.1. Последовательность синхронных фаз 26
4.2. Расчет длин периодов 27
4.3. Моделирование динамики 30
4.4. Результаты моделирования 32
Выводы 37
Заключение 38
Список литературы 40
Самым ярким представителем ускорителей заряженных частиц является, несомненно, Болвшой адронный коллайдер. В этот огромный комплекс помимо главного колвца длиной в 27 километров входят еще срав- нителвно неболвшие линейнвхе и циклические ускорители. Они разгоняют частицвх на началвнвхх этапах ради достижения болвшей эффективности работах главного кольца. В отличие от циклических ускорителей, в линейных частица движется по прямой и только один раз проходит ускоряющую структуру. Отметим, что линейные ускорители задействованы не только в фундаментальных исследованиях. Во многих онкологических центрах России и по всему миру они используются для проведения лучевой терапии. Недавно ускорители стали применяться для активационного анализа элементного состава материалов и для бесконтактного таможенного контроля грузов.
Линейные ускорители делятся на два класса по типу задействованных частиц - электронные и ионные. При этом работа установки не сводится только к увеличению скорости каждой частицы. Не стоит забывать, что частицы отталкиваются друг от друга и стремятся разлететься в разные стороны, а для практических нужд необходимо держать их всех вместе, близко к центру оси ускорителя. В зависимости от способа фокусировки частиц различают 2 вида конструкции линейных ускорителей.
В моем исследовании рассматриваются линейные резонансные ускорители дейтронов (изотопов водорода с дополнительным нейтроном), в которых фокусировка частиц осуществляется самим ускоряющим электромагнитным полем (так называемая «переменно-фазовая фокусировка»). Ускоритель представляет собой цилиндр с закрепленными в нем трубками дрейфа. Частица увеличивает скорость, проходя зазоры между трубками, и практически не испытывает воздействия поля («дрейфует»), нахо- дясв внутри трубок. Установки, эксплуатируемые сейчас, разрабатывались как минимум 10 лет назад. Технологии идут вперед, растущая мощности компьютеров позволяет проводить более точные расчеты, поэтому необходимы исследования по улучшению параметров оборудования. Эффективность работы ускорителя обычно оценивают по следующим показателям:
1. Энергия частиц на выходе из ускорителя
2. Потери частиц на стенках ускорителя
3. Разброс частиц по энергии
4. Сфокусированность пучка.
Теоретические разработки и проектирование линейных ускорителей ведутся непрерывно, так как прикладные цели требуют улучшения характеристик пучка частиц. В данной работе рассматривается линейный резонансный ускоритель частиц с трубками дрейфа. Структуры подобного вида используются, например, в нескольких научных центрах Европы, а также в онкологическом центре в Японии (HIMAC). В работе было изучено влияние геометрических параметров структуры ускорителя на распределение поля вдоль оси ускорителя и динамику частиц. Было уделено особое внимание определению резонансной частоты всей установки и отдельных её частей. Для проведения расчетов была создана компьютерная модель геометрии установки, а также на базе программы DAISI реализован модуль расчетов для ускорителей с трубками дрейфа. В ходе численных экспериментов были получены эмпирические зависимости резонансной частоты одного периода от его геометрических параметров. На основе полученных данных разработан алгоритм выбора геометрических параметров резонатора, обеспечивающих равномерное распределение поля вдоль оси ускорителя. Оценка полезности изменений ведется по показателям динамики пучка, проходящего через рассчитанную структуру. Результаты численного моделирования динамики пучка частиц говорят об эффективности предложенного подхода. Предложенный алгоритм выбора геометрических параметров можно использовать при проектировании компактного линейного ускорителя с трубками дрейфа. Расчет проводился для конкретной рабочей частоты установки, однако алгоритм является универсальным и может быть использован при других исходных данных.
Результаты исследований были представлены на ряде международных конференций [35, 36, 42, 43], а также были доложены на семинаре в университете Токио, Япония.
С ростом производительности современных компьютеров у нас появляется возможность проводить всё более точные расчеты. Можно учитывать большее число факторов, можно отказаться от некоторых допущений в пользу более сложных, но и более точных представлений. Новые исследования позволят разработать ускорители с показателями, превосходящими существующие образцы.
