Ускоритель RFQ

Ускоритель RFQ (ПОКФ — пространственно-однородная квадрупольная фокусировка; ускоряющая структура ВЧК — высокочастотный квадруполь) — тип линейного ускорителя пучков заряженных частиц, в котором поперечная устойчивость обеспечена переменным электрическим полем, совмещённым с ускоряющим продольным полем. Предложен впервые в 1969 году В.А. Тепляковым, И.М. Капчинским на Международной конференции по ускорителям в Ереване^[1][2].

Контроль геометрии ускорителя RFQ установки SARAF^[англ.], исследовательский центр Сорек, Израиль.

RFQ-ускоритель в национальной лаборатории NSCL^[англ.], в кампусе Мичиганского университета, 2013 год.

Схематическое изображение электродов RFQ-ускорителя.

RFQ-резонатор в Национальной лаборатории Легнаро.

Физический принцип

В классическом резонансном линейном ускорителе (конструкции Изинга, Видероэ, Альвареса и Слоана-Лоуренса) частицы ускоряются продольным высокочастотным электрическим полем в зазорах между трубками дрейфа, в которых "прячутся" пока волна имеет неправильную фазу, с обратным направлением поля. Для поперечной устойчивости частиц пучка требуется отдельная система магнитных линз, устанавливаемых на участках дрейфа. Однако у тяжёлых частиц самой низкой энергии очень мала скорость, из-за чего длина дрейфовых трубок, равная произведению длины волны ВМ-поля на релятивистский фактор частиц βλ, становится слишком мала для размещения слишком сильных фокусирующих элементов^[3].

Идея RFQ-ускорителя в том, чтобы обеспечить поперечную фокусировку электрическим же высокочастотным полем. Ускоритель представляет собой "электростатическую" квадрупольную линзу, с четырьмя электродами, полярность напряжения на которых меняется с частотой ВЧ. Таким образом обеспечивается знакопеременная фокусировка. Ускорение же обеспечивается небольшой продольной вариацией поперечного профиля, из-за чего поперечное электрическое поле TE₂₁ моды "наклоняется", производя продольную компоненту поля^[4][3][5].

Поскольку ускорение определяется геометрией электродов вдоль движения пучка, можно сделать плавное нарастание глубины вариации профиля, что обеспечивает группировку пучка и адиабатический захват частиц в режим ВЧ-ускорения с эффективностью, близкой к 100%, в отличие от классической конструкции линаков, где неизбежны потери около 50% частиц, попавших в неправильную фазу^[5].

Эффективность ускорения RFQ падает с ростом скорости частиц, на практике верхний предел целесообразности применения RFQ определяется соотношением 2Q/A (МэВ/н), где Q/A — отношение заряда к массе иона^[3]. Поэтому для ускорения тяжёлых частиц до высоких энергий, как правило, применяют последовательно RFQ-ускоритель, затем классический DTL (ускоритель с трубками дрейфа).

См. также

• Линейный ускоритель

Примечания

1. Высокочастотная квадрупольная фокусировка (К истории её возникновения и развития) Архивная копия от 19 марта 2022 на Wayback Machine, В.А. Тепляков, А.П. Мальцев, В.Б. Степанов, Протвино, 2006.
2. Труды VII международной конференции по ускорителям заряженных частиц высоких энергий, В 2 т. / Под ред. А.И. Алиханяна. - Ереван ; Цахкадзор : Изд-во АН АрмССР, 1970.
3. RFQs — An Introduction, John W. Staples, Berkeley, 1990
4. Accelerator Structures III - RFQ  (неопр.). Дата обращения: 24 сентября 2023. Архивировано 3 октября 2022 года.
5. The Radio Frequency Quadrupole (RFQ) Архивная копия от 15 июня 2022 на Wayback Machine, A.M. Lombardi, CAS, 2006.