Численное моделирование сильноточного ионного линейного индукционного ускорителя с инжекцией дополнительных электронных пучков

Abstract

Представлены результаты 2d3v-численного моделирования методом макрочастиц транспортировки и ускорения сильноточного трубчатого ионного пучка в шести магнитоизолированных промежутках. Зарядовая и токовая компенсации осуществляются сопровождающим электронным пучком, а также дополнительно инжектируемыми электронными пучками. Ускоряющее электрическое поле приложено к первому, третьему и пятому каспам. Его величина такова, что начальная кинетическая энергия компенсирующих электронных пучков немного выше потенциального барьера ускоряющего поля в каждом каспе, что позволяет электронному пучку преодолеть ускоряющий потенциал в одном каспе. Второй, четвертый и шестой каспы, в которых ускоряющее поле отсутствует, используются для инжекции дополнительных компенсирующих электронных пучков, которые заменяют “отработавший” на предыдущем ускорительном промежутке электронный пучок. При моделировании численно решались полные уравнения Максвелла и релятивистские уравнения движения заряженных частиц. Для вычисления плотностей тока на сетке использована сохраняющая заряд схема. Продемонстрирована возможность транспортировки и ускорения сильноточного трубчатого ионного пучка в шести каспах. Показано, что функция распределения сильноточного ионного пучка на выходе ускорителя существенно улучшается благодаря оптимизации параметров инжектируемых дополнительных электронных пучков.

Представлено результати 2d3v-моделювання методом макрочастинок транспортування та прискорення сильнострумового трубчастого іонного пучка у шести магнітоізольованих проміжках. Зарядова й струмова компенсації здійснюються супроводжуючим електронним пучком, а також додатково інжектованими електронними пучками. Прискорююче електричне поле прикладене до першого, третього та п’ятого каспів. Його величина така, що початкова кінетична енергія компенсуючих електронних пучків дещо вище ніж потенціальний бар’єр прискорюючого поля у кожному каспі, що дозволяє електронному пучку подолати прискорюючий потенціал в одному каспі. Другий, четвертий та шостий каспи, в яких прискорююче поле відсутнє, використовуються для інжекції додаткових компенсуючих електронних пучків, що замінюють “відпрацьований” на попередньому прискорюючому проміжку електронний пучок. При чисельному моделюванні розв’язувались повні рівняння Максвела та релятивістські рівняння руху заряджених частинок. Для обчислення густин заряду та струму на сітці застосована схема, що зберігає заряд. Продемонстрована можливість транспортування та прискорення сильнострумового трубчастого іонного пучка у шести каспах. Показано, що функція розподілу сильнострумового іонного пучка на виході прискорювача суттєво покращується завдяки оптимізації параметрів інжектованих додаткових електронних пучків.

The 2d3v particle-in-cell simulations of the transportation and acceleration of a high-current tubular ion beam through six magnetoinsulated accelerating gaps are presented. Charge and current compensations are carried out by an accompanying electron beam, and also by additionally injected electron beams. The accelerating electric field is enclosed to the first, third and fifth cusps. Its magnitudes are those, that initial kinetic energy of compensating electron beams is little bit higher than a potential barrier of an accelerating field in each cusp, that allows an electron beam to overcome accelerating potential in one cusp. The second, fourth and sixth cusps in which the accelerating field is absent, are used for injection of additional compensating electron beams which replace the electron beam which has "worked-out" on the previous accelerating gap. The simulations involve solving a complete set of Maxwell’s equations with charge-conserving scheme for calculating the current density on a mesh, and relativistic motion equations for charged particles. The possibility of transporting and acceleration of a high-current tubular ion beam in six cusps is shown. It is shown, that distribution function of a high-current ion beam on an output of the accelerator essentially improves due to optimization of parameters of additionally injected electron beams.