High-current ion induction linac for heavy ion fusion : 2d3v numerical simulation

Abstract

The 2d3v particle-in-cell simulations of the transport and acceleration of a high-current tubular ion beam through six magnetoinsulated accelerating gaps are presented. The ion beam is neutralized by an accompanying electron beam. The accelerating electric fields in the first, third, and fifth cusps are chosen so that electron beam kinetic energy is slightly higher than the potential barrier of the accelerating field in each cusp. The second, fourth, and sixth cusps are used for injection of additional high current electron beams. The accelerating fields in the second, fourth, and sixth cusps are zero. The simulations involve solving a complete set of Maxwell’s equations with charge-conserving schemes for calculating the current density on a mesh, and relativistic motion equations for charged particles. It is shown, that at chosen acceleration rates the quality of ion distribution function on the accelerator exit is not worsened drastically in comparison with the transportation mode. It is shown, that the optimized in space and time injection of additional high current electron beams in cusps results in increase of accelerated ion beam monochromaticity and to reduction it divergency on an accelerator exit.

Наведено результати 2.5-вимірного числового моделювання методом макрочастинок транспортування та прискорення трубчастого сильнострумового іонного пучка, який супроводжується компенсуючим електронним пучком, у шести магнітоізольованих прискорюючих проміжках. Прискорюючі електричні поля у першому, третьому і п’ятому каспах обрано такими, щоб кінетична енергія компенсуючого електронного пучка була трохи більша за потенціальний бар’єр прискорюючого поля у кожному каспі. Другий, четвертий і шостий каспи, в яких прискорюючі поля відсутні, використовуються для інжекції додаткових сильнострумових електронних пучків. Моделювання методом макрочастинок виконано з розв’язанням повних рівнянь Максвелла з використанням зберігаючої заряд схеми обчислення щільності струму на сітці, а також з розв’язанням релятивістських рівнянь руху заряджених частинок. Показано, що при обраних прискорюючих полях якість функції розподілу іонного пучка на виході прискорювача суттєво не погіршується у порівнянні з режимом транспортування. Показано також, що оптимізована у просторі і часі інжекція додаткових сильнострумових електронних пучків у каспи призводить до збільшення моноенергетичності прискорюємого іонного пучка і до зменшення його розбіжності на виході прискорювача.

Приведены результаты 2.5-мерного численного моделирования методом макрочастиц транспортировки и ускорения сильноточного трубчатого ионного пучка, сопровождаемого компенсирующим электронным пучком, в шести магнитоизолированных ускоряющих промежутках. Укоряющие электрические поля в первом, третьем и пятом каспах выбраны таким образом, чтобы кинетическая энергия компенсирующего электронного пучка немного превосходила потенциальный барьер ускоряющего поля в каждом каспе. Второй, четвертый и шестой каспы, в которых ускоряющие поля отсутствуют, используются для инжекции дополнительных сильноточных электронных пучков. Моделирования методом макрочастиц выполнены с решением полных уранений Максвелла с использованием сохраняющей заряд схемы вычисления плотностей тока на сетке, а также с решением релятивистских уравнений движения заряженных частиц. Показано, что при выбраных ускоряющих полях качество функции распределения ионов на выходе ускорителя существенно не ухудшается по сравнению с режимом транспортировки. Показано также, что оптимизированная в пространстве и времени инжекция дополнительных сильноточных электронных пучков в каспы приводит к увеличению монохроматичности и уменьшению расходимости ускоряемого ионного пучка на выходе ускорителя.