AbstractThe space charge of ions limits the current that can be accelerated in a conventional ion linear accelerator (linac). Furthermore, the accelerating electric field must be kept low enough to avoid the generation and acceleration of counterstreaming electrons. These limitations have resulted in heavy ion fusion accelerator designs that employ long beam lines and would be expensive to build. Space charge neutralization and magnetic insulation of the acceleration gaps could substantially reduce these two limitations, but at the expense of increasing the complexity of the beam physics. We consider it necessary to keep all structures out of the beam path to maintain beam symmetry and to avoid beam-induced outgassing. Using only field coils outside of the beam results in a cusp field to insulate the accelerating gaps and a solenoidal field between acceleration gaps, which provides a containment force. Electrons can enter the beam region along the magnetic field lines and provide fairly good space charge neutralization. We have performed three-dimensional particle-in-cell simulations, which indicate that electrons remain tied to magnetic field lines, despite the development of electromagnetic fluctuations. Thus, the center of the beam is not neutralized, resulting in a non-linear net focusing force. We have developed a simple model to determine the beam emittance induced by the non-linearity of the focussing force. We discuss the constraints this model puts on the choice of ion and the number of stages required for the accelerator.
要約イオンの空間電荷は、従来型のイオン線形加速器（リニアック）において加速できる電流を制限する。さらに、加速電界は、逆方向に流れる電子の生成と加速を避けるために十分低く保たれなければならない。これらの制限により、重イオン核融合加速器の設計では、長いビームラインを採用せざるを得ず、高コストとなっていた。空間電荷中和と加速ギャップの磁気絶縁は、これらの2つの制限を大幅に緩和できるが、その代償としてビーム物理の複雑さが増す。ビーム対称性を維持し、ビーム誘起脱ガスを回避するためには、すべての構造物をビーム経路から遠ざける必要があると考えられる。ビームの外側にのみコイルを配置することで、加速ギャップを絶縁するカスプ磁場と、加速ギャップ間に閉じ込め力を提供するソレノイド磁場が得られる。電子は磁力線に沿ってビーム領域に入り、かなり良好な空間電荷中和を提供できる。我々は三次元パーティクル・イン・セルシミュレーションを実施し、電磁変動の発生にもかかわらず、電子が磁力線に拘束されたままであることを示した。したがって、ビーム中心部は中和されず、非線形の正味収束力が生じる。我々は、この収束力の非線形性によって誘起されるビームエミッタンスを決定するための簡易モデルを開発した。本稿では、このモデルが加速器のイオン種の選択と段数に課す制約について議論する。