Optical system for low energy proton beams: extraction, focusing and transport

Abstract

[ES] Este proyecto realiza un estudio mediante simulación del sistema de extracción, enfoque y transporte de haz de un acelerador lineal de partículas, con especial énfasis en el Transporte de Haz de Baja Energía (LEBT por sus siglas en inglés). Primero se presenta una breve introducción a la física de la óptica de iones. Luego se introduce SIMION, un software de simulación de óptica de iones, mediante la comprobación de uno de los resultados teóricos desarrollado previamente. La dinámica del haz es analizada para el sistema objeto de estudio, un electrodo de extracción, una lente de Einzel y el LEBT, formado por dos solenoides. El estudio se realiza variando el software de computación de campo magnético. Los resultados de emitancia y enfoque del haz resultan más consistentes cuando se calculan solo mediante SIMION, que en combinación con Ansys AIM. El sistema se encuentra capaz de transportar un haz de protones de 30 KeV, entregarlo con un radio menor a 2 mm y una emitancia normalizada RMS de 0.02 mm mrad. Finalmente, las simulaciones se validan mediante una medida experimental del radio del haz, obteniendo un resultado experimental de 1.36 mm equiparable a los 1.22 mm obtenidos mediante simulación.

[EN] This project performs a simulation study of the extraction, focusing and transport system of a linear particle accelerator, with special emphasis in the Low Energy Beam Transport (LEBT). First, a brief introduction to the physics of ion optics is presented. Then, SIMION, the ion optics simulation software is introduced by successfully checking a theoretical result developed beforehand. The dynamics of the beam is analysed for the system object of study, an extraction electrode, an Einzel lens and the LEBT, formed by two solenoids. The study is performed varying the magnetic field computation software. The results of emittance and beam focusing are found to be more consistent when calculated through SIMION only, than in combination with Ansys AIM. The system is found to be capable of transporting a proton beam of 30 KeV, delivering it with a radius smaller than 2 mm and a normalized RMS emittance of 0.02 mm mrad. Finally, the simulations are validated through experimental measurements of the radius of the beam, obtaining an experimental value of 1.36 mm and a simulated value of 1.22 mm.

[EUS] Proiektu honek partikula-azeleragailu lineal baten izpiaren erautze, fokuratze eta garraiatze sistemak aztertzen ditu simulazio bidez, Energia Baxuko Izpien Garraioan (LEBT, ingelesezko siglen arabera) enfasi berezia eginez. Lehenik eta behin, ioien optikaren fisikari buruzko sarrera labur bat aurkezten da. Ondoren, SIMION izeneko softwarearen (ioien optika simulatzeko balio duena) sarrera labur bat egiten da, aurretik garatutako emaitza teorikoetako bat egiaztatuz. Izpiaren dinamika aztergai den sistemarako analizatzen da, sistema horren osagaiak erauzte-elektrodo bat, Einzelen lente bat eta LEBT (bi solenoide izanda) dira. Azterketa eremu magnetikoko konputatzeko software aldatuz egin da. Izpiaren emitantzia- eta fokuratze-emaitzak sendoagoak dira SIMION bidez bakarrik kalkulatzen direnean, Ansys AIMekin konbinatuta baino. Sistema 30KeVko protoi-izpia bat garraiatzeko gai da, 2 mm baino gutxiagoko erradioarekin eta 0.02mm mrad-eko RMS emitantzia normalizatuarekin entregatzeko. Azkenik, simulazioak izpiaren erradioaren neurketa esperimental baten bidez baieztatzen dira, emaitza esperimentala 1.36 mm eta simulazio bidez lortutakoa 1.22 mm izanik.