Способ накопления пучка заряженных частиц Советский патент 1986 года по МПК H05H13/00 

Изобретение относится к области технической физики в части создания способов накопления пучка заряженных частиц и может быть исполь зовано для получения сильноточных релятивистских пучков и широкого диапазона их применений, включая ге нерирование синхротронного излучения. Известен способ накопления пучко заряженных частиц путем инжекции пучка в накопитель на замкнутую орбиту с воздействием на. инжектированный пучок отклоняющим электромагнитным полем. Недостатком известного способа является необходимость применения специального отклоняющего электромагнитного поля (создаваемого, например, инфлектором) для однооборот ного ввода пучка в накопитель, поэт му он является сравнительно- дорогостоящим способом со сложной аппарату ной реализацией. Наиболее близок к предложенному по технической сущности способ нако ления пучка заряжённых частиц, заключающийся в многократном повторен цикла ускорения пучка заряженных частиц в области переменного во времени ведущего магнитного поля, содержащего импульсную и постоянную составляющую, с последующим выводом пучка в каждом цикле ускорения на релятивистскую орбиту, при этом накапливаемый пучок сохраняют в области указанного ведущего магнит ного поля. Недостатком этого способа являет ся наличие единственной релятивистс кой орбиты с величиной радиуса, приблизительно вдвое меньшей радиуса действия переменного ведущего магнитного поля. На этой орбите происходит и ускорение, и накоплени пучка. Это ограничивает энергию накапливаемых частиц. Целью изобретения является увеличение энергии пучка заряженных частиц. Поставленная цель достигается тем, что в способе накопления пучка заряженных частиц, заключающемся в. формировании кольцевого ускоренно пучка заряженных частиц в переменном во времени ведзга1ем магнитном по ле, пучок заряженных частиц выводят в область .Ведущего магнитного поля. 42 на релятивистскую орбиту с граничным радиусом, на котором еще сохраняется устойчивость пучка, путем уменьшения поля ведущего магнитного поля до величины, соответствующей значению поля, при котором пучок оказывается на орбите с указанным граничным радиусомJсоздают на этой орбите СВЧ-поле, имеющее азимутальную .составляющую, затем восстанавливают в присутствии этого СВЧ-поля значение ведущего магнитного поля до первоначального значения, после чего всю последовательность операций повторяют до получения заданной величины тока накапливаемого пучка, причем СВЧ-поле сохраняют в течение всего процесса накопления . На фиг. 1 показана схема расположения орбит пучков заряженных частиц в процессе ускорения и накопления, на фиг. 2 - эпюры, характеризующие изменения: постоянной составляющей ведущего магнитнго поля в процессе перевода пучка на орбиту с граничным радиусом (а) и высокочастотного ускоряющего поля постоянной частоты (б). На фиг. 1 обозначены: 1 - граница части ведущего поля, имеющего импульсную и постоянную состав- . ляющую, 2 - граница магнитного поля, имеющего только постоянную составляющую, 3 - траектории частицы, 4 релятивистская орбита с радиусом R,. , 5 - релятивистская орбита с радиусом R , 6 и 7части полуволнового резонатора, создающего СВЧ-поле. Способ осзпществляют следующим образом. Производят цикл ускорения первой порции пучка заряженных частиц. Для этого формируют переменное во времени ведущее магнитное поле с двумя составляющими; импульсной и постоянной. Импульсную составляющую формирузот, например, в соленоиде (граница 1 этой части ведущего поля на фиг. 1). Постоянную составляющую формируют, например, электромагнитом постоянного магнитного поля (граница 2). Включают СВЧ-поле (Е(дц) при минимальном значении ведущего магнитного поля и одновременно инжектируют из источника, например электронной пушки (фиг.1 не показан) первую порцию заряженных частиц в центральную область ведущего магнитного поля. Затем ускоряют эту порцию на вос ходящем участке ведущего поля по траектории 3 до релятивистской эне гии, которой соответствует релятивистская орбита 4 с радиусом R . Цикл ускорения заканчивается в момент времени to (фиг.2). Далее начинается процесс накопления путем вывода первой порции частиц из области переменного во времени ведущего магнитного, поля, содержащей обе составляющие этого поля (граница 1), в область ведущего магнитного поля, содержащую только постоя ную составляющую ведущего магнитног поля (граница 2), на релятивистскую орбиту 5 с граничным радиусом Я-з i на котором еще сохраняется устойчивость пучка. Эту операцию вьтода первой порции осуществляют следующим образом: уменьшают в момент времени to постоянную составляющую ведущего магнитного поля до значения В в момент времени t (фиг.2а пунктир). Величина индукции магнитного поли 8 соответствует значению этого поля, при котором пучок оказы вается на орбите с указанным граничным радиусом R в соответствии зависимостью Е 3006-f Ё - энергия пучка, эВ В - индукция ведущего магнит ного поля Гс, R -.-величина радиуса пучка,см Затем восстанавливают значение пол до первоначального значения в моме времени tj в присутствии постоянного по частоте ускоряющего СВЧ поля ЕСЦ (м.фиг.2,б) , которое создают, например, ВЧ-резонатором, и потом сохраняют в течение всего процесса накопления. После этого всю описанную последовательность операций повторяют до получения заданной величины тока накапливаемого пучка заряженных частиц. Интервал (t2. 3) между очередными порциями частиц,, поступающими в резонатор должен быть выбран таким, чтобы бетатронные и радиально-фазовые колебания в первой порции частиц успевали бы затухнуть от радиационного трения до момента поступления следующей порции. В процессе;осущес ления циклов накопления, пучок, кото. рый уже находится на орбите с радиусом R ,j , при уменьшении постоянной составляющей ведущего магнитного поля в интервале времени t j -11 аналогичном интервалу to-t, в пре-дыдущем цикле накопления, осуществляемом в процессе перевода следующего пучка с орбиты с радиусом R на орбиту с радиусом R , претерпевает торможение под действием ускоряющего СВЧ-поля ( уменьшением энергии этого пучка до значения, которое Соответствует значению индукции ведущего магнитного поля Б в соответствии с зависимостью (1). При этом, очевидно, что в реальных условиях осуществления способа мощность источника ускоряющего СВЧ-поля должна быть больше мощности накапливаемого пучка, при этом в системе соблюдается одночастичное приближение, что соответствует условию элементарной теории автофазировки. Для процесса накопления по изложенному способу должны соблюдаться два условия. Первое условие является обязательным д,ая любого способа накопления и сводится к тому, что должны соблюдаться общие положения статистической механики, связанные со свойствами фазового пространства - теорема Лиувилля. Из нее следует, что если в начальный момент времени пучок частиц занимал на фазовой плоскости некоторую площадь, то, как бы не менялись во времени параметры ускоряющего поля, разброс параметров пучка не может быть сделан меньше некоторой опре;деленной величины. Однако при накоплении легких частиц, сопровождающемся интенсивным синхротронным излучением, разброс по энергии затухает вследствие синхротронного излучения. Это освобождает определенную часть фазового пространства и она может быть заполнена новой порцией частиц, что и делает возможным процесс накопления . Второе условие присуще рассматриваемому способу и связано с вводом частиц в потенциальную яму ускоряющего поля не на ее дно, а с левого края. Естественно, при отсутствии потерь (радиационного трения) частицы выплеснутся из ямы обратно и не будут захвачены в режим радиально-фазовых колебаний. Величина радиационного трения (энергия излучения за оборот) должна быт такой, чтобы за время периода радиально фазовых колебаний 300500 оборотов флуктуации в высокочастотном потенциале и квантовые флуктуации в энергии частиц была бы меньше энергии, излученной за период. Гарантией действенности такого излучения является единица вольт на оборот. (Например, энергия электронов около 50 мэВ при радиусе орбиты приблизительно 2 см). После захвата пучка энергетический разброс его продолжает уменьшаться в соответствии с известным процессом накопления .

Таким образом в отличие от прототипа увеличение энергии накапливаемого пучка заряженных частиц происходит за счет увеличения радиуса пучка. При этом энергия пучка пропорциональна величине радиуса, который заведомо больше радиуса пучка в прототипе и определяется конфигурацией постоянного магнитного поля,

Пример реализации способа. Переменное во времени ведущее магнитное поле может быть сформировано в синхротроне типа Тролль с помощью безжелезного электромагнита путем разряда конденсаторной малоиндуктивной батареи типа ЙК-50-3 и электромагнита постоянного магнитного поля со сверхпроводяищми обмотками (криогенный комплекс ДФИ), СВЧ-поле возбуждают,например, магнетроном типа МИ-30.

Для инжекции частиц используют, например, электронную пушку с термокатодом и с накоплением медленных электронов.

РадиусR ускорения пучка составляет 16 мм.

Радиус RT накопления пучка - 50 мм. Энергия накопленного пучка - 50 мэВ (в прототипе энергия накопленного пучка при такой же реализующей аппаратуре - 17 МэВ).

Таким образом,.данный способ позволяет увеличить предельную энергию накопленных частиц при той же реализующей аппаратуре, что и известный.

СПОСОБ НАКОПЛЕНИЯ ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТЩ, заключающийся в формировании кольцевого ускоренного пучка заряженных частиц в переменном во времени ведущем магнитном поле, отличающийся тем, что, с целью увеличения энергии пучка заряженных частиц, пучок заряженных -частиц выводят в область ведущего магнитного поля на релятивистскую орбиту, с граничным радиусом, на котором еще сохраняется устойчивость пучка, путем уменьшения ведущего магнитного поля до величины, соответствующей значению поля, при котором пучок оказывается на орбите с указанным граничным радиусом, создают на этой орбите СВЧ-поле, имеющее азимутальную составляющую, затем восстанавливают в присутствии этого СВЧ-поля значение ведущего магнитного поля до первоначального значения, после § чего всю последовательность операций повторяют до получения заданной (Л величины тока накапливаемого пучка, при зтом СВЧ-поле сохраняют в течение всего процесса накопления. 00 to -vl СХ5 4