Способ ускорения заряженных частиц Советский патент 1987 года по МПК H05H15/00 

13

Изобретение относится к ускорителям заряженных частиц, в которых ускоряющие поля создают с помощью лазерных пучков.

Целью изобретения является повышение темпа ускорения в области высоких энергий, увеличение величины предельно достигаемых энергий и расширения видов ускоряемых частиц, что позволя- ет существенно повысить эффективность лазерного способа ускорения.

На чертеже схематично показан ускоритель, с помощью которого осуществляют предлагаемый способ.

Ускоритель содержит источник 1 лазерного излучения, пучок ускоряемых заряженных частиц 2, боковые отражающие зеркала 3-10, зоны пересечения пучков 11-14, при этом оси пучков рас положены неколлинеарно.

Способ осуществляют следующим образом.

Из лазерного источника 1 оптический пучок направляется на систему зеркал 3-10 и последовательно пересекает пучок ускоряемых частиц 2 под небольшим углом (t « I . Размеры зон пересечения пучков 11-14 ограничены вследствие ограниченных поперечных размеров пучков и конечного угла , где у - энергия ускоряемых частиц в единицах энергии покоя гас. Длины зон пересечения не превышают значений длины, на которой сохраняется знак силы, действующей на частицу за счет продольной составляющей электрической напряженности волны, Л /2 Л JfJC l-t-сб у) , где Tig - длина волны лазерного излучения, Ур - резонанс- Н .е значение релятивистского фактора V . Между этими зонами взаимодействия пучков частицы пролетают через зоны свободного дрейфа. Расстояние между зеркалами и длины зон свобод- ного дрейфа согласованы таким образом чтобы выполнялось условие L-u( 1 + 1 /2у п , где L оптический ход лазерного луча на участке между одноименными точками соседних секций; д - рас

стояние между этими точками по оси пучка ускоряемых частиц (период секции); п - целое число.

В предлагаемой схеме относительная фаза частицы в волне Ф не успевает меняться более, чем на iT при пролете одной рабочей зоны пересечения пуч- пучков, а при переходе к следующей зоне пересечения эта фаза меняется

172

на целое кратное . В результате знак составляющей электрической напряженности вдоль вектора скорости частицы, опредеяемый относительной фазой Ф, будет оставаться постоянным, что означает выполнение условия пространственного синхронизма между волной и частицей, обладающей резонансной энергией.

Процесс взаимодействия частиц с ускоряющим полем лазерной волны описывается уравнениями, совпадающими по виду с соответствующими уравнениями радиочастотных линейных ускорителей.

lEglb). -W,K,-P (sinP-sin)

Гг

(1)

Здесь использованы следующие обозначения: Y - резонансное значение энергии частицы в единицах тс ; - зависимость которой от координаты по оси пучка ускоряемых частиц определяет задаваемый темп ускорения; Ф - резонансная относительная фаза, определяемая темпом ускорения; W - частота лазерной волны l /с ; Kg . - приведенная амплитуда волны; к - коэффициент заполнения периода секции полем лазерной волны.

Известно, что при описании процесса взаимодействия приведенной системой уравнений обеспечен режим фазовой устойчивости частиц в конечном фазовом объеме. При адиабатическом увеличении у вдоль оси Z захваченные в этот объем частицы будут увеличивать свою среднюю энергию в соответствии с ростом , без потери фазовой устойчивости движения.

Отличие приведенных уравнений от соответствуюш 1х уравнений обращенного лазера на свободных электронах (ОЛСЭ) заключается в том, что в первом уравнении (1) вместо амплитуды ондуляторного поля ./2 ir -y стоит произведение k-sinoi- k Ci. Рлз- личие в этих величинах определяет разницу в коэффициентах связи ускоряемых частиц с волной и в темпах ускорения. С учетом зависимости периода ондулятора ОЛСЭ от длины волны излучения и энергии частицы , 2 Jp / /(К + 1) зависимость ондуляторной постоянной имеет вид

KW

(

eHvv, - i /

где m 1, для K с 1 и m 1/3 для .

Различие в темпах ускорения, которые можно получить предлагаемым способом и с помощью ОЛСЭ определяется отношением коэффициента связи К(лу и постоянной (2).

Более конкретные результаты оценок темпов ускорения можно получить для определенных параметров, входящих в приводимые формулы. Поскольку получение магнитных полей с индукцией 1 Тл сопряжено с значительными техническими трудностями, вследствие чего возможный интервал изменения индукции ондуляторного поля невелик, допустим что напряженность магнитного поля отвечает индукции в 1 Тл. Без потери общности положим также 10 см. В этом случае выигрыш в темпе ускорения электронов по сравнению с темпом ускорения в ОЛСЭ будет равен численно коэффициенту связи к oi у для энергий электронов меньше 50 МэВ ( Y 100), а в области более высоких энергий ( у 100) темп ускорения электронов в рассматриваемой схеме может быть выше темпа ускорения в ОЛСЭ примерно в 5,8 к oi у раз, если даже не учитывать потери на излучение.

В приведенных оценках не вводились ограничения на угол об типа oL id/ Xp где d - диаметр электронного пучка, так как при необходимости пересечение взаимодействующих пучков можно осуществлять более чем один раз на длине периода А .

Для протонов постоянная К на три порядка меньше, чем для электронов при прочих равных параметрах. Компенсировать это уменьшение K путем увеличения магнитного поля Н не удается из-за технических трудностей получения достаточно сильных магнитных полей. Из вьфажения (2) следует, что в интервале до значений у 3 -10 темп ускорения протонов, достижимый в схеме типа ОЛСЭ, более, чем на порядок величины ниже темпа ускорения электронов. Поэтому схема ОЛСЭ практически неприменима для ускорения тяжелых частиц.

В рассматриваемой схеме коэффициент связи с волной не зависит от мас

к ье 10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

сы ускоряемых частиц. Уравнения движения для электронов и протонов выглядят одинаково при равных значениях Jf факторов этих частиц. Это означает, что в схеме заложена возможность ускорения более тяжелых, чем электроны частиц, включая протоны и ионы с высоким темпом ускорения , равным для однозарядных частиц темпу ускорения электронов.

Поперечные осцилляции электронов в ондуляторах ОЛСЭ приводят к энергетическим потерям на магнитотормоз- ное излучение. Удельные потери энергии на это излучение пропорциональны W Х быстро растут с энергией ускоряемых электронов. В схемах ОЛСЭ, основанных на взаимодействии колли- неарных пучков, значительные потери на магнитотормозное излучение будут также в поворотных магнитах, используемых для ввода и вывода электронного пучка из резонатора. Все это приводит к тому, что схема ОЛСЭ становится неэффективной при высоких энергиях электронов ( 300 ГэВ). Результирующий (за вычетом потерь энергии на излучение) темп ускорения электронов становится очень низким, ниже, чем в традиционных радиочастотных схемах ускорителей. Схема не имеет практического значения в области высоких энергий ускоряемых электронов.

Таким образом, предлагаемый способ ускорения частиц не требует искривления их траектории. Процесс ускорения может быть осуществлен на прямолинейных с точн.остью до фокусировки траекториях частиц, двигающихся вдоль прямолинейного ускорительного тракта. Поэтому отсутствуют энергетические потери на магнитотормозное излучение электронов, кроме потерь на излучение в системах проводки и фокусировки пучка, удерживающих ускоряемые частицы в пределах прямолинейного ускорительного тракта.

Схема, представленная на чертеже, иллюстрирует принцип предлагаемого способа ускорения и не содержит многих важных элементов конструкции ускорителя. В частности, не представлены магнитные элементы, которые устраняют боковой дрейф частиц, вызываемый поперечными составляющими поля лазерной волны. Этот боковой дрейф можно подавить и другим способом. Например, с помощью зеркал ре513381

зонатора можно обеспечить поворот волнового вектора лазерной волны на некоторый угол по азимуту вокруг оси Z при переходе от одной ускорительной секции к следующей. Соответствующим образом будет поворачиваться вектор поперечной составляющей поля лазерной волны. На длине многих секций эффект от поперечных составляю- щих усреднится и сведется к минимуму.

10

Таким образом,в предлагаемом способе лазерного ускорения отсутствуют ограничения на энергии ускоряемых частиц, обусловленные ростом энергетических потерь на магнитотормозное излучение, связанное с собственно процессом ускорения этих частиц, заложена возможность ускорения не только электронов, но и более тяжелых частиц, включая протоны и ионы, с тем же темпом ускорения, заложена воможность увеличения темпа ускорения по сравнению с обращенным лазером на свободных электронах.

Составитель Е.Громов Редактор 10.Середа Техред И.Попович Корректор Л.Бескид

Заказ 4149/58 Тираж 801Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб. д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

0

15

5

0

176

Формула изобретения

Способ ускорения заряженных частиц, основанный на передаче энергии от электромагнитной волны пучка лазерного излучения ускоряемым частицам, заключаюпщйся в пропускании пучков лазерного излучения и ускоряемых частиц через вакуумную камеру оптического резонатора, в котором обеспечены условия многократного пересечения пучков с соблюдением пространственного синхронизма их взаимодействия, отличающийся тем, что, с целью повьшения темпа ускорения в области высоких энергий, увеличения величины предельно достигаемых энергий и расширения видов ускоряемых частиц, многократное пересечение пучков обеспечивают путем неколлинеарной инжек- ции пучков в резонатор и периодического по направлению движения ускоряемых частиц изменения направления распространения пучка лазерного излучения с помощью отражения от боковых зеркал вакуумного оптического резонатора.

Изобретение служит для повьппе- ния темпа ускорения в области высоких энергий, увеличения величины предельно достигаемых энергий и расширения вида ускоряемых частиц. Оптический пучок направляется в систему зеркал 3-10 и последовательно пересекает пучок 2 ускоряемых частиц (Ч) ггод небольшим углом oi, ii. 1 . Размеры зон пересечения пучков 11-14 ограничены вследствие ограниченных поперечных размеров пучков и конечного угла оС 1/у, где у - энергия ускоряемых частиц в единицах энергии покоя тс . Длины зон пересечения пучков 11-14 не превьпиают значений длины, на которой сохраняется знак силы, действующей на Ч за счет продольной составляющей электрической напряженности волны. В описании приведены уравнения, описывающие процесс взаимодействия Ч с ускоряющим полем лазерной волны. . Реализация способа не требует искривления траектории движения Ч. Поэтому отсутствуют энергетические потери на магнитотормозное излучение электронов, кроме потерь на излучение в системах проводки и фокусировки пучка 2, удерживающих Ч в пределах прямолинейного тракта. В способе заложена возможность ускорения не только электронов, но и более тяжелых Ч, включая протоны и ионы, с тем же темпом ускорения. Кроме того, заложена возможность увеличения темпа ускорения по сравнению с обращенным лазером на свободных электронах. 1 ил. с ф (Л 00 00 00