Способ фокусировки и ускорения пучка заряженных частиц Советский патент 1987 года по МПК H05H9/00 

135

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке линейнь1х ускорителей с высоким темпом ускорения и большой интенсивностью ускоренного пучка.

Целью изобретения является повышение эффективности фокусировки и ускорения путем транспортировки пучка вне оси ускоряющей и фокусирующей систем и расширение апертуры области фокусировки и ускорения.

На фиг. 1 показано расположение

l.

векторов поля Вд , В поперечной плоскости XY, когда плоскость инжекции YZ является плоскостью симметрии магнитного поля волны; на фиг. 2 - вариант, когда плоскость

инжекции YZ является плоскостью анти- 20 руются вдоль одной поперечной коордисймметрии магнитного поля волны.

У скорение осуществляется вдоль оси Z, БД - вектор поперечной компоненты магнитостатического поля В. и .

. о

Е - вектора поперечных компонент магнитного и электрического полей электромагнитной волны.

Согласно данному способу в системе ускорения и фокусировки пучка воз-

-rcoi и b

е Вр -Л о

полей Е,

в;

и В

тс 21Г с, . много меньше единицы. В этом случае на медленное изменение траектории ча(гтицы в плоскости инжекции накладываются быстрые осцилляции с амплитудой

Хв

IB / в этой же плоскости,

когда она является плоскостью антисимметрии, или - перпендикулярные плоскости инжекции, когда она является плоскостью симметрии магнитного поля.

Выстрые осцилляции приводят к появлению эффективной потенциальной ямы. Причем, если частицы пучка находятся только в поле электромагнитной волны вдали от оси, они фокусив плоскости антисим-

если

Э 1 Э

О

и дефокусируются в перпендикулярном направлении. Аналогичная картина имеет место при движении пучка вне оси периодического магнитостатического поля.

Специальньш выбор плоскости инжек-

буждается электромагнитное и магнито- 30 ции, который указан (в нашем случае

это плоскость YZ), позволяет получит равновесную траекторию вне оси систе мы, если выполнено одновременно два условия для поперечных компонент маг нитных полей Ъ Ъц . х + ЪДд

статическое поля с общей по магнитному полю плоскостью симметрии или антисимметрии.

Фазовая фокусировка и ускорение пучка после его инжекции в плоскости YZ имеют место в результате совместного воздействия на частицы пучка поперечных компоненты электромагнитного и магнитостатических полей. При этом поперечное электрическое поле волны Е ц увеличивает энергию пучка, а поперечное магнитное поле ондулятора переводит эту энергию в продоль- рое движение. Причем в среднем ускорение возможно, если скорости частиц

,

пучка У„

близки к V

,

ции, который указан (в нашем случае

это плоскость YZ), позволяет получить равновесную траекторию вне оси системы, если выполнено одновременно два условия для поперечных компонент магнитных полей Ъ Ъц . х + ЪДд

3

.- /b °V (,)

Равновесная траектория будет оста ваться -устойчивой для частиц, инжектируемых при любой начальной фазе поля волны, когда

(2)

, Прирост энергии на длине Х- равен

vsr - %±/Лв i:r(o5) Z iW - -::- Л Ъ cos - -t ff s f 6 . ч

где о - частота ВЧ-поля.

Рассмотрение процесса поперечной фокусировки и ускорения удобно провеслучае, когда безразмерные

-(.) eEi Аа f ef а -;г-г -ч- ; Ъ 2ттс

2 IT тс

50

если плоскость инжекции YZ является плоскостью симметрии магнитного поля , или

(3)

3x2

. 313

если плоскость инжекции YZ является плоскостью антисимметрии магнитного поля.

Неравенства. (2) и (З) несложно получить из уравнений поперечного дви- жения, найденных в гладком приближении и с учетом симметрии полей.

За счет специального выбора зависимостей I Ъ ° (z) и Vg(Z) от Z можно обеспечить близкий к единице коэффи- циент захвата частиц в режим ускорения, как это имеет место, например, в линейных резонансных ускорителях.

Все сказанное о фокусировке и ускорении пучка справедливо при использовании волноводных систем как в режиме бегущей, так и стоячей волн.

Рассмотрим отдельно ускорение легких и тяжелых частиц (электронов и протонов) в СВЧ и ЪЧ полях.

Для ускорения электронов используют специальные замедляющие системы такие, как круглый диафрагмированньш волновод (КДВ). В КДВ фазовая ско

рость ускоряющей Е, волны Vg ; 0,4 с и для эффективной группировки и уско,- рения необходимо иметь сравнительно высокую энергию инжекции Wg 80 - 100 кэВ. Предлагаемым способом можно в гладком волноводе сгруппировать и ускорить вне оси одновременно несколько пучков с низкой энергией ин- жекции Wg 10 кэВ, используя, напри- , волну с Vg с и периодическое поле соленоида. Скорость синхронной частицы будет V « 0,21 с при Хб 10 см, Ло 2 см. Если Е 65 кВ/см, то согласно (1) величина Bj, 0,08 Т, а прирост энергии на единицу длины равен uVJg 2,16 МэВ/м.

Для группировки и ускорения протонов можно использовать ТЕМ волну. При Лр 3 м, -Лд 0,045 м имеем Vg. да 1,5 , что соответствует энергии инжекции Wp 100 кэБ. Если Eg 90 кэВ/см, величина В 2 Т, а максимальный прирост энергии ---1,45 МэВ/м. Это более чем в два раза превышает аналогичную величину, полученную в ускорителях с пространственно однородной квадрупольной фокусировкой.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обеспечить поперечную фокусировку и ускорение пучка заряженных частиц вне оси ускоряющей и фокусирующей системы. Эффективность

154

ускорения как легких, так и тяжелых частиц в определенном диапазоне энергий и длин волн выше, чем в известных ускорителях. Предлагаемьм способ позволяет ускорять одновременно несколько пучков, т.е. увеличить выходной ток.

Формулаизобретения

Способ фокусировки и ускорения пучка заряженных частиц, включающий воздействие на пучок периодическим в пространстве магнитостатическим полем и переменным во времени электромагнитным полем, отличающий с я тем, что, с целью повышения эффективности фокусировки и ускорения путем транспортировки пучка вне оси ускоряющей и фокусирующей систем и расщирения апертуры области фокусировки и ускорения, электромагнитное и магнитостатическое поле воз буждают с общей по магнитному полю плоскостью симметрии или антисимметрии, ориентированной вдоль направления движения пучка заряженных частиц, при этом пучок инжектируют в этой же плоскости, а в месте инжекции выполняются условия

i:

П л rt

, а о I

у Y ;i

5 6 f. ± 7

V- V -

5 % -At 71,

где В g - амплитуда поперечной компоненты магнитного поля электромагнитной волны, -, (Тл);

В - амплитуда поперечной компоненты магнитостатического поля, Тл;

- поперечный единичный векг- тор, лежащий в плоскости инжекции;

7 в длина волны электромагнитного поля, м; АО - пространственный период

магнитостатического по- , м;

V - фазова.я скорость электро- . магнитной волны, м/с;

V - скорость синхронной частицы, м/с.

«

S.

Составитель В. Краснопольский Редактор В. Буренкова Техред и.Верес Корректор И. Муска

6010/58

Тир аж 799 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

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

У

s

О Фиг.1

ъ

о X

Фиё.г

Изобретение может быть использовано при разработке линейных ускорителей с высоким темпом ускорения и большой интенсивностью ускоренного пучка (П). Цель изобретения - повышение эффективности фокусировки и ускорения путем транспортировки.П вне оси ускоряющей и фокусирующей систем . и расширение апертуры области фокусировки и ускорения. В системе ускорения и фокусировки П возбуждаются электромагнитное и магнитостатичес- кое поля с общей плоскостью симметрии или антисимметрии, ориентированной вдоль направления движения П. Причем П инжектируют в этой же плоскости. При этом имеет место совместное воздействие на П поперечных компонент электромагнитного и магнито- статических полей. При этом поперечное электрическое поле волны увеличивает энергию пучка, а поперечное магнитное поле переводит эту энергию в продольное движение. плоскости инжекхщи позволяет получить равновесную траекторию вне оси систем. В описании приведены два условия для поперечных компонент магнитных полей. 2 ил. I (Л оо ел 00