Способ фокусировки и ускорения заряженных частиц Советский патент 1989 года по МПК H05H9/00 

Изобретение относится к ускори- , тельной технике и может быть использовано при разработке линейных ускорителей с высоким темпом ускорения и большой интенсивностью ускоренного пучка.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения фокусировки и ускорения при более низкой энергии инжек- ции заряженнык частиц.

Способ заключается в воздействии на пучок переменным во времени злект- ромагнитным полем и периодическим в пространстве полем электростатического ондулятора. При этом периодическое

электростатическое поле, создаваемое электростатическим ондулятором, имеет поперечную плоскость симметрии или антисимметрии, которая ориентирована вдоль направления движения пучка заряженных частиц и совпадает с плоскостью симметрии или антисимметрии электрической компоненты электромаг- нитного поля. Немодулированный пучок инжектируют в этой ;;се плоскости, а в месте инжекции выполняются условия

(1« |U-)i§.(l. (1)

EZ

0,1

EI.

9г

.. .i)0; (2)

. ..(з

СП

00 00

ел

4;;

де Е, и Ej - амплитуды продольной и поперечной компонент электрического поля электромагнитной волны;

Ер и Ед - амплитуды продольной и поперечной компонент периодического электростатического д , поля;

- поперечный единичный вектор, лежащий в плоскости инжекции; длина волны электро- 5 магнитного поля в свободном пространстве;

пространственный период электростатичес- 20 кого поля; приведенная фазовая

скорость электромаг- нитной волны; ftg - приведенная скорость 25 синхронной частицы.

Согласно предлагаемому способу можно осуществить фокусировку и ускорение пучка вне оси ускоряющей и фо- кусирукнцей системы, что позволяет приблизить пучок к источнику электростатического поля и тем самым увеличить эффективную ai-тлитуду ускоряклце- го поля; расширить апертуру ускоряю- щего канала без уменьшения- величины напряженности электростатического поля; при условии, что электромагнитное ,поле имеет много плоскостей симметрии или антисимметрии, специальным выбо- ром электростатического поля ондулятора можно фокусировать и ускорять вне оси несколько пучков одновременно .

,

Для пояснения сущности изобретения рассмотрим декартовую систему координат с продольной осью Z. Согласно предлагаемому способу в сист еме ускорения и фокусировки возбуждают электромагнитное и электростатические поля с общей по электрическому полю попереч- .ной плоскостью симметрии или антисимметрии (для определенности пусть это плотность YZ). Фазовая фокусировка и yc кррение пучка имеют место в результате совместного воздействия на частицы пучка электромагнитного и электроста- тических полей. При этом электроста.

5

0

5

5

д s

тическое поле ондулятора приводит к появлению осцилляции у частиц пучка. В результате взаимодействия осцилляторов с электромагнитным полем волны энергия частиц пучка в среднем

увеличивается, если J tj - - |- е У„-Еь 0,(4)

где Е. - вектор электрического поля :, электромагнитной волны; V - скорость быстрых осцилляции; - означает усреднение за время пролета одного периода ондулятора.

Пусть длина волны электромагнитного поля в свободном пространстве ;, а длина периода электростатического поля (д . Если фазовая скорость электромагнитной волны fit ь/с отлична от . продольной скорости пучка PZ.(C то неравенство (4) может быть выполнено, когда р2 среднем близка к В s/c где

РгРн: 1г 5 - .

В простейшем случае, когда на пучок в ондуляторе воздействуют поперечным электромагнитным полем волны, прирост энергии частиц на длине Лд равен

4fe%- b,xEo,., (6) где((| - t);

5

Q - частота ВЧ-поля..

Более детальное рассмотрение процесса фокусировки и ускорения удобно провести в случае, когда безразмерные

- еЕ ь-л амплитуды волиы а, и поля онду- 7 ь 2iimc - еЕон лятора много меньше единицы.

Будем предполагать, что пучок не находится в синхронизме с электромагнитной волной. В этом случае на медленное изменение траектории частицы в плоскости инжекции YZ накладываются быстрые осцилляции с амплитудой -г

/ С

В этой же плоскости, когда она является плоскостью симметрии по электрическому полю, или перпендикулярные плоскости инжекции, когда она является плоскостью антисимметрии.

Быстрые осцилляции приводят к появлению эффективной потенциальной ямы

.z Зо,гсо у+2аь,х aiSini,(7)

где у 1+W/m2 - приведенная средняя

энергия частиц пучка. Если бы частицы находились только в поле электромагнитной волны (а,±0; ) или же только в периодическом электростатическом поле (,0, 0) вне оси, они фокусировались бы в одном поперечном направлении и дефоку-

. Использование предлагаемого способа позволяет при низких энергиях ин- жекции и при сравнительно небольшой амплитуде поля ондулятора получить эффективное ускорение и фокусировку частиц. Так как плоскость симметрии или антисимметрии электромагнитного «и электростатического полей совпадают,

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке линейных ускорителей с высоким темпом ускорения и большой интенсивностью ускоренного пучка. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения фокусировки и ускорения при более низкой энергии инжекции заряженных частиц-достигается тем, что в качестве поля ондулятора используют периодическое электростатическое поле, поперечная плоскость симметрии или антисимметрии которого ориентирована вдоль направления движения пучка заряженных частиц и совпадает с плоскостью симметрии или антисимметрии электромагнитного поля. Немодулированный пучок инжектируют в этой же плоскости.

сировапись в перпендикулярном направ- можно, например, с помощью одчих и Ленин. Специальный выбор плоскости тех же электродов (в кназистэтическом инжекции позволяет получить равновесную траекторию вне оси системы (.

) если выполнено условие

- fylo.M

(8)

Второе условие равновесия пучка 9и/9х д 0 выполняется автоматичес ки при указанной симметрии полей.

Формула изобретения

i-a,i

9у

о

.,z 0,-г 5 Эу ДЛ о, I, переходя к Е и Е

случае) возбуждать переменное по времени электромагнитное поле и периодическое в пространстве электростати- J5 ческое поле. При этом, электростатическое поле не только обеспечивает фокусировку пучка, но и позволяет ускорить частицы в электромагнитной волне, скорость которой отличается

Равенство (8) будет выполнено для лю- 20 от скорости частиц.

бых фазС| , если амплитуды высокочас-

тотного и электрических полей связа ны условием

(1. k.)(,. ||)|sk. (9)

-

или, переходя к Е и Е„, получим (1) и (2).

Равновесная траектория будет устойчива для всех инжектируемых частиц, если

. эх ТбГуГ эуЧбТ о Продольное ускорение имеет место, когда . За счет специального выО Z

бора зависимости a(z) , а, (и) к Лд (г) можно обеспечить, близкий к единице коэффициент захвата частиц в .режим ускорения и эффективную группировку .пучка.

Все изложенное о фокусировке и ускорении справедливо при использовании

(11)

Способ фокусировки и ускорения 25 заряженных частиц, включающий воздей- (10) ствие на пучок переменным во времени электромагнитным-полем и периодическим в пространстве полем ондулятора при транспортировке частиц как по 30 оси, так и вне оси ускоряющей и фокусирующей системы, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет обеспечения фокусировки и ускорения при более низкой энергии инжек- ции заряженных частиц, в качестве поля ондулятора используют периодическое электростатическое поле, поперечная плоскость симметрии или антисим- .Q метрии которого ориентирована вдоль направления движения пучка заряженных частиц и совпадает с плоскостью симметрии или антисимметрии электромагнитного поля, при этом пучок инжек- .- тируют в этой же плоскости, а в месте инжекции выполняются условия

35

волноводных систем как в режиме бегущей, так и стоячей волны.

В качестве примера, который позволяет оценить эффективность предлагаемого способа, рассмотрим ускорение протонов с низкой энергией инжекции в поле ТЕМ волны и в периодическом электростатическом поле.

При Д 3 м и ko 0,03 м имеем V « . 10 с, что соответствует энергии инжекции кэВ. Если кВ/см то согласно (1) Е 100 кВ/см, .1 при- рост энергии частиц на единицу длины UW/&Z 2,5 МэВ/м. Это в несколько раз превышает аналогичную величину, полученную в ускорителях с ПОКФ,

(10)

(8)

Формула изобретения

50

, 55

Способ фокусировки и ускорения 25 заряженных частиц, включающий воздей- ствие на пучок переменным во времени электромагнитным-полем и периодическим в пространстве полем ондулятора при транспортировке частиц как по 30 оси, так и вне оси ускоряющей и фокусирующей системы, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет обеспечения фокусировки и ускорения при более низкой энергии инжек- ции заряженных частиц, в качестве поля ондулятора используют периодическое электростатическое поле, поперечная плоскость симметрии или антисим- .Q метрии которого ориентирована вдоль направления движения пучка заряженных частиц и совпадает с плоскостью симметрии или антисимметрии электромагнитного поля, при этом пучок инжек- .- тируют в этой же плоскости, а в месте инжекции выполняются условия

(1-B).(i . V I 2 дл. Р2 - Д

35

2

Я

at д J1P P5 Pb A t Xft,

)0 1 (Е,

Ч.г оаЧд 0

.o Xfib где Е.и Ej, Едг и ЕОД

амплитуды продольной и поперечной компонент электрического поля электромагнитной волны, В/м; амплитуды продольной и поперечной компонент периодического

7 1508354 8

электростатического 1, приведенная фазовая поля, В/м; скорость электромаг С - поперечный единичныйнитной волны;

вектор, лежащий в . пространственный пеплоскости инжекции;риод электростатического поля, м;

ft -V, - приведенная скорость Л - длина волны электросинхрриной частицы;магнитного поля в свободном пространстве, м.