Способ фокусировки и ускорения заряженных частиц Советский патент 1990 года по МПК H05H9/00 

(.61)1S58115

(21)4228444/24-21

(22)13.04.87

(46)15.10.90. Бюл. № 38

(71)Московский инженерно-физический институт

(72)Э.С. Масунов

(53)621.384.6(088.8)

(56)Авторское свидетельство СССР № 1358115, кл. Н 05 Н 9/00, 1986.

(54)СПОСОБ ФОКУСИРОВКИ И УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

(57)Изобретение относится к ускори- . тельной технике и может быть использовано в линейных ускорителях с высоким темпом ускорения и большой интенсивностью пучка. Целью изобретения является повышение эффективности фазовой и поперечной фокусировки при одновременном увеличении интенсивнос- ти ускоренного пучка, что достигается одновременным инжектированием в одну и ту же область разноименно заряженных пучков с определенными параметрами. При этом в способе не существует ограничений на интенсивность, связанных с полем пространственного заряда. Предельная интенсивность пучка будет определяться коллективньми эффектами нагрузки током, которые необходимо принимать в расчет, когда мощность ускоренного пучка будет сравнима с мощностью ВЧ-генератора.

S

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в линейных ускорителях с высоким темпом ускорения и большой интенсивностью пучка. Целью изобретения является повышение эффективности фазовой и поперечной фокусировки при одновременном увеличении интенсивности ускоренного пучка, что достигается одновременным инжектированием в одну и ту же область разноименно заряженных пучков с определенными параметрами. При этом в способе не существует ограничений на интенсивность, связанных с полем пространственного заряда. Предельная интенсивность пучка будет определяться коллективными эффектами нагрузки током, которые необходимо принимать в расчет, когда мощность ускоренного пучка будет сравнима с мощностью ВЧ-генератора.

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

Целью изобретения является повьше- ние эффективности фазовой и поперечной фокусировки при одновременном увеличении интенсивности ускоренного пучка.

Поставленная цель достигается благодаря тому, что известный способ ускорения и фокусировки заряженньпс частиц имеет одну важную особенность - изменение скорости частицы в среднем за время пролета одного периода маг- нитостатического поля ТУ „пропорционально ()2, где Z - эарядность частицы; .М - релятивистская масса частицы. Поэтому, если инжектировать одновременно в одну и ту же область

ускоряющего канала разноименно заряженные пучки, состоящие из частиц с одинаковыми начальными скоростями, и с одинаковом отношением Z/M, то характер усредненного на периоде движения для положительных и отрицательных зарядов будет одним и тем же. Группировка непрерьшных пучков для разноименных зарядов при любом законе изменения амплитуд магнитостати- ческого и электромагнитного полей будет Проходить одинаковым образом, если пучки с одинаковыми начальными эмиттансами инжектируются в одну и ту же область ускоряющего канала. Сгустки из положительных и отрицательных зарядов зарядов сливаются в один, ко- горьй может оказаться квазинейтральным если величина тока пучка с положительным зарядом (1) примерно равна величине тока (I-) пучка с отрицательным зарядом.

а

к

Сила кулоновского расталкивания .определяется разностью меяоду зарядовой плотностью положительных и отрицательных частиц, и всегда будет мень ше, чем для каждого из пучков в отдельности. При равенстве (1+)(1-) ускоряемый сгусток будет в целом нейт- ральным и силы кулоновского расталки- ;вания без учета мультипольных коллек- тинных эффектов можно вообще не принимать в расчет. Это является одним из важных преимуществ предлагаемого способа ускорения и фокусировки по сравнению с ускорением в ВЧ-поле волны. Так, в структуре с пространственно однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ) или в структуре типа Альварецал разноименно заряженные

I

30

пучки группируются около разных сии- 2Q хронных фаз (Ц 5 (9 поэтому сгустки с положительным и отрицат€ ль- ным зарядом разнесены в пространстве. Компенсация пространственного заряда в этом случае отсутствует, и величина 25 силы кулоновского расталкивания будет такой же, как и для одного пучка.

По предлагаемому способу из режима ,ускорения и фокусировки могут выходить только нейтральные частицы, ко- .торые образуются при условии появления связанного состояния между частицами (ионами) разного знака. Однако такие события маловероятны из-за большой относительной скорости частиц. Действительно, для каждой частицы сгу-35 стка траектория представляет собой налойсение медленно меняющейся функции и быстрых осцилляции в.периодическом магнитостатическом и в ВЧ-полях. Для разноименно заряженных частиц при .одинаковых начальных условиях мерден- но меняющиеся траектории совпадают, а скорости быстрых осцилляции противоположны по знаку и поэтому всегда относительно велики.

В качестве примера реализации предлагаемого способа фокусировки и ускорения заряженных частиц рассмотрим простейший случай ускорения ионов водорода в поле ТЕМ-волны, создаваемом 50 двухпроводной линией, и в периодическом. В пространстве магнитостатическом поле, которое можно получить с помощью плоского магнитного ондулятора. Если плоскость, в которой расположена двух-55 проводная линия, является плоскостью антисимметрии по магнитному полю Вр

ондулятора, при условии, что -гг- Вд

45

д на оси системы, где Е - амплитуда поперечной компоненты ТЕМ-волны, заряженные частицы будут фокусироваться и ускоряться, если начальная

АО

30

Q 5

35 о50ю -55

скорость инжекции VJ С где

. 6 - длина ТЕМ-волны, С - скорость

, . 9В,

света. Второе условие г 1 д рл d t

-; на оси вьшолняется автоматически. При Л в .3 м; 0,045 м имеем V 1,5-102 -с, что соответствует энергии инжекции W 100 кэВ. Если Еа 90 кэВ/см, величина BQ 2 Т, а максимальный темп ускорения л,1 45мэВ/м. Предельный по кулоновскому полю ток пучка Ippea-200-300 мА. Если инжектировать вдоль оси отдельно пучок ионов Н или н с током, например, I 1 А, то из-за кулоновской дефокусировки большая часть частиц в процессе ускорения будет потеряна. Если же к месту инжекции подвести и инжектировать одновременно два пучка H и Н с одинаковыми или близкими начальными параметрами и с (I ) е; (I ) ,

45

то в ускоряющем канале будут формироваться и ускоряться квазинейтральные сгустки. Кулоновская дефокусировка будет практически сведена к нулю. Эту же задачу можно еще более упростить,если вместо двух одинаковых ионных источников Н и Н взять один источник Н с (1) 2. А, а на входе в ускоряющий канал установить обдирочную мишень с эффективностью пере-, зарядки Н в Н 50%. Тогда также, как и раньше, будут ускоряться без потерь квазинейтральные сгустки. Если на выходе ускорителя необходимо иметь только, частицы одного знака (например, ионы Н ), то это легко сделать, установив в конце ускорителя перезарядную мишень, с помощью которой оставшуюся часть ионов Н можно перевести в Н .

Таким образом, по предлагаемому способу ускорения и фокусировки практически не существует ограничений на интенсивность, связанных с полем пространственного заряда. Предельная интенсивность пучка определяется коллективными эффектами нагрузки током,которые необходимо принимать в расчет, когда мощность уско1зенного пучка сравнима с мощностью ВЧ-генератора.

Формула изобретенияинжектируют одновременно в одну и ту

Способ фокусировки и ускоренияже область разноименно заряженные

заряженных частиц по авт.св.№ 1358115,пучки, состоящие из частиц с одинакоотличающийся тем, что,выми начальными скоростями и с одинас целью повышения эффективности по-ковым отношением Z/M, где Z - велиперечной и фазовой фокусировки причина зарядности частиц, М - релятиувеличении числа ускоренных частиц,вистская масса частиц, кг.