Способ медленного вывода электронов из синхротрона и накопителя Советский патент 1992 года по МПК H05H7/00 

(Л

С

Изобретение относится к способу медленного вывода электронов из синхротронов и накопителей и может быть использовано п ускорительной технике. Цель изобретения - увеличение эффективности и качества выведенного пучка. Сущность изобретения заключается в уменьшении эмит- таиса пучка и стабипизэцим углового отклонения электродов на входе в септум-магнит о течение оынодя путем возбуждения ради ациопной раскачки радиальных бегатрон- ных колебаний с использопанием дополнительных магнитный полей, осуществляющих управлением инкрементом нарастания колебании 4 ил

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к способам вывода пучков ускоренных частиц из электронных ускорителей и накопителей.

В ускорительной технике известен способ резонансного медленного вывода пучка из протонных синхротронов, использующий возбуждение нелинейного резонанса радиальных бетатронных колебаний. Эгог резонанс приводит к появлению области устойчивости для колеоаний с м злыми амплитудами и непрерывному росту амплитуды .колебаний вне этои области Перед началом медленного вывода (рэсст ройкл от речонан- са (5 (Зняч) пучок заполняет область устойчивости. С помощью специальных магнитных систем (веат - виттр) локально в зоне выводного сбптум-магнитч рачноргспая орбита смещяотся к его но у на ртссточн е, остаточное дпп обе пп пий требуемого

резонансного возрастания амплитуды радит альных колебаний Включением магнитных квадрупольных линз, изменяющих частоту радиальных бетатронных колебаний, уменьшают расстройку д от резонанса. При этом область устойчивости сжимается, и часть-частиц пучка оказывается вне этой области, их амплитуды колебаний возрастают, они забрасываются в септум-магнит и выводятся наружу. Однако, в электронных синхротронах существрнное влияние на дьижение частиц оказывает их синхронное излучение в заворачивающих магнитах. Оно приводит к раскачке радиальных бетатронных колебаний и этот естественный эффект можно использовать для перевода частиц из облссти устойчивости в неустойчивую область без введения магнитных кгипдрупольных линз.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в кзчестгФ протпгипя, яво со а

ел

ляотся опогоб медленно вывода пучю ускоренных частиц из F pcn.tnr.koto электронно го синхротрона, заключающийся р позбуж дении нелинейного резонанса 3 iv п, где 1 х число радиальных бптлтронных колебаний, п номер резонансной гармоники сек- ступольного возмущения магнитного поля. Он осуществляется также как и для протонных синхротронов, радиационная раскачка радиальных колебаний при выводе не используется. Для выбранных параметров ускорителя и энергии электронов 2 ГэВ она оказывает малое влияние на процесс медленного вывода. Для энергий 2 ГэВ радиационная раскачка существенна и ее стремятся скомпенсировать с помощью дополнительных магнитных полей, сформированных на орбите синхротрона, управляющих синхротронным излучением электронов так, чтобы можно было изменя гь инкремент их радиальных бетатронных колебаний. Эти поля создаются демпфирующими (или анти- демпфирующими) уст роист вами. Поэтому медленный вывод производят также, как в протонных ускорителях нестандартной схеме, непрерывно уменьшая расстройку д от резонанса. При этом в течение вывода непрерывно изменяется угловое отклонение частиц пучка на входе в септум-магпит, что приводит к ухудшению качества выведенного пучка: увеличение его эффективного эмитган.а.

Целью изобретения является уменьшение эмиттансэ выводимого пучка и сохранение постоянным углового отклонения частиц на входу в септум-магнит в течение вывода.

Поставленная цель достигается тем, что D известном способе резонансного медленного вывода перевод электронов из области устойчивости в неустойчивую область осуществляется путем возбуждения радиационной раскачки радиальных бетатронных колебаний с помощью антидемпфирующих устройств при постоянной расстройке от резонанса и неизменных угловом отклонении г частиц пучка и радиальном положении границы сепаратрисы на входе в септум- магнит. Магнитные квадрупольные линзы наведения на резонанс здесь не нужны.

Использование свойств синхронного излучения в кольцевых магнитных структурах для целей медленного вывода позволило получить пучок с малым эффективным эмиттансом и постоянным углооым отклонением.

Предлагаемый способ отличается от известно тем. что с помощью демпфирующих

(или антидемпфирующих)устройств возбуждается радиационная раскачка радиальных бетатронных колебаний.

Укороченные уравнения БоголюбоваКрылова, описывающие поведение амплитуды ах VK/lx и фазы ф радиальных бетатронных колебание вблизи резонанса 3 vx -- п с учетом радиационной раскачки, имеют вид:

(3|ein(Pf + аЧЕп,,

&

...

/ar(3 Er,|5HFnko5(3(..

D

Здесь 55

г0 А К 5

У ,

24 R0fbmax

,

,, Ртах RO I

MV

R

к ----

3 h° R°lfJ; Р ,1р(5),ивф|иж&

Г h°

Г - -2nR

: 1ц

W

..П , .

в-f ;А .

0

9Ъ$

d2H:

1 г

I (HzR)iclxJ1

т -iSX-i

h5

(5 е

(d5.

Укороченные уравнения получены при усреднении уравнений радиальных бетатронных колебаний по одному обороту для учета влияния сопутствующего резонанса первого порядка vx п/3, возбуждаемого

той же квадратичной нелинейностью магнитного поля - слагаемые с Еп/з.

Здесь S - азимутальная координата; Ј - радиальный эмиттанс пучка, усредненный по фазам бетатронных колебаний и по ансамблю статически излучаемых квантов, R0 - средний радиус синхротрона; R - радиус кривизны в его заворачивающих магнитах; (HR) - магнитная жегткогть электронов:

/(|7 н v

(-- I - СекГ.ТуППЛЬНаЧ НеЛИЧ ЧПЮГ ТI,

v d x2

магнитного полл;/1х рлдиальнл 1 дммпитуднап функция. X - ее фа л,/ дисперсионная

,

функция синхротрона. г„ А -

классический радиус электрона и его коми - тоновскал длиня полны, угловые скобки означают усреднение по кольцу синхротрона D и Јх - параметры, учитывающие соот- оетстоемнп квантовую и классическую радиационную раскачку радиальных Гете- тронных колебаний. В зависимости от параметров кольцевого электромагнита синхротрона или накопителя синхротронное излучение при условии компенсации потери энергии ВЧ-системой приводит к рлскачке или затуханию радиальных колебаний. Јх 0 отвечает затуханию радиальных колебаний, Јх 0 - их раскачке. Для протонных ускорителей влиянием радиационных эффектов можно пренебречь: D Јх - 0. Гп определяет силу рабочего резонанс третьего порядка: 3 iv п. а Ел/з - силу сопутствующего резонанса первого порядка гх - п/3, побуждаемых одной и той же квадратичной нелинейностью магнитного поля. Резонанс первого порядка искажает динамику медленного вывода, приводит к изменению заброса в сеп- тум-магнит. неэквиолпетиости асимптотичности уходящих ветпей сепаратисты и увеличению эффективного фазового обьема выводимого пучка. Его можно устранить при определенной расстановке или эапиты- оании секступольных линз в кольцевом электромагните синхротрона. Эту расстановку секступолей мы будем называть опти- мальной. Условия оптимальной расстановки секступолей, возбуждающих рабочий резонанс третьего порядка 3 vx - n; A - В - Еп/з 0. В приближении тонких линз, при расстановке их в промежутках с одинаковыми значениями / функции они имеют оид:

0;

/d МЫ / п5,

В-2 ТТЛ ro L J43iT 0; « а х /гV° ко I

Предполагаем их выполненными. В этом случае фазовые диаграммы, иллюстрирующие процесс медленного выподэ без учета слияния сиихоотронного излучения, приведены на фиг 1,2,3. На if иг. 1 изобраЖРНЭ фазппяя .ипгрямма рплонлнг.л Л гх - 16 боэ учет л синхротронного излучения

(А Ь

1

- 0) в коирдмнлтлх (г v

1

W

10

15

0

5

0

х cos (Ф ;| arg Fn). r - V-Г sin (Ф ; ,чгг) Гп)

ОVVvj

для начальной расстройки г5 - 5нач, соотпот- стпующеи началу вывода, когда пучок .апол няет область устойчивости внутри сепа ратрисы (заштрихованный треугольник). При непрерывном уменьшении расстройки д с помощью магнитных кгддрупольних линз наведения на резонанс область устойчивости сжимается, часть пучка попадает вне новой сепаратрисы и выходит вдоль ее асимптотически уходящих ветвей (фиг. 2). где дана фазовая диаграмма резонанса 3 rx 16 без учета синхротронного излучения, 1 - выводимый пучок. Часть пучка, оставшаяся в области устойчивости, и пучок, выведенный к моменту времени, соответствующему расстройке 0 6 г5ма., на фиг. 2 заштрихованы. Фиг. 3 отвечает окончанию медленного вывода 1 при значении расстройки 0. Сепаратриса вырождена в лучи

Ф - argFn 0, л/3, 2/3 Я. л. 4/3 тт. 5/3 Л. о

область усюйчивости свернута в точк/. В течение вывода непрерывно изменяется уг- лооое отклонение г1 частиц пучка ч радиальное положение границы сепаратрисы на входе в септум-мягнит, что приводит к изменению амплитуды заброса о септум-магнит, равномерности по интенсивности выводимого пучка в течение длительности медленного вывода 0 5 (Знлч и уиеличеиию его эффективности эмиттанса. Выведенный пучок представлен заштрихованным прямоугольником площади на фиг, 3. Эмиттанс

выводимого пучка Јп - S, Si - А г Д г ,

где А г - заброс в септум-магнит. Д г1 угловое отклонение частиц на входе в него, W 1 м - Вронскиан.

5 Учет слагаемых D, Јх приводи к топу, что характерное резонансное строение фазовой диаграммы сохраняется, но движение на всей фазовой плоскости, включая и область малых амплитуд, становится неустсйчиным, и в углах сепаратрисы появляются щели (фиг. 4), где дана фазовая диаграмма резонанса 3 vx - 16с учетом синхротронного излучения, расстройка д - - (5нач. (образуется квазисепаратриса), через, которые электроны непрерывно оытокают из области внутри нее под действием радиационной раскачки для Јх 0 или напротив, непрерывно переходят внутрь ( Јх 0), обычно радиационную раскачку

5

0

0

5

стремятся демпфировать, изменяй значение Ј с помощью специальных демпфирующих устройств так, чтобы амплитуда рэди- апьных колебаний не возрастала или даже затухала, Однако радиационную раскачку можно сделать полезной, если к началу вывода отключить эти устройства и использовать рост амплитуды радиальных колебаний для целей вывода. Тогда при постоянной расстройке дчерез щели в кваэисепарагри- се электроны будут непрерывно вытекать из области внутри нее в неустойчивую область, подхватываться резонансным механизмом и выводиться. Выводимый пучок изображен на фиг. 4 заштрихованным прямоугольником. Он выводится при постоянном угле г и поэтому с малым эффективным эмиттансом. Использование резонанса при этом необходимо для группировки пучка и обеспечения быстрого увеличения амплитуды колебаний частиц, попавших в неустойчивую область. Предлагаемый способ медленного вывода из электронных синхротронов может быть реализован следующим образом. Для предотвращения возрастания радиального размера пучка за время ускорения в магнитной структуре кольцевого электромагнита синхротрона вводятся демпфирующие устройства, Их действие основано на таком возбуждении сиихротронного излучения электронов, при котором имеет место затухание радиальных колебаний. Демпфирующие ус- .тройства можно выполнить и таким образом, что их действие будет вызывать раскачку радиальных колебаний (антидемпфи- рующие устройства). С помощью сексту- польных линз возбуждается резонанс 3 vx п так, чтобы колебания всех частиц пучка лежали в области устойчивости. В течение медленного вывода размер и ориентация области устойчивости сохраняется. Демпфирующие устройства отключаются (или включаются антидемпфирующие устройства) и под действием радиационной раскачки в уг/тах сепаратрисы появляются щели и электроны непрерывно переводятся через них из области квазиустойчивости в неустойчивую область. Эмиттанс выводимого пучка 1 в этом случае равен площади заштрихованного прямоугольника на фиг. 4:

ЕВ - -ДгДг|, где Д г1 - угловой разброс

частиц в выводимом пучке. Д г - приблизительно в 10 раз меньше Д г , (см. фиг. 3), и эмиттанс выведенного пучка в рассматриваемом случае в 10 раз меньше, чем без использования радиационной раскачки. Кроме того, в течение вывода остается постоянным угловое отклонение выводимого

пучка на входе в септум-магнит, расстояние от границы квазисепаратрисы до наружного края септум-магнита, и не требуются квад- рупольные линзы наведения на резонанс, что облегчает работу системы медленного

вывода. Предлагаемый способ медленного вывода может быть реализован на любом электронном синхротроне и накопителе. Использование способа наиболее эффективно для синхротронов на высокие энергии

электронов,

Использование предлагаемого способа медленного вывода на электронных синхротронов с учетом естественной радиационной раскачки радиальных колебаний

обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: постоянство расстояния от границы квазисепаратрисы до края септум-магнита в течение медленного вывода; постоянство

углового отклонения электронов на входе в септум-магнит в течение медленного вывода; уменьшение эффективного эмиттанса выведенного пучка.

Формула изобретения

Способ медленного вывода электронов из синхротрона и накопителя, включающий введение в структуру магнитного поля кольца квадратичной нелинейности, которая

удовлетворяет условию поворота фазовой диаграммы пучка на угол 2 я т/3 за оборот, где m 3k/m, k - целые числа, а также установку рабочей точки вблизи нелинейного резонанса радиальных бетатронных колебаний с возможностью подавления сопутствующих резонансов низшего порядка, отличающийся тем, что, с целью увеличения эффективности вывода и качества выведенного пучка за счет уменьшения

его эмиттанса и стабилизации углового отклонения электронов на входе в сектум-маг- нит в течение вывода, возбуждают радиационную раскачку радиальных бетатронных колебаний с помощью дополнительных магнитных попей, сформированных вдоль орбиты и осуществляющих управление инкрементом нарастания колебаний, возбуждаемых синхронным излучением, при этом расстройку рабочей точки от резонанса поддерживают постоянной.

e 2pcb

yiOiliiJl

фиг.З

/

/

t1