Способ коллективного ускорения ионов Советский патент 1991 года по МПК H05H5/00 H05H13/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть испбль- зовано при разработке ускорителей на высокие энергии с большой интенсивностью.

Известен способ коллективного ускорения ионов, включающий создание линейного электронного пучка и пропускание его через плазму.

Недостатками известного способа являются невозможность обеспечить большой поток ускоренных ионов вследствие неустбйчивости электронного пучка, а также недостаточный ускорения, ограниченный малыми силами взаимодействия ионов с электронами.

Известен также способ коллективного ускорения ионов путем воздействия ускоряющим полем на электронные кольцевые сгустки, нагруженные ионами и помещенные в ведущее постоянное магСОнитное поле..

Электрическое поле воздействует и

-sj на электронные сгустки и на ионы, что

05 в значительной мере ограничивает воз ьо можности в темпе ускорения рассматриваемого способа, так как при этом ускоряющее поле, одновременно воздействуя и на электронные сгустки, сформированные в виде кольца, и на ионы, стремится также разорвать сгусток, что и ограничивает темп ус° корения частиц.

Таким образом, недостатком известного способа является недостаточно высокий темп коллективного ускопения ионов. Целью изобретения является увеличение темпа коллективного ускорения ионов. , Поставленная цель достигается тем что электронные кольцевые сгустки, нагруженные ионами, инжектируют и волновод и после инжекции воздействуют на них бегущей типа Н -волной СВЧ-поля, фазовую скорость которой замедляют до скорости света. На фиг, 1 дано сечение вдоль оси ускорителя; на фиг, 2 - поперечное сечение, где 1 - соленоид для возбуждения ведзпцего магнитного поля, 2 поперечное сечение электронного кольцевого сгустка; 3 - вакуумированньй волновод 3, диэлектрик - 4. Частично заполняющий волновод - электрическая компонента Е СВЧ-поля Н -волны вектор . В индукции. магнитного поля - скорость V азимутал ого движения электронов - скорость U осевого движения электронов. Согласно данному способу ускорение осуществляют следующим образом. В формирующем устройстве, например типа адгезатора, формируют сильно релятивистские электронные кольцевые СГ31СТКИ, нагруженные ионами. В вакуумированном волноводе 3 возбуждают с помощью соленоида 1 ведущее магнитное поле, направление вектора индукции В которого показано на фигурах. В волновод инжектируют сформированные электронные кольцевые сгустки. Включают источник ускоряющего СВЧ-поля Ну,-волнь1 вектор электрической составляющей Е которого показан на фигурах. Фазовую скорость бегущей волны замедляют до скорости распространения электромагнитной волны в свободном пространстве (до скорости све та в вакууме), например, с помощью частичного заполнения волновода 3 диэлектриком 4. В этот момент происходит известный процесс захвата электр нов кольцевых сгустков в режим радиально-фазовых колебаний,создаваемый бегущей волной СВЧ-поля Н -волны. При этом происходит поглощение электронами мощности СВЧ-волны, необходимое для компенсации потери их энер гии на синхротронное излучение. За счет этого поглощения возникает сила давления СВЧ-волны на электронный сгу сток, приводящая к ускорению сгустка вдоль оси волновода. Ионы же в силу своей инерционности не подверга ются воздействию СВЧ-поля, что исключает эффект разрыва кольцаот действия электрического поля, свойственный прототипу. , и позволяет увеличить темп ускорения частиц. Следует заметить, что влияние синхротронного излучения важно в начальный период ускорения. Если бы синхротронное излучение отсутствовало, то в начальный период ускорения, когда скорость движения кольца мала по сравнению со скоростью распространения волны в свободном пространстве, равновесная фаза электронов при азимутальном движении в постоянном магнитном поле быпа бы равна нулю. При наличии же излучения при сколь угодно малой начальной скорости электронного кольца по направлению распространения волны равновесная фаза азимутального движения электронов установится равной потере энергии на синхротронное излучение за оборот в азимутальном движении и темп ускорения кольца электронов далее будет определяться величиной этой равновесной фазы. Частота электромагнитного поля бегущей СВЧ-волны, действующая наазимутальное движение электронов в системе центра инерции электронного кольца, определяется по формуле эффекта. Допплера 1--т л11-Уг/С2 где VQ - частота бегущей волны в лабораторной системе отсчета; N частота в системе отсчета центра инерции кольца; V - скорость движения кольца в направлении распространения волны; С - скорость света. Например, для скорости V , V(j . Так как радиус орбиты релятивистских электронов в кольце г при .инжекхщи определяется выражением г 2ir-Jo/ . --- , то конечный радиус (при V 7) приблизительно в полтора раза более начального. Во столько же раз увеличивается и конечная энергия азимутального движения кольца, что увеличивает равновесную фазу от увеличения синхротронного излучения и, следовательно, темп ускорения по сравнению с начальным. В отличие от случая авторезонансного ускорения, где допплеровское уменьшение частоты, действующей на частицу, создает резонанс с ее собственной частотой, уменьшающейся вследствие релятивистского увеличения массы, здесь (для сильно релятивистских частиц) это явление не имеет принципиального значения для механизма ускорения, так как для сильно релятивистских частиц резонанс между электрическим полем и частотой вращения частицы соблюдается автоматически при их аэ ймутальном движении. Допплеровское з еньшение частоты влияет лишь на конечную энергию кольца электронов, поскольку конечный радиус кольца ограничен размером реального волновода.

При имеющихся технических возможностях получение необходимой равновесной фазы для большого темпа уско-, рения кольца с помощью синхронного излучения затруднено. Для получения такой равновесной фазы необходим какой-либо искусственный прием, чтобы .задать начгшьную равновесную фазу азимутального движения электронов значительно большей, чем та, которая

задается естественными условиями синхронным .излучением, и тем самым повысить темп ускорения центра инерции кольца по направлению распространения бегущей волны. Таким приемом может быть быстрое изменение фазы ускоряющего СВЧ-поля в диапазоне

о

О- - за время, меньшее периода радиально-фазового колебания электронов . сгустка.,

При этом на неподвижное в продольном направлении электронное кольцо

нач,нет действовать соответствуняцая сила давления бегущей электромагнитной волны. Этот прием можно осуществить также или быстрым изменением частоты волны, или ее поляризацией.

j

Обеспечение большего темпа ускорения по сравнению с прототипом обусловлено тем, что электрическое поле волны типа Н,, резонансным образом

взаимодействуя с электронами в кольце, не оказывает резонансного влияния на ионы непосредственно, тем самым исключается продольная поляризация электронно-ионного образования,

которая имела место в прототипе.

1. СПОСОБ КОЛЛЕКТИВНОГО УСКОРЕНИЯ ИОНОВ путем воздействия ускоряющим полем на электронные кольцевые сгустки, нагруженные ионами и помещенные в ведущее постоянное магнитное поле, отличающийся тем, что, с целью увеличения темпа коллективного ускорения ионов, электронные кольцевые сгустки, нагруженные ионами, инжектируют в волновод, и после инжекции воздействуют на них бегущей типа Hj -волной СВЧ-поля, фазовую скорость которой замедляют от скорости света. 2. Способ поп.1,.отличаю щ и и с я тем, что. в процессе ускорения фазу ускоряющего СВЧ-поля изменяют за время, меньшее периода радиально-фазового колебания электронов сгустка. $

OOP О О О/О О ОО О О/О OOP QQ

BOO О/О р О ООс

« /Фи.1

О О О О о о Z

В

Фиг.