Способ накопления ускоренных заряженных частиц в кольцевом накопителе Советский патент 1984 года по МПК H05H13/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть испол зовано при разработке накопителей с высокой интенсивностью пучка. Известен способ накопления уско ренных заряженных частиц в циклическом накопителе }, включающий инжекцию ускоренных частиц на орби Согласно известному способу повышение интенсивности накопленного пучка достигается за счет устранения резонансов путем настройки вне ней резонансной структуры. Недоста ком известного способа является связь настройки резонансной структура с параметрам - пучка, что сужа его .функциональные возможности. ПРОТОТИПОМ изобретения является способ накопления ускоренных заряженных частиц в кольцевом накопите ле 2 , включающий ижекцию ускоренных частиц на орбиту и расширение поперечных размеров накопленного пучка. Согласно этому способу уменьшение влияния ограничивающих интенсиБНОсть пучка резонансов достигается расширением его поперечных размеров путем повышения давления остаточного газа в камере ускорите ля, взаимодействие с которым в результате рассеяния расширяет пучок. Недостатком способа является уменьшение времени жизни пучка накопленных заряженных частиц изза рассеяния на атомах остаточного газа при уаеличении давления в кам ре накопителя. Целью изобретения является увели чение времени жизни накопленного пучка. Поставленная цель достигается тем, что в способе накопления заряженных частиц в кольцевом накопител включающем инжекцию ускоренных частиц на орбиту и расширение -поперечных размеров накопленного.пучка, расширение его поперечных размеров осу чествляют воздействием на пучок импульсным магнитным полем на локал ных участках орбиты, при этом силовые линии импульсного магнитного поля орентируют параллельно направлению поперечных колебаний инжектируемых частиц. На фиг. 1 показана блок-схема устройствами реализации способа; на фиг. 2 - зависимость накопленног тока от амплитуды импульсного магнитного поля; на фиг. 3 - зависимость времени жизни пучка от величи ны накопленного тока. Устройство для реализации способ содержит кольцевой накопитель 1, линейный ускоритель 2, ударный магнит 3, генератор 4, поворотный механизм 5, телевизионную передающую трубку 6, осциллограф 7, датчик 8 тока, иамеритель 9 времени жизни накопленного пучка. На фиг. 3 кривая 10 соответствует накоплению с импульсным магнитным полем, кривая 11без него. Согласно данному способу в накопитель 1 производится инжекция электро нов, ускоренных в линейном ускорителе 2, и включается импульсный ударный магнйт 3, амплитуда поля, длительность и частота следования импульсов которого задается генератором 4, а с помощью поворотного механизма 5 дистанционно обеспечивается необходимая ориентация силовых линий импульсного Магнитного поля. На осциллографе 7 с помощью телевизионной передающей трубки 6 типа диссектор отражается поперечное (вертикальное или радиальное) распределение плотности накопленного пучка. Сигнал с датчика 8 тока поступает на измеритель 9 времени жизни накопленного пучка. На фиг. 2 приведен график, отражающий зависимость накапливаемого тока от амплитуды импульсного магнитного поля. Измерения проведены при частоте следования f 5 кГц, частоте вертикальных бетатронных колебаний ,3 МГц. Проведенные измерения показали, что максимально накапливаемый ток увеличивается с З-О,, 5 А (импульсное магнитное поле выключено) до Л 1,5 А (амплитуда импульсного магнитного поля составляет 1,5 Э), т.е. в 3 раза. При этом вертикальные размеры накопленного пучка увеличиваются с 0,1 см до 0,23 см. На фиг. 3 приведены зависимости времени жизни накопленного пучка от величины накопленного тока. На орбите удерживался путем воздейс,твия импульсного магнитного поля максимальный накапливаемый ток, после чего инжекция заряженных частиц внутрь накопителя выключалась, и проводились измерения временной динамики тока обреицающихся в накопителе частиц. Проведенные измерения показали, что время жизни накопленного пучка при работе импульсного магнита (кривая 10) превышает время жизни накопленного пучка с выключенным импульсным магнитом (кривая 11) . После того, как при включенном импульсном магнитном поле достигнут максимальный накопленный ток, импульсное поле можно выключить. Тогда за временной интервал, близкий к времени затухания, поперечные размеры накопленного пучка адиабатически затухнут к невозмущенным равновесным размерам. Поскольку время жизни значительно превышает время затуха-, ния, то получившийся в результате

пучок заряженных частиц будет обладать повышенной светимостью.

В этом способе выбор параметров возмущающего магнитного поля обусловлен следующими соображениями.

Одним из основных каналов гибели частиц является п} цесс резонансного взаимодействия инжектируемого пучка. Если, например, ин/кекция производится по ргщиусу, тогда инжеционные частицы, совершая радиальны колебания, будут испытывать (дважды за период радиальных колебаний) кулоновское взаимодействие с интенсивным пучком заряженных частиц около равновесной орбиты, состоящим из накопленных электронов и инициированных электронами ионов. Поскольку длительность пролета индекционного пучка сквозь область, занятую накопленными электронами и, соответственно,ионами мала по сравнению с периодом радиальных колебаний, полоса возбуждаемых частот радиальных колебаний расширяется для инжекционных частиц в R /6 раз, где R расстояние между местом инжекции и равновесной орбитой, б - поперечный размер области, занятой накопленным пучком. Поэтому возможно эффективное возбуждение колебаний на резонансах типа Vj+nVri+ 5 гД® i п , 6 - целые числа: V, Vp,H Vg - приведенные частоты бетатронных (вертикальных и радиальных) и синхронных колебаний соответственно. Из йсех возможных комбинаций чисел И , VT и С отбираются те группы, которые удовлетворяют резонансному условию, а наиболее эффективно будет возбуждаться тот резонанс, для которого пит минимальны. Если накопленный пучок достаточно интенсивен и имеет малые вертикальные размеры, то амплитуда вертикальных бетатронных колебаний при попадании на резонанс может увеличиться настолько, что инжектируемые частицы будут выпадать из процесса накопления, взаимодействуя с конструктивными элементами внутри камеры накопителя. Это может произойти, например, если амплитуда вертикальных колебаний превысит размеры верт кального зазора инфлектора до того,

как осуществится выход инжектируемого пучка из инфлектора по- радиусу за счет радиационного затухания. Амплитуду возбуждаемых вертикгшьных колебаний инжектируемых частиц можно уменьшить, если увеличить вертикальные размеры накопленного пучка. Тем самым будут уменьшены потери инжектируеь«х частиц в процессе их захвата и удержания, что и приводит к увеличению максимального накапливаемого тока на орбите.

По мере роста вертикальных размеров пучка будет увеличиваться и время жизни накопленного пучка заряженных частиц, а значит, время жизни максимального накапливаемого тока. Тенденция роста времени жизни накопленного пучка ограничена сверху конфиругацией ведущего магнитного поля в камере накопителя, т.е. существует оптимум вертикальных размеров накопленного пучка, отвечающий максимуму его времени жизни.

Увеличение вертикальных размеров накопленного пучка без изменения режима работы накопителя обеспечивается путем воздействия на локальном участке орбиты импульсгшли возмущающего магнитного поля, если ориентировать его так, чтобы силовые линии магнитного поля были направлены по радиусу, т.е. были параллельны направлению колебаний инжектируемого по радиусу пучка заряженных частиц. Воздействие импульсов магнитного поля с частотой, меньшей частоты вертикгшьных бетатронных колебаний, с длительностью, меньшей или равной периоду обращения частиц, с периодом следойпния, меньшим, чем время затухания вертикальных бетатронных колебаний, и с амплитудой, меньшей амплитуды ведущего магнитного поля в камере, приводит к .возбуждению вынужденных вертикальных колебаний накопленных заряженных частиц, В результате воздействия таких процессов, как рассеяние на молекулах остаточного газа в камере и спонтанной эмиссии квантов, колебательное вертикальное движение разных частиц примет независимый и случайный характер, поэтому в установившемся стационарном режиме накопленный пучок будет иметь в вертикальном направлении гауссову плотность, причем приращение квадрата вертикальной дисперсии, обусловленное воздействием импульсов магнитного поля, пропорционально произведению частоты следования на квадрат их амплитуды. Выбором частоты следования и амплитуды импульсов возмущающего магнитного поля можно достинуть оптимума вертикальных размеров накопленного пучка при отсутствии в большом количестве рассеивающего пучок остаточного газа (в :прототипе За счет этого и достигается увеличение времени жизни пучка по сравнению с прототипом.

f.A

тс

1.S

w0.559DtfSD

mtonmH,3

0.5 1.0 1.5 Фиг.г

0,5 1.8. 1.5 Фи1.3

СПОСОБ НАКОПЛЕНИЯ УСКОРЕННЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В КОЛЬЦЕВОМ НАКОПИТЕЛЕ у включаккций инжекцию ускоренных частиц на орбиту и расши-ч рение поперечных размеров накопленного пучка, отличающийся тем, что, с целью увеличения времени жизни накопленного пучка, расширение его поперечных размеров осуществляют воздействием на пучок импульсным магнитным полем на локальных участках орбиты, при этом силовые линии импульсного магнитного.поля ориентируют параллельно направлению поперечных колебаний инжектируемых частиц. 9 СО X) -ч1 ел со СД