Способ накопления пучка заряженных частиц

 

СПОСОБ НАКОПЛЕНИЯ ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТЩ, заключающийся в формировании кольцевого ускоренного пучка заряженных частиц в переменном во времени ведущем магнитном поле, отличающийся тем, что, с целью увеличения энергии пучка заряженных частиц, пучок заряженных -частиц выводят в область ведущего магнитного поля на релятивистскую орбиту, с граничным радиусом , на котором еще сохраняется устойчивость пучка, путем уменьшения ведущего магнитного поля до величины , соответствующей значению поля, при котором пучок оказывается на орбите с указанным граничным радиусом, создают на этой орбите СВЧ-поле, имеющее азимутальную составляющую, затем восстанавливают в присутствии этого СВЧ-поля значение ведущего магнитного поля до первоначального значения, после § чего всю последовательность операций повторяют до получения заданной (Л величины тока накапливаемого пучка, при зтом СВЧ-поле сохраняют в течение всего процесса накопления. 00 to -vl СХ5 4

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (><)4 Н 05 Н 13j00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPGKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

fl0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3475656/24-21 (22) 23 ° 07.82 (46) 15.03.86. Бюл. Р 10 (72) В.С. Панасюк (53) 621.384.6(088 ° 8) (56) Коломенский А.А.,Лебедев А.И.

Теория циклических ускорителей.

Москва, Физмат, 1962, с.321.

Авторское свидетельство СССР

Ф 876046,, кл. Н 05 Н 13/00, 1980. (54)(%7) СПОСОБ НАКОПЛЕНИЯ ПУЧКА

ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, заключающийся в формировании кольцевого ускоренного пучка заряженных частиц в пере-, менном во времени ведущем магнитном поле, отличающийся тем, что, с целью увеличения энергии пучка заряженных частиц, пучок заряженных -частиц выводят в область

„„SU„„1132784 ведущего магнитного поля на релятивистскую орбиту с граничным радиусом, на котором еще сохраняется устойчивость пучка, путем уменьшения ведущего магнитного поля до величины, соответствующей значению поля, при котором пучок оказывается на орбите с указанным граничным радиусом, создают на этой орбите

СВЧ-поле, имеющее аэимутальную составляющую, затем восстанавливают в присутствии этого СВЧ-поля значение ведущего магнитного поля до первоначального значения, после чего всю последовательность операций повторяют до получения заданной величины тока накаппиваемого пучка, при этом СВЧ-поле сохраняют в течение всего процесса накопления.

1132784

Изобретение относится к области технической физики в части создания способов накопления пучка заряженных частиц и может быть использовано для получения сильноточных релятивистских пучков и широкого диапазона их применений, включая генерирование синхротронного излучения.

Известен способ накопления пучков заряженных частиц путем инжекции пучка в накопитель на замкнутую орбиту с воздействием на инжектированный пучок отклоняющим электромагнитным полем.

Недостатком известного способа является необходимость применения специального отклоняющего электромагнитного поля (создаваемого, например, инфлектором) для .однооборотного ввода пучка в накопитель, поэто му он является сравнительно дорогостоящим способом со сложной аппаратурной реализацией.

Наиболее близок к предложенному по технической сущности способ накопI ления пучка заряженных частиц заЭ ключающийся в многократном повторении цикла ускорения пучка заряженных частиц в области переменного во времени ведущего магнитного поля, содержащего импульсную и постоянную составляющую, с последующим выводом пучка в каждом цикле ускорения на релятивистскую орбиту, при этом накапливаемый пучок сохраняют в области указанного ведущего магнитного поля.

Недостатком этого способа является наличие единственной релятивистской орбиты с величиной радиуса, приблизительно вдвое меньшей радиуса действия переменного ведущего магнитного поля. На этой орбите происходит и ускорение, и накопление пучка. Это ограничивает энергию .накапливаемых частиц, Целью изобретения является увеличение энергии пучка заряженных частиц.

Поставленная цель достигается тем, что в способе накопления пучка заряженных частиц, заключающемся в формировании кольцевого ускоренного пучка заряженных частиц в переменном во времени ведущем магнитном поле, пучок заряженных частиц выводят в область, ведущего магнитного поля, релятивнстская орбита с радиусом R», 5 — релятивистская орбита с радиусом Я, 6 и"7 части полуволнового резонатора, создающего СВЧ-поле.

40 Способ осуществляют следующим образом.

Производят цикл ускорения первой порции пучка заряженных частиц.

Для этого формируют переменное во

45 времени ведущее магнитное поле с двумя составляющими; импульсной и постоянной. Импульсную составляю50

1О

30 на релятивистскую орбиту с граничным радиусом, на котором еще сохраняется устойчивость пучка, путем уменьшения поля ведущего магнитного поля до величины, соответствующей значению поля, при котором пучок ока» зывается на орбите с указанным граничным радиусом, создают на этой орбите СВЧ-поле, имеющее азимутальную составляющую, затем восстанавливают в присутствии этого СВЧ-поля значение ведущего магнитного поля до первоначального значения, после чего всю последовательность операций повторяют до получения заданной величины тока накапливаемого пучка, причем СВЧ-поле сохраняют в течение всего процесса накопления.

На фиг. 1 показана схема расположения орбит пучков заряженных частиц в процессе ускорения и накопления, на фиг. 2 — эпюры, характеризующие изменения: постоянной составляющей ведущего магнитнго поля в процессе перевода пучка на орбиту с граничным радиусом (а) и высокочастотного ускоряющего поля постоянной частоты (6).

На фиг. 1 обозначены: 1 — граница части ведущего поля, имеющего импульсную и постоянную состав- . ляющую, 2 — граница магнитного поля, имеющего только постоянную составляющую, 3 — траектории частицы, 4 щую формируют, например, в соленоиде (граница 1 этой части ведущего поля на фиг. 1). Постоянную составляющую формируют, например, электромагнитом постоянного магнитного,поля (граница 2). Включают СВЧ-поле (E „) при минимальном значении ведущего магнитного поля и одновременно инжектируют из источника, например электронной пушки (фиг.1 не показан) первую порцию заряженных

1132784

Е = 3008.R, / где

Š— энергия пучка, эВ; 35

Ь вЂ” индукция ведущего магнитного поля Гс, К вЂ” величина радиуса пучка,см.

Затем восстанавливают значение поля до первоначального значения в момент 4О времени t в присутствии постоянного по частоте ускоряющего СВЧ поля F (c ì.ôèã.2,á), которое создают, например, ВЧ-резонатором, и потом сохраняют в течение всего 45 процесса накопления. После этого всю описанную последовательность

I-.—операций повторяют до получения заданной величины тока накапливаемого пучка заряженных частиц. Интервал 50 (— Й ) между очередными порциями частиц, поступающими в резонатор, должен быть выбран таким, чтобы бетатронные и радиально-фазовые колебания в первой порции частиц успевали бы затухнуть от радиационного трения до момента поступления

l. следующеи порции. В процессе осуществII частиц в центральную область ведущего магнитного поля, 1

Затем ускоряют эту порцию на восходящем участке ведущего поля по траектории 3 до релятивистской энер- 5 гии, которой соответствует релятивистская орбита 4 с радиусом Р,1

Цикл ускорения заканчивается в момент времени (фиг.2). Далее начинается процесс накопления путем вывода первой порции частиц из области переменного во времени ведущего магнитного поля, содержащей обе составляющие этого поля (граница 1), в область ведущего магнит- 15 ного поля, содержащую только постоянную составляющую ведущего магнитного поля (граница 2), на релятивистскую орбиту 5 с граничным радиусом Р,, на котором еще сохраняется устойчи- 20 вость пучка. Эту операцию вывода первой порции осуществляют следующим образом: уменьшают в момент времени t постоянную составляющуюся ведущего магнитного поля до значения Ь „ в момент времени Й (фиг.2а, пунктир). Величина индукции магнитного поля 6„ соответствует значению этого поля, при котором пучок оказы . вается на орбите с указанным гра- 3б ничным радиусом R, в соответствии с зависимостью ления циклов накопления, пучок, кото. рый уже находится на орбите с радиусом R, при уменьшении постоянной составляющей ведущего магнитного поля в интервале времени с - ц аналогичном интервалу t — 11 в пре-дыдущем цикле накопления, осуществляемом в процессе перевода следующего пучка с орбиты с радиусом „ на орбиту с радиусом R, претерпевает торможение под действием ускоряющего СВЧ-поля (E „=) : с уменьшением энергии этого пучка до значения, которое соответствует значению индукции ведущего магнитного поля Ь, в соответствии с зависимостью (1). При этом, очевидно, что в реальных условиях осуществления способа мощность источника ускоряющего СВЧ-поля должна быть больше мощности накапливаемого пучка, при этом в системе соблюдается одночастичное приближение, что соответствует условию элементарной .теории автофазировки. Для процесса накопления по изложенному способу должны соблюдаться два условия.

Первое условие является обязательным для любого способа накопления и сводится к тому, что должны соблюдаться общие положения статистической механики, связанные со свойствами фазового пространства — теорема Лиувилля. Из нее следует, что если в начальный момент времени пучок частиц занимал на фазовой плоскости некоторую площадь, то, как бы не меня" лись во времени параметры ускоряющего поля, разброс параметров пучка не может быть сделан меньше некоторой определенной величины.

Однако при накоплении легких частиц, сопровождающемся интенсивным синхротронным излучением, разброс по энергии затухает вследствие синхротронного излучения. Это освобождает определенную часть фазового пространства и она может быть заполнена новой порцией частиц, что и делает возможным процесс накопления.

Второе условие присуще рассматриваемому способу и связано с вводом частиц в потенциальную яму ускоряющего поля не на ее "дно", а с "левого края". Естественно, при отсутствии потерь ("радиационного трения") частицы "выплеснутся" из ямы об1132784

Редактор П. Горькова Техред С.Мигунова

Корректор Д. Эрдейи

Заказ 1167/2 Тираж 767

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д . 4/5

Подписное

Филиал оп "

1ПП1 Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

It ратно и не будут захвачены в режим радиально-фазовых колебаний. Величина радиационного трения (энергия излучения за оборот) должна быть такой, чтобы за время периода ра" диально фазовых колебаний 300500 оборотов флуктуации в высокочастотном потенциале и квантовые флуктуации в энергии частиц была бы меньше энергии, излученной за период. Гарантией действенности такого излучения является единица с вольт на оборот. (Например, энергия электронов около 50 мэВ при радиусе орбиты приблизительно 2 см). После захвата пучка энергетический разброс.

его продолжает уменьшаться в соответствии с известным процессом накопления.

Таким образом в отличие от прототипа увеличение энергии накапливаемого пучка заряженных частиц происходит за счет увеличения радиуса пучка. При этом. энергия пучка пропорциональна величине радиуса, который заведомо больше радиуса пучка в прототипе и определяется конфигурацией постоянного магнит" ного поля, Пример реализации способа.

Переменное во времени ведущее магнитное поле может быть сформировано в синхротроне типа "Тролль" с помощью безжелеэного электромагнита путем разряда конденсаторной малоиндуктивной батареи типа ИК-50-3 и электромагнита постоянного маг1О нитного поля со сверхпроводящими обмотками (криогенный комплекс ДФИ), СВЧ-поле возбуждают, например, магнетроном типа МИ-ЗО.

15 Для инжекции частиц используют, например, электронную пушку с термокатодом и с накоплением медленных электронов.

Радиус 8у ускорения пучка состав20 ляет 16 мм °

Радиус R накопления пучка — 50мм, Энергия накопленного пучка—

50 мэВ (в прототипе энергия накопленного пучка при такой же реализующей аппаратуре — 17 МэВ) .

Таким образом,.данный способ позволяет увеличить предельную энергию накопленных частиц при той же реализующей аппаратуре, что и известный.