Способ фокусировки и ускорения заряженных частиц

 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке линейных ускорителей с высоким темпом ускорения и большой интенсивностью ускоренного пучка. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения фокусировки и ускорения при более низкой энергии инжекции заряженных частиц-достигается тем, что в качестве поля ондулятора используют периодическое электростатическое поле, поперечная плоскость симметрии или антисимметрии которого ориентирована вдоль направления движения пучка заряженных частиц и совпадает с плоскостью симметрии или антисимметрии электромагнитного поля. Немодулированный пучок инжектируют в этой же плоскости.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5D 4 Н 05 Н 9 00 ;- ИГ Hh8 . .: ЯИФИ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ пучка.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4300166/24-21 (22) 10.07.87 (46) 15.09.89. Бюл. 1."- 34 (71) Московский инженерно-физический институт (72) Э.С.Масунов (53) 62 1.384.6(088.8} (56) Явор С.Я. Фокусировка заряженных частиц квадрупольными линзами.

М,: Атомиздат, 1968.

Миллер М.А. Движение заряженной частицы в высокочастотных электромагнитных полях. — Известия Вузов, Радиофизика, т. 1, 1958, вып. 1, с. 110-123.

Капчинский И.t4. Теория линейных .резонансных ускорителей. M.: Энергоиздат, 1982, с. 130-143.

Авторское свидетельство СССР

Р 1358115, кл. Н 05 Н 9/00, 1986.

Изобретение относится к ускори1 тельной технике и может быть исполь.зовано при разработке линейных ускорителей с высоким темпом ускорения и большой интенсивностью ускоренного

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения фокусировки и ускорения при более низкой энергии инжекции заряженнык частиц.

Способ заключается в воздействии на пучок переменным во времени электромагнитным полем и периодическим в пространстве полем электростатического ондулятора. При этом периодическое

„„SU„„1508354 А 1

2 . (54) СПОСОБ ФОКУСИРОВКИ И УСКОРЕНИЯ

ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ (57) Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке линейных ускорителей с высоким темпом ускорения и большой интенсивностью ускоренного пучка. Цель изобретения — расширение функциональных возможностей за счет обеспечения фокусировки и ускорения при более низкой энергии инжекции заряженных частиц — достигается тем, что в качестве поля ондулятора ис-пользуют периодическое электростатическое поле, поперечная плоскость симметрии или антисимметрии которого ориентирована вдоль направления движения пучка заряженных частиц и совпадает с плоскостью симметрии или антисимметрии электромагйитного поля.

Немодулированный пучок инжектируют в этой же плоскости.

° ивЬ электростатическое поле, создаваемое фГ электростатическим ондулятором, имеет ( поперечную плоскость симметрии или (ф антисимметрии, которая ориентирована вдоль направления движения пучка эа- в ряженных частиц и совпадает с плоскостью симметрии или антисимметрии электрической компоненты электромагнитного поля. Немодулированный пучок инжектируют в этой же плоскости, а в р месте инжекции выполняются условия

Е 3E2 Е d E2

Ь (1- - "-) — Э =-(1- - -) — Л (1)

8(Е0 Еь, ) 0 f (Е0,l Еь, ) о

-Ъ вЂ” —— е+ %PE> (3) 3 i5083 амплитуды продольной и поперечной компонент злекгрического поля электромагнитной волны амплитуды продольной и поперечной компонент периодического электростатического поля; поперечный единичный вектор, лежащий в плоскости инжекции; длина волны электромагнитного поля в свободном пространстве; пространственный период электростатичес- 20

КОГО ПОЛЯу приведенная фазовая скорость электромагнитной волны; — приведенная скорость 25 синхронной частицы, где ЕЬ,И Еь,,— (Ъ=ЧЪ?с

Чз /с

Согласно предлагаемому способу можно осуществить фокусировку и уско- 3 рение пучка вне оси ускоряющей и фокусирующей системы, что позволяет приблизить пучок к источнику электростатического поля и тем самым увеличить эффективную амплитуду ускоряющего поля; расширить апертуру ускоряющего канала без уменьшения величины напряженности электростатического поля; при условии, что электромагнитное ,поле имеет много плоскостей симметрии или антисимметрии, специальным выбо.— ром электростатического поля ондулятора можно фокусировать и ускорять вне оси несколько пучков одновременно.

Для пояснения сущности изобретения рассмотрим декартовую систему координат с продольной осью 2. Согласно предлагаемому способу в системе ускорения и фокусировки возбуждают элект- 5О ромагнитное и электростатические поля с общей по электрическому полю поперечной плоскостью симметрии или антисимметрии (для определенности пусть это плотность YZ) . Фазовая фокусировка и ус-Б5 корение пучка имеют место в результате совместного воздействия на частицы пучка электромагнитного и электростатических полей, При этом электроста-.

54 4 тическое поле ондулятора приводит к появлению осцилляций у частиц пучка. В результате взаимодействия осцилляторов с электромагнитным полем волны энергия частиц пучка в среднем увеличивается, если с(?с о Ь вЂ” -=е<Ч Е»0 (4) где Š— вектор электрического поля

Ъ электромагнитной волны;

Ч вЂ” скорость быстрых осцилляций; (0 — означает усреднение за время пролета одного периода ондулятора.

Пусть длина волны электромагнитно-! ro поля в свободном пространстве ?г, а длина периода электростатического поля, . Если фазовая скорость электромагнитной волны (эЪ=ЧЪ(отлична от продольной скорости пучка Р =Ч,г, то неравенство (4) может быть выполнено, когда Р в среднем близка к Р =Ч ? „ где (5)

В простейыем случае, когда на пучок в ондуляторе воздействуют поперечным электромагнитным полем волны, прирост энергии частиц на длине Я, равен е 10, ЬИ=- ††-Е Е cosg

47mc P» kL 0,1

Z где р =47(- — г.);

Ч (б) И вЂ” частота ВЧ-поля.

Более детальное рассмотрение процесса фокусировки и ускорения удобно провести в случае, когда безразмерные

- eEb амплитуды волны а =- — - и поля онду- .

2Гшс

- еЕо г лятора а =- — много меньше единицы. о 2 тсг

Будем предполагать, что пучок не находится в синхронизме с электромагнитной волной. В этом случае на медленное изменение траектории частицы в плоскости инжекции YZ накладываются

-Ь . быстрые осцилляции с амплитудой -„- (а(2а, в этой же плоскости, когда она является плоскостью симметрии по электрическому полю, или перпендикулярные плоскости инжекции, когда она является плоскостью антисимметрии.

Быстрые осцилляции приводят к появлению эффективной потенциальной ямы

U= †„-(а +а +2а„ а сов<гг+2а х (e Ъbд од с ь,| а, аале), O) () Способ фокусировки и ускорения

25 заряженных частиц, включающий воздей(10) ствие ка пучок переменным во времени электромагнитным. полем и периодичес(1) ким в пространстве полем ондулятора при транспортировке частиц как по с30 оси, так и вне оси ускоряющей и фокуссирующей системы, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью расши(«) рения функциональных возможностей за счет обеспечения фокусировки и уското, рения при более низкой энергии инжек-

35 вы- ции заряженных частиц, в качестве поля ондулятора используют периодическое электростатическое поле, поперече ная плоскость симметрии или антисимм

О метрии которого ориентирована вдоль ку направления движения пучка заряженусных частиц и совпадает с плоскостью симметрии или антисимметрии электроании магнитного поля, при этом пучок икжекегу5 тируют в этой же плоскости, а в месте инжекции выполняются условия

r аеЕ2 Я Е2 Е2 ЯЕ2

М ) ш (1 J ) и аС = Е а8 е а, а о,1 о,z

М = . — -"-— - A + (ЪЬ

5 где Е и Eb - амплитуды продольной

Ь,2, и и поперечной компоВ/см, нент электрического ри- 55 поля электромагнитной ины волны, B/ì; о Ео и E - амплитуды продольной I

Уу и поперечной компонент периодического

5 15 где =1+W/m2 — приведенная средняя энергия частиц пучка °

Если бы частицы находились только в поле электромагнитной волны (а +О;

-ь Ь а. 0) или же только в периодическом электростатическом поле (a =0 а ФО)

b о вне оси, они фокусировались бы в одном поперечном направлении и дефокусировались в перпендикулярном направлении. Специальный выбор плоскости инжекции позволяет получить равновесную траекторию вне оси системы (х=0, у=у ), если выполнено условие

Эу л- — -=0. (8) 71о.go

Второе условие равновесия пучка

3U/>x) =0 выполняется автоматичесоэо ки при указанной симметрии полей.

Равенство (8) будет выполнено для любых фаз, если амплитуды высокочастотного и электрических полей связа ны условием а2 ga2оi. a2ü ja о.1. (1 ь 2. ) з,2.

Э вЂ” (а а =0 — (а а )=О ду b,z ал Яу b,i o,l или, переходя к Е и Е,, получим и (2).

Равновесная траектория будет у тойчива для всех инжектируемых ча тиц, если

32U а2П вЂ” — —;- о; — — — — о. дх2 I o,у, у2 I0,ó

Продольное ускорение имеет мес

dU когда †(О. За счет специального

Эк бора зависимости а (z), ab(z) иЯ можно обеспечить близкий к единиц коэффициент захвата частиц в режи ускорения и эффективную группиров ,пучка.

Все изложенное о фокусировке и корекии справедливо при использов волководных систем как в режиме б щей, так и стоячей волны.

В качестве примера, который по ляет оценить эффективность предла мого способа, рассмотрим ускорени протонов с низкой энергией иижекц в поле TEM волны и в периодическо электростатическом поле.

При "A =3 м и Ъ, =0,03 и имеем V

10 с, что соответствует экерги инжекции W 50 кэВ. Если E =100 к то согласно (1) Е =100 кВ/см, .х и рост энергии частиц на единицу дл И/Ая = 2,5 МэВ/м. 3TQ B нескольк раз превышает аналогичную величин полученную в ускорителях с ПОКФ.

08354 6

Использование прецлагаемого способа позволяет при низких энергиях инжекции и при сравнительно небольшой амплитуде поля окдулятора получить эффективное ускорение и фокусировку частиц. Так как плоскость симметрии или антисимметрии электромагнитного

Э и электростатического полей совпадают, можно, например, с помощью одних к тех же электродов (в квазистатическом случае) возбуждать переменное по времени электромагнитное коле и периодическое в простракстве электростатическое поле. При этом, электростатическое поле не только обеспечивает фокусировку пучка, ко и позволяет ускорить частицы в электромагнитной волне, скорость которой отличается

20 от скорости частиц.

Формула и з обретения

1508354

P < V>1 . — приведенная фазовая скорость электромагнитной волны;

Я - пространственный период электростатического поля, м; — длина волны электромагнитного поля в свободном пространстве, м. электростатического поля, В/м; поперечный единичный вектор, лежащий в плоскости инжекции;

1—

=V — приведенная скорость

5 sic синхронной частицы;

Составитель В.Стрижов

Редактор E.Копча Техред А, Кравчук Корректор Л.Бескид

Заказ 5551/5.7 Тираж 775 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.ужгород, ул. Гагарина,101