Способ фокусировки и ускорения пучка заряженных частиц

Способ фокусировки и ускорения пучка заряженных частиц

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение может быть использовано при разработке линейных ускорителей с высоким темпом ускорения и большой интенсивностью ускоренного пучка (П). Цель изобретения - повышение эффективности фокусировки и ускорения путем транспортировки.П вне оси ускоряющей и фокусирующей систем . и расширение апертуры области фокусировки и ускорения. В системе ускорения и фокусировки П возбуждаются электромагнитное и магнитостатическое поля с общей плоскостью симметрии или антисимметрии, ориентированной вдоль направления движения П. Причем П инжектируют в этой же плоскости . При этом имеет место совместное воздействие на П поперечных компонент электромагнитного и магнитостатических полей. При этом поперечное электрическое поле волны увеличивает энергию пучка, а поперечное магнитное поле переводит эту энергию в продольное движение. плоскости инжекхщи позволяет получить равновесную траекторию вне оси систем. В описании приведены два условия для поперечных компонент магнитных полей. 2 ил. I (Л оо ел 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (д11 4 Н 05 Н 9/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4076698/24-21 (22) 18.06.86 (46) 07.12.87. Бкат. 1"- 45 (71) Московский инженерно-физический институт (72) 3. С. Масунов (53) 621.384.6(088 ° 8) (56) Миллер М, А. Движение заряженной частицы в высокочастотных электромагнитных полях. Изв, высш. учеб. заве» дений. Радиофизика, 1958, т. 1, вып. 1, с, 110-123.

Palmer H..Â., Interaction of ге1аtivistic particles and free electromagnetic Waves in the presence of a

static helical magnet. J. Appl. Phys.

1972, v. 43, М 7, р. 3014-3023, (54) СПОСОБ ФОКУСИРОВКИ И УСКОРЕНИИ

ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ (57) Изобретение может быть использовано при разработке линейных ускорителей с высоким темпом ускорения и большой интенсивностью ускоренного пучка (П). Цель изобретения - повыше„„SU„„1358115 А 1 ние эффективности фокусировки и уско» рения путем транспортировки.П вне оси ускоряющей и фокусирующей систем . и расширение апертуры области фокусно ровки и ускорения. В системе ускорения и фокусировки П возбуждаются электромагнитное и магнитостатическое поля с общей плоскостью симметрии или антисимметрии, ориентированной вдоль направления движения П.

Причем П инжектируют в этой же плоскости. При этом имеет место совмест-. ное воздействие на П поперечных компонент электромагнитного и магнитостатических полей. При этом попереч-. ное электрическое поле волны увеличи- с

<О вает энергию пучка, а поперечное магнитное поле переводит эту энергию в продольное движение. Выбор плоскости инжекции позволяет получить рав- ( новесную траекторию вне оси систем.

В описании приведены два условия для поперечных компонент магнитных полей.

2 ил.

С 0

1358115

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке линейных ускорителей с высоким темпом ускорения и большой интенсивностью ускоренного пучка.

Целью изобретения является повышение эффективности фокусировки и ускорения путем транспортировки пучка вне оси ускоряющей и фокусирующей систем и расширение апертуры области фокусировки и ускорения.

На фиг. 1 показано расположение l векторов поля В, В и Е в попе- 15 речной плоскости ХУ, когда плоскость инжекции YZ является плоскостью симметрии магнитного паля волны; на фиг. 2 - вариант, когда плоскость инжекции YZ является плоскостью анти- 20 симметрии магнитного поля волны.

Ускорение осуществляется вдоль оси

Z  — вектор поперечной компоненВ 0

° ты магнитостатического поля В и . L

В - вектора поперечных компонент магнитного и электрического полей электромагнитной волны.

Согласно данному способу в систе-. ме ускорения и фокусировки пучка возбуждается электромагнитное и магнито- ЗО статическое поля с общей по магнитному полю плоскостью симметрии или антисимметрии.

Фазовая фокусировка и ускорение пучка после его инжекции в плоскости

YZ имеют место в результате совместного воздействия на частицы пучка поперечных компоненты электромагнитного и магнитостатических полей. При этом поперечное электрическое поле 40

1 волны Е увеличивает энергию пучка, а поперечное магнитное поле ондулятора переводит эту энергию в продольное движение. Причем в среднем ускорение возможно, если скорости частиц 45

+ о пучка V близки к V = V

О 0

-Ю иЬ = — е — -полейЕ, В и В

mc 27 В Е В много меньше единицы, В этом случае на медленное изменение траектории частицы в плоскости инжекции накладываются быстрые осцилляции с амплитудой- — В (в этой же плоскости, 9 e (i)

2В когда она является плоскостью антисимметрии, или - перпендикулярные плоскости инжекции, когда она являет" ся плоскостью симметрии магнитного поля.

Быстрые осцилляции приводят к появлению эффективной потенциальной ямы. Причем, если частицы пучка находятся только в поле электромагнитной волны вдали от оси, они фокусируются вдоль одной поперечной координаты (например, в плоскости антисим-Ю.

Ф метрии поля В, если, (В, p

Ь Э и дефокусируются в перпендикулярном направлении. Аналогичная картина имеет место при движении пучка вне оси периодического магнитостатического поля .

Специальный выбор плоскости инжекции, который указан (в нашем случае это плоскость YZ) позволяет получить равновесную траекторию вне оси системы, если выполнено одновременно два условия для поперечных компонент маги е е нитных полей b = Ь х + Ь Y

Х о о

Равновесная траектория будет остае. ваться устойчивой для частиц, инжектируемых при любой начальной фазе поля волны, когда ду д у J дх дх ) . Прирост энергии на длине %0 равен

,шс д7) Ь

Ъц и hs i«(o) < Z

1b i cos

Ъь 75 у где ю - частота ВЧ-поля.

Рассмотрение процесса поперечной фокусировки и ускорения удобно провести в том случае, когда безразмерные

J ъ 1

-(1) eE % (и еВ, в амплитуды а = „ В е; Ь

2 Вmc (о1 (Д Ь.„ ау

55 (дЬ

1,дх д2. (В!

+ —" >О и г у

: если плоскость инжекции YZ является плоскостью симметрии магнитного поля или

1358115 если плоскость инжекции YZ является плоскостью антисимметрии магнитного поля.

Неравенства.(2) и (3) несложно получить из уравнений поперечного движения, найденных в гладком приближении и с учетом симметрии полей °

За счет специального выбора зависимостей Ъ (Z)i и V (Z) от Z можно обеспечить близкий к единице коэффи- 10 циент захвата частиц в режим ускорения, как это имеет место, например, в линейных резонансных ускорителях.

Все сказанное о фокусировке и ускорении пучка справедливо при исполь-!э зовании волноводных систем как в режиме бегущей, так и стоячей волн, Рассмотрим отдельно ускорение легких и тяжелых частиц (электронов и протонов) в СВЧ и ВЧ полях. 20

Для ускорения электронов использу. ют специальные замедляющие системы такие, как круглый диафрагмированный волновод (КДВ). В КДВ фазовая скорость ускоряющей Е«волны 7 0,4 с 2, и для эффективной группировки и ускорения необходимо иметь сравнительно высокую энергию инжекции М 80

100 кэВ. Предлагаемым способом можно в гладком волноводе сгруппировать и ускорить вне оси одновременно несколько пучков с низкой энергией инжекции Же — 1О кэВ, используя, напри мер,На, волну с V5 о с и периодическое поле соленоида. Скорость синхрон- 35 ной частицы будет V 0,21 с при

10 см, %„ = 2 см. Если Е

= 65 кВ/см, то согласно (1) величина

L о

В 0,08 Т, а прирост энергии на единицу длины равен ъЯ5 = 2,16 МэВ/м. 40

Для группировки и ускорения протонов можно использовать TEM волну.

При %s = 3 м, 9o = 0,045 м имеем V

1,5 0 с, что соответствует энергии инжекции !1 = 100 кэВ. Если 4>

Е5 = 90 кэВ/см, величина Б = 2 Т, а о максимальный прирост энергии

1,45 МэВ/м. Это более чем в два раза превышает аналогичную величину, полученную в ускорителях с пространственно однородной квадрупольной фокусировкой.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обеспечить поперечную фокусировку и ускорение пучка за- ряженных частиц вне оси ускоряющей и фокусирующей системы. Эффективность ускорения как легких, так и тяжелых частиц в определенном диапазоне энергий и длин волн выше, чем в известных ускорителях. Предлагаемьп способ позволяет ускорять одновременно несколько пучков, т.е. увеличить выходной ток, Формула изобретения о, - о

6 $ + Q ) 5 В

У где В5 амплитуда поперечной компоненты магнитного поля электромагнитной волны, (Тл); амплитуда поперечной компоненты магнитостатического поля, Тл; — поперечный единичный век.тор, лежащий в плоскости инжекции; — длина волны электромагнитного поля м

- пространственный период магнитостатического поля, м; фазовая скорость электромагнитной волны, м/с; скорость синхронной частицы, м/с.

V5

Способ фокусировки и ускорения пучка заряженных частиц, включающий воздействие на пучок периодическим в пространстве магнитост атическим полем и переменным во времени электромагнитным полем, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью повышения эффективности фокусировки и ускорения путем транспортировки пучка вне оси ускоряющей и фокусирующей систем и расширения апертуры области фокусировки и ускорения, электромагнитное и магнитостатическое поле возбуждают с общей по магнитному полю плоскостью симметрии или антисимметрии, ориентированной вдоль направления движения пучка заряженных частиц, при этом пучок инжектируют в этой же плоскости, а в месте инжекции выполняются условия

1358115

Составитель В, Краснопольский

Редактор В. Буренкова Техред H.Bepec Корректор И. Муска

Заказ 6010/58

Тираж 799 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4