Способ фокусировки и ускорения заряженных частиц

 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в линейных ускорителях с высоким темпом ускорения и большой интенсивностью пучка. Целью изобретения является повышение эффективности фазовой и поперечной фокусировки при одновременном увеличении интенсивности ускоренного пучка, что достигается одновременным инжектированием в одну и ту же область разноименно заряженных пучков с определенными параметрами. При этом в способе не существует ограничений на интенсивность, связанных с полем пространственного заряда. Предельная интенсивность пучка будет определяться коллективными эффектами нагрузки током, которые необходимо принимать в расчет, когда мощность ускоренного пучка будет сравнима с мощностью ВЧ-генератора.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (g1)g Н 05 Н 9/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

llO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (61) 1358115 (21) 4228444/24-21 (22) 13.04.87 (46) 15. 10.90. Бюл. ¹ 38 (71) Московский инженерно-физический институт (72) 3.С. Масунов (53) 621.384.6(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹1358115, кл. Н 05 H 9/00, 1986 . (54) - СПОСОБ ФОКУСИРОВКИ И УСКОРЕНИЯ

ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ (57) Изобретение относится к ускори.тельной технике и может быть использовано в линейных ускорителях с высоким темпом ускорения и большой интенИзобретение относигся к ускорительной технике и может быгь использовано при разработке линейных ускорителей с высоким темпом ускорения и большой интенсивностью пучка.

Целью изобретения является повышение эффективности фазовой и поперечной фокусировки при одновременном увеличении интенсивности ускоренного пучка.

Поставленная цель достигаегся благодаря тому, что известный способ ускорения и фокусировки заряженных частиц имеет одну важную особенность— изменение скоросги часгицы в среднем за время пролега одного периода магнитостатического поля ф пропорциональо но (е /M)2, где Z — зарядность частицы;.М вЂ” релятивистская масса частицы. Поэтому, если инжекгировать одновременно в одну и гу же область

„„SU„„1600007 А2

2 сивностью пучка. Целью изобретения является повышение эффективности фазовой и поперечной фокусировки при одновременном увеличении интенсивности ускоренного пучка, что достигается

*одновременным инжектированием в одну и ту же область разноименно заряженных пучков с определенными параметрами. 11ри этом в способе не существует ограничений на интенсивность, связанных с полем пространственного заряда. Предельная интенсивность пучка будет определяться коллективными эффектами нагрузки током, которые необходимо принимать в расчет, когда мощность ускоренного пучка будет сравнима с мощностью ВЧ-генератора. ускоряющего канала разноименно заряженные пучки, состоящие из частиц с ф одинаковыми начальными скоростями, и с одинаковым отношением Е/М, то характер усредненного на периоде А о движения для положительных и отрицательных зарядов будет одним и тем же.

Группировка непрерывных пучков для разноименных зарядов при любом зако- 4и не изменения амплитуд магнитостати- 4Р ческогои .электромагнитного полей бу- ) дет проходить одинаковым образом, если пучки с одинаковыми начальными эмиттансами инжектируются в одну и ту же область ускоряющего канала. Сгусгки из положигельных и отрицательных зарядов зарядов сливаются в один, ко- Ч горый может оказаться квазинейтральным, если величина тока пучка с положительным зарядом (Х ) примерно равна величине гока (I-) пучка с отрицательным зарядом.

1600007

Сила кулоновского расталкивания определяется разностью между зарядовой плотностью положительных и отрицательных частиц и всегда будет мень1

5 ше, чем для каждого из пучков в отдельности. При равенстве (I+)=(I-) ускоряемый сгусток будет в целом нейтральным и силы кулоновского расталки,вания без учета мультипольных коллек- 1О тивных эффектов можно вообще не принимать в расчет. Это является одним из важных преимуществ предлагаемого способа ускорения и фокусировки по сравнению с ускорением в ВЧ-поле вол- 1

5 ны. Так, в структуре с пространственно однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ) или в структуре типа

Альвареца t разноименно заряженные пучки группируются около разных синxpoHHbIx фаз (Q 5 (1 6 ь ) и поэтом р сгустки с положйтельньм и отрицательным зарядом разнесены в пространстве.

Компенсация пространственного заряда в этом случае отсутствует, и величина 25 силы кулоновского расталкивания будет такой же, как и для одного пучка.

По предлагаемому способу из режима ,ускорения и фокусировки могут выходить голько нейтральные частицы, ко30 .торые образуются при условии появления связанного состояния между частицами (ионами) разного знака. Однако такие события маловероятны из-за больной относительной скорости частиц.

Действительно, для каждой частицы сгу-З5 сгка граектория представляет собой наложение медленно меняющейся функции и быстрых осцилляций в,периодическом магнитостатическом и в ВЧ-полях. Для разноименно заряженных частиц при 40 одинаковых начальных условиях медленно меняющиеся траектории совпадают, а скорости быстрых осцнлляций противоположны по знаку и поэтому всегда относительно велики.

В качестве примера реализации предлагаемого способа фокусировки и ускорения заряженных частиц рассмотрим простейший случай ускорения ионов водорода в поле TEM-волны, создаваемом двухпроводной линией, и в периодическом В пространстве магнитостатическом поле, которое можно получить с помощью плоского магнитного ондулятора. Если плоскость, в которой расположена двух.55 проводная линия, является плоскостью антисимметрии по магнитному полю Во

Ъо ондулятора, при условии, чго ° В 6

= Е /С на оси системы где Š— ампЬ

1 в литуда поперечной компоненты TEM-волны, заряженные частицы будут фокусироваться и ускорягься, если начальная A0 скорость инжекции V< = С, где о 6

9 < — длина TEM-волны, С вЂ” скорость о 3В света. Второе условие — - -1 ЗГ< 6 — — на оси выполняется авгоматиС Э<, чески, Прись=.З м; Q, = 0,045 м име- ем V, = 1,5 10 2 с, что соответствует энергии инжекции M 100 кэВ. Если

Е = 90 кэВ/см, величина Во = 2 Т, а максимальный темп ускорения 1,45 мэВ/м.

11редельный по кулоновскому полю ток пучка I „ о 200-300 МА. Если инжектировать вдоль оси отдельно пучок ионов Н или Н с током, например, I = 1 А, то из-за кулоновской дефокусировки большая часть часгиц в процессе ускорения будет потеряна. Если же к месту инжекции подвести и инжекгировать одновременно два пучка Н+ и Н" с одинаковыми или близкими на+ чальными параметрами и с (I ) (I ), то в ускоряющем канале будут формировагься и ускоряться квазинейтральные сгустки. Кулоновская дефокусировка будет практически сведена к нулю.

Эту же задачу можно еще более упростить, если вместо двух одинаковых ионных источников Н и Н взять один

+ источник Н с (I ) "- 2. А, а на входе в ускоряющий канал установить обдирочную мишень с эффективностью пере-, зарядки Н в Н SOX. Тогда также, как и раньше, будут ускоряться без потерь квазинейтральные сгустки. Если на выходе ускорителя необходимо иметь только частицы одного знака (например, ионы Н ), то это легко сделать, Ф установив в конце ускорителя перезарядную мишень, с помощью которой оставшуюся часть ионов Н можно перевести в Н .

Таким образом, по предлагаемому способу ускорения и фокусировки практически не существует ограничений на интенсивность, связанных с полем пространственного заряда. Предельная ин" тенсивность пучка определяется коллективными эффектами нагрузки током,которые необходимо принимать в расчет, когда мощность ускоренного пучка сравнима с мощностью ВЧ-генератора.

1 600007

Составитель В. Зайков

Редактор Т. Парфенова Техред М.Дидык Корректор С. Шекмар

Заказ 3151 .Тираж 661 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Формула изобре тени

Способ фокусировки и ускорения заряженных частиц по авт. св.Ф 1358115 о r л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения эффективности поперечной и фазовой фокусировки при увеличении числа ускоренцых частиц, инжектируют одновременно в одну и ту, же область разноименно заряженные пучки, состоящие из частиц с одинаковыми начальными скоростями и с одинаковым отношением Z/Ì, где Z — величина зарядности частиц, И вЂ” релятивистская масса частиц, кг.