Способ ускорения заряженных частиц

СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ лазеpным излучением, заключающийся в генеpации импульсного потока лазеpного излучения, последующей его фокусиpовке в пpодольном и попеpечном напpавлениях и облучении им отpажательной дифpакционной pешетки, вдоль повеpхности котоpой пpопускают ускоpяемые частицы, отличающийся тем, что, с целью повышения темпа ускоpения, сфокусиpованный поток лазеpного излучения отклоняют с помощью светоpазвоpачивающего устpойства вдоль дифpакционной pешетки так, что угол наклона потока лазеpного излучения у повеpхности дифpакционной pешетки удовлетвоpяет выpажению
= arctg ,
- угол, под которым видна решетка из центра светоразворачивающего устройства, рад;
C - скорость света, м/с;
L - продольный размер решетки, м;
V - скорость частиц, м/с;
R - расстояние от светоразворачивающего устройства до решетки, М.

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к способу ускорения заряженных частиц лазерным излучением.
Цель изобретения - повышение темпа ускорения.
На фиг. 1 схематично изображено положение сгустков светового излучения и сгустка ускоряемых частиц в процессе ускорения на фиг. 2 - приведен вариант конструктивного выполнения одного модуля лазерного ускорителя, реализующего предлагаемый способ.
На фиг. 1 положение светового сгустка длительностью t в последовательные моменты времени обозначено цифрами 1, 2 и 3, светоразворачивающее устройство 4 расположено на расстоянии R от дифракционной решетки 5, а ускоряемый сгусток движется вдоль поверхности решетки 6 со скоростью V.
Светоразворачивающее устройство имеет управление для отклонения светового луча в продольном (по движению) направления. Перед подлетом передней части светового сгустка отклонение настраивается на начало решетки 6 левой части рисунка. К моменту прохождения концевой части сгустка отклоняющее устройство должно сообщать световому лучу такой угол, чтобы он попадал в конец длины L. Очевидно, что этот угол отклонения равен L/R углу, под которым решетка видна из светоразворачивающего устройства, а поскольку отклонение происходит за время t, то угловая скорость развертки составляет L/(Rt), В момент прихода луча в решетке он будет иметь угол по отношению к направлению распространения частиц, тангенс которого равен ct/L, как это видно на фиг. 1. Более точно форма светового сгустка представляет собой отрезок разворачивающейся спирали с центром в светоразворачивающем устройстве, в которой точки отделяют от центра с радиальной скоростью, равной скорости света, а отклонение разных точек спирали в направлении движения частиц определяется угловой скоростью развертки.
Продольный размер светового пучка на самой решетке в каждый момент времени определяется горизонтальным срезом сгустка на фиг. 1, обозначенным l_ф, а длительность освещения отдельной точки определяется срезом по направлению на светоразворачивающее устройство, обозначенным l_t. По порядку величины эти размеры совпадают.
В простейшем случае прямоугольной решетки глубина оказывается равной четверти длины волны излучения лазера, а период кратен длине волны. Данное условие на глубину является приближенным. Степень приближения определяется поправками на глубину, обусловленную искажением картины поля у выхода на поверхность, и оставляет несколько процентов. Метод расчета поправок совпадает с расчетом резонансных свойств замедляющей гребенки. Этим обеспечивается равенство фазовой скорости и скорости частиц.
Предлагаемый способ ускорения позволяет достичь большего темпа ускорения при той же мощности лазера. При групповой скорости, равной нулю, возможно осуществлять резонансное возбуждение поверхности решетки.
Известно, что прочность на разрушение поверхностей при освещении лазерным излучением существенно зависит от времени воздействия этого излучения. Так при времени воздействия порядка 10^-12с предельная напряженность поля у поверхности составляет 10⁸ В/см. При этом величина магнитного поля составляет 10⁸ (В/см) 377 (Ом) = 2,65 10⁵ А/см, а плотность мощности, равная их произведению, составляет 2 65 10¹³Вт/см².
Время, в течение которого отдельный участок поверхности подвергается воздействию излучения, составляет l_t/c (фиг. 1), Для продольного размера сгустка, например 0,1 мм, и длины участка ускорения 10 мм выигрыш составит два порядка.
Если на длине L_ф укладывается несколько длин волн N , то пространственная структура ускоряемого сгустка заряженных частиц имеет вид цуга с числом уплотнений N. Наиболее желательной является односгустковая форма ускоряемого пучка, для чего необходимо обеспечить его протяженность в продольном направлении порядка четверти длины волны. Для поддержания малого поперечного размера необходима жесткая фокусировка квадрупольными линзами. Линзы располагаются на некотором расстоянии друг от друга, которое определяется фазовым объемом ускоряемого пучка. Для увеличения фазового объема = 10^-10см рад и величины функции, равной 30 см, размер пучка ускоряемых частиц будет составлять ( )^1/2 = 5,5 10 см. Поведение функции между линзами описывается формулой (у) = _o(1 + (у/ _o)², где у - продольная координата, М, отсчитываемая от точки, где достигается минимальное значение функции. Для последовательности чередующихся фокусирующих и дефокусирующих линз (фото фокусировка) минимум по каждому из направлений располагается в линзах. Таким образом, для у = 1 = 3, см прирост - функции будет составляет (L/ _o²) = (3/30)ⁿ = 0,01, так что размер пучка практически не меняется. При столь малых размерах пучка межполюсной зазор в линзах также может быть сделан малым, что позволяет достигать большой величины градиента при небольшом значении поля Н на самом полюсе, так как градиент С = Н/а, где 2а межполюсное расстояние и при Н = 20 кГс, G = 4 10³ кгс/см для 2а = 10^-2 см. Для обеспечения величины [M] функции для частиц, имеющих импульс р [ГэВ/c] требуемое значение градиента составляет G= 0 3p/ ², что для частиц с импульсом 1000 ГэВ/с и при = 30 см составляет около 0,5 1000/(9 10^-2) = 3 10^-3(кГс/см). Разумеется, что выбор величины бетта-функции и величины градиента является предметом отдельного рассмотрения.
Рассмотрим реализацию способа на примере работы устройства, приведенного на фиг. 2, где показаны источник 7 когерентного излучения, луч 8 которого с поляризацией по направлению движения ускоряемых частиц через оптически прозрачное вакуумно-плотное окно 9 попадает внутрь вакуумированного корпуса 10, где размещена длиннофокусная линза 11, которая фокусирует луч лазера в продольном направлении, и светоразворачивающее устройство 4, в качестве которого может быть использован, например, электрооптический кристалл КН₂РО₄, после которого отклоненный луч 12 попадает на цилиндрическую линзу 13, фокусирующую луч в поперечном направлении на дифракционную решетку 5 в точку 14, где в данный момент находятся ускоряемые частицы 10, движущиеся вдоль траектории 15 и удерживаемые возле решетки полями фокусирующих линз 16. Для каскадного соединения модулей имеются переходные вакуумные камеры 17. Для подачи управляющего светоразворачивающего напряжения на металлизацию 18 кристалла 4 имеются герметизированные проходные изоляторы 19. При подаче напряжения на металлизацию изменяется эффективный показатель преломления в поперечном направлении, то и приводит к отклонению лазерного луча. Для предотвращения разрушения светоразворачивающего устройства от воздействия излучения поперечное сечение луча лазера выбирается таким, чтобы его плотность не превышала предельную для электрооптического материала.
Фокусное расстояние линзы 13 выбирается малым для осуществления сильной фокусировки луча в поперечном направлении для повышения напряженности поля. Ввиду того, что каждый участок линзы освещается в течение малого времени, то для успешного осуществления фокусировки, материал линзы должен обладать малой дисперсией для частот, начиная от частоты излучения лазера до в пять-десять раз большей. Вместо цилиндрической линзы можно использовать параболическое зеркало, для которого отсутствуют эффекты дисперсии и аберрации. В этом случае направляющая цилиндра располагается по направлению движения частиц, а решетка располагается в фокусе зеркала.
Отметим, что размещение линзы 11 и светоразворачивающего устройства 4 в вакуумном объеме не является принципиально, Допустимым является расположение линзы 11 и светоразворачивающего устройства 4 в обратной последовательности. В качестве источника излучения 7 допустимо использовать ответвленную часть излучения от единого для многих модулей лазера с помощью светоделительных устройств, типичных для лазерной техники. В этом случае упрощается система синхронизации фазы для отдельных ускорительных модулей.
Если расстояние от светоразворачивающего устройства 4 до решетки 6 равно R метрам, то угловая частота перемещения лазера составит V/R. Для оценки задавшись R = 10 метров, получаем W = 3 10 рад/с для V = C. Работа механических разворачивающих устройств с такой частотой затруднена.
Из-за того, что решетка предполагается плоской, а линии равной фазы при таком движении луча находятся на одинаковом радиусе с эффективным центром в светоразворачивающем устройстве, то возникает необходимость в фазовой коррекции, которую можно осуществить, например, изменяя толщину цилиндрической фокусирующей линзы 13, сохраняя неизменным ее фокусное расстояние. В случае осуществления фокусировки параболическим зеркалом возможно организовать такого рода коррекцию, придав зеркалу параболический профиль и в продольном направлении с фокусом в светоразворачивающем устройстве.
Синхронизм перемещения сгустка частиц и фокуса излучения должен обеспечиваться настолько, чтобы частица в среднем не выходила за пределы перемещающегося освещенного участка, хотя отклонение частиц от центра освещенного участка приводит к уменьшению эффективного темпа ускорения. Необходимой является синхронизация момента влета частиц в ускоряющий модуль с обеспечением правильной ускоряющей фазы. При этом начало развертки луча, т. е. момент подачи разворачивающего напряжения также должен быть синхронизирован с моментом влета частиц в ускоряющий модуль.
Таким образом, с использованием дополнительной фокусирующей в продольном направлении линзы 11 и светоразворачивающего устройства 4 возможно сконцентрировать все излучение лазера в небольшой области на поверхности решетки и перемешать фокус по поверхности решетки синхронно с движением частиц.
При этом на создание ускоряющего поля идет вся мощность лазера, также как и при использовании структуры на стоячей волне в ускорительной технике.
Устройство по фиг. 2, реализующее предлагаемый способ ускорения, работает следующим образом.
Лазерный луч 8 источника когерентного излучения 7 направляется через вакуумно-плотное, прозрачное для излучения лазера окно 9 в вакуумированный корпус 10, В корпусе размещена линза 11, фокусирующая лазерный луч на поверхности решетки 5 в продольном направлении. Для сильной фокусировки в поперечном направлении имеется цилиндрическая линза 7. На металлизированные участки отклоняющего устройства 4 через вакуумно-плотные проходные изоляторы 19 подается напряжение такой величины и полярности, которое отводит фокус луча к началу ускоряющего модуля (в левый край на фиг. 1 и 2). С момента времени, синхрованного с фазой с фазой волны в фокусе и с моментом влета непротяженного в продольном направлении сгустка частиц, на отклоняющее устройство подается нарастающее напряжение, изменяющее направление распространения луча лазера, так чтобы его фокус 14 перемещался со скоростью, равной в среднем фазовой скорости волны. При ускорении электронов или позитронов скорость волны выбирают равной скорости света. То, что групповая скорость равна нулю не имеет значения, так как перемещающийся луч и производит возбуждение волны.
Мгновенный вид представляет собой луч, наклоненный к поверхности решетки 6 под углом по отношению к направлению его распространения, вследствие равенства скорости распространения излучения и скорости перемещения фокуса. Поляризация ускоряющего поля в нем в каждой точке перпендикулярна направлению на центр светоразворачивающего устройства 4. При этом фронт излучения падает на поверхность практически нормально, при расположении плоскости поверхности решетки перпендикулярно направлению на светоразворачивающее устройство. Это условие выполняется для центральной зоны. Для коррекции фазового рассогласия из-за разного времени распространения волнового фронта до различных участков решетки 5, цилиндрическую линзу 13 выполняет разной толщины при неизменном фокусном расстоянии.
Время воздействия излучения на отдельные участки решетки определяется продольным размером пятна в фокусе l_ф. Так, например, для l_ф = 5 , = 10,6 мкм, l_ф/с = 1 77 10^-13 с, что допускает достижение напряженностей поля у поверхности решетки 10⁸ В/см, без разрушения ее поверхности и возможностью многократной работы в таких условиях.
После прохождения ускоряющего модуля имеется возможность направить сгусток во второй модуль через переходные вакуумные камеры 17 у поверхности решетки сгусток удерживается полями квадрупольных линз, размещаемых между модулями.
Для предлагаемого способа характерно то, что практически вся мощность источника 7 идет на создание ускоряющего поля в месте нахождения частиц, а время освещения отдельного участка поверхности мало.
Интенсивность пучка ускоряемых частиц определяется из того, что доля энергии, уносимая пучком из области, занятой электромагнитным полем, мала по сравнению с величиной полной запасенной энергии поля в этой области.
Действительно, если предположить, что полная величина энергии вспышки лазера есть Q, длительность вспышки t, так что число периодов есть N = = , где - длина волны излучения лазера, а Т - период излучения, тогда энергия, заключенная в поле одного полупериода, есть W = = с другой стороны W = _oE_m²V_эфф, где _o - диэлектрическая проницаемость вакуума, V_эфф - эффективный объем, в котором сосредоточено поле полупериода. Для оценки величины V_эфф полагаем V_эфф = ² _y, где _yпродольный размер выемки, а в поперечном направлении считаем, что луч сфокусирован до размера . Тогда, приравнивая выражения для W, получаем для Е_m амплитудного значения поля выражения
E_m = , Для оценок числа частиц N приравниваем уносимую ими энергию, равную еNE _yI( _y), где е - заряд электрона, I( _y) функция порядка единицы, аналог пролетного фактора, поле р энергии, запасенной в поле полупериода рW pW= pQ /(2ct)= eNS( _у) . Откуда число частиц N = p( _o ³Q)/(2ct _y))^1/2/(eI( _y)). Для оценок Q = 1 Дж, t = 0,1 нс, = 10 мкм, ( _y) = 1, р = 0,1 (10% ), _y = 3 = 30 мкм. Из вышеприведенной формулы получим N = 5 10⁶. Это число является верхней оценкой для N для заданной доли р съема энергии. При этом величина напряженности поля близка к предельной. Напомним, что поперечный размер пучка частиц составляет 5,5 10^-5 в регулярной части тракта ускорения. Для организации предельной яркости пучка, например, для осуществления столкновения со встречным сгустком, возможно организовать -функцию порядка длины сгустка 10 мкм. При энергии частиц порядка 1 Тев возможно получить адиабатическое затухание фазового объема до 10^-11 см рад, что позволит иметь поперечный размер (10 10^-4 10^-11)^1/2 = 10^-7 см. Для оценки величины светимости L установки пишем L = , где N - число частиц в каждом сталкивающем сгустке, f - частота столкновений; S - эффективная поперечная площадь сталкивающихся сгустков. Подставляя в это выражение значения, находим, что можно ожидать L = 10³¹ 1/см² для частоты столкновений f = 100 Гц. Отметим, что суммарная длина ускорительных модулей для ускорения от 100 ГэВ до 1 ТэВ составит немногим более 100 м. (56) R. B. Palmer, A losser-driven grating linac Puriticle acceletanor, vol. 11, p. 81. 1980.
Авторское свидетельство СССР N 628566, кл. Н 05 Н 15/00, 1987.
Целью изобретения является повышение темпа ускорения. Сущность изобретения заключается в том, что сфокусированный поток лазерного излучения отклоняют с помощью светоразворачивающего устройства вдоль дифракционной решетки так, что угол наклона потока лазерного излучения у поверхности дифракционной решетки удовлетворяет выражению ; где - угол, под которым видна решетка из центра светоразворачивающего устройства, рад; C - скорость света, м/с; L - продольный размер решетки, м; V - скорость частиц, м/с; R - расстояние от светоразворачивающего устройства до решетки, м. Этим достигается то, что вся мощность лазерного излучения идет на создание ускоряющего поля в месте нахождения частиц, а время освещения отдельного участка поверхности мало. 2 ил.