Устройство для формирования пучков заряженных частиц

НИЕ ЕН ИЯ РЕТ ВИ ЕТЕЛЬСТВ ное к авт. свид-ву12.75 (21) 2303243/25(71) Заявитель В. К. Баев, Е. В, Громов и А. Д. Коляскин осковский ордена Трудового Красного Знамени инженерно физический институт54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В 5 Устройство ряженных ча 1, фокусирую кн ускоряющ теля, в котор формированидля формиро стиц содерж щии 2 и согла ей системы, ую поступаю ольшие 25 гр гппиВо Втониваниеспецицентра На перфазируюш ровке час ром учас энергии ч ального в ваши пучков зат группирующий с.юшпй 3 .сччстсекцию 4 ускорит частицы после еиствуют бривотит кдрейфа, адит выравмое за счетния между ом участке дие силы, чтоиц на участкетке происхостиц, достигаебора расстоя Изобретение относится к ускорительнои технике и может быть использовано при проектировании линейных ускорителей заряженных частиц.Известно, что для повышения эффективности линейных ускорителей используют предварительное формирование пучков. При этом в качестве формирующих устройств применяют группирователи, выполненные автономно или в виде начальной части ускоряющей секции 1, 2.Недостатком этих устройств является то, что они обеспечивают только группировку частиц по фазам, а для фокусировки требуется применение внешних фокусирующих устройств.Наиболее близким к изобретению является устройство для формирования пучков заряженных частиц, выполненное в виде секции резонаторного или волноводного типа, замедляющая система которой содержит два последовательно расположенных участка - группирующий и согласуюми зазоров. Геометрию участков выбирают из условия согласования.Недостатком этого устройства является то, что оно не обеспечивает устойчивого поперечного движения частиц, поэтому согласование поперечного эмиттанса пучка с аксептансом ускорителя возможно только за счет внешних фокусирующих устройств.1-1 еобходимость использования дополнительных элементов для фокусировки усложняет конструкцию и приводит к увеличению его габаритов.Цель изобретения - упрощение конструкции.Цель достигается тем, что между груп- пирующим и согласующим участкамп введен фокусирующий участок замедляющей системы.На фиг. 1 приведено схематическое изображение устройства (на примере устройства с замедляющей системой спирального типа); на фиг. 2 - положения сгустка частиц относительно волны, 6880883Положение сгустка частиц относительноволны перед началом формирования - 5 и в конце каждого участка б, 7, 8 показано на фиг. 2.Устройство работает следующим образом.Пучок частиц в устройстве формированиявзаимодействует с электромагнитным полем, фазовая скорость волны которого удовлетворяет соотношению , = 4 + Лр, 1 О где , и р), - фазовая скорость волны и средняя скорость частиц в сгустке соответственно, выраженные в единицах скорости света; Лр - разность между средней скоростью частиц сгустка и фазовой скоростью возбуждаемой волны, причем на первом этапе формирования величина Лр такова, что частицы одновременно с процессом группирования дрейфуют из области фазовой устойчивости в область радиальной, на втором Лр = О, а на третьем этапе выбором Лр совмещают полный эмиттанс пучка с полным аксептансом ускорителя.Таким образом, сгусток проходит три ж последовательных этапа взаимодействия с высокочастотным полем, причем на первом этапе обеспечивают нерезонансное взаимодействие частиц с полем за счет того, что фазовую скорость волны делают больше зо скорости частиц, на втором этапе формирования обеспечивают резонансное взаимодействие пучка с фокусирующим полем, т. е. Лр = О, а на третьем - согласуют полный фазовый объем пучка с полным З 5 аксептансом ускорителя.Для каждой конкретной замедляющей структуры и начальных параметров пучка формируемых частиц величины Лр, , и длины участков определяются для каждого 4 О участка в результате численных решений уравнений движения частиц.Величина Лр характеризует эффективность взаимодействия частиц с полем. Так, например, для протонов с энергией инжекЬ, ции 100 кэВ на первом участке(0,5 - ;1,5) и при приближении к указанным границам эффективность формирующего устройства уменьшается. 50На первом участке скорость волны больше скорости частицы, т. е. имеет место не- резонансное взаимодействие, н сгусток дрейфует относительно волны. В процессе дрейфа и одновременного взаимодействия с полем происходит модуляция частиц в сгустке по скоростям, сгусток группируется и в конце первого этапа занимает относительно волны положение 2. Осуществить группировку сгустка можно и в случае, когда ,=4, но при этом в силу резонансного характера взаимодействия существенно увеличивается дефокусировка пучка.Таким образом, наличие дрейфа на первом этапе обеспечивает не только группировку 4и перевод сгустка из области фазовой ус тойчивости в область радиальной устойчивости, но и уменьшает угловую расходимость пучка.На втором участке Лр делают равным нулю, а , выбирают равной скорости чакстицы, находящейся в фазе, которая)соответствует средней скорости частиц в сгустке. Это обеспечивает фокусировку частиц в сгустке без увеличения его фазовой протяженности, При этом положение сгустка относительно волны практически не меняется и соответствует положению 3 на фиг. 1. Выбор величин напряженности поля зависит от ориентации и формы продольного и поперечного аксептанса ускорителя и в каждом конкретном случае также определяется из решения уравнений движения.Фазовую скорость волны на третьем участке выбирают из условия согласования полного эмиттанса пучка и полного аксептанса ускорителя.После прохождения первого участка диаметр сгустка увеличивается, модуляция частиц по скоростям максимальная, наиболее энергетичные частицы находятся в тормозящем поле. Однако, наличие фокусирую- щего участка 2 с соответствующими значениями фазовой скорости волны и напряженности поля обеспечивает выравнивание энергии частиц в сгустке и фокусировку частиц. Параметры участка 3 выбраны из условия совмещения продольного и поперечного эмиттансов пучка с аксептансом ускорителя.Таким образом полохкительпый эффект изобретения заключается в том, что в системе формирования обеспечивается одновременная радиальная и продольная устойчивость частиц без использования каких- либо внешних устройств, т. е. приводит к упрощению конструкции. Кроме того, как показывают расчеты, использование такого формирующего устройства в начальной части ускорителя с фазопеременной фокусировкой приводит к увеличению коэффициента захвата в 2 - 3 раза, что значительно повышает эффективность ускорителя.Формула изобретенияУстройство для формирования пучков заряженных частиц, выполненное в виде высокочастотной секции резонаторного или волповодного типа, замедляющая система которой содержит два последовательно расположенных участка - группирующий и согласующий, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения конструкции, между группирующим и согласующим участ. ками введен фокусирующий участок замед. ляющей системы,688088 Источники информации,принятые во внимание пои экспертизе1;7 ставитель Ю. Левитанехред А. Камышнико Редактор корректор Р, Беркович ейф Заказ 711/3 11 зд. Ле 153 Тираж 856 Подписное НПО Поиск Государстзсииого коитста СССР по делам изобрстеиий и открытий 13035, Москва, )К, Раушскаи иаб., д. Ч 5иос 1 афии, ир. Саит иова, 2 1. Баталин В. А. и др. ПТЭ,5, 19 б 7.2. Вальднер О. А. и др. Линейные ускорители, М., А. - И., 1969, с. 174 - 17 б. 3. Авторское свпдстсльство СССР М 31319, кл, Н 05 Н 7/00, 04.01.70 1 прототип).