Способ накопления пучка заряженных частиц

(5 Зсг" БРЕТЕНИ 5 ИДЕТЕЛЬСТ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ОПИСАНИ К АВТОРСКОМУ(56) Коломенский А.АЛебедев А.И Теория циклических ускорителей. Москва, Физмат, 1962, с.321.Авторское свидетельство СССР У 876046 кл, Н 05 Н 13/00, 1980. (54)(7) СПОСОБ НАКОПЛЕНИЯ ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, заключающийся в формировании кольцевого ускоренного пучка заряженных частиц в пере менном во времени ведущем магнитном поле, отличающийся тем что, с целью увеличения энергии пучка заряженных частиц, пучок заряженных .частиц выводят в область 801132784 ведущего магнитного поля на релятивистскую орбиту с граничным радиусом, на котором еще сохраняетсяустойчивость пучка, путем уменьшения ведущего магнитного поля до вличины, соответствующей значениюполя, при котором пучок оказывается на орбите с указанным граничнымрадиусом, создают на этой орбитеСВЧ-поле, имеющее аэимутальнуюсоставляющую, затем восстанавливаютв присутствии этого СВЧ-поля значение ведущего магнитного поля допервоначального значения, послечего всю последовательность операциповторяют до получения заданнойвеличины тока накаппиваемого пучка,при этом СВЧ-поле сохраняют в течение всего процесса накопления.11327841 О 15 20 25 30 50 Изобретение относится к областитехнической физики в части создания способов накопления пучка заряженных частиц и может быть использовано для получения сильноточныхрелятивистских пучков и широкогодиапазона их применений, включая генерирование синхротронного излучения.Известен способ накопления пучковзаряженных частиц путем инжекциипучка в накопитель на замкнутую орбиту с воздействием на инжектированный пучок отклоняющим электромагнитным полем.Недостатком известного способаявляется необходимость примененияспециального отклоняющего электромагнитного поля (создаваемого, например, инфлектором) для однооборотного ввода пучка в накопитель, поэтому он является сравнительно дорогостоящим способом со сложной аппаратурной реализацией,Наиболее близок к предложенномупо технической сущности способ накоп 1ления пучка заряженных частиц заЭключающийся в многократном повторениицикла ускорения пучка заряженныхчастиц в области переменного вовремени ведущего магнитного поля,содержащего импульсную и постояннуюсоставляющую, с последующим выводомпучка в каждом цикле ускорения нарелятивистскую орбиту, при этомнакапливаемый пучок сохраняют вобласти указанного ведущего магнитного поля.Недостатком этого способа является наличие единственной релятивистской орбиты с величиной радиуса,приблизительно вдвое меньшей радиуса действия переменного ведущегомагнитного поля. На этой орбитепроисходит и ускорение, и накоплениепучка. Это ограничивает энергиюнакапливаемых частиц,Целью изобретения является увеличение энергии пучка заряженныхчастиц.Поставленная цель достигаетсятем, что в способе накопления пучка заряженных частиц, заключающемсяв формировании кольцевого ускоренногопучка заряженных частиц в переменном во времени ведущем магнитном поле, пучок заряженных частиц выводятв область, ведущего магнитного поля,на релятивистскую орбиту с граничным радиусом, на котором еще сохраняется устойчивость пучка, путем . уменьшения поля ведущего магнитного поля до величины, соответствующей значению поля, при котором пучок оказывается на орбите с указанным граничным радиусом, создают на этой орбите СВЧ-поле, имеющее азимутальную составляющую, затем восстанавливают в присутствии этого СВЧ-поля значение ведущего магнитного поля до первоначального значения, после чего всю последовательность операций повторяют до получения заданной величины тока накапливаемого пучка, причем СВЧ-поле сохраняют в течение всего процесса накопления.На фиг. 1 показана схема расположения орбит пучков заряженных частиц в процессе ускорения и накопления, на фиг. 2 - эпюры, характеризующие изменения: постоянной составляющей ведущего магнитнго поля в процессе перевода пучка на орбиту с граничным радиусом (а) и высокочастотного ускоряющего поля постоянной частоты (6).На фиг. 1 обозначены: 1 - граница части ведущего поля, имеющего импульсную и постоянную состав- . ляющую, 2 - граница магнитного поля, имеющего только постоянную составляющую, 3 - траектории частицы, 4 релятивнстская орбита с радиусом К,5 - релятивистская орбита с радиусом Я , 6 и"7 части полуволнового резонатора, создающего СВЧ-поле.40 Способ осуществляют следующимобразом,Производят цикл ускорения первоипорции пучка заряженных частиц.Для этого формируют переменное во45 времени ведущее магнитное поле сдвумя составляющими; импульсной ипостоянной. Импульсную составляющую формируют, например, в соленоиде(граница 1 этой части ведущегополя на фиг, 1). Постоянную составляющую формируют, например, электромагнитом постоянного магнитного(Кч) при минимальном значенииведущего магнитного поля и одновременно инжектируют из источника, например электронной пушки (фиг.1 непоказан) первую порцию заряженных/ где Г - энергия пучка, эВ; 35Ь - индукция ведущего магнитного поля Гс,1 - величина радиуса пучка,см. Затем восстанавливают значение поля до первоначального значения в момент 4 О времени й в присутствии постоянного по частоте ускоряющего СВЧ поля. (с,м.фиг.2,б), которое создают, например, ВЧ-резонатором, и потом сохраняют в течение всего 45 процесса накопления. После этого всю описанную последовательность операций повторяют до получения заданной величины тока накапливаемого пучка заряженных частиц. Интервал 50 (Й - Йз) между очередными порциями частиц, поступающими в резонатор, должен быть выбран таким, чтобы бетатронные и радиально-фазовые колебания в первой порции частиц 55 успевали бы затухнуть от радиационного трения до момента поступленияч( следующеи порции. В процессе осуществчастиц в центральную область ведущего магнитного поля,Затем ускоряют эту порцию на восходящем участке ведущего поля потраектории 3 до релятивистской энергии, которой соответствует релятивистская орбита 4 с радиусом Р,1Цикл ускорения заканчивается вмомент времени ;, (фиг.2), Далееначинается процесс накопления путемвывода первой порции частиц из области переменного во времени ведущего магнитного. поля, содержащейобе составляющие этого поля (граница 1), в область ведущего магнитного поля, содержащую только постоянную составляющую ведущего маГнитногополя (граница 2), на релятивистскуюорбиту 5 с граничным радиусом Рна котором еще сохраняется устойчивость пучка. Эту операцию выводапервой порции осуществляют следую-щим образом: уменьшают в моментвремени 10 постоянную составляющую 8ведущего магнитного поля до значения Ьв момент времени Й(фиг.2 а,пунктир). Величина индукции магнитного поля 6 соответствует значениюэтого поля, при котором пучок оказы .вается на орбите с указанным граничным радиусом Кв соответствии сзависимостью ления циклов накопления, пучок, кото. рый уже находится на орбите с радиусом Й, при уменьшении постоянной составляющей ведущего магнитного ПОЛЯ В ИитЕрнаЛЕ ВРЕМЕНИ с -Г-ц аналогичном интервалу 1 О в 1 в пре-. дыдущем цикле накопления, осуществ" ляемом в процессе перевода следующего пучка с орбиты с радиусом Йна орбиту с радиусом К, претерпевает торможение под действием ускоряющего СВЧ-поля (Е =)с уменьшением энергии этого пучка до значения, которое соответствует значению индукции ведущего магнитного поля Ь, в соответствии с зависимостью (1). При этом, очевидно, что в реальных условиях осуществления способа мощность источника ускоряющего СВЧ-поля должна быть больше мощности накапливаемого пучка, при этом в системе соблюдается одно- частичное приближение, что соответствует условию элементарной .теории автофазировки. Для процесса накопления по изложенному способу должны соблюдаться два условия.Первое условие является обязатель. ным для любого способа накопления и сводится к тому, что должны соблюдаться общие положения статистической механики, связанные со свойствами фазового пространства - теорема Лиувилля. Из нее следует, что если в начальный момент времени пучок частиц занимал на фазовой плоскости некоторую площадь, то, как бы не меня" лись во времени параметры ускоряющего поля, разброс параметров пучка не может быть сделан меньше некоторой определенной величины.Однако при накоплении легких частиц, сопровождающемся интенсивным синхротронным излучением, разброс по энергии затухает вследствие синхротронного излучения. Это освобождает определенную часть фазового пространства и она может быть заполнена новой порцией частиц, что и делает возможным процесс накопления.Второе условие присуще рассматри" ваемому способу и связано с вводом частиц в потенциальную яму ускоряющего поля не на ее дно а с левого края". Естественно, при отсутствии потерь ("радиационного трения") частицы "выплеснутся" из ямы об1132784 а ФОАТ актор П. Горькова Техред С,Мигунова дейи ррект аказ 1167/2ВНИИПИ Го,по делам113035, Моск Тираж 767арственногозобретений иЖ, Раушс писное ком тета ССрытийнаб д о 4/5 яатент , г. Ужгород, ул. Проектн л ратно и не будут захвачены в режимрадиально-фазовых колебаний. Величина радиационного трения (энергия излучения за оборот) должна бытьтакой, чтобы за время периода ра"диально фазовых колебаний 300500 оборотов флуктуации в высокочастотном потенциале и квантовые Афлуктуации в энергии частиц былабы меньше энергии, излученной запериод. Гарантией действенности такого излучения является единицасвольт на оборот. (Например, энергияэлектронов около 50 мэВ при радиусеорбиты приблизительно 2 см), Послезахвата пучка энергетический разбросего продолжает уменьшаться в соответствии с известным процессом накопления.Таким образом в отличие от прототипа увеличение энергии накапливаемого пучка заряженных частицпроисходит за счет увеличения радиуса пучка. При этом энергия пучкапропорциональна величине радиуса,который заведомо больше радиусапучка в прототипе и определяетсяконфигурацией постоянного магнит"ного поля,Пример реализации способа.Переменное во времени ведущеемагнитное поле может быть сформи 5 ровано в синхротроне типа Тролльс помощью безжелеэного электромагнита путем разряда конденсаторноймалоиндуктивной батареи типа ИК-3и электромагнита постоянного маг 1 О нитного поля со сверхпроводящимиобмотками (криогенный комплекс ДФИ),СВЧ-поле возбуждают, например,магнетроном типа МИ-ЗО,15 Для инжекции частиц используют,например, электронную пушку с термокатодом и с накоплением медленныхэлектронов.Радиус Й ускорения пучка состав ляет 16 ммРадиус К накопления пучка - 50 мм,Энергия накопленного пучка -50 мэВ (в прототипе энергия накопленного пучка при такой же реализующей аппаратуре - 17 МэВ) .Таким образомданный способпозволяет увеличить предельную энергию накопленных частиц при той жереализующей аппаратуре, что и известный.