Способ ускорения заряженных частиц

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН А 15 00 4 Н ГОСУД АРСПО ДЕЛ ЗОБРЕТЕН ОПИСА К А ВТОРСКОМУ СВИ 4 ЕТЕЛЬСТВ 972728/24-24.1 1,855.09,87. Б) СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЯЮННЫХ ЧАСТ(57) Изобретение служит для пов ния темпа ускорения в области в энергийувеличения величины пр но достигаемых энергий и расшир вида ускоряемых частиц. Оптичес пучок направляется в систему эе 3-10 и последовательно пересека пучок 2 ускоряемых частиц (Ч) поуглом м,сс 1. Размерыия пучков 11-14 ограни едельения рк ет ена возможскорения поазером наил. зон небольшим пересечен н(56) Б1 ЕЕЕ ТУ 4, рРе 1Со 11 Ыгоп 1.аЕСГА-ВАр. 249 ВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ вследствие ограниченных поперечных размеров пучков и конечного угла К1/, где т - энергия ускоряемых частиц в единицах энергии покоя шс . Длины зон пересечения пучков 11-14 не превышают значений длины, на которой сохраняется знак силы, действующей на Ч за счет продольной составляющей электрической напряженности волны. В описании приведены уравнения, описывающие процесс взаимодействия Ч с ускоряющим полем лазерной волны. Реализация способа не требует искривления траектории движения Ч. Поэтому отсутствуют энергетические потери на магнитотормоэное излучение электронов, кроме потерь на излучение в системах проводки и фокусировки пучка 2, фр удерживающих Ч в пределах прямолиней- ф ф ного тракта. В способе заложена возможность ускорения не только электроФаь нов но и более тяжелых Ч, включая протоны и ионы, с тем же темпом ускорения. Кроме того, эалность увеличения темпасравнению с обращеннымсвободных электронах.1 13381Изобретение относится к ускорителям заряженных частиц, в которыхускоряюшие поля создают с помощью лаверных пучков.Целью изобретения является повышение темпа ускорения в области высоких энергий, увеличение величины предельно достигаемых энергий и расширения видов ускоряемых частиц, что позволя ет существенно повысить эффективность лазерного способа ускорения. На чертеже схематично показан ускоритель, с помощью которого осуществляют предлагаемый способ. 15Ускоритель содержит источник 1 лазерного излучения, пучок ускоряемых заряженных частиц 2, боковые отражающие зеркала 3-10, зоны пересечения пучков 11 - 14, при этом оси пучков расположены неколлинеарно.Способ осуществляют следующим об 25 разом,Из лазерного источника 1 оптический пучок направляется на систему зеркал 3-10 и последовательно пересекает пучок ускоряемых частиц 2 под небольшим углом1, Размеры зон пересечения пучков 11 - 14 ограничены вследствие ограниченных поперечных 30 размеров пучков и конечного угла О1/ , где- энергия ускоряемых частиц в единицах энергии покоя шс. Длины зон пересечения не превышают значений длины, на которой сохраняется знак силы, действующей на частицу за счет продольной составляющей электрической напряженности волны, Ъ, /2г, г(1+6., ,.) где Ъэ длина Волны лазерного излучения,- резонанс н,е значение релятивистского фактораМежду этими зонами взаимодействия пучков частицы пролетают через зоны свободного дрейфа. Расстояние между зеркалами и длины зон свободного дрейфа согласованы таким образом чтобы выполнялось условие 1.-Ь(1+1/2 ,) )ги ) где Е оптический ход лазерного луча на участке между одноименными точками соседних секций; Ь - рас -50 стояние между этими точками по оси пучка ускоряемых частиц (период секции) и - целое число.В предлагаемой схеме относительная фаза частицы в волне Ф не успевает меняться более, чем напри проле 55 те одной рабочей зоны пересечения пучпучков, а при переходе к следующей зоне пересечения эта фаза меняется 17 2на целое кратное 2 . В результатезнак составляющей электрической напряженности вдоль вектора скорости частицы, опредеяемый относительной фазой Ф, будет оставаться постоянным, что означает выполнение условия пространственного синхронизма между волной и частицей, обладающей резонансной энергией.Процесс взаимодействия частиц с ускоряющим полем лазерной волны описывается уравнениями, совпадающими по виду с соответствующими уравнениямиадиочастотных линейных ускорителей. .1( ) ) к эпо)3 ) 4)- У , ЙЕ 3 Здесь использованы следующие обозначения; , - резонансное значение энергии частицы в единицах шс; эв зависимость которой от координаты 2 м по оси пучка ускоряемых частицг -)определяет задаваемый темп ускорения; Ф - резонансная относительная фаза, определяемая темпом ускорения;частота лазерной волны 1/с 1; К = еЕ, /, , - приведенная амплиоосетуда волны; к - коэффициент заполнения периода секции полем лазерной волны,Известно, что при описании процесса взаимодействия приведенной системой уравнений обеспечен режим фазовой устойчивости частиц в конечном фазовом объеме. При адиабатическом увеличениивдоль оси 2 захваченные в этот объем частицы будут увеличивать свою среднюю энергию в соответствии с ростом Г без потери фазовой устойчивости движения.Отличие приведенных уравнений от соответствующих уравнений обращенного лазера на свободных электронах (ОЛСЭ) заключается в том, что в первом уравнении (1) вместо амплитуды ондуляторного поля К/= еН, /2, стоит произведение Ездп) "- 1 , Рззличие в этих величинах определяет разницу в коэффициентах связи ускоряемых частиц с волной и в темпах ускорения. С учетом зависимости периода ондулятора ОЛСЭ от длины волны излучения и энергии частицы Ъ = 2/25 /(К + 1) зависимость ондуляторной постоянной имеет вид(2) гдеш=1,для К 1 иш=1/3 дляК ) 1.Различие в темпах ускорения, которые можно получить предлагаемым способом и с помощью ОЛСЭ определяетсяотношением коэффициента связи к м,уи постоянной (2),Более конкретные результаты оценоктемпов ускорения можно получить дляопределенных параметров, входящих вприводимые формулы. Поскольку получение магнитных полей с индукцией1 Тл сопряжено с значительными техническими трудностями, вследствиечего возможный интервал изменения индукции ондуляторного поля невелик,допустим что напряженность магнитногополя отвечает индукции в 1 Тл. Без потери общности положим также Ч-45- 10 см. В этом случае выигрыш втемпе ускорения электронов по сравнению с темпом ускорения в ОЛСЭ будетравен численно коэффициенту связик Ыдля энергий электронов меньше50 МэВ ( у - 100), а в области болеевысоких энергий (100) темп уско- З 0рения электронов в рассматриваемойсхеме может быть выше темпа ускорения в ОЛСЭ примерно в 5,8 к Ку раз,если даже не учитывать потери на излучение,В приведенных оценках не вводились35ограничения на угол М, типаЙ/Ъгде Й - диаметр электронного пучка,так как при необходимости пересечениевзаимодействующих пучков можно осу 40ществлять более чем один раз на дли)не периодаДля протонов постоянная Кна трипорядка меньше, чем для электронов припрочих равных параметрах. Компенси 45ровать это уменьшение К путем увеличения магнитного поля Н не удаетонся из-за технических трудностей получения достаточно сильных магнитныхполей. Из выражения (2) следует,что в интервале до значений у = 3 10темп ускорения протонов, достижимыйв схеме типа ОЛСЭ, более, чем на поря.док величины ниже темпа ускоренияэлектронов. Поэтому схема ОЛСЭ практически неприменима для ускорения тяжелых частиц.В рассматриваемой схеме коэффициент связи с волной не зависит от массы ускоряемых частиц. Уравнения движения для электронов и протонов выглядят одинаково при равных значениях факторов этих частиц. Это означает, что в схеме заложена возможность ускорения более тяжелых, чем электроны частиц, включая протоны и ионы с высоким темпом ускорения, равным для однозарядных частиц темпу ускорения электронов.Поперечные осцилляции электронов в ондуляторах ОЛСЭ приводят к энергетическим потерям на магнитотормозное излучение. Удельные потери энергии на это излучение пропорциональны Н, т.е. быстро растут с энергией ускоряемых электронов. В схемах ОЛСЭ,основанных на взаимодействии коллинеарных пучков, значительные потерина магнитотормозное излучение будуттакже в поворотных магнитах, используемых для ввода и вывода электронного пучка из резонатора. Все это приводит к тому, что схема ОЛСЭ становится неэффективной при высоких энергиях электронов (300 ГэВ) . Результирующий (за вычетом потерь энергии на излучение) темп ускорения электронов становится очень низким, ниже, чем в традиционных радиочастотных схемах ускорителей, Схема не имеет практического значения в области высоких энергий ускоряемых электронов.Таким образом, предлагаемый способ ускорения частиц не требует искривления их траектории. Процесс ускорения может быть осуществлен на прямолинейных с точностью до фокусировки траекториях частиц, двигающихся вдоль прямолинейного ускорительного тракта. Поэтому отсутствуют энергетические потери на магнитотормозное излучение электронов, кромепотерь на излучение в системах проводки и фокусировки пучка, удерживающих ускоряемые частицы в пределахпрямолинейного ускорительного тракта. Схема, представленная на чертеже, иллюстрирует принцип предлагаемого способа ускорения и не содержит многих важных элементов конструкции ускорителя. В частности, не представлены магнитные элементы, которые устраняют боковой дрейф частиц, вызываемый поперечными составляющими поля лазерной волны. Этот боковойдрейф можно подавить и другим способом. Например, с помощью зеркал реЗаказ 4 149/58 Тираж 801 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб. д, 4/5Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 зонатора можно обеспечить поворот волнового вектора лазерной волны на некоторый угол по азимуту вокруг оси 2 при переходе от одной ускорительной секции к следующей. Соответ 5 ствующим образом будет поворачиваться вектор поперечной составляющей поля лазерной волны. На длине многих секций эффект от поперечных составляющих ус реднитс я и сведется к ми - нимуму. Таким образом,в предлагаемом способе лазерного ускорения отсутствуют ограничения на энергии ускоряемых частиц, обусловленные ростом энергетических потерь на магнитотормозное излучение, связанное с собственно процессом ускорения этих частиц. За ложена возможность ускорения не только электронов, но и более тяжелых частиц, включая протоны и ионы, с тем же темпом ускорения, заложена возможность увеличения темпа ускорения по сравнению с обращенным лазером на свободных электронах. 176Формула изобретенияСпособ ускорения заряженных частиц, основанный на передаче энергии от электромагнитной волны пучка лазерного излучения ускоряемым частицам, заключающийся в пропускании пучков лазерного излучения и ускоряемых частиц через вакуумную камеру оптического резонатора, в котором обеспечены условия многократного пересечения пучков с соблюдением пространственного синхрониэма их взаимодействия, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения темпа ускорения в области высоких энергий, увеличения величины предельно достигаемых энергий и расширения видов ускоряемых частиц, многократное пересечение пучков обеспечивают путем неколлинеарной инжекции пучков в резонатор и периодического по направлению движения ускоряемых частиц изменения направления распространения пучка лазерного излучения с помощью отражения от боковых зеркал вакуумного оптического резонатора.