Способ фокусировки и ускорения заряженных частиц

3 15083амплитуды продольнойи поперечной компонент злекгрическогополя электромагнитнойволны;амплитуды продольнойи поперечной компонент периодическогоэлектростатическогополя;поперечный единичныйвектор, лежащий вплоскости инжекции;длина волны электромагнитного поля всвободном пространстве;пространственный период электростатического поляприведенная фазоваяскорость электромагнитной волны;- приведенная скорость 25синхронной частицы,д ЕЪ,и Еь -Ео и Ео 1о,хСогласно предлагаемому способу можно осуществить фокусировку и уско- З рение пучка вне оси ускоряющей и фокусирующей системы, что позволяет приблизить пучок к источнику электростатического поля и тем самым увеличить эффективную амплитуду ускоряющего поля; расширить апертуру ускоряющего канала без уменьшения величины напряженности электростатического поля; при условии, что электромагнитное ,поле имеет много плоскостей симметрии или антисимметрии, специальным выбо. - ром электростатического поля ондулятора можно фокусировать и ускорять вне оси несколько пучков одновременно.45Для пояснения сущности изобретения рассмотрим декартовую систему координат с продольной осью Е, Согласно предлагаемому способу в системе ускорения и фокусировки возбуждают электромагнитное и электростатические поля с общей по электрическому полю поперечной плоскостью симметрии или антисимметрии (для определенности пусть это плотность 72) . Фаз овая фокусировка и ус-Б 5 корение пучка имеют место в результате совместного воздействия на частицы пучка электромагнитного и электростатических полей, При этом электроста-.544тическое поле ондулятора приводит к появлению осцилляций у частиц пучка. В результате взаимодействия осцилляторов с электромагнитным полем волны энергия частиц пучка в среднем увеличивается, еслис( с. ь- -=е(Ч Е 0 (4) где Е - вектор электрического поляЪэлектромагнитной волны;Ч - скорость быстрых осцилляций;(- означает усреднение за время пролета одного периодаондулятора.Пусть длина волны электромагнитно го поля в свободном пространстве адлина периода электростатического поля 9, . Если фазовая скорость электромагнитной волны (эЪ=ЧЪ( отлична отпродольной скорости пучка (3 =Чс то неравенство (4) может быть выполнено,когдав среднем близка к - =Ч (,где(5)В простейыем случае, когда на пучок в ондуляторе воздействуют поперечным электромагнитным полем волны, прирост энергии частиц на длине %, равен егО 6 И= --- -Е Е созЧ 47 тсг( Ь о Е где(=И(- - 1); Ч(б) И - частота ВЧ-поля.Более детальное рассмотрение процесса фокусировки и ускорения удобно провести в случае, когда безразмерные- еЕо ълятора а = --- много меньше единицы.о 2 ЯшсгБудем предполагать, что пучок не находится в синхронизме с электромагнитной волной. В этом случае на медленное изменение траектории частицы в плоскости инжекции У 2 накладываются1 - . быстрые осцилляции с амплитудой- (а(2 Ф. в этой же плоскости, когда она является плоскостью симметрии по электрическому полю, или перпендикулярные плоскости инжекции, когда она является плоскостью антисимметрии.Быстрые осцилляции приводят к появлению эффективной потенциальной ямыО= в -аг +аг +2 аЪ а созу+2 аЬ а Ь,г о,гсь, а вхщ, (7)Способ фокусировки и ускорения25 заряженных частиц, включающий воздей( 10) ствие ка пучок переменным во времениэлектромагнитным полем и периодичес(1)ким в пространстве полем ондуляторапри транспортировке частиц как пос 30 оси, так и вне оси ускоряющей и фоку- ссирующей системы, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что, с целью расши(11) рения Функциональных возможностей засчет обеспечения Фокусировки и уското,рения при более низкой энергии инжек-35вы- ции заряженных частиц, в качестве поля ондулятора используют периодическое электростатическое поле, попереченая плоскость симметрии или антисимм4 О метрии которого ориентирована вдолькунаправления движения пучка заряжен- усных частиц и совпадает с плоскостьюсимметрии или антисимметрии электроаниимагнитного поля, при этом пучок икжекегу 5 тируют в этой же плоскости, а в местеинжекции выполняются условиягаеЕ 2 Я Е 2 Е 2 бЕ 2ш- (1 .Ь. ) ф.й аС= Е арфеа,ао,1 о,г3,.%,э где Е и ЕЬ - амплитуды продольнойЬ, ,4и и поперечной компоВ/см,нент электрическогори поля электромагнитнойины волны, В/м;о Е и Е- амплитуды продольнойУу и поперечной компонент периодического 5 15где=1+И/ш 2 - приведенная средняяэнергия частиц пучкаЕсли бы частицы находились тольков поле электромагнитной волны (а +О;-Р Ь 1а. 0) или же только в периодическомэлектростатическом поле (а =0 а ФО)Ь ф овне оси, они фокусировались бы в одном поперечном направлении и дефокусировались в перпендикулярном направлении. Специальный выбор плоскостиинжекции позволяет получить равновесную траекторию вне оси системы (х=О,у=уо), если выполнено условиеЭух -- -=О. (8)У 1 о,оВторое условие равновесия пучка3 Б/Зх =О выполняется автоматичес 01 оки при указанной симметрии полей.Равенство (8) будет выполнено для любых фаз, если амплитуды высокочастотного и электрических полей связаны условиема Зао 2. а 2 За.,о,4. ( 1 ь,з. ) о,2 ,а , а- (а а 10 - (а а )0ду Ъ, ОЛду Ь,1 Ойили, переходя к Е и Е получими (2).Равновесная траектория будет утойчива для всех инжектируемых чатиц, если.32 П а 2---- )О; ---- )Оах 10,уау 210,у,Продольное ускорение имеет месЭцкогда в (О. За счет специальногоЭкбора зависимости а,(е), аЬ(й) ИЪможно обеспечить близкий к единицкоэффициент захвата частиц в режиускорения и эффективную группиров,пучка.Все изложенное о фокусировке икорекии справедливо при использовволководных систем как в режиме бщей, так и стоячей волны.В качестве примера, который поляет оценить эффективность предламого способа, рассмотрим ускоренипротонов с низкой энергией иижекцв поле ТЕМ волны и в периодическоэлектростатическом поле.При=3 м и Ъ, =0,03 и имеем Ч- 10 с, что соответствует экергиинжекции Ч - 50 кэВ. Если Е =100 кто согласно (1) Е =100 кВ/см, а ирост энергии частиц на единицу длЬЧ/Ая = 2,5 МэВ/м, Это в несколькраз превышает аналогичную величинполученную в ускорителях с ПОКФ. 08354 6Использование прецлагаемого способа позволяет при низких энергиях инжекции и при сравнительно небольшойамплитуде поля окдулятора получитьэффективное ускорение и фокусировкучастиц. Так как плоскость симметрииили антисимметрии электромагнитного1 кЭи электростатического полей совпадают,можно, например, с помощью одних ктех же электродов (в квазистатическомслучае) возбуждать переменное по времени электромагнитное коле и периодическое в простракстве электростати ческое поле, При этом, электростатическое поле не только обеспечиваетФокусировку пучка, ко и позволяетускорить частицы в электромагнитнойволне, скорость которой отличается 20 от скорости частиц. Формула изобретения1508354"Ч 1 приведенная фазоваяскорость электромагнитной волны;9 - пространственный период электростатического поля, м;- длина волны электромагнитного поля в свободном пространстве, м. электростатическогополя, В/м;поперечный единичныйвектор, лежащий вплоскости инжекции;=Ч - приведенная скорость 6 5/ссинхронной частицы; Составитель В.СтрижовРедактор Е.Копча Техред А,Кравчук Корректор Л.Бескид Заказ 555 1/5.7 Тираж 775 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб, д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,10