RU2013894C1 - Способ ускорения заряженных частиц - Google Patents
Способ ускорения заряженных частиц Download PDFInfo
- Publication number
- RU2013894C1 RU2013894C1 SU5007133A RU2013894C1 RU 2013894 C1 RU2013894 C1 RU 2013894C1 SU 5007133 A SU5007133 A SU 5007133A RU 2013894 C1 RU2013894 C1 RU 2013894C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- wave
- particles
- charged particles
- waves
- magnetic field
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Использование: ускорительная техника. Сущность изобретения: при резонансном ускорении частиц в продольном магнитном поле двумя электромагнитными волнами - основной и дополнительной - обеспечивают одинаковую круговую частоту волн, а отношения их амплитуд и фазовых скоростей выбирают согласно выражениям, приведенным в описании. 1 ил.
Description
Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в научных исследованиях и при разработке новых типов ускорителей.
Известен способ ускорения заряженных частиц, основанный на взаимодействии пучка с продольным аксиальным полем стоячей электромагнитной волны, возбуждаемой в резонаторе с трубками дрейфа от двух генераторов с кратными частотами [1] .
Однако этот способ при достаточно хорошей моноэргетичности пучка и высоком коэффициенте захвата частиц пучка в режим ускорения практически сложен в реализации в связи с необходимостью применения дополнительных устройств и их согласования.
Известен способ ускорения заряженных частиц обратной пространственной гармоникой бегущей электромагнитной волны при фокусировке пучка однородным магнитным полем [2] .
Недостатком этого способа является сравнительно широкий энергетический спектр пучка, определяемый амплитудой электрического поля на выходе из ускорителя, где величина поля максимальна. Если теоретический коэффициент захвата частиц в режим ускорения при этом способе может быть доведен до величины 90% и более, то энергетический спектр ускоренного пучка составляет, например, порядка 10% относительно выходной энергии пучка электронов 10 МэВ [3] .
Целью изобретения является уменьшение величины энергетического спектра ускоряемого пучка.
Для достижения цели в способе ускорения заряженных частиц в однородном магнитном поле путем воздействия на них электрическим полем бегущей электромагнитной волны, фазовая скорость которой равна средней скорости пучка, на частицы одновременно с полем основной волны воздействуют электрическим полем дополнительной электромагнитной волны, круговая частота которой равна частоте основной волны, а отношения амплитуд и фазовых скоростей обеих волн удовлетворяют выражениям:
≃ 1, = μ + 1, где ε , Vo - соответственно амплитуда и фазовая скорость основной волны;
ε1, Vф - амплитуда и фазовая скорость дополнительной волны;
μ - удельный заряд частицы;
В - индукция магнитного поля;
ω - круговая частота волн.
≃ 1, = μ + 1, где ε , Vo - соответственно амплитуда и фазовая скорость основной волны;
ε1, Vф - амплитуда и фазовая скорость дополнительной волны;
μ - удельный заряд частицы;
В - индукция магнитного поля;
ω - круговая частота волн.
Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что на пучок заряженных частиц одновременно воздействуют двумя волнами с одинаковой круговой частотой, но различными фазовыми скоростями. Это отличие определяет новизну способа. Данный отличительный признак не выявлен в других технических решениях в области ускорения заряженных частиц и, следовательно, обеспечивает заявляемому способу соответствие критерию "существенные отличия".
Отношение фазовых скоростей основной и дополнительной электромагнитных волн получено на основании следующего.
Пусть в канале ускорителя вдоль оси Z ускоряется пучок, взаимодействующий с электрическим полем электромагнитной волны амплитудой e, изменяющейся в частотой ω фазовая скорость которой равна средней скорости пучка Vo. Пучок фокусируется однородным магнитным полем В. Одновременно с основной волной в этом канале возбуждают дополнительную волну с той же частотой и амплитудой e1, фазовая скорость которой равна Vф. Электрическое поле суммы двух волн в канале ускорителя имеет вид: E = e ˙Io(Kr˙r)˙cosΦ+e1Io(κrr)cosϑ, (1) где Φ = Z - ωt, Ψ = Z - ωt (2)
Φ, ϑ - фазы основной и дополнительной волн;
Io(. . . ) - функция Бесселя нулевого порядка,
Kr= - , κr = - ,
р - период структуры; κ - вид колебаний;
r - расстояние частицы до оси канала.
Φ, ϑ - фазы основной и дополнительной волн;
Io(. . . ) - функция Бесселя нулевого порядка,
Kr= - , κr = - ,
р - период структуры; κ - вид колебаний;
r - расстояние частицы до оси канала.
В дальнейшем считаем, что Kr< κr и Io(Krr) ≃ 1.
Частицы пучка в магнитном поле двигаются по винтовой линии, вращаясь в поперечной плоскости с циклотронной частотой ωr= μB, где μ - удельный заряд частицы. Тогда расстояние произвольной частицы пучка до оси канала можно представить как функцию продольной координаты:
r = (R2+ ρ2 - 2R ρ cos Θ )1/2, (3) где R - среднее расстояние частицы до оси канала;
ρ - циклотронный радиус частицы, θ = Z .
r = (R2+ ρ2 - 2R ρ cos Θ )1/2, (3) где R - среднее расстояние частицы до оси канала;
ρ - циклотронный радиус частицы, θ = Z .
Разложим Io(. . . ) в ряд с учетом (3) по пространственным гармоникам оптической траектории частицы:
Io(κr·r) = (-1)m·Io(κr·R)·Io(κrρ)·cosmθ, (4) где m = 0, ± 1, ± 2, . . . . Подставляем (4) в (1) и считаем, что для частиц пучка выполняются условия циклотронного резонанса при m = 1. Тогда можно пренебречь действием остальных членов ряда (4), кроме резонансного. Систему уравнений для скорости произвольной частицы пучка и фаз в этом случае можно записать в виде:
= εcosφ + ε1cosΨ
φ = v+1, = gv-1-Ω, (5) где
ε = , ε1= · I1(κrR)·I1(κrρ),
g = , Ω = , v = ,
φ = φ - KrR, Ψ = Ψ - Z - κrR. При резонансе с обеими волнами
≃ 0, ≃ 0. (6) Решая совместно (6), имеет соотношение, выражающее в явном виде зависимость между фазовыми скоростями волн:
= + 1. (7)
Для обеспечения коэффициента захвата в режим ускорения, сравнимого с прототипом, отношение амплитуд дополнительной и основной волн должно быть ≃ 0.
Io(κr·r) = (-1)m·Io(κr·R)·Io(κrρ)·cosmθ, (4) где m = 0, ± 1, ± 2, . . . . Подставляем (4) в (1) и считаем, что для частиц пучка выполняются условия циклотронного резонанса при m = 1. Тогда можно пренебречь действием остальных членов ряда (4), кроме резонансного. Систему уравнений для скорости произвольной частицы пучка и фаз в этом случае можно записать в виде:
= εcosφ + ε1cosΨ
φ = v+1, = gv-1-Ω, (5) где
ε = , ε1= · I1(κrR)·I1(κrρ),
g = , Ω = , v = ,
φ = φ - KrR, Ψ = Ψ - Z - κrR. При резонансе с обеими волнами
≃ 0, ≃ 0. (6) Решая совместно (6), имеет соотношение, выражающее в явном виде зависимость между фазовыми скоростями волн:
= + 1. (7)
Для обеспечения коэффициента захвата в режим ускорения, сравнимого с прототипом, отношение амплитуд дополнительной и основной волн должно быть ≃ 0.
П р и м е р 1. Проверка предлагаемого способа ускорения заряженных частиц проводилась методом численного моделирования. При , μ = 108 Кл/кг, B = 9 Тл, ω = 108 c-1, непрерывном по фазе пучке в случае, когда амплитуда дополнительной волны была близка к нулю, энергетический спектр пучка имел вид, приведенный под номером 1 на чертеже. Здесь Δ N-количество частиц в интервале относительных энергий W = . Ширина спектра на полувысоте равнялась в этом случае 0,03.
В случае воздействия на пучок дополнительной волны с амплитудой ε1 = 1 и равной основной при = 10 ширина спектра пучка на выходе из ускорителя составляла 0,006 (кривая 2).
При = 50 и всех остальных параметрах ускорителя тех же, что и в предыдущих случаях, ширина спектра еще уменьшалась и составляла 0,0016, т. е. почти в 20 раз меньше, чем для варианта, когда ускорение пучка производится одной волной. Коэффициент захвата частиц в режим ускорения с 78% , когда ускорение происходило основной волной, в последнем варианте увеличивался до 89% .
П р и м е р 2. Для получения спектра 3 (см. чертеж) электронного пучка с μ = 1,76.1011 Кл/кг частицы ускоряют в структуре встречно-штыревого типа, в которой внешним генератором возбуждают бегущие волны с круговой частотой ω = 7.109 с-1. Соотношение фазовых скоростей этих волн (основной и дополнительной) = 50. Частицы ускоряют в магнитном поле Б= 2 Тл. Одинаковость амплитуд обеих волн обеспечивают при размерах штырей вдоль оси пучка, сравнимых с длиной ускоряющих зазоров.
Таким образом при резонансном ускорении частиц двумя волнами имеется возможность существенного уменьшения энергетического спектра пучка. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 588888, кл. Н 05 Н 7/00, 1979.
2. Богомолов А. С. т. 208, N 6, 1973, с. 1328-1329. .
3. Богомолов А. С. , Бакиров Т. С. , Иванников В. И. и др. Письма в ЖТФ, т. 2, в. 1, 1976, с. 42-45.
Claims (1)
- СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ в продольном магнитном поле путем воздействия на них электрическим полем электромагнитной волны, фазовая скорость которой равна средней скорости частиц, отличающийся тем, что на частицы одновременно с полем основной волны воздействуют электрическим полем дополнительной электромагнитной волны, круговая частота которой равна частоте основной волны, а отношения амплитуд и фазовых скоростей обеих волн удовлетворяют выражениям
ε1 / ε ≈ 1 , vо / vф = μ (B / ω ) + 1,
где ε , vо - амплитуда и фазовая скорость основной волны, м/с;
ε1 , vф - амплитуда и фазовая скорость дополнительной волы, м/с;
μ - удельный разряд частицы;
B - индукция магнитного поля, Тл;
ω - круговая частота волны, Гс.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5007133 RU2013894C1 (ru) | 1991-07-02 | 1991-07-02 | Способ ускорения заряженных частиц |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5007133 RU2013894C1 (ru) | 1991-07-02 | 1991-07-02 | Способ ускорения заряженных частиц |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013894C1 true RU2013894C1 (ru) | 1994-05-30 |
Family
ID=21587765
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5007133 RU2013894C1 (ru) | 1991-07-02 | 1991-07-02 | Способ ускорения заряженных частиц |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2013894C1 (ru) |
-
1991
- 1991-07-02 RU SU5007133 patent/RU2013894C1/ru active
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Slater | The design of linear accelerators | |
Gai et al. | Numerical simulations of intense charged-particle beam propagation in a dielectric wake-field accelerator | |
RU192845U1 (ru) | Многоапертурная высокочастотная система для ускорения кластерных ионов | |
Weiss | Radio-frequency quadrupole | |
JP2555112B2 (ja) | 荷電粒子ビーム冷却法 | |
RU2013894C1 (ru) | Способ ускорения заряженных частиц | |
Balakirev et al. | Plasma wake-field excitation by relativistic electron bunches and charged particle acceleration in the presence of external magnetic field | |
Masunov et al. | Development of axisymmetric rf focusing effects for an ion linac | |
Bourdier et al. | Dynamics of a relativistic charged particle in a constant homogeneous magnetic field and a transverse homogeneous rotating electric field | |
Tecker et al. | Longitudinal dynamics | |
Balakirev et al. | Charged particles accelerated by wake fields in a dielectric resonator with exciting electron bunch channel | |
Masunov et al. | Space charge effects and RF focusing of ribbon beam in ion linac | |
Onishchenko et al. | The wake-field excitation in plasma-dielectric structure by sequence of short bunches of relativistic electrons | |
SU1486036A1 (ru) | Способ фокусировки и ускорения пучка заряженных частиц | |
RU2760284C1 (ru) | Источник рентгеновского излучения с циклотронным авторезонансом | |
Shumail | Theory, design, and demonstration of a new microwave-based undulator | |
Zhang | Beam Physics with Space Charge Challenges | |
Fainberg | Plasma methods of acceleration | |
Voskressensky et al. | The Transverse Motion of the Particles in Linear Electron Accelerator Caused by the Action of Nonsymmetric Wave | |
Sullivan | Applications of the virtual cathode in relativistic electron beams | |
Oparina et al. | Efficiency enhancement of THz radiation from an electron bunch in a waveguide due to low-frequency stabilization | |
Tishkin | Comparative analysis of alternating-phase and combined RF focusing on the example of the He⁺ linear accelerator | |
SU588888A1 (ru) | Способ ускорени зар женных частиц | |
SU1237056A1 (ru) | Способ вывода частиц из изохронного циклотрона | |
SU1748295A1 (ru) | Способ согласовани пучка зар женных частиц с высокочастотным ускор юще-фокусирующим каналом |