RU2058676C1 - Способ охлаждения пучка заряженных частиц - Google Patents

Abstract

Использование: в способах охлаждения пучка заряженных частиц. Сущность изобретения: в установке управления пучком заряженных частиц формируют кольцевую траекторию движения пучка и производят уменьшение эмиттанса пучка в высокочастотном резонаторе, расположенном на оси пучка заряженных частиц, внутри основного соленоида для генерации магнитного поля, для чего в высокочастотном резонаторе генерируют высокочастотную волну, направляют ее вдоль траектории движения пучка сонаправлено с пучком или в противоположном направлении и возбуждают циклотронный мазер, обеспечивающий излучение кинетической энергии пучка заряженных частиц в пределах плоскости, перпендикулярной оси пучка, тем самым уменьшая эмиттанс пучка. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к способу охлаждения пучка заряженных частиц в устройстве управления электронным пучком, таком как световой генератор синхротронного излучения, накопительное кольцо электронного пучка, электронный ускоритель и т. п. и устройстве управления ионным пучком, таком как ионный ускоритель, накопительное кольцо ионного пучка, кольцо охлаждения ионного пучка и т.п.

Для того, чтобы получить электронный пучок высокого качества, требуется осуществить унификацию энергии и сделать эмиттанс электронного пучка исключительно малым охлаждением электронного пучка, однако способ для улучшения эмиттанса не был изобретен до сих пор.

Известен способ охлаждения пучка заряженных частиц, названный способом стохастического охлаждения и основанный на компенсирующем управлении ускорением.

Для унификации энергии пучка заряженных частиц, других нежели электроны, т.е. ионов, и улучшения эмиттанса только способ, полагающийся на компенсирующее управление ускорением, называемый способом статистического охлаждения, был введен в практическое применение. Однако этот способ имеет продолжительный период времени для охлаждения ионного пучка и, таким образом, в ускорителе, в котором ускорение пучка заряженных частиц часто повторяется, а также в накопительном кольце пучка заряженных частиц, оборудованном внутренней мишенью, не может применяться. Например, для того, чтобы унифицировать энергию протонного пучка вплоть до одной в нескольких тысячах, необходим период времени примерно несколько минут.

Целью изобретения является решение всех этих проблем для того, чтобы медленно охлаждать каждый пучок заряженных частиц вне зависимости от того, что он может быть либо импульсным пучком, либо непрерывным пучком.

Цель изобретения достигается способом охлаждения пучка заряженных частиц, согласно которому в установке управления пучком заряженных частиц формируют кольцевую траекторию движения пучка и производят уменьшение эмиттанса пучка, при этом уменьшение эмиттанса пучка производят в высокочастотном резонаторе, расположенном на оси пучка заряженных частиц внутри основного соленоида для генерации магнитного поля, для чего в высокочастотном резонаторе генерируют высокочастотную волну, направляют ее вдоль траектории движения пучка сонаправлено с пучком или в противоположном направлении и возбуждают циклотронный лазер, обеспечивающий излучение кинетической энергии пучка заряженных частиц в пределах плоскости, перпендикулярной оси пучка, тем самым уменьшая эмиттанс пучка.

В устройстве управления электронным пучком, таком как кольцевой ускоритель, представленном электронным синхротроном, электронным накопительным кольцом и подобными устройствами, благодаря синхротронному излучению SR-излучение одновременно с восстановлением и унификацией энергии в направлении прохождения пучка имеет место эффект нарастания поперечного колебательного движения в пределах плоскости, перпендикулярной направлению пучка. Меняя формулировку нарастания поперечной вибрации точным выражением, таковое означает увеличение эмиттанса, которое определяется как произведение угла наклона относительно осевого направления электронного пучка и растяжки в пределах плоскости, перпендикулярной осевому направлению электронного пучка. Сопутствуя увеличению эмиттанса, амплитуда орбиты электронного пучка в кольце становится большой. В конечном счете, электроны, выпадающие из устойчивой орбиты, могут бомбардировать внутреннюю поверхность стенки вакуумной камеры кольца и выбрасывать адсорбированный газ и часть составного стеночного составляющего материала от внутренней стенки и представляют причины ухудшения качества электронного пучка, между тем как прямая причина ограничения времени накопления пучка внутри накопительного кольца электронного пучка состоит в ухудшении вакуума, основная причина которого свойственна увеличению эмиттанса электронного пучка, сопутствующего SR-излучению. Поэтому, если такой эмиттанс электронного пучка уменьшается до исключительно малой величины, улучшение периода времени накопления электронного пучка в накопительном кольце, высоколюминесцентный вариант SR-излучения и высокая характеристика пучка, эманирующего из ускорителя электронного пучка, могут достигаться.

Между тем как SR-излучение не образуется в устройстве управления пучком заряженных частиц, исключающих электроны, т.е. ионным пучком, эмиттанс ионного пучка, полученного от источника ионов, является исключительно большим в сравнении со случаем электронов и, следовательно, требованием для улучшения эмиттанса является сильным аналогично устройству управления пучком электронов. Согласно изобретению обеспечиваются следующие далее меры, которые являются общими для всех заряженных частиц, включая как электроны, так и ионы, т. е. в секции образования магнитного поля соленоида, расположенной внутри устройства управления пучком заряженных частиц, магнитное поле соленоида В₀ (тесла) образуется в осевом направлении пучка заряженных частиц и заряженные частицы могли бы совершать циклотронное вращательное движение с угловой частотой ω $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{c}}$ =eB_o/m_o в пределах плоскости, перпендикулярной к оси. Здесь e и m_o соответственно представляют электрический заряд и статическую массу заряженной частицы и в дальнейшем описании подразумевается, что все физические величины даются в системе практических электрических и магнитных единиц. В это время кинетическая энергия T $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{⊥}}$ в пределах плоскости, перпендикулярной осевому направлению пучка заряженных частиц, излучается аналогично, используя принцип генерации циклотронного лазера заряженных частиц, согласно изобретению, который представляет продолжение принципа генерации электронного циклотронного мазера, и в силу этого достигается улучшение эмиттанса.

Для того, чтобы приводить в режим излучения циклотронный мазер заряженных частиц, возбуждающая высокочастотная волна генерируется высокочастотным резонатором, устанавливаемым в магнитном поле соленоида, и ее угловая частота ω* вынуждается выполнять следующее далее резонансное условие в статической системе координат заряженных частиц:
ω^*/ω $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{c}}$ ≳ 1+u(2πν^*/ω $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{c}}$ )-(T $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{⊥}}$ /m_oc²), где с скорость света; значение х для того, чтобы делать охлаждение наиболее эффективным, представляет х≈-0,58ν* представляет производную по времени появления некоторого числа причин, которые нарушают когерентное вращательное движение заряженных частиц, и условие для режима генерации циклотронного мазера заряженных частиц
(ω $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{c}}$ /2πν^*)(T $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{⊥}}$ /m_oc²)≫1 подвергается влиянию этого фактора. При этих двух условиях время τ спада эмиттанса, образованного радиационным охлаждением с циклотронным мазером, в этом случае составляет (х ≈-0,58)
τ ≃

•

•

Здесь ε=1 действительно в случае, если направление прохождения возбуждающей высокочастотной волны совпадает с направлением пучка заряженных частиц, между тем как ε=-1 действительно в случае, когда таковое имеет противоположное направление; β= V/c, где V скорость заряженных частиц; r_р классический радиус заряженной частицы;ω угловая частота высокочастотной волны возбуждения мазера, генерируемая в высокочастотном резонаторе, она связывается с ω* формулой эффекта Допплера:
ω (1-εβ)^-1γ^-1ω^*, γ^-2≡ 1-β² I (ω)- величина наводки возбуждающей высокочастотной волны, т.е. плотность потока энергии.

Возможность улучшения эмиттанса при описанном выше устройстве ограничивается электронным пучком очень малой энергии, порядка 1 МэВ, и его практическая доступность является очень слабой. Это потому, что время t*=L_o/β γ_c (L_o длина полости резонатора), когда группа частиц проходит через высокочастотный резонатор, становится коротким в соответствии с увеличением энергии заряженных частиц, число раз когерентного циклотронного вращательного движения ограничивается до числа раз в пределах этого времени и благодаря увеличению числа ν*≈(t*)^-1=β γ_c /L_o условие для возбуждения мазера (ω $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{c}}$ /2πν*)T $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{⊥}}$ /m_oc²)>>1 становится таким, что не удовлетворяется. Для того, чтобы поддерживать когерентность, т.е. интерферирующее свойство циклотронного вращательного движения в кольце, магнитное поле корректирующего соленоида, которое противоположно в направлении и равно по величине напряженности магнитного поля соленоида в секции охлаждения циклотронного мазера, вводится в кольцо пучка и возбуждающая мазер высокочастотная волна запускается с частотой кольцевой циркуляции заряженных частиц или синхронизируется с последней. В силу этого циклотронное вращательное движение пучка заряженных частиц всегда обеспечивается таким, чтобы оно совпадало по фазе с высокочастотной волной возбуждения мазера и теоретически ν^* _→ 0
На практике имеется целый ряд причин для ограничения ν* до конечного значения. В качестве одной из причин может представляется то, что, когда высокоскоростные заряженные частицы проходят через сильную и слабую части магнитного поля в этом кольце, возникает явление резонанса и энергии в осевом направлении пучка и энергии в пределах фазы, нормальной к оси пучка, трансформируются друг в друга. Однако легко можно рассчитать кольцевое устройство управления пучком с тем, чтобы не получать такой тип резонанса, и эта проблема может решаться контрмерой, аналогичной той, которая применяется против явления резонансной деполяризации для пучка спин-поляризованных частиц ν*.

Между тем как взаимное столкновение частиц в пучке также увеличивает предельное значение при плотности заряженных частиц внутри кольцевого устройства управления пучком порядка 10¹⁵ м^-3, подтверждается, что условие ν^* ≲ 0,1S^-1 выполняется и не имеется совершенно никаких проблем.

Хотя может предполагаться, что электромагнитный удар в пределах плоскости, перпендикулярной оси пучка, полученный заряженной частицей, пересекающей границу магнитного поля в кольце, может увеличивать значение ν*, может пониматься, что, если группа заряженных частиц проходит в узком временном диапазоне, это также имеет небольшое влияние на когерентность.

При условии, что общая сумма по кольцу пучка составляющих B_s (S) вдоль оси пучка всех магнитных полей, систематизированных в кольце, составляет ноль, т. е. ∮ B_s(S)dS

0 когерентность циклотронного вращательного движения может гарантироваться и ν* становится таким, чтобы иметь значение примерно (2π ν*/ω $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{c}}$ )≈Δ ω/ω или (2π ν*/ω $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{c}}$ )ΔF/F. Соответственно этому доля того, чтобы увеличить эффективность охлаждения циклотронного мазера, важно уменьшить изменение частоты Δ ω или ΔF, и так как стоячая волна является достаточной в качестве высокочастотной волны возбуждения мазера, не представляется трудным установить лучшее условие, чем Δ ω/ω≈10^-4.

В качестве примера, что касается электронов γ=400, т.е. имеющих энергию порядка 200 МэВ при B_o=6 Т, возбуждающая высокочастотная волна, имеющая частоту ω/2 π=210 МГц, соответствующая бегущей волне в противоположном направлении от оси пучка, генерируется в качестве стоячей волны в секции охлаждения циклотронного мазера и ее электрическая мощность выбирается при I(ω) ≃ 11 кВт•м², тогда получается время охлаждения η^-1τ ≃ 1 мс мс, где η=0,07 отношение длины секции охлаждения циклотронного мазера к общей длине кольца. Здесь используется стандартизированная величина (2π ν*/ω $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{c}}$ ) ≈10^-4.

Что касается протонов γ= 2,8, т.е. имеющих энергию порядка 1,7 ГэВ, в случае, когда магнитное поле с магнитной индукцией порядка B_o=6 Т и возбуждающая высокочастотная волна, имеющая частоту 0,50 ГГц, образующая бегущую волну в направлении пучка, генерируется в качестве стоячей волны с электрической мощностью I(ω) ≃ 1,1 МВт•м^-2 в секции охлаждения циклотронного мазера, для системы с высоким КПД (2π ν*/ω $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{c}}$ ) ≈10^-5 время охлаждения η^{- 1} τ≈10 мс ожидается для η=0,04.

В случае того же самого пучка протонов, если частота возбуждающей высокочастотной волны выбирается 17 МГц в качестве бегущей волны в противоположном направлении направлению оси пучка, приблизительно одинаковое время охлаждения может ожидаться при электрической мощности I(ω) ≃ 2,1 кВт•м^-2. Соответственно этому, каким образом образуется резонанс установкой частоты возбуждающей высокочастотной волны, совпадающей с бегущей волной в направлении вперед или в обратном направлении по отношению к оси пучка, могло бы определяться в качестве проблемы в технологии образования магнитного поля соленоида и высокочастотного резонатора.

Циклотронное мазерное охлаждение обладает способностью унификации энергии в направлении оси пучка, т.е. общей энергии ускорения заряженных частиц. Для удобства объяснения предполагается, что T $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{⊥}}$ =0. В этом случае на входе секции охлаждения дисперсионный дифференциал Д' импульса заряженной частицы не представляет ноль, однако орбита частицы, имеющей минимальный импульс Р<, регулируется так, чтобы быть почти параллельной центральной оси пучка. В этом случае заряженная частица, следующая в секцию охлаждения циклотронного мазера, может одновременно начинать циклотронное вращательное движение, имеющее импульс D'ΔP в пределах плоскости, перпендикулярной оси пучка. Здесь ΔP= m_oc·Δ γ/β представляет величину отклонения от импульса Р заряженной частицы. Поэтому рассмотрение в случае охлаждения энергии T $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{⊥}}$ в пределах нормальной плоскости для улучшения эмиттанса может применяться к охлаждению общей энергии посредством подстановки
T $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{⊥}}$ (D′ΔP)²/(2m_o) (D′•Δγ/β)²•(m_oc²/2)
Время охлаждения становится 2τ. Другими словами посредством упомянутого выше способа в той же самой секции охлаждения циклотронного мазера энергия в пределах нормальной плоскости и энергия в направлении оси пучка могут охлаждаться в течение периодов времени охлаждения τ и 2τ соответственно. Величина Д' могла бы определяться так, чтобы удовлетворять условие циклотронного мазера
(ω $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{c}}$ /2πν^*)(T $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{⊥}}$ /m_oc²) (1/2)(ω $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{c}}$ /2πν^*)•(D′Δγ/β)² ≫ 1
На чертеже представлена общая компоновка светового генератора синхротронного излучения, когда способ согласно изобретению практически применялся в одинаковом устройстве.

Устройство включает систему 1 образования падающего пучка заряженных частиц, магниты 2 сведения пучков, магниты 3 отклонения пучков, высокочастотный резонатор 4 для возбуждения охлаждения частиц циклотронного мазера, соленоидный магнит 5, корректирующий соленоидный магнит 6, высокочастотный резонатор 7 ускорения и секция генерации светового излучения.

Пучок частиц, падающий от системы 1 образования падающего пучка в систему устройства управления пучком частиц, отклоняется магнитами 3, затем проходит через сводящего магниты 2 (в основном, используются квадрупольные магниты) и благодаря тому факту, что в высокочастотном резонаторе 4 возбуждается охлаждение циклотронного мазера, улучшения в эмиттансе и разрешающей способности энергии пучка достигаются, пучок является в высокой степени определенным, т. е. в высокочастотном резонаторе 4 возбуждения охлаждения циклотронного мазера магнитное поле В_о генерируется соленоидным магнитом в направлении оси пучка частиц, заряженная частица выполняет циклотронное вращательное движение в пределах плоскости, перпендикулярной (нормальной) к этой оси. Посредством проецирования высокочастотной волны внутри высокочастотного резонатора 4 возбуждения мазера в секции охлаждения циклотронного мазера в противоположном направлении к направлению пучка заряженных частиц или в том же самом направлении, как этот пучок заряженных частиц, образуется циклотронный мазер заряженных частиц и эмиттанс пучка заряженных частиц сильно улучшается. Кроме того, если магниты 2 сведения пучков регулируются так, что величина дисперсионного дифференциала Д' импульсов заряженной частиц на входе возбуждающего высокочастотного резонатора может становиться подходящей величиной, эффект радиационного охлаждения, полагающийся на циклотронный мазер, одновременно с улучшением эмиттанса заряженной частицы, охлаждения энергии пучка в аксиальном направлении, т.е. унификация энергии, также могут достигаться.

Пучок заряженных частиц, эманирующий из высокочастотного генератора 4 возбуждения охлаждения циклотронного мазера, имеет фазовый угол циклотронного вращения, приравненный к фазовому углу перед входом в высокочастотный резонатор 4 возбуждения охлаждения циклотронного мазера магнитным полем в осевом направлении корректирующего соленоидного магнита 6. В таком случае сходимость и импульсная дисперсия, или дисперсионный дифференциал, снова регулируются сводящим магнитом 2 и магнитами 3 отклонения пучком и световое излучение, имеющее исключительно высокую люминесценцию и отличную монохроматичность, может генерироваться в секции 8. Пучок заряженных частиц далее проходит через магниты 2 сведения пучков и магниты 3 отклонения пучка, дополнительно ускоряется высокочастотным резонатором 7 ускорения и снова подводится к высокочастотному резонатору 4 возбуждения охлаждения циклотронного мазера, где высокая характеристика пучка достигается радиационным охлаждением посредством циклотронного мазера.

Способ охлаждения пучка согласно изобретению был описан в отношении случая, когда этот способ применялся к световому генератору синхротронного излучения. Однако этот способ применяется к накопительному кольцу заряженных частиц, других чем электроны, и ускорителю, где секция 8 генерации светового излучения не нужна и вместо нее представляется возможным устанавливать другие типы экспериментальных устройств. В качестве ω $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{c}}$ в приведенном выше описании возбуждающая высокочастотная волна с высокой частотой ω*, соответствующей величине, замененной целым кратным ω $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{*}}{\text{c}}$ , могла бы использоваться без какого-либо неудобства.

Согласно изобретению посредством расположения генерирующей секции магнитного поля соленоида вдоль пучка заряженных частиц и проецированием высокочастотной волны возбуждения циклотронного мазера в противоположном направлении или в том же самом направлении, что и направление прохождения пучка заряженных частиц в секции генерации магнитного поля соленоида, возможно исключительно точно определять эмиттанс и разрешающую способность энергии пучка заряженных частиц. Пучок заряженных частиц, который является исключительно превосходным в монохроматичности и яркости, может получаться и тем, что посредством приложения магнитного поля осевого направления, генерированного корректирующим соленоидным магнитом 6, к пучку заряженных частиц, эманирующему из высокочастотного резонатора 4 возбуждения охлаждения циклотронного мазера, фазовый угол циклотронного вращения приравнивается к фазовому углу перед входом высокочастотного резонатора 4 возбуждения охлаждения циклотронного мазера, и высокая степень определения этого пучка может достигаться радиационным охлаждением посредством повторенного циклотронного мазера внутри высокочастотного резонатора 4 возбуждения охлаждения циклотронного мазера.

Claims (3)

1. СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, согласно которому в установке управления пучком заряженных частиц формируют кольцевую траекторию движения пучка и производят уменьшение эмиттанса пучка, отличающийся тем, что уменьшение эмиттанса пучка производят в высокочастотном резонаторе, расположенном соосно с пучком заряженных частиц внутри основного соленоида для генерации магнитного поля, для чего в высокочастотном резонаторе генерируют высокочастотную волну, направляют ее вдоль траектории движения пучка сонаправленно с пучком или в противоположном направлении и возбуждают циклотронный мазер, обеспечивающий излучение кинетической энергии пучка заряженных частиц в пределах плоскости, перпендикулярной оси пучка, тем самым уменьшая эмиттанс пучка.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после выхода из высокочастотного резонатора пучок направляют в область магнитного поля корректирующего соленоида, противоположного по направлению и равного по величине напряженности магнитному полю основного соленоида, причем возбуждающая мазер высокочастотная волна создается с частотой кольцевой циркуляции заряженных частиц или синхронизируется с ней.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что после того, как уменьшится эмиттанс пучка частиц, пучок повторно пропускают через высокочастотный резонатор, в котором генерируют высокочастотную волну для возбуждения циклотронного мазера, а необходимую величину дисперсионного потенциала импульса заряженной частицы регулируют магнитным полем расположенных вдоль траектории пучка магнитов сведения пучков.

Images