RU2212121C2 - Method and device for accelerating and focusing charged particles by constant field - Google Patents
Method and device for accelerating and focusing charged particles by constant field Download PDFInfo
- Publication number
- RU2212121C2 RU2212121C2 RU99108653/06A RU99108653A RU2212121C2 RU 2212121 C2 RU2212121 C2 RU 2212121C2 RU 99108653/06 A RU99108653/06 A RU 99108653/06A RU 99108653 A RU99108653 A RU 99108653A RU 2212121 C2 RU2212121 C2 RU 2212121C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- accelerating
- focusing
- electric field
- field
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области ускорения электрически заряженных частиц, а именно к технике ускорения, фокусировки и формирования пучков заряженных частиц постоянным во времени электрическим полем и может быть использовано в электрических и электростатических ускорителях прямого действия для получения пучков заряженных частиц большой интенсивности. The invention relates to the field of acceleration of electrically charged particles, and in particular to the technique of acceleration, focusing and formation of charged particle beams by a constant electric field in time and can be used in direct-acting electric and electrostatic accelerators to produce high intensity charged particle beams.
В современных ускорителях для формирования пучка и повышения интенсивности ускоряемых частиц используют их фокусировку с помощью различных приемов, удерживающих частицы в ускорителе. Известны принципы сильной фокусировки заряженных частиц, основанные на применении азимутальной вариации магнитного поля в циклических круговых ускорителях, на применении пространственно периодического градиентного магнитного поля и, в частности, фокусирующе-дефокусирующего квадрупольного магнитного поля в циклических кольцевых ускорителях и, наконец, на применении переменного во времени электрического квадрупольного поля (высокочастотная квадрупольная фокусировка) в линейных резонансных ускорителях. Все эти приемы позволяют получить с помощью ускорителей указанных типов достаточно хорошо сформированные пучки ускоренных заряженных частиц со средней интенсивностью до нескольких десятков мА. In modern accelerators, to focus the beam and increase the intensity of accelerated particles, they are focused using various techniques that keep particles in the accelerator. The principles of strong focusing of charged particles are known, based on the use of azimuthal variation of the magnetic field in cyclic circular accelerators, on the application of a spatially periodic gradient magnetic field, and in particular, the focusing-defocusing quadrupole magnetic field in cyclic ring accelerators, and finally, on the use of a time-variable electric quadrupole field (high-frequency quadrupole focusing) in linear resonant accelerators. All these methods make it possible to obtain, with the help of accelerators of the indicated types, fairly well formed beams of accelerated charged particles with an average intensity of up to several tens of mA.
В ускорителях прямого действия, т.е. в ускорителях с постоянным во времени ускоряющим электрическим полем, создаваемым или с помощью электрического повышающего трансформатора и выпрямителя тока, или с помощью электростатического генератора, для формирования пучка заряженных частиц используют главным образом слабую электрическую фокусировку, обусловленную действием рассеянного краевого электрического поля [1], [2]). Для этого в ускорителе создают или разрывы в плоском электрическом поле ускорительной трубки, расчленяя сплошную трубку на секции, или изменяют продольный градиент напряженности ускоряющего электрического поля, задавая специальным образом потенциалы ускоряющих электродов. Секция ускорительной трубки с открытыми концами в силу соленоидальности электрического поля действует на частицы как собирающая одиночная линза на входе в секцию и как рассеивающая линза на выходе из секции. В итоге разность действий рассеянного поля на двух концах секции создает слабое фокусирующее действие. In direct action accelerators, i.e. In accelerators with a time-constant accelerating electric field created either by means of an electric step-up transformer and current rectifier, or by means of an electrostatic generator, mainly weak electric focusing due to the action of a scattered edge electric field is used to form a beam of charged particles [1], [ 2]). To do this, either breaks are created in the accelerator in the plane electric field of the accelerating tube, breaking up the continuous tube into sections, or changing the longitudinal gradient of the intensity of the accelerating electric field, setting the potentials of the accelerating electrodes in a special way. The open-end accelerator tube section, due to the solenoidality of the electric field, acts on the particles as a collecting single lens at the entrance to the section and as a scattering lens at the exit of the section. As a result, the difference in the actions of the scattered field at the two ends of the section creates a weak focusing effect.
Слабая электрическая фокусировка не обеспечивает эффективного удержания заряженных частиц в пучке с большой плотностью пространственного электрического заряда. Поэтому в ускорители прямого действия для обеспечения эффективной проводки пучка сквозь ускоритель вводят дополнительные фокусирующие элементы, например короткие соленоидальные линзы из постоянных магнитов для фокусировки мягких в магнитном поле частиц, например электронов с энергией до 1,5 МэВ [3], или мультиплеты электрических цилиндрических квадрупольных линз для фокусировки более жестких тяжелых ионов с энергией более сотни МэВ [4] . Требование сильного фокусирующего действия особенно существенно в электростатических тандемах, использующих для повышения энергии ионов обдирку их электронной оболочки стрипперами. Однако даже с использованием цилиндрических квадрупольных линз транспортируемый ток ускоренных тяжелых ионов [4] не превышает нескольких мкА, тогда как ток питания электростатического кондуктора ускорителя, определяющий максимально возможное значение тока ускоренных частиц, составляет несколько мА. К тому же размещение дополнительных фокусирующих, но не ускоряющих цилиндрических квадрупольных линз между ускоряющими электродами и разделение единой ускоряющей трубки на отдельные секции, ведущие к образованию так называемых "мертвых" зон, увеличивает длину ускорительного тракта, снижает средний темп ускорения и тем самым увеличивает габаритные размеры самого ускорителя и внешнего бака с газом под давлением 10-15 атм, повышая стоимость ускорителя. Weak electrical focusing does not provide effective confinement of charged particles in a beam with a high spatial electric charge density. Therefore, in order to ensure efficient beam passing through the accelerator, direct focusing accelerators introduce additional focusing elements, for example, short solenoidal lenses of permanent magnets for focusing soft particles in a magnetic field, for example, electrons with energies up to 1.5 MeV [3], or multiplets of electric cylindrical quadrupole lenses for focusing harder heavy ions with energies of more than a hundred MeV [4]. The requirement of a strong focusing action is especially significant in electrostatic tandems, which use strippers to peel their electron shell to increase the ion energy. However, even with the use of cylindrical quadrupole lenses, the transported current of accelerated heavy ions [4] does not exceed several μA, while the supply current of the accelerator electrostatic conductor, which determines the maximum possible value of the current of accelerated particles, is several mA. In addition, the placement of additional focusing, but not accelerating cylindrical quadrupole lenses between the accelerating electrodes and the separation of a single accelerating tube into separate sections, leading to the formation of so-called “dead” zones, increases the length of the acceleration path, reduces the average acceleration rate, and thereby increases the overall dimensions the accelerator itself and the external gas tank under a pressure of 10-15 atm, increasing the cost of the accelerator.
В электростатическом тандеме типа 25URC из двух ускорителей на общее напряжение 25 MB [4], выпускаемом Национальной электрической компанией США и предназначенном для ускорения тяжелых ионов, установлены в четырех разрывах ускорительной трубки мультиплеты электростатических цилиндрических квадрупольных линз. При этом градиент напряжения вдоль ускорительной трубки составляет всего 1,6 МВ/м, тогда как в других аналогичных ускорителях он заметно выше (до 2,2 МВ/м). In an electrostatic tandem of type 25URC of two accelerators for a total voltage of 25 MB [4], manufactured by the National Electric Company of the United States and designed to accelerate heavy ions, multiplexes of electrostatic cylindrical quadrupole lenses are installed in four breaks of the accelerator tube. In this case, the voltage gradient along the accelerator tube is only 1.6 MV / m, while in other similar accelerators it is noticeably higher (up to 2.2 MV / m).
Приведенные выше способ и устройства для фокусировки и формирования пучка ионов, ускоряемых в электростатическом ускорителе прямого действия [4], содержащие дополнительные цилиндрические квадрупольные линзы в промежутках между секциями ускорительной трубки, приняты здесь за прототип предлагаемого изобретения. The above method and device for focusing and forming a beam of ions accelerated in a direct-acting electrostatic accelerator [4], containing additional cylindrical quadrupole lenses between the sections of the accelerating tube, are here taken as a prototype of the invention.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания статического электрического поля для применения в линейном высоковольтном ускорителе прямого действия, эффективно ускоряющего и одновременно фокусирующего заряженные частицы с помощью конкретного устройства - ускоряюще-фокусирующих электродов специальной формы. Этим способом и устройством решается задача ускорения, фокусировки и формирования пучка ускоряемых заряженных частиц с большой интенсивностью, повышения градиента напряжения на ускорительной трубке и сокращения тем самым размеров и стоимости ускорителя. Эта цель достигается формированием постоянного во времени электрического поля с постоянной продольной ускоряющей составляющей и поперечной линейно растущей составляющей напряженности электрического поля, определяемого следующей формулой:
где v(r, φ, z) - электрический потенциал поля в цилиндрической системе координат r, φ, z, Еz - ускоряющая постоянная составляющая напряженности электрического поля, направленная вдоль продольной оси z электрического поля во всей области поперечного сечения z= const, Gr - градиент радиальной (поперечной) фокусирующей или дефокусирующей составляющей напряженности электрического поля, V(0, 0, z0) - потенциал в точке z0 на оси поля.The present invention solves the problem of creating a static electric field for use in a linear high-voltage accelerator of direct action, effectively accelerating and simultaneously focusing charged particles using a specific device - accelerating-focusing electrodes of a special shape. This method and device solves the problem of accelerating, focusing and forming a beam of accelerated charged particles with high intensity, increasing the voltage gradient on the accelerating tube and thereby reducing the size and cost of the accelerator. This goal is achieved by the formation of a constant in time electric field with a constant longitudinal accelerating component and a transverse linearly growing component of the electric field strength, defined by the following formula:
where v (r, φ, z) is the electric potential of the field in the cylindrical coordinate system r, φ, z, Е z is the accelerating constant component of the electric field strength, directed along the longitudinal axis z of the electric field in the entire cross-sectional area z = const, G r is the gradient of the radial (transverse) focusing or defocusing component of the electric field strength, V (0, 0, z 0 ) is the potential at the point z 0 on the field axis.
Устройство для реализации поля (1) представляет собой систему монопотенциальных электродов, внутренние профили которых выполнены в соответствии с формулой
где re(φ, z) - радиус-вектор внутреннего профиля электрода, Ve - потенциал электрода, а сами электроды расположены в порядке чередования их фокусирующего и дефокусирующего действий, определяемых знаком градиента радиальной напряженности поля Gr.A device for realizing field (1) is a system of monopotential electrodes, the internal profiles of which are made in accordance with the formula
where r e (φ, z) is the radius vector of the internal profile of the electrode, V e is the potential of the electrode, and the electrodes themselves are arranged in alternating order of their focusing and defocusing actions, determined by the sign of the gradient of the radial field strength G r .
Ускоряюще-фокусирующее статическое электрическое поле (1) найдено предложенным нами приемом решения электрических задач, обратным традиционному методу прямого решения задач электростатики на основе уравнения Лапласа. Oбратный прием состоит в том, что исходя из требований к структуре электрического поля в каком-либо физическом или техническом устройстве аналитически задаем базовое, опорное поле на физически выделенной оси или поверхности устройства. Электрическое поле в остальном пространстве апертуры устройства определяем путем интегрирования уравнений Максвелла
Для решения поставленной задачи зададим базовое поле в плоскости симметрии φ=0 и на оси z в виде
Как можно видеть, условия (5) представляют электрическое поле, ускоряющее заряженные частицы вдоль оси z постоянной составляющей напряженности Еz и фокусирующее (дефокусирующее) частицы поперечной линейно растущей составляющей напряженности электрического поля с градиентом Gr в плоскости φ=0, Gr<0 или Gr>0. Из уравнения (3) имеем равенство ∂Eφ(r,φ,z)/∂φ = ∂[rEr(r,φ,z)]/∂r = -2Grr, интегрируя которое по φ от 0 до φ и используя начальные условия (5), получаем
Eφ(r,φ,z) = -2Grrφ. (6)
Подставив полученный результат (6) в уравнение (4), приходим к интегрируя которое снова по φ, получаем
Er(r,φ,z) = Grr[1-(2φ)2/2]. (7)
Используя результат (7) и уравнение (3) и снова интегрируя по φ, приходим к
Eφ(r,φ,z) = -Grr[(2φ)-(2φ)3/3!].
Продолжая так далее бесконечное число раз и используя формулы разложения тригонометрических функций sinφ и соsφ в ряды, в итоге находим
Интегрируя выражения (8), получаем формулу (1) для потенциала поля V(r, φ, z) в любой его точке.The accelerating-focusing static electric field (1) was found by our proposed method for solving electrical problems, the inverse of the traditional method of directly solving electrostatic problems based on the Laplace equation. The inverse method consists in the fact that based on the requirements for the structure of the electric field in any physical or technical device, we analytically set the base, reference field on the physically selected axis or surface of the device. The electric field in the remaining space of the device aperture is determined by integrating the Maxwell equations
To solve the problem, we set the base field in the plane of symmetry φ = 0 and on the z axis in the form
As can be seen, conditions (5) represent an electric field accelerating charged particles along the z axis of the constant component of intensity E z and focusing (defocusing) particles of the transverse linearly growing component of electric field with a gradient of G r in the plane φ = 0, G r <0 or G r > 0. From equation (3) we have the equality ∂E φ (r, φ, z) / ∂φ = ∂ [rE r (r, φ, z)] / ∂r = -2G r r, integrating which over φ from 0 to φ and using the initial conditions (5), we obtain
E φ (r, φ, z) = -2G r rφ. (6)
Substituting the obtained result (6) into equation (4), we arrive at integrating which again over φ, we obtain
E r (r, φ, z ) = G r r [1- (2φ) 2/2]. (7)
Using the result of (7) and equation (3) and again integrating over φ, we arrive at
E φ (r, φ, z ) = -G r r [(2φ) - (2φ) 3/3!].
Continuing so on an infinite number of times and using the formulas for expanding the trigonometric functions sinφ and cosφ into series, we finally find
Integrating expressions (8), we obtain formula (1) for the field potential V (r, φ, z) at any of its points.
Электрический потенциал (1), как легко непосредственно убедиться, удовлетворяет уравнению Лапласа. The electric potential (1), as one can easily see directly, satisfies the Laplace equation.
При переходе азимутального угла φ через значения π/2, 3π/2, 5π/2 и 7π/2, как следует из формулы (1), потенциал поля меняет знак на обратный. Вместе с ним меняет знак на обратный и градиент радиальной составляющей напряженности электрического поля Gr. Это отвечает осевой симметрии четвертого порядка структуры электрического поля, дающей возможность обеспечить фокусировку заряженных частиц в двух взаимно перпендикулярных плоскостях путем поочередного фокусирующего и дефокусирующего действий поля на движущиеся заряженные частицы. Из формул (8) и (1) следует, что полученное поле обеспечивает постоянное непрерывное продольное ускорение заряженных частиц аксиальной составляющей напряженности Еz и поочередную поперечную фокусировку радиальной составляющей Еr во всем его объеме.When the azimuthal angle φ passes through the values π / 2, 3π / 2, 5π / 2, and 7π / 2, as follows from formula (1), the field potential reverses its sign. Along with it, changes sign to the inverse and the gradient of the radial component of the electric field strength G r . This corresponds to the fourth-order axial symmetry of the electric field structure, which makes it possible to focus charged particles in two mutually perpendicular planes by alternately focusing and defocusing actions of the field on moving charged particles. From formulas (8) and (1) it follows that the obtained field provides constant continuous longitudinal acceleration of charged particles of the axial component of tension E z and alternate transverse focusing of the radial component E r in its entire volume.
Поле с потенциалом (1), как и всякое другое электростатическое поле, может быть сформировано локальными электродами относительно малых размеров с соответствующими значениями потенциала, размещенными на границе апертуры устройства. Однако более удобными для практического применения в высоковольтных ускорителях заряженных частиц прямого действия являются монопотенциальные протяженные электроды специальной формы. Из (1) вытекает уравнение (2) внутреннего профиля re(φ,z) эквипотенциального электрода, находящегося под потенциалом Ve.A field with potential (1), like any other electrostatic field, can be formed by local electrodes of relatively small sizes with corresponding potential values located at the aperture of the device. However, monopotential extended electrodes of a special shape are more convenient for practical use in high-voltage accelerators of charged particles of direct action. From (1) follows equation (2) of the internal profile r e (φ, z) of the equipotential electrode under the potential V e .
Из формулы (2) следует, что в любом поперечном сечении z=const профиль электрода описывается четырьмя ветвями равнобочной гиперболы, а в сечении φ= const - корнем квадратным из значения разности координат (z-z0).It follows from formula (2) that, in any cross section z = const, the electrode profile is described by four branches of an equilateral hyperbola, and in the section φ = const, by the square root of the coordinate difference (zz 0 ).
Общая схема системы из четырех электродов (2), формирующих поле (1), представлена на фиг. 1, где 1 и 2 - "квазицилиндрические" гиперболические электроды, выполненные из листового металла (корытообразные электроды), как это представлено на фиг. 1, или в виде сплошных стержневых электродов, с внутренним профилем по формуле (2), 3 - цилиндрический металлический держатель для крепления электрода в ускорительной трубке и подачи на электрод электрического потенциала. В верхней части фиг.1 показана проекция электродов на плоскость φ в первом квадранте. Азимутальные профили электродов в трех других квадрантах имеют симметрию зеркального отражения в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В нижней части фиг.1 показаны проекции электрода 1 на полуплоскость φ=0, z и электрода 2 на полуплоскость φ = π/2, z, аmin, аmax - минимальное и максимальное расстояния от оптической оси z до гребня квазицилиндрического гиперболического электрода, L - длина электрода.The general scheme of a system of four electrodes (2) forming a field (1) is shown in FIG. 1, where 1 and 2 are “quasicylindrical” hyperbolic electrodes made of sheet metal (trough electrodes), as shown in FIG. 1, or in the form of solid rod electrodes, with an internal profile according to formula (2), 3 - a cylindrical metal holder for attaching the electrode in the accelerating tube and supplying an electric potential to the electrode. In the upper part of figure 1 shows the projection of the electrodes on the plane φ in the first quadrant. The azimuthal profiles of the electrodes in the other three quadrants have mirror symmetry in the horizontal and vertical planes. In the lower part of figure 1 shows the projection of the electrode 1 on the half-plane φ = 0, z and electrode 2 on the half-plane φ = π / 2, z, and min , and max - the minimum and maximum distances from the optical axis z to the crest of the quasi-cylindrical hyperbolic electrode, L is the length of the electrode.
Параметры электродов выбираются согласно (2) в соответствии с требованиями к ускорению и фокусировке ионов и с учетом размеров и тока пучка на конкретном участке ускорительной трубки. Например, потребовав напряженность продольного ускоряющего поля, равную Еz=22 кВ/cм (2, 2 МВ/м), и задав размеры электродов а= 1,5 см (определяет минимальный просвет в апертуре системы электродов, равный 3,0 см), аmax=2,5 см и 1=3,5 см, из формулы (2) получаем радиальный градиент напряженности поля, равный Gr=38,5 кв/см2 в верхней и нижней четвертях квазицилиндрического квадруполя (фокусировка положительно заряженных частиц) и равный Gr= 38,5 кВ/см2 в левой и правой четвертях (дефокусировка). Потенциалы электродов по отношению к потенциалу оси поля в точке наименьшей удаленности электрода от оси равны Ve=±43,3 кВ соответственно. Максимальная напряженность электричского поля на внутренней поверхности рассматриваемых квазицилиндрических квадрупольных электродов, равная Ee = (E
Нужные электрические потенциалы электродов для ускорения и фокусировки заряженных частиц подаются с делителя полного напряжения на кондукторе ускорителя через держатели электродов 3 и не требуют других источников питания. The necessary electric potentials of the electrodes for accelerating and focusing the charged particles are supplied from the full voltage divider to the accelerator conductor through the electrode holders 3 and do not require other power sources.
На фиг. 2 показано условное размещение двух квазицилиндрических квадруполей в фокусирующем дублете при начальном потенциале дублета, равном, например, v0=-1000 кВ в ускорителе прямого действия для положительно заряженных частиц с заземленным источником ионов. Дублет построен по принципу FD и DF-фокусировок соответственно в плоскостях φ= 0, φ = π, z и φ = π/2, φ = 3π/2, z. Потенциалы электродов Ve в плоскости φ=0, φ = π, z равны - 956.7 и - 1000.7 кB и в плоскости φ = π/2, φ=3π/2, z - 1120,3 и - 1077,7 кВ. Электрическая прочность вакуумных промежутков между электродами обеспечивается выбором их размеров и радиусов округлений границ электродов, представленных также на фиг.2.In FIG. Figure 2 shows the conditional placement of two quasicylindrical quadrupoles in a focusing doublet with an initial doublet potential equal, for example, v 0 = -1000 kV in a direct action accelerator for positively charged particles with a grounded ion source. The doublet is constructed according to the principle of FD and DF focusing, respectively, in the planes φ = 0, φ = π, z and φ = π / 2, φ = 3π / 2, z. The potentials of the electrodes V e in the plane φ = 0, φ = π, z are - 956.7 and - 1000.7 kV and in the plane φ = π / 2, φ = 3π / 2, z - 1120.3 and - 1077.7 kV. The electric strength of the vacuum gaps between the electrodes is ensured by the choice of their sizes and radii of rounding of the boundaries of the electrodes, also presented in figure 2.
Расчет фокусировки непрерывно ускоряемых частиц возможен известными методами расчета, и в том числе аналитическими. Численные оценки показывают, что дублет квазицилиндрических квадруполей с представленными выше параметрами имеет фокусное расстояние, определяемое преобразованием пучка частиц по типу "параллели в точку" и отсчитываемое от выходной границы дублета, равное ≅15 см в плоскости FD и равное ≅70 см в плоскости DF без учета дефокусирующего действия пространственного заряда пучка. Волновое число каждой из двух квазицилиндрических квадрупольных линз около 0,13 см-1. Учет пространственного заряда, определяемый уравнением Максвелла divD = 4πρ, где ρ - плотность объемного заряда пучка ускоряемых частиц, показывает, что действие заряда пучка сводится к дефокусировке пучка его внутренним радиально линейным полем с градиентом где j - плотность тока пучка, v - скорость ускоряемых частиц. Например, жесткость приведенных выше квадруполей по отношению к ионам с отношением ионного заряда к массовому числу иона Q/M= 1/30 при плотности тока в пучке j≅10 мА/см2 снижается всего в два раза в фокусирующей плоскости и возрастает в три раза в дефокусирующей. Это не мешает все еще приемлемой фокусировке ионов.The calculation of the focusing of continuously accelerated particles is possible by known calculation methods, including analytical ones. Numerical estimates show that the doublet of quasi-cylindrical quadrupoles with the parameters presented above has a focal length determined by the transformation of the particle beam by the type of “parallel to the point” and counted from the exit boundary of the doublet, equal to ≅15 cm in the FD plane and equal to ≅70 cm in the DF plane without taking into account the defocusing effect of the space charge of the beam. The wave number of each of the two quasi-cylindrical quadrupole lenses is about 0.13 cm -1 . Accounting for the space charge determined by the Maxwell equation divD = 4πρ, where ρ is the space charge density of the beam of accelerated particles, shows that the action of the beam charge reduces to defocusing the beam by its internal radially linear field with a gradient where j is the beam current density, v is the velocity of the accelerated particles. For example, the rigidity of the above quadrupoles with respect to ions with the ratio of the ion charge to the mass number of the ion Q / M = 1/30 at a current density in the beam of j≅10 mA / cm 2 decreases only two times in the focusing plane and increases three times in defocusing. This does not interfere with the still acceptable ion focusing.
Найденное ускоряюще-фокусирующее поле при ускорении положительных ионов исключает встречный ток вторичных электронов, выбиваемых из электродов и молекул остаточного газа, в силу сильного различия фокусирующих действий поля по отношению к ионам и электронам, обусловленного существенным различием их энергий. Этим устраняется так называемый "эффект полного напряжения", который в действующих высоковольтных электростатических ускорителях исключается наклоном плоских ускоряющих электродов к оси системы и уводом электронов от оптической оси ускорителя. The accelerating-focusing field found during the acceleration of positive ions eliminates the counter current of secondary electrons knocked out from the electrodes and molecules of the residual gas, due to the strong difference in the focusing effects of the field with respect to ions and electrons, due to a significant difference in their energies. This eliminates the so-called "full voltage effect", which in existing high-voltage electrostatic accelerators is eliminated by tilting the flat accelerating electrodes to the axis of the system and the removal of electrons from the optical axis of the accelerator.
Квазицилиндрические квадруполи могут быть использованы для сортировки ионных зарядов после обдирки ионов стрипперами в ускорителе так же, как и применяемыми цилиндрическими квадруполями путем их поперечного смещения. Quasicylindrical quadrupoles can be used to sort ionic charges after stripping ions by strippers in the accelerator in the same way as applied cylindrical quadrupoles by their transverse displacement.
Предложенный метод и устройство могут найти применение при решении некоторых фундаментальных научных задач современной ядерной физики, требующих больших токов и прецизионной энергии от ускоренных ионов, а также в некоторых прикладных задачах, требующих экономичных методов ускорения заряженных частиц с большой интенсивностью пучка (ионные движители для космических кораблей, электроядерное генерирование нейтронов для энергетических целей). Наиболее заманчивым кажется применение предложенного метода для электроядерного генерирования интенсивных потоков нейтронов, например, в реакции D+9Be при энергии дейтонов около десяти МэВ для экономически оправданного производства энергии методом управляемого ускорителем безопасного подкритического ядерного реактора, предложенным Руббиа.The proposed method and device can find application in solving some fundamental scientific problems of modern nuclear physics, requiring high currents and precision energy from accelerated ions, as well as in some applied problems requiring economical methods of accelerating charged particles with a high beam intensity (ion propulsion for spacecraft , nuclear fusion of neutrons for energy purposes). The most tempting seems to be the application of the proposed method for electro-nuclear generation of intense neutron fluxes, for example, in the D + 9 Be reaction at a deuteron energy of about ten MeV for economically viable energy production by the accelerator-controlled safe subcritical nuclear reactor proposed by Rubbia.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А. П. Гринберг "Методы ускорения заряженных частиц", М. Л., ГИТТЛ, 1950. С. 27-58.LIST OF REFERENCES
1. A. P. Greenberg "Methods of acceleration of charged particles", M. L., GITTL, 1950. S. 27-58.
2. Е. Г. Комар. "Основы ускорительной техники", М., Атомиздат, ГИТТЛ. 1950. С. 27-58. 2. E. G. Komar. "Fundamentals of accelerator technology", M., Atomizdat, GITTL. 1950.S. 27-58.
2. Е. Г. Комар. "Основы ускорительной техники", М., Атомиздат, 1975, С. 33-47,
3. Е.А. Абрамян и В.А. Гапонов. А.Э. 1966. т. 20, вып.5, с. 385.2. E. G. Komar. "Fundamentals of accelerator technology", M., Atomizdat, 1975, S. 33-47,
3. E.A. Abrahamyan and V.A. Gaponov. A.E. 1966.Vol. 20, issue 5, p. 385.
4. Heavy Ion Laboratory, Newsletter, (Oct.-Dec. 1975) no. 4, Oak Ridge National Laboratori. 4. Heavy Ion Laboratory, Newsletter, (Oct.-Dec. 1975) no. 4, Oak Ridge National Laboratori.
5. J.B. Ball et al. Journ. de Phys. 1976, vol. 37, n. 11, p. С-227. 5. J.B. Ball et al. Journ. de Phys. 1976, vol. 37, n. 11, p. S-227.
Claims (2)
где V(r, φ, z) - электрический потенциал поля в цилиндрической системе координат r, φ и z;
Ez - постоянная ускоряющая составляющая напряженности электрического поля;
Gr - градиент радиальной составляющей напряженности электрического поля;
V(0, 0, z0) - потенциал поля на его оси в начальной точке z0.1. The method of acceleration and focusing of charged particles by a constant electric field containing a longitudinal accelerating and transverse focusing components of the electric field created by a system of electrodes mounted on metal holders passing through the wall of the accelerating tube, through which electric potentials are supplied, characterized in that the charged particles are simultaneously accelerated and focused by a quasi-cylindrical quadrupole field formed in accordance with the formula
where V (r, φ, z) is the electric potential of the field in the cylindrical coordinate system r, φ and z;
E z is the constant accelerating component of the electric field strength;
G r is the gradient of the radial component of the electric field strength;
V (0, 0, z 0 ) is the potential of the field on its axis at the initial point z 0 .
где re(φ,z) - радиус-вектор, описывающий профиль электрода;
Vе - постоянный потенциал, подаваемый через металлический держатель с делителя полного ускоряющего потенциала,
а сами электроды расположены в порядке чередования знака градиента радиальной составляющей напряженности электрического поля.2. Device for accelerating and focusing charged particles with a constant electric field, containing a system of electrodes mounted on metal holders passing through the wall of the accelerating tube, through which electric potentials are supplied to the electrodes, characterized in that the electrodes are made with quasi-cylindrical hyperbolic profiles in accordance with the formula
where r e (φ, z) is the radius vector describing the profile of the electrode;
V e - constant potential supplied through a metal holder with a divider of the full accelerating potential,
and the electrodes themselves are arranged in alternating order of the sign of the gradient of the radial component of the electric field.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99108653/06A RU2212121C2 (en) | 1999-04-26 | 1999-04-26 | Method and device for accelerating and focusing charged particles by constant field |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99108653/06A RU2212121C2 (en) | 1999-04-26 | 1999-04-26 | Method and device for accelerating and focusing charged particles by constant field |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU99108653A RU99108653A (en) | 2001-02-10 |
RU2212121C2 true RU2212121C2 (en) | 2003-09-10 |
Family
ID=29776451
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU99108653/06A RU2212121C2 (en) | 1999-04-26 | 1999-04-26 | Method and device for accelerating and focusing charged particles by constant field |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2212121C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2558384C2 (en) * | 2013-09-02 | 2015-08-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) | Gas stripping target |
-
1999
- 1999-04-26 RU RU99108653/06A patent/RU2212121C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ВALL J.B. and al. The holifield heavy-ion research facility of OAK ridge. Journal de physique. №37; 1976, р.227-231. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2558384C2 (en) * | 2013-09-02 | 2015-08-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) | Gas stripping target |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2344577C2 (en) | Plasma accelerator with closed electron drift | |
US8723451B2 (en) | Accelerator for charged particles | |
RU2569324C2 (en) | Accelerator for two particle beams for producing collision | |
US8754596B2 (en) | DC high voltage source and particle accelerator | |
RU2212121C2 (en) | Method and device for accelerating and focusing charged particles by constant field | |
RU149963U1 (en) | ION TRIODE FOR NEUTRON GENERATION | |
US4349505A (en) | Neutral beamline with ion energy recovery based on magnetic blocking of electrons | |
Rashchikov et al. | Compact plasma reflex triode for neutron generation | |
Dubniuk et al. | Radiation complex on the basis of helium ions linac | |
RU2558384C2 (en) | Gas stripping target | |
US4789839A (en) | Method and apparatus for injecting charged particles across a magnetic field | |
US4737726A (en) | Charged particle beam storage and circulation apparatus | |
Stetter et al. | Development of a plasma lens as a fine focusing lens for heavy-ion beams | |
Ferrario et al. | Introduction to Particle Accelerators and their Limitations | |
RU2556038C1 (en) | Pulse generator of neutrons | |
RU143417U1 (en) | PULSE NEUTRON GENERATOR | |
Palkovic et al. | Measurements on a Gabor lens for neutralizing and focusing a 30 keV proton beam | |
JPS60121655A (en) | High voltage ion driving device | |
EP2716141B1 (en) | Particle accelerator and method of reducing beam divergence in the particle accelerator | |
Sharkov et al. | Matching of the intensive laser ion source to the RFQ accelerators | |
Tiunov et al. | Simulation of high current electron and ion beam dynamics for EBIS | |
Ferrario et al. | arXiv: Introduction to Particle Accelerators and their Limitations | |
Derevyankin et al. | The ion-optical channel of 2.5 MeV 10 mA tandem accelerator | |
JPH0552639B2 (en) | ||
Kwan et al. | Electrostatic quadrupole DC accelerators for BNCT applications |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20040427 |