Способ ускорения заряженных частиц

 

Изобретение служит для повьппения темпа ускорения в области высоких энергий, увеличения величины предельно достигаемых энергий и расширения вида ускоряемых частиц. Оптический пучок направляется в систему зеркал 3-10 и последовательно пересекает пучок 2 ускоряемых частиц (Ч) ггод небольшим углом oi, ii. 1 . Размеры зон пересечения пучков 11-14 ограничены вследствие ограниченных поперечных размеров пучков и конечного угла оС 1/у, где у - энергия ускоряемых частиц в единицах энергии покоя тс . Длины зон пересечения пучков 11-14 не превьпиают 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 магнитотормозное излучение электронов , кроме потерь на излучение в системах проводки и фокусировки пучка 2, удерживающих Ч в пределах прямолинейного тракта. В способе заложена возможность ускорения не только электронов , но и более тяжелых Ч, включая протоны и ионы, с тем же темпом ускорения . Кроме того, заложена возможность увеличения темпа ускорения по сравнению с обращенным лазером на свободных электронах. 1 ил. с ф (Л 00 00 00

СО)ОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) А1 (5)) 4 H 05 Н 15/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К А ВТОРСКОМУ СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ (21) 3972728/24-21 (22) 04.1 1.85 (46) 15.09.87. Бюл. У 34 (72) А.А.Варфоломеев (53) 621.384.6(088.8) (56) Sessler А.М. Lazer. Accelегоtors

IEEE Trans Nucl. Sci., 1983, V.NS-30, У 4, р. 3145-3147.

Pellegrini С. А. high Energy е е

Collider Osing an Inverse Free Electron Lazer Accelегоtor. Proc of the

ECFA-RAL Meeting. Oxford. 1982, р. 249-251. (54) СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЗАРЯ)(ЮННЫХ ЧАСТИЦ (57) Изобретение служит для повьппения темпа ускорения в области высоких энергий увеличения величины предельно достигаемых энергий и расширения вида ускоряемых частиц. Оптический пучок направляется в систему зеркал

3-10 и последовательно пересекает пучок 2 ускоряемых частиц (Ч) под небольшим углом а сс 1. Размеры зон пересечения пучков 11-14 ограничены вследствие ограниченных поперечных размеров пучков и конечного угла

o(, I/f где у — энергия ускоряемых частиц в единицах энергии покоя mc .

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, удерживающих Ч в пределах прямолинейного тракта. В способе заложена возможность ускорения не только электронов но и более тяжелых Ч, включая протоны и ионы, с тем же темпом ускорения. Кроме того, заложена возможность увеличения темпа ускорения по сравнению с обращенным лазером на свободных электронах. 1 ил.

1 13381

Изобретение относится к ускорителям заряженных частиц, в которых ускоряюшие поля создают с помощью лаверных пучков.

t)

Целью изобретения является повышение темпа ускорения в области высоких энергий, увеличение величины предельно достигаемых энергий и расширения видов ускоряемых частиц, что позволя- 10 ет существенно повысить эффективность лазерного способа ускорения.

На чертеже схематично показан ускоритель, с помощью которого осуществляют предлагаемый способ. 15

Ускоритель содержит источник 1 лазерного излучения, пучок ускоряемых заряженных частиц 2, боковые отражающие зеркала 3-10, зоны пересечения пучков 11 — 14, при этом оси пучков рас-20 положены неколлинеарно.

Способ осуществляют следующим об25 разом.

Из лазерного источника 1 оптический пучок направляется на систему зеркал 3-10 и последовательно пересекает пучок ускоряемых частиц 2 под небольшим углом < 1. Размеры зон пересечения пучков 11 — 14 ограничены вследствие ограниченных поперечных Зр размеров пучков и конечного угла

a > I/g, где — энергия ускоряемых частиц в единицах энергии покоя mc

Длины зон пересечения не превышают значений длины, на которой сохраняется знак силы, действующей на частицу за счет продольной составляющей электрической напряженности волны,,„ /2

2,2 г

"- g„(1+a . I5,), где Ús — длина Волны лазерного излучения резОнанс 40 н,е значение релятивистского фактора

Между этими зонами взаимодействия пучков частицы пролетают через зоны свободного дрейфа. Расстояние между зеркалами и длины зон свободного дрейфа согласованы таким образом чтобы выполнялось условие L-Л(1+1/2,):

n ),, где L оптический ход лазерного луча на участке между одноименными точками соседних секций; — рас—

50 стояние между этими точками по оси пучка ускоряемых частиц (период секции) n — целое число.

В предлагаемой схеме относительная фаза частицы в волне Ф не успевает меняться более, чем на н при проле/

55 те одной рабочей зоны пересечения пучпучков, а при переходе к следующей зоне пересечения эта фаза меняется

17 2 на целое кратное 2 . В результате знак 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 уравнениями

1 адиочастотных линейных ускорителей.

-d(F $<) k sins (s in -s in P )

dZ с с1 4 (- У, dZ Э

Здесь использованы следующие обозначения:, — резонансное значение энергии частицы в единицах mc ; (эв) зависимость которой от координаты

Z(м по оси пучка ускоряемых частиц

Г -1 определяет задаваемый темп усхорения; Ф„ — резонансная относительная фаза, определяемая темпом ускорения; частота лазерной волны (1/cj;

К = eE, / — приведенная амплиоО Сч туда 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 увеличении у „ вдоль оси Z 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„/ g = еН,„о „/2 стоит произведение ksin w "- k a. 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 = 2 h /

5

/(К + 1) зависимость ондуляторной постоянной имеет вид

1338117 (о еН„. ъ

- г (2) где m = 1, для К 1 и m = 1/3 для

К >) 1.

Различие в темпах ускорения, которые можно получить предлагаемым способом и с помощью ОЛСЭ определяется отношением коэффициента связи к ау 1ð и постоянной (2).

Более конкретные результаты оценок темпов ускорения можно получить для определенных параметров, входящих в приводимые формулы. Поскольку получение магнитных полей с индукцией

) 1 Тл сопряжено с значительными техническими трудностями, вследствие чего возможный интервал изменения индукции ондуляторного поля невелик, допустим что напряженность магнитного поля отвечает индукции в 1 Тл. Без потери общности положим также

-4

5 — 10 см. В этом случае выигрыш в темпе ускорения электронов по сравне- 25 нию с темпом ускорения в ОЛСЭ будет равен численно коэффициенту связи к для энергий электронов меньше

50 МэВ (у - 100), а в области более высоких энергий (» 100) темп уско- др рения электронов в рассматриваемой схеме может быть выше темпа ускорения в ОЛСЭ примерно в 5,8 к Кт раз, если даже не учитывать потери на излучение.

В приведенных оценках не вводились

35 ограничения на угол <й типа м < d/Ъ „ где d — диаметр электронного пучка, так как при необходимости пересечение взаимодействующих пучков можно осу4Р ществлять более чем один раз на дли7 не периода

Для протонов постоянная К на три порядка меньше, чем для электронов при прочих равных параметрах. Компенси45 ровать это уменьшение К„ путем увеличения магнитного поля Н не удаетow ся из-за технических трудностей получения достаточно сильных магнитных полей. Из выражения (2) следует, что в интервале до значений = 3 10 темп ускорения протонов, достижимый в схеме типа ОЛСЭ, более, чем на порядок величины ниже темпа ускорения электронов. 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 g, т.е. быстро растут с энергией ускоряемых электронов. В схемах ОЛСЭ, основанных на взаимодействии коллинеарных пучков, значительные потери на магнитотормозное излучение будут также 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, кроме потерь на излучение в системах проводки и фокусировки пучка, удерживающих ускоряемые частицы в пределах прямолинейного 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 боковой дрейф можно подавить и другим способом. Например, с помощью зеркал ре13381

Составитель Е.Громов

Редактор lO.Ñåðåäà Техред И.Попович Корректор Л.Бескид

Заказ 4 149/58 Тираж 801 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.q д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 зонатора можно обеспечить поворот волнового вектора лазерной волны на некоторый угол по азимуту вокруг оси Z при переходе от одной ускорительной секции к следующей. Соответ5 ствующим образом будет поворачиваться вектор поперечной составляющей поля лазерной волны. На длине многих секций эффект от поперечных составляю- щих 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, заложена 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.

17

Формула изобретения

Способ 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 шийся 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. !