Способ ускорения заряженных частиц

 

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.

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 , V_o - соответственно амплитуда и фазовая скорость основной волны; ε₁, V_ф - 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 V_o. 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 V_ф. Электрическое поле суммы двух волн в канале ускорителя имеет вид: E = e ˙I_o(K_r˙r)˙cosΦ+e₁I_o(κ_rr)cosϑ, (1) где Φ = Z - ωt, Ψ = Z - ωt (2) Φ, ϑ - фазы основной и дополнительной волн; I_o(. . . ) - функция Бесселя нулевого порядка, K_r= - , κ_r = - , р - период структуры; κ - вид колебаний;
r - расстояние частицы до оси канала.

В дальнейшем считаем, что K_r< κ_r и I_o(K_rr) ≃ 1.

Частицы пучка в магнитном поле двигаются по винтовой линии, вращаясь в поперечной плоскости с циклотронной частотой ω_r= 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 .

Разложим I_o(. . . ) в ряд с учетом (3) по пространственным гармоникам оптической траектории частицы:
I_o(κ_r·r) = (-1)^m·I_o(κ_r·R)·I_o(κ_rρ)·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(κ_rR)·I₁(κ_rρ),
g = , Ω = , v = ,
ϕ = φ - K_rR, Ψ = Ψ - Z - κ_rR. 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.

Формула изобретения

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 , v_о / v_ф = μ (B / ω ) + 1,
где ε , v_о - амплитуда и фазовая скорость основной волны, м/с;
ε₁ , v_ф - амплитуда и фазовая скорость дополнительной волы, м/с;
μ - удельный разряд частицы;
B - индукция магнитного поля, Тл;
ω - круговая частота волны, Гс.

РИСУНКИ

Рисунок 1