ш
X
CU
ч
О
408 в
нения периода магн. поля, его величины, тока лучка и периода дробления пучка.
Волновые ускорители. Это направление является развитием предложения о плазменных волноводах. В электронном пучке, распространяющемся в вакууме и удерживаемом продольным мага, полем Л, возбуждается и используется для ускорения ионов волна пространств, заряда с отрицат. энергией, т. е. волна, для к-рой характерно увеличение амплитуды ускоряющего ионы поля по мере затраты энергии па ускорение ионов (рис. 2). Проведены два демонстрац. эксперимента, показавшие возможность возбуждения и управления такой волной. В экспериментах исполь-
н
Рис. 2. Ускорение медленной волной в пучке: 1 ≈ электронный пучок; 2 ≈ медленная волна; 3 ≈ ионы, захваченные волной.
зевались волны разной физ. природы: циклотронная [5] и ленгмюровская [6], обладающие отрицат. энергией. Для волновых ускорителей наиб, сложным является получение низких нач. фазовых скоростей волны, необходимых для инжекции ионов в потенц. яму волны. В опытах с циклотронными волнами для этого используют низшую циклотронную моду. Для е╦ возбуждения применяют спиральную секцию, резонансно возбуждаемую на круговой частоте щ. При этом фазовая скорость возбуждаемой в пучке волны равна
412
(2)
где уе ≈ скорость электронов, eB/ymc=Q ≈ циклотронная частота (е и т ≈ величина заряда и масса электрона, В ≈ магн. индукция). Создавая сильное магн. поле (большие значения Q) и выбирая сравнительно низкую частоту wu, фазовую скорость вначале можно сделать достаточно малой для захвата ионов в режим ускорения. Последующее увеличение фазовой скорости осуществляется за сч╦т уменьшения магн. поля по длине ускорения. [Для аналогичного ускорителя с ленгмюровскими волнами параметром, меняющим фазовую скорость, является плазменная частота, к-рую можно регулировать изменением геом. фактора (напр., расстояния от пучка до стенки трубы дрейфа).] Ниже приведены рассчитанные в 15] параметры строящегося ускорителя такого типа.
Энергия электронного пучка ....... .≈3 МэВ
Ток электронного пучка в импульсе . . . . ≈ 30 кА
Длительность импульса тока пучка . . * . ≈200 не Частота циклотронной волны .....,,.≈ 250 МГц
Магнитная индукция по длине ...... . ≈ 25 кГс ≈2 кГс
Энергия ионов ..............*. . ≈ 30 МэВ
Ток ионов в импульсе ............ ≈BG А
Длина ускорителя ..,.....,,.,,,≈4м
Точности поддержания параметров для обеспечения синхронизации во вс╦ время ускорения очень высоки, и это определяет сложность реализации ускорителя.
Ускорители с электронными кольцами используют для ускорения и удержания ионов потенциальную яму специально сформированного кольца релятивистских электронов. Метод был предложен в ОИЯИ (Дубна) в 1967 [7].
В плотном электронном сгустке электрич. поле на границе определяется плотностью числа электронов р и размерами сгустка я, т. е. пропорционально р/а. В центре сгустка поле равно нулю, и, т. о., сгусток образует потенц. яму. Помещ╦нный в такой сгусток положит, ион с зарядом Ze и массой М будет испытывать действие силы поля сгустка, направленное к его центру, и совершать колебат. движения. Ион удерживается потенц. ямой электронного сгустка. Если под действием внеш. сил электронный сгусток начн╦т дви-
гаться с ускорением и>, то силы инерции, действующие на ион, Mw, будут направлены противоположно силам удержания. Если сгусток электронов и внеш. силы, определяющие ускорение, выбраны правильно: £2р/а>Л/о>, то ион движется вместе со сгустком, т. е. скорости сгустка и иона в среднем совпадают, При этом приобрет╦нные энергии электронов и ионов будут соотноситься (при одинаковых скоростях) как массы частиц: М/т. Даже для самого л╦гкого из ионов ≈ протона это отношение равно 1840, для остальных ионов оно в А раз больше (А ≈ атомный номер элемента). Такой большой выигрыш в энергии иона делает реализацию данного метода весьма перспективной. В привед╦нных рассуждениях предполагалось сохранение первонач. размеров сгустка электронов, что обеспечивает непрерывность процесса ускорения. Одним из отличий этого метода ускорения от других К. м. у. является то, что среди условий, наложенных на сгусток, есть условие сохранения его размеров (также за сч╦т собств. полей). Всем условиям, наложенным на сгусток, удовлетворяет образование в виде компактного кольца релятивистских электронов, движущихся в магн. поле, в сечении к-рого находятся покоящиеся ионы. Число ионов выбрано так, что удовлетворяется условие самофокусировки: Л'е/у2<Лг,'<Л'е, где N{ и JVe ≈ соответственно число ионов и электронов в кольце. Если у>1, то имеются широкие возможности выполнения этого соотношения. Варьируя число ионов, можно обеспечить в ускорителе как условия набора энергии ионами, так и достаточно большое количество ионов в одном кольце. Для прототипов ускорителей такого вида величина у выбрана равной 30≈40. При этом, естественно, как во всех К, м. у., необходимо иметь достаточную плотность электронов в кольце ≈ именно это определяет большую эффективность ускорения. Напряж╦нность электрич. поля на границе сечения кольцевого сгустка равна:
где R ≈ радиус кольца, а ≈ радиус его сечения.
Принцип работы такого ускорителя и реальные его параметры рассмотрим на примере конкретной схемы ускорителя ОИЯИ [8]. Инжек-тором электронов служит индукц. линейный ускоритель, позволяющий получать сравнительно высокие импуль'сные токи электронов (неск. 3 5 кА) с малым разбросом частиц по
Рис. 3. Ускорение электронными кольцами: 1 ≈ адгезатор; 2 ≈ сечение кольца электронов до сжатия; 3 ≈ сжатое электронное кольцо; 4 ≈ ускоренное электрон-ионное кольцо; 5 ≈ ускоряющее
энергиям, что существенно для получения плотных сгустков. Инжекция и захват электронов на замкнутук> орбиту происходят в магн. поле т. н. адгезатора ≈ адиабатич. генератора заряж. тороидов, В адгсзаторе формируется компактное кольцо электронов за сч╦т адиабатич. (медленного по сравнению с периодом обращения электронов) сжатия в растущем магн. поле. При этом R и а кольца (так же, как в бетатроне с перемеиным^радиусом) изменяются обратно пропорционально У В (рис. 3}. Энергия электронов, а следовательно, и фактор v увеличиваются пропорционально у В. Для конкретного ускорителя после сжатия в адге-заторе: #е = 1013, Я = 3 см, д=0,15 см, у=35, что обеспечивает поле на границе кольца 10е В/см. В "этом состоянии источник нейтральных атомов (напр., водорода) формирует их поток сквозь электронное кольцо. Электроны ионизуют проходящий сквозь кольцо газ, и образовавшиеся ионы автоматически попадают в
