Пространственно-однородная квадрупольная фокусировка. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Пространственно-однородная квадрупольная фокусировка - фокусировка пучков заряж. частиц в линейных ускорителях или каналах транс-портировки, обусловленная чередованием во време-ни направления квадрупольно-симметричного элек-трич. поля. Практич. разработка структур с П--о. к. ф. началась в СССР в 1970 (за рубежом широко развернулась с 1979). До 70-х гг. в линейных ускорителях и каналах транспортировки была известна фокусировка частиц со знакопеременной пространственно-периодич. структурой, состоящей из статич. квадрупольных линз. Один из возможных пространственных периодов такой структуры показан на рис. 1 (и - пост. напряжение на электродах). В отличие от пространственно-периодич. фокусирующих структур, канал с П--о. к. ф.

Рис. 1. Пространственно-периодический квадрупольный фокусирующий канал.

в принципе представляет собой длинную четырёхпро-водную линию с квадрупольной симметрией, на к-рую подано ВЧ-напряжение (рис. 2). Заряж. частицы, движущиеся вдоль продольной оси симметрии, испытывают действие поперечного электрич. поля с перем. знаком градиента. Это приводит к эффекту квадрупольной фокусировки в пространственно-однородной структуре. Направление сил, действующих на движущуюся частицу, в каждой из координатных плоскостей меняется на длине пути, соответствующей половине периода ВЧ-поля. Длина периода фокусировки составляет

, где

- скорость частицы, l - длина волны электрич. поля в свободном пространстве. Макс. градиент фокусирующего поля в первом приближении равен

где

- амплитуда ВЧ-напряжения, a - мин. расстояние от оси до электрода.

Рис. 2. Пространственно-однородный квадрупольный фокусирующий канал.

В канале с П--о. к. ф. может быть создана продольная ускоряющая компонента электрич. поля за счёт пе-риодич. изменения потенциала вдоль продольной оси симметрии с периодом bl, что позволяет использовать этот тип фокусировки в линейном ускорителе. Необходимое изменение потенциала возникает при периодич. модуляции расстояний с периодом bl между противостоящими электродами, если фазы модуляции для электродов с противоположными полярностями сдвинуты на 180°. Другими словами, когда расстояние между электродами, лежащими в горизонтальной плоскости, возрастает, то расстояние между электродами, лежащими в вертикальной плоскости, уменьшается. Амплитуда разности потенциалов на периоде ускорения bl/2 в первом приближении составляет

m - отношение макс. расстояния от оси симметрии до ближайшей точки электрода к минимальному, k = = 2p/bl, I₀ - модифициров. функция Бесселя нулевого порядка. При модуляции формы электродов и заданном их мин. расстоянии от оси ускорителя сила фокусировки снижается примерно на 40-50%; появляется, как и при пространственно-периодич. фокусировке (см. Квад-рупольная фокусировка), высокочастотный дефокуси-рующий эффект.

В линейных ускорителях с П--о. к. ф. сила фокусировки не зависит от энергии частиц и от их фазы относительно ВЧ-поля. Все частицы фокусируются примерно одинаково. Это позволяет спец. образом использовать эффект автофазировки. В непрерывном пучке на входе ускорителя сгустки частиц следуют вплотную друг за другом, но по мере роста скорости частиц они раздвигаются, сохраняя приблизительно неизменные гео-метрич. размеры и, следовательно, пост. плотность пространственного заряда. Захват частиц в режим ускорения может достигать 95-97%, что вдвое выше лучших значений этого параметра в др. известных структурах. Линейные ускорители с П--о. к. ф. могут работать при весьма низких нач. скоростях частиц. Но при малых нач. скоростях сохраняется высокое предельное значение тока пучка.

Эффект П--о. к. ф. используется в инжекторах протонных и тяжелоионных синхротронов. Использование П--о. к. ф. в линейных ускорителях дало возможность получить сильноточные пучки ионов, применяемые в ряде новых технологий: в создании высокопоточных нейтронных генераторов для радиац. материаловедения, связанного с проблемами термоядерных реакторов; формировании сильноточных пучков протонов для электроядерного метода "наработки" ядерного горючего, для уничтожения радиоактивных отходов АЭС; создании линейных ускорителей сверхтяжёлых малозарядных ионов для ионного термоядерного синтеза, создании малогабаритных генераторов мощных атомных пучков. Осн. трудности создания линейного ускорителя были связаны с низким коэф. захвата частиц в режим ускорения и с высокой энергией инжекции, при к-рой электростатич. предускорители теряли электрич. прочность.

В линейных ускорителях протонов и ионов

используются частоты в диапазоне 80-450 МГц. Для создания ВЧ-напряжения на четырёхпроводной линии в этом диапазоне применяются четырёхкамерные объёмные резонаторы разл. конструкции с продольной магн. волной.

В зависимости от типа иона и требуемых параметров пучка в линейных ускорителях тяжёлых ионов используются частоты в диапазоне 6-30 МГц. Разработаны резонансные структуры в виде четвертьволновых отрезков коаксиальной линии с разрезным внутр. стеблем; разработаны также резонансные структуры, содержащие сосредоточенные индуктивности.

В модулиров. четырёхпроводных линиях применяются преим. цилиндрич. электроды с периодически меняющимся диаметром или плоские электроды перем. длины, каждый из к-рых ограничен в сечении полукругом с постоянным по всей длине радиусом.

Область устойчивости поперечных колебаний частиц по координатам и импульсам на входе канала с П--о. к. ф. изменяется с частотой перем. фокусирующего поля. Реализованы разл. методы согласования статич. пучка на входе канала с перем. областью устойчивости.

Литература по пространственно-однородной квадрупольной фокусировке

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.