JPH0722040B2 - Particle beam accelerator - Google Patents
Particle beam acceleratorInfo
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- JPH0722040B2 JPH0722040B2 JP12910286A JP12910286A JPH0722040B2 JP H0722040 B2 JPH0722040 B2 JP H0722040B2 JP 12910286 A JP12910286 A JP 12910286A JP 12910286 A JP12910286 A JP 12910286A JP H0722040 B2 JPH0722040 B2 JP H0722040B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、粒子ビームの加速もしくは蓄積を行う粒子
ビーム加速装置に関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a particle beam accelerator for accelerating or accumulating a particle beam.
第3図は例えば、ミヤハラ・ヨシカズ他;スーパーコン
ダクテイング・レーストラツク・エレクトロン・ストレ
ージ・リング・アンド・コエグジスタント・インジエク
タ・マイクロトロン・フオー・シンクロトロン・ラジエ
ーシヨン(Superconducting Racetrack Electron Stora
ge Ring and Coexistent Ingector Microtron for Sync
hrotron Radiation),テクニカルレポート・オブ・ISS
P,No.21(1984年9月)に示された、従来の電子ビーム
加速装置の模式図である。図において、(1)は電子ビ
ーム平衡軌道、(2)は高周波加速空胴(以下RF加速空
胴とする)、(3)は収束用磁石、(4)は偏向用磁石
である。Figure 3 shows, for example, Miyahara Yoshikaz et al;
ge Ring and Coexistent Ingector Microtron for Sync
hrotron Radiation), Technical Report of ISS
It is a schematic diagram of the conventional electron beam accelerator shown by P, No. 21 (September, 1984). In the figure, (1) is an electron beam equilibrium orbit, (2) is a high frequency acceleration cavity (hereinafter referred to as RF acceleration cavity), (3) is a focusing magnet, and (4) is a deflection magnet.
次に動作について説明する。電子ビームは、そのエネル
ギー、偏向用磁石(4)および収束用磁石(3)の磁界
値で決まる一定の閉軌道である平衡軌道(1)上を周回
する。この平衡軌道(1)で示された電子蓄積リングで
は、電子が偏向される際に生ずるシンクロトロン放射光
によるエネルギーの損失分を、RF加速空胴(2)により
補給し、常に一定のエネルギーの電子を蓄積している。
しかしながら、通常この電子のエネルギーには一定の幅
(これはエネルギー分散と呼ぶ)がある。このエネルギ
ー分散がどのようにして決まるかを、以下に説明する。Next, the operation will be described. The electron beam orbits on an equilibrium orbit (1) which is a fixed closed orbit determined by its energy and the magnetic field values of the deflecting magnet (4) and the focusing magnet (3). In the electron storage ring shown in this equilibrium orbit (1), the energy loss due to the synchrotron radiation generated when the electrons are deflected is replenished by the RF accelerating cavity (2), and a constant energy Accumulating electrons.
However, the energy of this electron usually has a certain width (this is called energy dispersion). How the energy dispersion is determined will be described below.
電子がRF加速空胴(2)に来た時間を、RF電圧の位相に
変換して考える。電子の一周当りの放射光量、すなわち
エネルギーの損失分と、RF電圧すなわち補給分による加
速が等しくなる位相をφ0とする。もし何らかの原因で
電子のエネルギーが基準値より高ければ、電子は平衡軌
道(1)の外を通ることとなる。この場合、RF加速空胴
(2)に到達した時にはψ0より位相が多少遅れた状態
となり、加速電圧は放射光によるエネルギー損失よりも
小さくなる。このため、電子のエネルギーは毎回転減少
してゆく。しかし、基準値より低いエネルギーになると
逆の現象が発生し、エネルギーは上昇する。このように
して高周波の位相上で電子はψ0の回りを振動運動する
こととなる(シンクロトロン振動)。しかし実際には、
一回転当りの粒子の放射光量はエネルギーの二乗に比例
するため、上記の振動運動に一種の制動が加えられる
(シンクロトロン減衰)。従つて、リング内の電子のエ
ネルギー分散は、シンクロトロン放射光によるエネルギ
ーのゆらぎと、シンクロトロン減衰の釣り合いによつて
決定される。この結果として、エネルギー分散は偏向用
磁石(4)の曲率半径の平方根に逆比例する。Consider the time when the electron came to the RF acceleration cavity (2) converted to the phase of RF voltage. The phase at which the amount of radiated light per round of the electron, that is, the amount of energy loss and the acceleration by the RF voltage, that is, the amount of replenishment, are equal is φ 0 . If the electron energy is higher than the reference value for some reason, the electron will pass out of the equilibrium orbit (1). In this case, when the RF accelerating cavity (2) is reached, the phase is slightly behind that of ψ 0 , and the accelerating voltage becomes smaller than the energy loss due to the emitted light. Therefore, the energy of the electron decreases every rotation. However, when the energy is lower than the reference value, the opposite phenomenon occurs and the energy rises. In this way, the electrons oscillate around ψ 0 on the phase of the high frequency (synchrotron oscillation). But in reality,
Since the amount of emitted light of particles per rotation is proportional to the square of energy, a kind of damping is applied to the above-mentioned vibrational motion (synchrotron attenuation). Therefore, the energy dispersion of electrons in the ring is determined by the energy fluctuation due to the synchrotron radiation and the balance of the synchrotron attenuation. As a result of this, the energy dispersion is inversely proportional to the square root of the radius of curvature of the deflecting magnet (4).
従来の粒子ビーム加速装置では、エネルギー分散は前述
のようにして決定されるが、エネルギー分散の大きさは
できるだけ小さいことが要求される。もし、エネルギー
分散が大きければ、電子ビームの軌道が拡がり、ビーム
断面積が大きくなる、ビーム長が長くなる等の粒子密度
の減少をもたらす。このことは、粒子ビームの衝突実験
を行う際、衝突頻度の減少につながる。このため、非常
に大きな電流を蓄積する必要があり、ビームの不安定性
等の問題点がある。さらに、ビーム径が増大すると、ビ
ームを通す真空容器(第3図では省略)を大きくした
り、磁石の有効磁界領域を広げる必要が生じ、これら
は、装置全体の大形化を招くこととなり、コストや専有
面積での問題も生じてくることになる。In the conventional particle beam accelerator, the energy dispersion is determined as described above, but the energy dispersion is required to be as small as possible. If the energy dispersion is large, the orbit of the electron beam spreads, resulting in a large beam cross-sectional area, a long beam length, and the like, resulting in a decrease in particle density. This leads to a reduction in the frequency of collisions when conducting particle beam collision experiments. Therefore, it is necessary to store a very large current, which causes problems such as instability of the beam. Further, as the beam diameter increases, it becomes necessary to enlarge the vacuum container (not shown in FIG. 3) through which the beam passes and to expand the effective magnetic field region of the magnet, which leads to an increase in the size of the entire device. There will be problems in cost and occupied area.
この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、粒子ビームのエネルギー分散を非常に小さく
できる粒子ビーム加速装置を得ることを目的とする。The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to obtain a particle beam accelerating device capable of extremely reducing the energy dispersion of a particle beam.
この発明に係る粒子ビーム加速装置においては、横方向
偶数次TMモードの高周波磁界を形成するビーム冷却用高
周波加速空胴を粒子ビームの閉軌道上に設け、その近傍
における蓄積リングの分散関数ηを大きくしたものであ
る。In the particle beam accelerator according to the present invention, a high-frequency acceleration cavity for beam cooling that forms a high-frequency magnetic field in the lateral even-order TM mode is provided on the closed orbit of the particle beam, and the dispersion function η of the storage ring in the vicinity thereof is It is a big one.
この発明においては、ビーム冷却用高周波加速空胴が横
方向偶数次TMモードの高周波電磁界を励振して、高速電
子を減速し、低速電子を加速するので、エネルギー分散
を小さく取ることができる。すなわち、従来の電子蓄積
リングにおいてビームエネルギー分散(δ/E)、シンク
ロトロン放射減衰と放射励起の釣り合いで決定され、約
0.1%程度であつた。そこでこの発明では、ビームエネ
ルギーの違いによりビーム軌道が中心軌道(平衡軌道)
よりわずかに異なる性質に着目し、電子ビームを横方向
偶数次TMモード、例えばTM10モードの定在波中を通過さ
せることにより、エネルギーの大きい粒子には減速作
用、小さい粒子には加速作用を行わせる。この発明のビ
ーム冷却用高周波加速空胴は非常に高い高周波(1GHz)
でも効果があり、従つて装置が小さなサイズででき、ビ
ームエネルギー分散(δ/E)も約10-5が達成可能とな
る。In the present invention, since the high-frequency accelerating cavity for beam cooling excites the high-frequency electromagnetic field in the lateral even-order TM mode to decelerate the high-speed electrons and accelerate the low-speed electrons, the energy dispersion can be made small. That is, it is determined by the balance between beam energy dispersion (δ / E), synchrotron radiation attenuation and radiation excitation in the conventional electron storage ring,
It was about 0.1%. Therefore, in this invention, the beam orbit is the central orbit (equilibrium orbit) due to the difference in beam energy.
Focusing on a slightly different property, by passing the electron beam through a standing wave in the lateral even-order TM mode, for example, TM 10 mode, a decelerating action is given to particles with high energy and an accelerating action is given to particles with small energy. Let it be done. The high frequency accelerating cavity for beam cooling of this invention has a very high high frequency (1 GHz)
However, it is effective, and therefore the device can be made small, and the beam energy dispersion (δ / E) of about 10 -5 can be achieved.
以下、この発明の一実施例を第1図に示し、これについ
て説明する。第1図において、(1)〜(4)は第3図
に示した粒子ビーム加速装置のものと同じであり、
(5)はこの発明において設けられたビーム冷却用高周
波加速空胴(以下冷却用RF加速空胴とする)である。ま
た、第2図には冷却用RF加速空胴(5)の断面図が示さ
れており、(1a)は電子ビームの平衡軌道(1)の向
き、(6a)および(6b)は冷却用RF加速空胴(5)がTM
210モードで発生する高周波電界の向きを示している。
なお、(6a)側が蓄積リングの内側になる。An embodiment of the present invention is shown in FIG. 1 and will be described below. In FIG. 1, (1) to (4) are the same as those of the particle beam accelerator shown in FIG.
(5) is a beam cooling high-frequency acceleration cavity (hereinafter referred to as a cooling RF acceleration cavity) provided in the present invention. Further, FIG. 2 shows a sectional view of the cooling RF acceleration cavity (5), (1a) is the direction of the electron beam equilibrium orbit (1), and (6a) and (6b) are for cooling. RF acceleration cavity (5) is TM
The direction of the high frequency electric field generated in 210 mode is shown.
The (6a) side is the inside of the storage ring.
ここで、TM,TEモードについて簡単に説明しておくと、
今、x,y,zの3次元の空間を考え、z方向を電磁波の進
行方向とする。今回は、この方向と電子ビームの進行方
向とが一致している。ここで、Eを電界、Hを磁界とす
ると、Ez≠0、Hz=0、すなわち磁界のz方向成分
Hzが零の電磁波をTMモード、Ez=0、Hz≠0、す
なわち電界のz方向成分Ezが零の電磁波をTEモードと
いう。次にモードについてであるが、例えばTMモードを
考えてみる。Ezの方程式は次式のようになる。Here, a brief explanation of TM and TE modes is as follows.
Now, consider a three-dimensional space of x, y, and z, and let the z direction be the traveling direction of electromagnetic waves. This time, this direction coincides with the traveling direction of the electron beam. Here, when E is an electric field and H is a magnetic field, E z ≠ 0, H z = 0, that is, an electromagnetic wave in which the z direction component H z of the magnetic field is a TM mode, E z = 0, H z ≠ 0, that is, An electromagnetic wave in which the z-direction component E z of the electric field is zero is called a TE mode. Next, regarding modes, let us consider the TM mode, for example. The equation of E z is as follows.
今、第4図に示すような直方体内のTM波を考える。Ez
の境界条件は、 x=0,aでEz=0, y=0,bでEz=0, となり、(1)式を解くと、 と表わされる。l,m,nをモード数といい、そのモードの
波をTMl,m,nモードを呼ぶ。例えば、第5図(A)はTM
110モード、第5図(B)は実施例のTM210モード、第図
(C)はTM120モード、第5図(D)はTM111モードのそ
れぞれEzを示したものである。l,nはそれぞれx,y,z方
向に関して0からa,b,cの間にEzが極大もしくは極小
になる山の数を示している。従つて、例えばTM310モー
ドであれば、x方向の0からaの間でEzは0から極大
になり、また0を通つて極小となり、さらにまた0を通
つて極大となり、aで0に戻るようなものになる。 Now consider a TM wave in a rectangular parallelepiped as shown in FIG. E z
Boundary conditions are: x = 0, a, E z = 0, y = 0, b, E z = 0, And solving equation (1) gives Is represented. l, m, n is called the number of modes, and the wave of that mode is called TM l, m, n mode. For example, Fig. 5 (A) shows TM
110 mode, FIG. 5 (B) is TM 210 mode embodiment, the FIG (C) is TM 120 mode, FIG. 5 (D) shows the respective E z of the TM 111 mode. l and n indicate the number of peaks at which E z is maximum or minimum between 0 and a, b, and c in the x, y, and z directions, respectively. Therefore, for example, in the TM 310 mode, E z increases from 0 to a maximum between 0 and a in the x direction, passes through 0 to a minimum, passes through 0 to a maximum, and reaches 0 at a. It will be like going back.
そこで、蓄積リング内の電子の運動を考える。冷却用RF
加速空胴(5)のある部分では、エネルギーの高い電子
(粒子)は平衡軌道(1)の外側を通り、エネルギーの
低い電子は内側を通る。この冷却用RF加速空胴(5)
に、第5図(B)に示すようなTM210モードを励振させ
たとする。粒子との位相関係は、第2図に示すように外
側の粒子は減速、内側の粒子は加速の状態になるように
する。このRF電圧により、高エネルギー粒子は減速さ
れ、低エネルギー粒子は加速される。このため、粒子の
エネルギー分散は、より小さな値となる。Therefore, consider the movement of electrons in the storage ring. RF for cooling
In a part of the acceleration cavity (5), high-energy electrons (particles) pass outside the equilibrium orbit (1), and low-energy electrons pass inside. This RF acceleration cavity for cooling (5)
Then, it is assumed that the TM 210 mode as shown in FIG. 5 (B) is excited. The phase relationship with the particles is such that the outer particles are decelerated and the inner particles are accelerated as shown in FIG. This RF voltage causes high energy particles to decelerate and low energy particles to accelerate. Therefore, the energy dispersion of the particles has a smaller value.
なお、上記実施例では電子蓄積リングの場合について説
明したが、自由電子レーザもしくはイオン蓄積リングで
あつてもよく、上記実施例と同様の効果を奏する。ま
た、上記実施例では、TM210モードを用いたが、TM410モ
ードもしくはTM610モード等の横方向偶数次TMモードを
用いても同様の結果が得られる。Although the case of the electron storage ring has been described in the above embodiment, it may be a free electron laser or an ion storage ring, and the same effect as that of the above embodiment can be obtained. Further, although the TM 210 mode is used in the above-described embodiment, the same result can be obtained by using the lateral even-order TM mode such as the TM 410 mode or the TM 610 mode.
以上のように、この発明によれば従来の粒子ビーム加速
装置に冷却用RF加速空胴を備えたことにより、エネルギ
ー分散の小さい粒子ビームが得られ、かつ装置自体も安
価になるという効果が得られる。As described above, according to the present invention, since the conventional particle beam accelerator is equipped with the cooling RF acceleration cavity, a particle beam with a small energy dispersion can be obtained, and the device itself can be inexpensive. To be
第1図はこの発明の一実施例による粒子ビーム加速装置
の構成図、第2図は冷却用高周波加速空胴の断面図、第
3図は従来の粒子ビーム加速装置の構成図、第4図およ
び第5図(A)〜(D)はTMモードを説明するための図
である。 図において、(1)は電子ビーム平衡軌道、(2)は高
周波加速空胴、(3)は収束用磁石、(4)は偏向用磁
石、(5)は冷却用高周波加速空胴である。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。FIG. 1 is a block diagram of a particle beam accelerator according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view of a cooling high-frequency acceleration cavity, and FIG. 3 is a block diagram of a conventional particle beam accelerator, and FIG. And FIGS. 5A to 5D are diagrams for explaining the TM mode. In the figure, (1) is an electron beam equilibrium orbit, (2) is a high frequency acceleration cavity, (3) is a focusing magnet, (4) is a deflection magnet, and (5) is a cooling high frequency acceleration cavity. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
Claims (3)
ぞれ高周波加速空胴,偏向用磁石および収束用磁石によ
って粒子ビームの閉軌道を形成し、粒子ビームの加速も
しくは蓄積を行う粒子ビーム加速装置において、粒子ビ
ームのエネルギー分散を小さくするビーム冷却用高周波
加速空胴を備えたことを特徴とする粒子ビーム加速装
置。1. A particle beam accelerating device for accelerating, deflecting, and converging a particle beam, wherein a high-frequency acceleration cavity, a deflection magnet, and a converging magnet form a closed orbit of the particle beam to accelerate or store the particle beam. The particle beam accelerator according to claim 1, further comprising a high-frequency accelerating cavity for cooling the beam, which reduces energy dispersion of the particle beam.
ビームに対する横方向偶数次TMモードの高周波電磁界を
形成することを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の
粒子ビーム加速装置。2. The particle beam accelerator according to claim 1, wherein the beam cooling high-frequency acceleration cavity forms a high-frequency electromagnetic field in the transverse even-order TM mode with respect to the particle beam.
ムの閉軌道中、分散関数が極大の位置に配置したことを
特徴とする特許請求の範囲第1項記載の粒子ビーム加速
装置。3. The particle beam accelerator according to claim 1, wherein the beam cooling high-frequency acceleration cavity is arranged at a position where the dispersion function has a maximum in a closed orbit of the particle beam.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12910286A JPH0722040B2 (en) | 1986-06-05 | 1986-06-05 | Particle beam accelerator |
| US07/056,781 US4780683A (en) | 1986-06-05 | 1987-06-02 | Synchrotron apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12910286A JPH0722040B2 (en) | 1986-06-05 | 1986-06-05 | Particle beam accelerator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62287600A JPS62287600A (en) | 1987-12-14 |
| JPH0722040B2 true JPH0722040B2 (en) | 1995-03-08 |
Family
ID=15001115
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12910286A Expired - Lifetime JPH0722040B2 (en) | 1986-06-05 | 1986-06-05 | Particle beam accelerator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0722040B2 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2555112B2 (en) * | 1987-12-07 | 1996-11-20 | 株式会社日立製作所 | Charged particle beam cooling method |
| JP2782076B2 (en) * | 1989-02-23 | 1998-07-30 | 栄胤 池上 | Charged particle beam cooling method |
-
1986
- 1986-06-05 JP JP12910286A patent/JPH0722040B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62287600A (en) | 1987-12-14 |
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