Efficace accelerazione DC di particelle cariche in un anello circolare e sua potenziale applicazione

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13595 (2023) Citare questo articolo

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Viene proposto un nuovo schema per realizzare un'efficace accelerazione DC di particelle cariche in un anello circolare. La chiave è utilizzare una cella di accelerazione a induzione con spazi multiisolanti che consentano il cortocircuito forzato utilizzando dispositivi di commutazione a stato solido come SiC-MOSFET o il cortocircuito non forzato utilizzando diodi. Viene mostrato un progetto di base della cella di accelerazione a induzione. Un raggio che si muove per inerzia viene accelerato nell'anello circolare senza raggrupparsi. Come possibile applicazione, viene proposto un laser a elettroni liberi (FEL) a onda continua terahertz con parametri numerici, in cui questa effettiva accelerazione DC compensa la perdita di energia del fascio di elettroni che occupa l'intero anello di accumulo isocrono a causa della radiazione di sincrotrone e dell'interazione FEL. Di conseguenza, è possibile creare il microbunching FEL di un fascio di coasting, ottenendo una potenza di uscita media elevata che non è stata possibile con i FEL esistenti guidati da linac o con i FEL ad anello di accumulo RF.

Finora le leggi fondamentali della fisica ci hanno detto che è impossibile accelerare particelle cariche ripetutamente in modalità DC in un anello circolare. Questo articolo descrive come questa restrizione, a lungo creduta, possa essere efficacemente superata. Per fare ciò, viene utilizzata l'accelerazione di induzione. Viene utilizzato il dispositivo di accelerazione a induzione, il cui principio di funzionamento è governato dalle equazioni di Maxwell che non includono il termine di corrente di spostamento. Il metodo dell'accelerazione per induzione si è evoluto da quando è stato proposto per la prima volta da Widerøe nella sua tesi di dottorato1. L'accelerazione dell'induzione è resa possibile da una tensione indotta attraverso uno spazio isolante nella cella di induzione, come mostrato in Fig. 1. Questa tensione indotta, chiamata tensione impostata, viene generata in modo sincrono con la circolazione del raggio. Occorre qui sottolineare che questa deve essere sempre accompagnata da una tensione di ripristino con polarità negativa per evitare la saturazione del materiale magnetico nella cella di induzione. Durante questo processo di ripristino, la trave circolante viene decelerata. Pertanto, i sistemi di accelerazione a induzione esistenti non possono essere utilizzati per un'efficace accelerazione DC senza alcune modifiche.

Principio dell'accelerazione per induzione e analogia con un trasformatore uno a uno. Il circuito primario è collegato all'alimentatore switching che fornisce una tensione a impulsi e il circuito secondario corrisponde all'orbita del raggio in un anello acceleratore circolare. La variazione del flusso del materiale magnetico nella cella di accelerazione a induzione genera una tensione indotta attraverso la fessura ceramica (gamma di accelerazione).

Questo articolo propone come alternativa una cella di induzione con spazi multi-schermatura come mostrato in Fig. 2. L'eccitazione programmata di due celle di induzione di questo tipo applica un'efficace tensione continua accelerante alle particelle cariche. Di conseguenza diventa possibile l'accelerazione continua di un raggio uniforme immagazzinato in un anello circolare.

Vista schematica della cella di induzione con intercapedini multiisolanti. Le 2 figure a sinistra mostrano la vista laterale schematica della sezione trasversale della cella di induzione, dove le linee rosse rappresentano il circuito di corrente primaria che circonda il nucleo magnetico mostrato con grandi riquadri grigi e una fila di punti rossi mostra un raggio CC o micro-FEL grappoli come discusso più avanti. le sue prestazioni operative in modalità impostata e in modalità risentita. Inoltre, piccole scatole grigie rappresentano la ceramica per l'isolamento. Sono saldati ai tubi con travi metalliche e al contenitore metallico della cella di accelerazione a induzione. La figura a destra ne mostra la vista frontale e il giallo corrisponde ad un'asta metallica di commutazione, al centro della quale è montato il dispositivo di commutazione attivo.

È ben nota l'accelerazione dello spostamento RF di un fascio di coasting che circola in un anello circolare, dove un contenitore RF vuoto viene creato nello spazio delle fasi longitudinali che accoglie il fascio di coasting e viene lentamente spostato nella regione di energia inferiore, in associazione con l'accelerazione del coasting fascio dovuto al teorema di Liouville. Questo processo viene ripetuto fino al raggiungimento dell'energia desiderata. Questa tecnica di accelerazione è stata impiegata nell'Intersecting Storage Ring (ISR) del CERN2, dove un fascio iniettato dal protonsincrotrone da 28 GeV del CERN all'ISR è stato accelerato a 31 GeV. Vale la pena notare diverse caratteristiche indesiderabili nell'accelerazione dello spostamento RF. Una grande modulazione RF sul fascio di coasting nello spazio delle fasi è inevitabile; di conseguenza, l'energia diffusa nel fascio si espande rapidamente quando il contenitore RF passa attraverso l'area dello spazio delle fasi occupata dal fascio e un aumento dell'emittanza dovuto alla gestione non adiabatica del fascio accompagna questo processo. Inoltre, l’accelerazione dello spostamento RF richiede tempo. Pertanto, l’utilità dell’accelerazione dello spostamento RF è limitata.