第六章環(huán)形準(zhǔn)共振加速器1

1、 Accelerators成都理工大學(xué)成都理工大學(xué)2013年年9月月12月月講授內(nèi)容講授內(nèi)容第一章：緒論第一章：緒論第二章：高壓加速器第二章：高壓加速器第三章：感應(yīng)加速器第三章：感應(yīng)加速器第四章：回旋加速器第四章：回旋加速器第五章：自動穩(wěn)相原理第五章：自動穩(wěn)相原理第六章：環(huán)形準(zhǔn)共振加速器第六章：環(huán)形準(zhǔn)共振加速器第六章：環(huán)形準(zhǔn)共振加速器第六章：環(huán)形準(zhǔn)共振加速器6.1、同步加速器、同步加速器6.2、強(qiáng)聚焦原理、強(qiáng)聚焦原理6.3、對撞原理、對撞原理6.4、儲存環(huán)、同步輻射、對撞機(jī)、儲存環(huán)、同步輻射、對撞機(jī)6.1 、同步加速器、同步加速器兩點(diǎn)啟示：兩點(diǎn)啟示： 等時性回旋加速器實心磁鐵很笨重。等時性回旋

2、加速器實心磁鐵很笨重。 電子感應(yīng)加速器工作特點(diǎn)：電子感應(yīng)加速器工作特點(diǎn)： 加速磁場在隨時間增加的同時，讓軌道磁場按加速磁場在隨時間增加的同時，讓軌道磁場按2：1的規(guī)的規(guī)律隨時間相應(yīng)增長，實現(xiàn)律隨時間相應(yīng)增長，實現(xiàn)在固定不變閉合軌道上在固定不變閉合軌道上連續(xù)加速連續(xù)加速離子。離子。1 、工作原理及同步加速條件、工作原理及同步加速條件a、同步加速器的基本結(jié)構(gòu)基及、同步加速器的基本結(jié)構(gòu)基及組成組成 典型的結(jié)構(gòu)如圖所示：典型的結(jié)構(gòu)如圖所示： 用分離磁鐵安裝成環(huán)型，用分離磁鐵安裝成環(huán)型，磁磁場隨粒子能量增加而相應(yīng)增場隨粒子能量增加而相應(yīng)增加加。保證離子在環(huán)型軌道上。保證離子在環(huán)型軌道上運(yùn)動；運(yùn)動； 在環(huán)

3、形軌道上加有在環(huán)形軌道上加有加速諧振加速諧振腔腔，用諧振腔受激產(chǎn)生的高，用諧振腔受激產(chǎn)生的高頻電場加速離子。頻電場加速離子。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： sorr常數(shù)( )sB tBb、同步粒子的準(zhǔn)共振加速條件、同步粒子的準(zhǔn)共振加速條件用速度表示：用速度表示：對應(yīng)：對應(yīng)： 可見要滿足準(zhǔn)共振條件，必須有可見要滿足準(zhǔn)共振條件，必須有下列兩個調(diào)節(jié)：下列兩個調(diào)節(jié)： 隨能量增長調(diào)節(jié)磁場，使粒隨能量增長調(diào)節(jié)磁場，使粒子在恒定軌道上旋轉(zhuǎn)（子在恒定軌道上旋轉(zhuǎn)（ ） 在加速低能粒子的初期還必在加速低能粒子的初期還必須調(diào)頻須調(diào)頻 即所謂的即所謂的調(diào)頻調(diào)頻起動起動 在離子入射初期，能量較低，在離子入射初期，能量較低，其速度其速度

4、v比光速小很多時，比光速小很多時，隨著加速，其速度增長很顯隨著加速，其速度增長很顯著（如圖所示）著（如圖所示）221ssrfsTkkzec BBT11 2rfsrTkkvT2rfsvfkfkrorr1 、工作原理及同步加速條件、工作原理及同步加速條件b、同步粒子的準(zhǔn)共振加速條件、同步粒子的準(zhǔn)共振加速條件 隨能量增長調(diào)節(jié)磁場，使粒子隨能量增長調(diào)節(jié)磁場，使粒子在恒定軌道上旋轉(zhuǎn)（在恒定軌道上旋轉(zhuǎn)（ ） 在加速低能粒子的初期還必須在加速低能粒子的初期還必須調(diào)頻調(diào)頻 即所謂的即所謂的調(diào)頻起調(diào)頻起動動 在離子入射初期，能量較低，在離子入射初期，能量較低，其速度其速度v比光速小很多時，隨比光速小很多時，隨著

5、加速，其速度增長很顯著著加速，其速度增長很顯著（如圖所示），則旋轉(zhuǎn)頻率（如圖所示），則旋轉(zhuǎn)頻率也同時不斷增長，為了保證也同時不斷增長，為了保證準(zhǔn)共振加速條件，此時，必準(zhǔn)共振加速條件，此時，必須對加速電場進(jìn)行調(diào)頻。須對加速電場進(jìn)行調(diào)頻。隨著能量的增長，粒子的速隨著能量的增長，粒子的速度接近于光速，其回旋頻率度接近于光速，其回旋頻率也接近常數(shù)，即：也接近常數(shù)，即： 交頻電場也就毋須再調(diào)頻了。交頻電場也就毋須再調(diào)頻了。注：注：采用預(yù)注入的方法可減采用預(yù)注入的方法可減少頻率調(diào)節(jié)范圍或省去調(diào)頻少頻率調(diào)節(jié)范圍或省去調(diào)頻起動起動常數(shù)r2orr1 、工作原理及同步加速條件、工作原理及同步加速條件2 、磁場、電

6、場調(diào)變規(guī)律、磁場、電場調(diào)變規(guī)律a、 磁場調(diào)節(jié)規(guī)律磁場調(diào)節(jié)規(guī)律由共振加速條件：由共振加速條件：故故B的調(diào)節(jié)應(yīng)有下關(guān)系：的調(diào)節(jié)應(yīng)有下關(guān)系：又又代入上式得：代入上式得： ssssrfrfssTTBB0221vc21(1)sssssvv21sssBB221ssrfsTkkzec BBT11 2rfsrTkkvT2 、磁場、電場調(diào)變規(guī)律、磁場、電場調(diào)變規(guī)律 a、 磁場調(diào)節(jié)規(guī)律磁場調(diào)節(jié)規(guī)律引入軌道磁場隨時間的增長率：引入軌道磁場隨時間的增長率： 設(shè)粒子在環(huán)型軌道上共經(jīng)過設(shè)粒子在環(huán)型軌道上共經(jīng)過G個諧振加速腔，則粒子加速一個諧振加速腔，則粒子加速一次所獲得的能量（即能量增長）：次所獲得的能量（即能量增長）：

7、則則要求磁場隨時間線性調(diào)變要求磁場隨時間線性調(diào)變BdBdtB BB tsasZeVcosdBAdtBAtDGTBtBBs11)()(ssssZeVBGTB2cos20022cos,2,2rGVBrcTcTZeBsssss則而a、 磁場調(diào)節(jié)規(guī)律磁場調(diào)節(jié)規(guī)律注：注： 一般的同步加速器設(shè)有一般的同步加速器設(shè)有許多直線節(jié)，以便于粒許多直線節(jié)，以便于粒子的注入和引出，需要子的注入和引出，需要考慮直線節(jié)的修正：考慮直線節(jié)的修正：M-為直線節(jié)個數(shù)為直線節(jié)個數(shù)L-為直線節(jié)長度為直線節(jié)長度常數(shù)常數(shù)BAtD)21 (202rMLBZecTss20cos112(12)asGVrMlrB2 、磁場、電場調(diào)變規(guī)律、磁場

8、、電場調(diào)變規(guī)律2 、磁場、電場調(diào)變規(guī)律、磁場、電場調(diào)變規(guī)律 b、 電場調(diào)節(jié)規(guī)律電場調(diào)節(jié)規(guī)律對軌道上設(shè)有直線節(jié)的情況對軌道上設(shè)有直線節(jié)的情況02221rVBZecTfsss202020202220)300( )( ZBrcZeBrpcssrfsskffMHzZBrZBZBrBZecTf202020202)300(14320)300(21MHzrMLZBrkZBfrf020202/11)300(143203 、平衡相位、平衡相位對圓軌道對圓軌道2)1 (1snn20cos112(12)asGVrMlrB1, 0|00rrrBBrno60)90, 0(sos最佳相位：平衡相位：221,ssLssaT

9、T4、同步加速器粒子的入射能量、同步加速器粒子的入射能量a、電子同步加速器起動、電子同步加速器起動 感應(yīng)起動法感應(yīng)起動法 初期按感應(yīng)加速器運(yùn)行（渦初期按感應(yīng)加速器運(yùn)行（渦旋場加速）；旋場加速）； 達(dá)到預(yù)定能量后，達(dá)到預(yù)定能量后，B按同步加按同步加速器調(diào)變，加速腔投入使用；速器調(diào)變，加速腔投入使用； 低能電子入射調(diào)頻起動低能電子入射調(diào)頻起動 直接注入近于光速的電子直接注入近于光速的電子 需要注入器。需要注入器。b、 質(zhì)子同步加速器起動質(zhì)子同步加速器起動 一般采用預(yù)加速器，將質(zhì)子一般采用預(yù)加速器，將質(zhì)子加速到一定能量（幾百加速到一定能量（幾百M(fèi)eV）注入到同步加速器中。注入到同步加速器中。 需要注

10、入器。需要注入器。srfrcf02性能特點(diǎn)性能特點(diǎn)原則上同步加速器可加速任何帶電粒子原則上同步加速器可加速任何帶電粒子 目前實現(xiàn)：電子、質(zhì)子目前實現(xiàn)：電子、質(zhì)子 加速加速 打靶打靶 n n、介子、超子。介子、超子。能量特性：能量特性： 電子同步的能量范圍：電子同步的能量范圍： 2502501200MeV1200MeV 質(zhì)子同步的能量范圍：質(zhì)子同步的能量范圍： 1 112.5GeV12.5GeV束流特性束流特性 電子：脈沖式，平均流強(qiáng)電子：脈沖式，平均流強(qiáng)AA 質(zhì)子：脈沖式，每脈質(zhì)子數(shù)：質(zhì)子：脈沖式，每脈質(zhì)子數(shù)： 10109 910101212個個/ /脈脈6.2 、強(qiáng)聚焦原理、強(qiáng)聚焦原理1、強(qiáng)

11、聚焦原理、強(qiáng)聚焦原理 在粒子運(yùn)動的整個軌道上，使磁場對數(shù)降落梯在粒子運(yùn)動的整個軌道上，使磁場對數(shù)降落梯度度n不完全一致，在一段軌道上，磁場不完全一致，在一段軌道上，磁場n0，相鄰的一段軌道上磁場相鄰的一段軌道上磁場n0,這兩種磁場分布這兩種磁場分布的磁體沿粒子運(yùn)動軌道交替排列，則無論在的磁體沿粒子運(yùn)動軌道交替排列，則無論在軸向或徑向都將交替地受到強(qiáng)的聚焦和散焦軸向或徑向都將交替地受到強(qiáng)的聚焦和散焦作用，選擇合適參數(shù)，使兩個方向都受到組作用，選擇合適參數(shù)，使兩個方向都受到組合的強(qiáng)聚焦效果，這種交變梯度的聚焦原理合的強(qiáng)聚焦效果，這種交變梯度的聚焦原理稱為稱為“強(qiáng)聚焦原理強(qiáng)聚焦原理”。強(qiáng)聚強(qiáng)散強(qiáng)聚焦

12、軸向強(qiáng)散焦、徑向強(qiáng)聚焦軸向強(qiáng)聚焦、徑向強(qiáng)散, 0, 0nn2 、光學(xué)模型、光學(xué)模型sffF兩鏡中心距離為組成和凹透鏡由凸透鏡組合透鏡的焦距為)0()0(,2121212121111ffsffffsffF組合透鏡為聚焦即只要, 0, 0212121sffffsff組合透鏡為聚焦時，當(dāng), 012121ffsFffksFF1101不過聚條件：聚焦條件：3 、強(qiáng)聚焦四極系統(tǒng)、強(qiáng)聚焦四極系統(tǒng)磁四極透鏡兩個一組（一個軸聚徑散，一個軸散徑聚），兩個一組（一個軸聚徑散，一個軸散徑聚），組合效果為強(qiáng)聚焦。組合效果為強(qiáng)聚焦。3 、強(qiáng)聚焦四極系統(tǒng)、強(qiáng)聚焦四極系統(tǒng)電四極透鏡兩個一組（一個軸聚徑散，一個軸散徑聚），兩個

13、一組（一個軸聚徑散，一個軸散徑聚），組合效果為強(qiáng)聚焦。組合效果為強(qiáng)聚焦。弱聚焦環(huán)形加速器弱聚焦環(huán)形加速器 強(qiáng)聚焦環(huán)形加速器強(qiáng)聚焦環(huán)形加速器4 、強(qiáng)聚焦環(huán)形加速器中的跳相現(xiàn)象、強(qiáng)聚焦環(huán)形加速器中的跳相現(xiàn)象及臨界能量及臨界能量a、跳相現(xiàn)象、跳相現(xiàn)象221,ssLssaTT0, 00, 0ss平衡相位平衡相位0,11, 10nanL圓形弱聚焦加速器中，0, 0, 010, 0, 01111, 0122ssLssLLaanann粒子能量較高時，粒子能量較低時，或圓形強(qiáng)聚焦加速器：為跳相平衡相位發(fā)生變化，此存在, 012sLa4 、強(qiáng)聚焦環(huán)形加速器中的跳相現(xiàn)象、強(qiáng)聚焦環(huán)形加速器中的跳相現(xiàn)象及臨界能量及臨界能量b、臨界能量、臨界能量LsLsssscaa020202,1即