Статья: Источник рентгеновского излучения на базе многооборотного ускорителя-рекуператора

где IA=17 кА, г1 и г2 - Лоренц-факторы электронов на первом и втором проходах через резонатор, а в1 и в2 - соответствующие бета-функции пучков. Таким образом, для тока 10 мА, лRF=0.23м и добротности несимметричной моды Q=106 достаточно иметь м. При энергиях на входе в первую основную ускоряющую структуру 400 МэВ и 3 ГэВ получается м, что легко достижимо.

В случае взаимодействия пучков электронов и основной ускоряющей моды резонатора может развиваться продольная неустойчивость пучка из-за неизохронных поворотов между ускоряющими структурами. Тогда, в однорезонаторном приближении, необходимое условие продольной устойчивости [8]

Здесь I - средний ток пучка, Snk элемент транспортной матрицы R56 между k-м и n-м проходом через ускоряющие структуры, с и Q характеристические импедансы и нагруженные добротности фундаментальной моды (TM010), и Ц1,2 разности фаз соответствующих ускоряющих напряжений и токов пучка. Пороговый ток зависит от фаз ускорения Ц1,2, которые также определяются условиями продольной фокусировки. Численное моделирование показывает, что существуют стабильные области, в которых выполняются условия продольной устойчивости.

Заключение

Использование длинных ондуляторов и высококачественного электронного пучка в ускорителе-рекуператоре позволяет создать рентгеновский источник излучения четвёртого поколения. Ускоряющие структуры и большинство основных элементов установки уже протестированы во многих лабораториях (Jefferson Laboratory, DESY, MAMI, LEP, Budker INP, KEK, MAX). На сегодняшний день, не существует каких-либо физических проблем в разработке источника излучения четвёртого поколения со средним током 10 мА. Основной проблемой является стоимость такого источника.

Основные идеи проекта МАРС позволяют значительно снизить стоимость установки и расход энергии, обеспечивая при этом одновременную работу нескольких пользователей. Эти идеи просты и понятны:

1) Эмиттанс электронного пучка с энергией меньше, чем 10-11 м·рад, что соответствует нормализованному эмиттансу еn<10-7 м·рад.

2) Заряд сгустка не должен превышать 10-11 Кл, что определяет величину среднего тока ускорителя 10 мА.

3) Поток фотонов из источника пропорционален среднему току пучка и количеству излучателей N. Чтобы компенсировать уменьшение тока в 10-50 раз, необходимо использовать излучение из длинных ондуляторов и виглеров с числом периодов .

4) Чтобы обеспечить низкий уровень радиационной опасности и исключить наведенную радиоактивность, энергия пучка в поглотителе не должна превышать 5-8 МэВ.

5) Чтобы обеспечить условия одновременного движения электронов с различными энергиями в ускоряющих (тормозящих) ВЧ структурах, необходимо использовать схему каскадной инжекции.

6) Для одновременной работы нескольких пользователей может использоваться схема с разделенными ускоряющими структурами. Это исключает основной недостаток схемы с одиночным линаком, в которой ускоряемые и замедляемые пучки создают два источника излучения в каждом ондуляторе, а также, облегчает настройку и управление пучком.

7) Магнитная структура должна содержать длинные пустые промежутки (м) для установки в них ондуляторов с числом периодов .

8). Энергетический разброс электронного пучка в ондуляторах не должен превышать .

9) Для подавления квантовых флуктуация синхротронного излучения радиус поворотов магнитной системы должен быть не менее 60 м.

Основные параметры ускорителя-рекуператора представлены в таблице 2 а схема в масштабе - на Рис. 4.

Работа выполнена при использовании оборудования ЦКП СЦСТИ и финансовой поддержке Минобрнауки России.

Таблица 2

Рис. 4 Схема ускорителя-рекуператора МАРС в масштабе

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] N.A. Vinokurov, E.N. Dementyev, B.A. Dovzhenko et al., Novosibirsk Free Electron Laser Facility: Two-orbit ERL with Two FELs, Proceeding. IPAC'10, 2010, P. 2427-2430.

[2] G.N. Kulipanov, A.N. Skrinsky, N.A. Vinokurov, Synchorton light sources and recent development of accelerator technology. J. of Synchrotron Radiation, 1998. V.5 pt. 3 P. 176 - 178; MARS - recirculator-based diffraction limited X-ray source, Budker INP, 1997, preprint No 97-103.

[3] D. Douglas, A Generic Energy-Recovering Bisected Asymmetric Linac (GERBAL), ICFA BD-Nl 26, 2001, P. 40-45.

[4] Scientific Needs for Future X-Ray Sources in the U.S., A White Paper, LBNL, SLAC, 2008.

[5] G.N. Kulipanov, A.N. Skrinsky, N.A. Vinokurov, MARS a project of the diffraction-limited fourth generation x-ray source based on supermicrotron, Nucl. Instr. and Meth. A 467-468 (2001) P 16 - 20.

[6] G.N. Kulipanov, A.N. Skrinsky, N.A. Vinokurov, Multi-passs accelerator recuperator (MARS) as coherent x-ray SR source, SRI-2006, Daegu, Korea, 2006, P. 234-239.

[7] N.A. Vinokurov, A.A. Zholents, W.M. Fawley, K.-J. Kim, Critical Issues for High-Power FEL Based on Microtron Recuperator/Electron Out-Coupling Scheme, Proceedings SPIE 2988, 1997, P. 221 - 231.

[8] Ya.V. Getmanov, O.A. Shevchenko, N.A. Vinokurov, Longitudinal Stability of ERL with Two Accelerating RF Structures, Proc. IPAC'11, 2011, P 1509-1511.