Электронные пучки нано - и пикосекундной длительности

В. В. САФРОНОВ, И. С. ЩЕДРИН

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПУЧКИ

НАНО - И ПИКОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ

Рассмотрены ускоренные электронные пучки наносекундной и пикосекундной длительности в современных линейных ускорителях электронов на большие и малые энергии и в проектируемых и создаваемых коллайдерах.

В теоретической физике [1] принято в настоящее время характеризо­вать электрон размером сравнимым с величиной его комптоновской волны см. Ток создаваемый электроном определим выражением , где – относительная скорость электрона, см/с – скорость света, Кл – заряд электрона.

При инжекции с катода начальная скорость электрона может быть оп­ределена значением работы выхода электрона из металла. Для вольфрама – 4,5 эВ. Ток создаваемый одиночным электроном составит величину 0,5 А. При значении относительной скорости b = 0,7 средний ток элек­трона равен А. Максимальный ток создаваемый движу­щимся электроном при этом составляет величину в выбранном сечении 186 А и изменяется по квадратичному закону от 0 до 186 А.

С релятивистским фактором тесно связан характерный ток Альвена [2] , где – относительная полная энергия элек­трона отнесенная к энергии покоя W0 = 511 кэВ, r0 – классический радиус электрона, выражение в скобках равно 17000 А. Однако, средний ток соз­даваемый одиночным электроном в заданном сечении равен 8500 А, т. к. линейный размер электрона равен диаметру, т. е. l = 2r0.

Выражение для тока, создаваемого электроном в выбранном сечении, равно , где x – линейная координата электрона, x = 0 соответствует центру электрона.

При x = 0 А – максимальное значение тока в вы­бранном сечении. Ток I изменяется от 0 до 12750 А по квадратичному закону и в среднем от 0 до 2re составляет величину 8500 А.

В линейных ускорителях электронов на энергии от 1 ¸ 10 МэВ до 25 ¸ 50 ГэВ средняя плотность электронов в ускоренных сгустках состав­ляет величину от 109 до 3 × 1010 1/см3 [3]. На ускорителе У-003М, осна­щенном специальной системой инжекции и магнитным группирователем с целью генерации пикосекундного пучка для радиационно-химических исследований [4], получен средний ток за импульс 2,5 нс состоящий из 5 сгустков величиной 11 А, при длительности каждого сгустка менее 100 пс. Рекордным является пучок ускоренный в 35 МэВ-ном ЛУЭ с маг­нитным компрессором и с субгармоническим инжектором, полученный в Университете г. Осако (Япония). Параметры: 35 МэВ, 9,5 пс, импульсный ток ~ 10 кА, заряд в импульсе 100 нКл.

Рассмотрим параметры пучков ускоренных электронов в проектируе­мых коллайдерах TESLA (DESY), JLC-C и JLC-X (KEK), CLIC (CERN).
В таблице приведены параметры пучков ускоряемых электронов.

Коллайдер Параметры пучка	TESLA	JLC-C	JLC-X	CLIC
Рабочая частота, ГГц	1,3	5,7	11,4	30
Рабочая длина волны, см	23	5,2	2,6	1
Число частиц в сгустке N, 1010	2	0,75	0,75	0,4
Поперечные размеры сгустка sx/sy в т. в., нм	554/5,0	243/4,0	243/3,0	202/1,2
Продольный размер сгустка sx в т. в., нм	300	200	110	35
Число сгустков в импульсе, n	2820	192	192	154
Заряд ускоренного сгустка, Кл, 10–9	3,2	1,2	1,2	0,64
Средний ток за импульс I, А	4,2	6,9	13,9	19,4
Длительность импульса tn, нс	2160	33	16,5	4,6
Объемная плотность электронов he, 1025, см–3	2,4	3,8	9,3	4,7
Средний ток одного сгустка Iсг., 106, А	3,2	1,8	3,3	5,5

Отметим, что планируемая плотность зарядов в кубическом санти­метре более чем на порядок превосходит естественную плотность зарядов одного знака в веществе и средний ток сгустка в коллайдерах составляет 1,8 ¸ 5,5 МА.

Работа выполнена в рамках тематического плана НИР МИФИ.

Список литературы

1. Жижин  консультация.

2. Лоусон Дж. Физика пучков заряженных частиц. Пер. с англ. п/ред. . – М.: Мир, 1980, с.125.

3. Поляков В. А., Щедрин И. С. О плотности электронов в пучках ускоренных в линейных ускорителях. Сб. ВАНТ. – Харьков: ХФТИ, 1981. Серия ТФЭ. Вып.1(7), с.19.

4. Глазунов П. Я. и др. Исследование тонкой структуры импульсов тока пучка волновод­ного ускорителя электронов. ВАНТ. – Харьков: ХФТИ, 1983. Серия ТФЭ. Вып.2(14), с.86.