[发明专利]用于改变带电粒子束的方向的方法和设备

说明书

本发明涉及工程物理学，更具体地涉及用于控制带电粒子的运动、提供其加速和交互、且接收在其运动期间发生的辐射的装置，即：改变加速带电粒子（电子、质子、离子）束的运动方向的方法、用于实现该方法的设备、波荡器电磁辐射源、带电粒子的线性和循环加速器、对撞机、以及接收由加速带电粒子的电流产生的磁场的装置，这些装置都包括所述设备。

使用改变带电粒子束的运动方向、使那些粒子的电荷与电极电荷相关于粒子轨迹的行进进行交互、或者使运动粒子的电荷与磁场进行交互的方法是众所周知和广泛流传的。具体而言，在电子束管的射束偏转系统中使用这些方法（电子仪器设备百科词典，莫斯科，“苏联百科全书（Soviet Encyclopedia）”[1]出版社，第357-358页）在将带电粒子束的动能转换成电磁辐射能量的设备中也可使用类似的方法，这些设备包含产生磁场的一系列交替的电极或磁体，该磁场的方向沿着该设备周期性地改变（参见物理学百科全书，“俄罗斯综合百科全书（Comprehensive Russian Encyclopedia）”出版社，莫斯科，1998[2]第3卷第406-409页以及[1]第339页）在存储环以及带电粒子的循环加速器中也可使用基于在磁场的帮助下控制带电粒子束的方法（参见[2]第3卷第241页、第5卷第246-253页、以及[1]第572页）。所述一组方法以及实现该方法的设备的共同特征是需要电压及其控制的外部源。因此，实现这些方法需要复杂的装备。使用受控磁场的设备特别复杂并且在重量和尺寸方面特别大。然而，这些方法和设备允许射束以大角度转向，从而提供带电粒子沿着形状错综复杂的弯曲轨迹运动。

另一组用于改变带电粒子束的运动方向的方法以及实现该方法的设备是已知的。该组的方法之一想要在其界面间隙内部使用弯曲晶体以及隧穿（channeling）带电粒子（N.F.Shul'ga、V.I.Truten'、I.V.Kirillin的快速带电粒子束通过弯曲晶体（Passage of the Beams of Fast Charged Particles through the Bent Crystal），“哈尔科夫大学的先驱（Herald of the Kharkiv University）”，No.887，2010，物理丛书“原子核、粒子、磁场”，1/45/期，第54-64页[3]）。在文献[3]给出的示例中，带正电粒子束的转向角等于250微弧度。USSR发明人证书No.1064792[4]（1985年1月15日公布）描述了基于那些原理的方法和设备，其允许使初始射束的分离部分转动不同的角且随后使其聚集以实现聚焦。然而，如在发明人证书[4]中提及的，只有初始射束的约5%的粒子可暴露于变换模式。此外，由于关于电子的散射以及晶格原子的热振荡，将晶体的界面间隙用于粒子的输送对粒子停留在通道中的时间施加了相当大的限制。例如，在射束中电子有约1GeV能量的情况下，特征隧穿长度接近于1微米，即所输送粒子极快地去通道化。此组的其他方法和设备使用来自弯曲晶体或直晶体的若干顺序反射来使粒子束转动。在第一种情况下，使用与弯曲原子面正切的区域中的带电粒子的若干顺序反射，从而导致粒子在相反方向上相对于弯曲部的偏离（物理学之带电粒子束和加速装备，“基础物理学的新闻和问题（News and Problems of Fundamental Physics）”，俄罗斯联邦国家研究中心，高能量物理学学会（Protvino），2010，No.1(8)，第28-39页[5]）。然而，这些设备在转动离子束方面的效率随着射束转向角的增大而急剧地下降（例如，对于质子束，介于在0.6°的转向角为0.1与在4.5°的角为0.001之间）。该组方法和设备的共同优点在于，其完全无源性、既不需要电源也不需要控制。