2-89  残余气体对直线感应加速器束流发射度的影响

代志勇  高  峰  章林文  邓建军  丁伯南

    根据轴对称束流的统计传输模型，在“非浸没”式阴极条件下，考虑残余气体分子的各向同性散射作用，在考察区间(z₀，z)，由残余气体散射导致的发射度增长量为

其中                          

式中，R为束流RMS半径，g为相对论因子，m为电子质量，c为光速，等式右边的积分从束流注入点z₀到束流考察点z。N为脉冲平顶期间某时刻束片中电子数，dF为残余气体分子散射作用力，p_^为横向动量。从考虑单个电子经过小角度弹性散射出发，最终可以获得残余气体分子散射造成的RMS发射度增长的表达式为

                        (1)

式中，Z为残余气体分子被电离后形成的正离子的原子序数，q为正离子的电荷量，e为电子电量，b为电子的相对速度，h为普朗克常数，l=h/p=h/(gbmc)为束流中电子的德布罗意波长，a₀=e ₀h²/(pme²)=5.29´10^-11 m为电子的玻尔半径。

根据不同真空度下残余气体分子的组成和“神龙”1号加速器的束流传输系统构成，利用式(1)计算束流在“神龙”1号加速器从注入器出口到加速器出口这一束流传输过程的发射度增长，得到了如图1所示的发射度增长与系统真空度的关系曲线。

计算结果显示，当真空度优于2.7 mPa时，发射度增长基本可以忽略；随着真空度逐步变低，发射度呈“台阶”式增长，这种增长规律主要是由于不同真空度下残余气体组分不同造成的，而且发射度增长幅度的大小受束流传输的RMS半径的影响逐步显露出来；当真空度为0.33 mPa时，束流以R =5 mm半径传输下发射度增长约De »20 mm·mrad、以R=7 mm半径传输下发射度增长约De »30 mm·mrad、以R=10 mm半径传输下发射度增长约De »60 mm·mrad；当真空度进一步变低时，发射度进入快速增长区。

残余气体分子主要是依靠碰撞增大了束流中带电粒子的发散特性，从而导致了发射度的增长。针对“神龙”1号的结构特点分析研究表明，“神龙”1号加速器真空系统的设计指标(0.5 mPa)是基本合适的，但比较临界。

理论和计算结果指出，在螺线管线圈能力许可的情况下，采用强磁场小半径传输有利于抑制残余气体散射导致的发射度增长。