非轴对称带电粒子束系统技术方案

带电粒子束系统包括形成具有椭圆横截面的非轴对称束的非轴对称二极管。聚焦元件将磁场用于聚焦和传输该非轴对称束，其中该非轴对称束与聚焦元件的通道大致匹配。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】优先权信息本申请要求2004年6月4日提交的序列号为60/577,132的临时申请的优先权，该申请通过引用全部结合于此。
技术介绍
本专利技术涉及带电粒子系统领域，尤其涉及非轴对称带电粒子系统。高亮度的、空间电荷主导的、带电粒子(电子或离子)束的产生、加速和传输是真空电子装置和粒子加速器的设计和操作中最富挑战性的部分。如果其自身电场和自身磁场能量大于其热能，则该束称为空间电荷主导的。因为束的亮度与束的电流成正比、并与束截面面积和束温的乘积成反比，所以在高亮度束的设计中，在低温下产生并维持束是最关键的。如果束被设计成不停留在平衡状态，则在束中场与平均流能量以及热能之间发生相当大的交换。当束为空间电荷主导的时，在其传播时能量交换导致束温的增加(或束亮度的降低)。如果亮度降低未得到很好地抑制，则可导致束被真空电子装置和粒子加速器中的射频(RF)结构拦截，从而阻止其运行，尤其是高负荷运行。也可由于难以如加速器应用中常常需要的那样将束聚焦成较小的光斑尺寸，从而使来自加速器的束不可用。高亮度、空间电荷主导、带电粒子束的设计依赖于平衡束理论和计算机建模。平衡束理论提供指导并设定确定的设计目标，而计算机建模提供设计中的详细实现。尽管已知存在一些平衡态，但对于束设计者和用户，使得平衡态在连续束产生部分和连续束传输部分之间匹配已成为困难的任务，因为连续束产生的已知平衡态不能理想地匹配成连续束传输的已知平衡态的任一个。例如，来自圆形二维(2D)几何形状的皮尔斯二极管(Pierce diode)的平衡态不能匹配到周期性四级磁场，以创建Kapachinskij-Vladimirskij(KV)束平衡。通过截断无限、2D平板状的皮尔斯二极管的平衡态的终端制成的矩形束破坏了该平衡态。然而，匹配于束系统设计的束的非理想性在该束在实际装置中传播时导致束温增高以及束的亮度降低。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，提供了一种带电粒子束系统。该带电粒子束系统包括形成具有椭圆横截面的非轴对称束的非轴对称二极管。聚焦通道将磁场用于聚焦和传输非轴对称束。根据本专利技术的另一方面，提供了一种非轴对称二极管。该非轴对称二极管包括至少一个用于发射带电粒子的电端子、和至少一个用于建立电场并加速带电粒子以形成带电粒子束的电端子。这些端子排列成使带电粒子束具有椭圆横截面。根据本专利技术的又一方面，提供了一种形成非轴对称二极管的方法，包括形成至少一个用于发射带电粒子的电端子，形成用于建立电场并加速带电粒子以形成带电粒子束的至少一个电端子，以及将所述端子排列成使带电粒子束具有椭圆横截面。根据本专利技术的再一方面，提供了一种带电粒子聚焦和传输的通道，其中非轴对称磁场用于聚焦并传输椭圆横截面的带电粒子束。根据本专利技术的另一方面，提供了一种设计带电粒子聚焦和传输通道的方法，该通道中非轴对称磁场用于聚焦并传输椭圆横截面带电粒子束。根据本专利技术的又一方面，提供了一种设计接口的方法，该接口用于在非轴对称二极管与非轴对称磁场聚焦和传输通道之间匹配椭圆横截面的带电粒子束。根据本专利技术的再一方面，提供了一种形成带电粒子束系统的方法。该方法包括形成包括具有椭圆横截面的非轴对称束的非轴对称二极管。此外，该方法还包括形成将磁场用于聚焦并传输该椭圆横截面束的聚焦通道。附图说明图1A-1C是示出非轴对称二极管的示意图；图2是示出电势Φ的积分路径C的曲线；图3是示出沿束轴不同位置处Φ＝0的电极的横截面的曲线；图4是示出沿束轴不同位置处Φ＝V的电极的横截面的曲线；图5是示出椭圆横截面的良好限定平行束的电极几何形状的示意图； 图6是非轴对称周期性磁场的示意图；图7是非轴对称周期性磁场的场分布的示意图；图8是示出实验室以及旋转坐标系统的示意图；图9A-9E是示出具有对应于kox＝3.22cm-1，koy＝5.39cm-1，kz=0.805cm-1,]]>K＝1.53×10-2的参数、且轴的周期长度S＝0.956cm的非轴对称束系统的广义包络方程的匹配解的曲线；图10A-10E是示出选择了具有对应于kox＝3.22cm-1，koy＝5.39cm-1，kz=0.805cm-1,]]>K＝1.53×10-2的系统参数、轴的周期长度S＝0.956cm、和微小失配的非轴对称束系统的包络和流速的曲线；图11是示出周期性四级磁场的聚焦参数的曲线；图12是示出图11所示的周期性四级磁场中脉冲椭圆束平衡态的束包络的曲线；图13是示出非轴对称周期性永久磁场的聚焦参数的曲线；以及图14是示出图13所示的非轴对称周期性永久磁场中椭圆束平衡态的束包络的曲线。具体实施例方式本专利技术包括具有新颖设计的非轴对称带电粒子束系统、以及非轴对称带电粒子二极管的设计方法。非轴对称二极管2在图1A-1C中示意性地示出。图1A示出具有椭圆横截面Child-Langmuir电子束8的非轴对称二极管2，该二极管具有阳极4和阴极6。图1B是非轴对称二极管2的垂直横截面图，而图1C是非轴对称二极管2的水平横截面图，其中示出了电子束8以及阴极6和阳极4。电子束8具有椭圆横截面和Child-Langmuir流的特性。粒子从阴极6发射，并由阴极6与阳极4之间的电场加速。对于离子束，阴极和阳极的作用相反。为了描述设计具有椭圆横截面的非轴对称二极管的方法，可引入椭圆坐标系统(ξ，η，z；f)，以常规笛卡尔坐标定义为x＝fcosh(ξ)cos(η)， y＝fsinh(ξ)sin(η)，z＝z，(1.1)其中ξ∈]>其中可沿平坦的电荷发射表面定义Φ(z＝0)＝0，并沿平坦的电荷接收表面定义Φ(z＝d)＝V。如果平面具有由表面ξ＝ξ0＝常数所指定的椭圆形的横截面边界，则对于在z＝0且z＝d处的平面之间流动的、椭圆横截面的平行流、均匀截面密度的Child-Langmuir带电粒子束，存在解。由于构成束的粒子的空间电荷的相互排斥，该Child-Langmuir分布必须通过适当形状电极的构造施加外部电场来得到支持。所述电极的设计需要已知束外部的、在束的边缘满足适当边界条件的静电势Φ(ξ0,η,z)=V(zd)4/3,]]>∂∂ξΦ(ξ,η,z)|ξ=ξ0=0.---(1.3)]]>由于电势及其法向导数不依赖于表面ξ＝ξ0指定，因此形成了椭圆柯西问题，对该问题由于作为所有椭圆柯西问题特征的误差的指数增加，标准解析和数值解方法不可用。本技术建立在二维Radley技术上，以便于用公式表示确定椭圆横截面的Child-Langmuir带电粒子束之外的静电势的完全3D问题解的方法。在束的外部区域中，电势满足拉普拉斯方程，用椭圆坐标写成0=1F(ξ,η,z)Δ2F(ξ,η,z)]]>=1F(ξ,η,z)[2f2(cosh2ξ-cos2η)(∂2∂ξ2+&Partia本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带电粒子束系统，包括：非轴对称二极管，形成具有椭圆横截面的非轴对称束；以及聚焦通道，将磁场用于聚焦和传输所述椭圆横截面束。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-6-4 60/577,1321.一种带电粒子束系统，包括非轴对称二极管，形成具有椭圆横截面的非轴对称束；以及聚焦通道，将磁场用于聚焦和传输所述椭圆横截面束。2.如权利要求1所示的带电粒子束系统，其特征在于，所述带电粒子束具有均匀的横向密度分布。3.如权利要求1所示的带电粒子束系统，其特征在于，所述带电粒子束具有薄片状流分布。4.如权利要求1所示的带电粒子束系统，其特征在于，所述带电粒子束具有平行的纵向流分布。5.如权利要求1所示的带电粒子束系统，其特征在于，所述聚焦通道包括用于聚焦和传输所述带电粒子束的非轴对称磁场。6.如权利要求5所示的带电粒子束系统，其特征在于，所述非轴对称磁场包括非轴对称周期性磁场。7.如权利要求5所示的带电粒子束系统，其特征在于，所述非轴对称磁场包括非轴对称永久磁场。8.如权利要求5所示的带电粒子束系统，其特征在于，所述非轴对称磁场包括非轴对称周期性永久磁场。9.如权利要求5所示的带电粒子束系统，其特征在于，所述非轴对称磁场包括至少一个四级磁场。10.如权利要求5所示的带电粒子束系统，其特征在于，所述非轴对称磁场包括周期性四级磁场。11.如权利要求2所示的带电粒子束系统，其特征在于，所述聚焦通道包括用于聚焦和传输所述带电粒子束的非轴对称磁场。12.如权利要求11所示的带电粒子束系统，其特征在于，所述非轴对称磁场包括非轴对称周期性磁场。13.如权利要求11所示的带电粒子束系统，其特征在于，所述非轴对称磁场包括非轴对称永久磁场。14.如权利要求11所示的带电粒子束系统，其特征在于，所述非轴对称磁场包括非轴对称周期性永久磁场。15.如权利要求11所示的带电粒子束系统，其特征在于，所述非轴对称磁场包括至少一个四级磁场。16.如权利要求11所示的带电粒子束系统，其特征在于，所述非轴对称磁场包括周期性四级磁场。17.一种非轴对称二极管，包括至少一个电端子，用于发射带电粒子；至少一个电端子，用于建立电场并加速带电粒子以形成带电粒子束；其中所述端子排列成使所述带电粒子束具有椭圆横截面。18.如权利要求17所述的非轴对称二极管，其特征在于，所述带电粒子束具有均匀的横向密度分布。19.如权利要求17所述的非轴对称二极管，其特征在于，所述带电粒子束由薄片状流分布表征。20.如权利要求17所述的非轴对称二极管，其特征在于，所述带电粒子束具有平行的纵向流分布。21.如权利要求17所述的非轴对称二极管，其特征在于，所述带电粒子束包括Child-Langmuir束。22.如权利要求17所述的非轴对称二极管，其特征在于，非轴对称磁场用于聚焦和传输椭圆横截面的带电粒子束。23.如权利要求22所述的非轴对称二极管，其特征在于，所述非轴对称磁场包括非轴对称周期性磁场。24.如权利要求22所述的非轴对称二极管，其特征在于，所述非轴对称磁场包括非轴对称永久磁场。25.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：RJ巴哈特，C陈，J周，
申请(专利权)人：马萨诸塞州技术研究院，
类型：发明
国别省市：US[美国]