Particle Accelerators

Contents......Page 9
Preface......Page 5
List of Symbols......Page 15
l-1. THE ROLE OF ACCELEKATORS IN......Page 17
1-2. PROGRESS IN ACCELERATOR DEVELOPMENT......Page 19
1-3. COLLABORATION BETWEEN PHYSICS......Page 23
1-4. THE -MODERN RESEARCH LABORATORY......Page 25
1-5. REFERENCES AND RIRLIOGKAPHIES......Page 27
2 Low-voltage Generators......Page 30
2-1. E1,ECTROSTATIC GENERATORS......Page 31
2-2. TESLA COIL......Page 32
2-3. SURGE GENERATOR......Page 37
2-4. CASCADE TRANSFORMER......Page 38
2-5. TRANSFORMER-RECTIFIER......Page 40
2-6. VOLTAGE JICLTIPLIER......Page 42
3 The Elcctrostcrtic Generator*......Page 46
3-1. HISTORICAL DEVELOPMENT......Page 47
3-2. PRINCIPLES OF OPERATION......Page 53
3-3. ELECTRICAL BREAKDOWN IN COMPRESSED......Page 58
3-4. THE INSULATING COLUMN......Page 65
3-5. CHARGE-CARRYING BELT......Page 68
3-6. THE ACCELERATING TUBE......Page 71
3-7. ELECTRON LOADlNG......Page 73
3-8. VOLTAGE MEASUREMENT AND CONTROL......Page 76
3-9. THE 12-M\ GEIVEKSTORS......Page 81
3-10. ELECTRON ACCELERATORS......Page 83
3-11. TANDEM ELECTROSTATIC GENERATORS......Page 86
4 Ion Sources......Page 89
4-1. PROPERTIES OF A GASEOUS DISCHARGE......Page 90
4-3. SPARK DISCHARGE SOURCE......Page 97
4-4. HOT-CATHODE ARC......Page 98
4-5. CAPILLARY ARC......Page 100
4-6. MAGNETIC ION SOURCE......Page 102
4-7. RADIOFREQUENCY DISCHARGE......Page 105
5 Particle Motion in Electric......Page 112
5-1. MAXWELL'S EQUATIONS......Page 113
5-2. EQUATIONS OF MOTION......Page 115
5-3. THE ELECTROSTATIC LENS......Page 116
5-4. SPACE-CHARGE EFFECTS......Page 122
5-5. FOCUSING BY AXIAL MAGNETIC FIELDS......Page 124
5-6. EDGE FOCUSING......Page 125
5-7. FOCUSING BY ALTERNATING GRADIER'TS......Page 128
5-8. THE CONCEPT OF EMITTANCE......Page 133
5-9. ORBITS IN UNIFORM MAGNETIC FIELDS......Page 134
5-10. RELATIVISTIC EQUATIONS OF MOTION......Page 137
5-11. ORBITAL STABILITY......Page 142
5-12. THE FREE OSCILLATIONS......Page 145
5-13. CONSIDERATIONS AFFECTING ACCELERATOR......Page 146
6 The Cyclotron Magnetic Resonance......Page 149
6-1. HISTORICAL DEVELOPMENT......Page 150
6-2. THE RESONANCE PRINCIPLE......Page 155
6-3;. MAGNETIC AND ELECTRIC FOCUSING......Page 159
6-4. PHASE RELATIONS DURING ACCELERATION......Page 167
6-5. VACUUM CHAMBER AND ELECTRODES......Page 173
6-6. THE ION SOURCE......Page 175
6-7. DEFLECTOR......Page 179
6-8. RADIOFREQUENCY OSCILLATOR......Page 184
6-9. THE 3IAGNETIC FIELD......Page 193
6-10. VACUUM PUMPS 4NU SEALS......Page 197
6-11. TARGET ARRANGEMENTS......Page 201
6-12. MAXIMUM ENERGY AND OPTIMUM SIZE......Page 203
7 The Betat ron-Mapetic Induction......Page 209
7-1. HISTORICAL DEVELOPMENT......Page 210
7-2. THE ACCELERATION PRINCIPLE......Page 212
7-3. ORBITAL STABILITY......Page 215
7-4. MAGNET DESIGN......Page 217
7-5. BIASED BETATRONS AND FLUX FORCING......Page 223
7-6. PULSE POWERING......Page 228
7-7. RADIATION LOSS......Page 232
7-8. ELECTRON INJECTION......Page 235
7-9. MAGNETIC MEASUREMENTS......Page 240
7-10. VACUUM CHAMBER AND GAS SCATTERING......Page 243
7-11. INTERNAL TARGETS AND EMERGENT......Page 244
7-12. MEDICAL AND INDUSTRIAL APPLICATIONS......Page 248
7-13. AIR-CORE BETATRON......Page 249
8 Magnet Design and Measurement......Page 252
8-1. SPECIAL REQUIREMENTS FOR......Page 253
8-2. THE MAGNETIC CIRCUIT......Page 256
8-3. FIELD MAPPING AND FLUX PLOTTING......Page 263
8-4. USE OF MODELS IN MAGNET DESIGN......Page 271
8-5. COIL DESIGN......Page 273
8-6. METHODS OF MAGNETIC MEASUREMENT......Page 280
8-7. MAGNETIC MEASUREMENTS IN DC FIELDS......Page 281
8-8. MEASUREMENTS IN TIME-VARYING FIELDS......Page 291
8-9. MEASUREMENTS IN HIGH-GRADIENT FIELDS......Page 295
9 The Principle of Phase Stability......Page 300
9-1. BASIC CONCEPTS......Page 301
9-2. FIELD PATTERNS IN SYNCHRONOUS ACCELERATORS......Page 303
9-3. THE PRINCIPLE OF PHASE STABILITY......Page 304
9-4. APPROXIMATE TREATMENT......Page 308
9-5. THE LIMITS OF PHASE STABILITY......Page 309
9-6. PHASE STABILITY IN THE LINEAR......Page 312
9-7. PHASE STABILITY IN THE LINEAR......Page 316
9-8. PHASE STABILITY IN THE SYNCHROTRON......Page 317
9-9. PHASE STABILITY IN THE SYNCHROCYCLOTRON......Page 322
9-10. PHASE STABILITY IN THE MICROTRON......Page 324
10 The Linear Accelerator......Page 326
10-1 EARLY DESIGNS......Page 328
10-2. MODERN LINEAR ACCELERATORS......Page 330
10-3. PARTICLE DYNAMICS IN THE LINEAR......Page 333
10-4. THE TRANSVERSE-MAGNETIC FIELD PATTERN......Page 335
10-5. POWER REQUIREMENTS FOR LINEAR......Page 338
10-6. THE CONCEPT OF SHUNT 13IPEDANCE......Page 339
10-7. CAVITIES FOR ELECTRON LINEAR ACCELERATORS......Page 340
10-8. TRAVELING WAVES VERSUS STANDING WAVES......Page 343
10-9. THE STANFORD MARK 111 LINEAR......Page 344
10-10. OTHER ELECTRON LINEAR ACCELERATORS......Page 350
10-11. CAVITIES FOR PROTON AND HEAVY-ION......Page 351
10-12. THE BERKELEY 32-MEV PROTON LINEAR A......Page 353
10-13. OTHER PROTON LINEAR ACCELERATORS......Page 356
10-14. HEAVY-ION LINEAR ACCELERATORS......Page 359
10-15. LINEAR ACCELERATORS FOR HIGH CURRENTS......Page 360
10-16. THE MULTIPACTOR EFFECT AND ELECTRON......Page 361
10-17. TECHNIQUES FOR MEASUREMENT OF......Page 364
11 The Synch rocyclot ron*......Page 367
11-1. EARLY DEVELOPMENT......Page 368
11-2. PRINCIPLE OF OPERATION......Page 370
11-3. CAPTURE EFFICIENCY......Page 375
11-4. ORBIT PRECESSION......Page 379
11-5 COUPLING BETWEEN......Page 380
11-6. THE MAGNETIC FIELD......Page 382
11-7. VARIABLE-FREQUENCY OSCILLATOR......Page 388
11-8. VARIABLE CAPACITOR......Page 394
11-9. ELECTRICAL DISCHARGES......Page 396
11-10. VACUUM CHAMBER......Page 398
11-11. ION SOURCE......Page 400
11-12. BEAM INTENSITY AND PROBE TARGETS......Page 401
11-13. EMERGENT REAM......Page 404
11-14. CONTROLS......Page 408
12 The Electron Synchrotron......Page 413
12-1. STORY OF THE DEVELOPMENT......Page 414
12-2. PRINCIPLE OF OPERATION......Page 418
12-3. APERTURE REQUIREMENTS......Page 424
12-4. MAGNET......Page 426
12-5. MAGNET EXCITATION......Page 430
12-6. INJECTION......Page 433
12-7. RADIOFREQUENCY ACCELERATION......Page 437
12-8. VACUUM CHAMBER......Page 441
12-9. FREQUENCY-MODULATED START......Page 443
12-10. RADIATION LOSS......Page 445
12-11. TARGETS AND BEAMS......Page 446
12-12. X-RAY BEAM INTENSITY......Page 449
12-13. IRONLESS SYNCHROTRONS......Page 451
13 The Proton Synchrotron......Page 453
13-1. THE MULTI-BEV ACCELERATOR......Page 454
13-2. HISTORICAL DEVELOPMENT......Page 456
13-3. BASIC PARAMETERS......Page 462
13-4. COSMOTRON MAGNET......Page 469
13-5. PULSE POWER SUPPLY......Page 481
13-6. INJECTION......Page 485
13-7. RADIOFREQUENCY ACCELERATOR......Page 491
13-8. FREQUENCY CONTROL IN THE COSMOTRON......Page 496
13-9. COSMOTRON VACUUM CHAMBER......Page 499
13-10. INTERNAL TARGETS USED IN THE COSMOTRON......Page 503
13-11. EJECTION OF AN EMERGENT BEAM......Page 505
13-12. BEAM ANALYSIS AND USE......Page 507
14 Shielding for Accelerators......Page 511
14-1. PERMISSIBLE RADIATION DOSE......Page 513
14-2. RANGE-ENERGY RELATIONS FOR CHARGED......Page 522
14-3. ELECTRON ABSORPTION......Page 524
14-4. X-RAY ATTENUATION......Page 530
14-3. GAMMA-RAY ABSORPTION......Page 544
14-6. NEUTRON SHIELDING......Page 546
14-7. INDUCED RADIOACTIVITY......Page 567
14-8. ELECTRONIC SHOWERS......Page 570
14-9. PHOTONEUTRONS......Page 574
14-10. NUCLEONIC SHOWERS......Page 579
14-11. MESON PRODUCTION AND ATTENUATION......Page 586
14-12. SKYSHINE......Page 590
15 Alternating-gradient Accelerato rs......Page 596
15-1. ORIGINS OF THE CONCEPT......Page 597
15-2. THE PRINCIPLE OF AG FOCUSING......Page 600
15-3. ANALOGUES OF AG FOCUSING......Page 602
15-4. AG FOCUSING IN LINEAR SYSTEMS......Page 604
15-5. AG FOCUSING IN CLOSED ORBITS......Page 611
15-6. MOMENTUM COMPACTION IN AG SYNCHROTRONS......Page 616
15-7. PHASE STABILITY IN AG SYNCHROTRONS......Page 618
15-8. AG PROTON SYNCHROTRONS......Page 620
15-9. AG ELECTRON SYNCHROTRONS......Page 630
15-10. THE FIXED-FIELD ALTERNATING-GRADIE......Page 643
15-11. SECTOR-FOCUSED CYCLOTRONS......Page 654
15-12. ACCELERATORS OF THE FUTURE......Page 661
Name Index......Page 669