A3 Effets de charge spatiale

Topique

Lorsque la densité de particules d’un faisceau est très élevée et son énergie relativement faible – combinaison typique des premières étapes de la chaîne d’injection à plusieurs étages décrite dans la partie modes, juste après la source ou dans les premiers anneaux de basse énergie – la répulsion électrique mutuelle entre particules de même signe de charge, normalement négligeable par rapport aux forces des aimants externes à hautes énergies, devient une force comparable, voire dominante. Ce phénomène, appelé effet de charge d'espace, agit comme un flou non linéaire supplémentaire qui se superpose à la focalisation fournie par les quadripôles décrits dans Fondamentaux, et son intensité relative diminue rapidement à mesure que l'énergie de la particule augmente, car aux énergies élevées, le champ magnétique associé au mouvement du faisceau annule partiellement la répulsion électrique pure. Cet effet est particulièrement problématique car, en fonction de la position non linéaire de chaque particule dans la distribution du faisceau, il ne les affecte pas toutes de la même manière : les particules proches du centre subissent un flou différent de celui des particules proches du bord, ce qui disperse le nombre d'onde bêtaronique des différentes particules du faisceau au lieu de le laisser à une valeur unique, augmentant ainsi la probabilité qu'au moins une fraction du faisceau rencontre certaines des résonances dangereuses déjà identifiées par l'optique du faisceau. Cet effet fixe des limites pratiques fondamentales à la quantité de courant qui peut être injectée et accélérée avec succès dans les premiers étages de faible puissance de toute machine à haute intensité, et constitue la raison principale pour laquelle les chaînes d'injection les plus exigeantes consacrent autant d'efforts de conception spécifiquement à leurs étages de plus faible puissance, où cet effet est le plus grave. C'est pourquoi ce module, qui s'ouvre sur une répulsion qui n'a d'importance qu'à basse énergie, se termine en montrant comment cette même répulsion concentre l'effort de conception précisément dans le tronçon initial de toute chaîne d'injection.

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