Способ вывода частиц из изохронного циклотрона

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (д1) 4 Н 05 Н 7/10 7/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Q + 0,0625 —— — — = S, о где Q„

1

Бн(г) (еч ) N

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3732162/24 — 21 (22) 26. 04. 84 (46) 15. 04. 87. Бюл. Р 14 (71) ИГУ им. N.Â. Ломоносова (72) Л.А. Саркисян и А.Л. Саркисян (53) 621.384.6(088.8) (56) Труды ZV всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, N. Наука, 1975, т. 1, с. 205 †2.

Baartraan R. et al. Optics for a

12 Gevisochronous ring aplotron—

ТЕЕЕ Frans on Nucl 1983, NS — 30, Р 4, р. 2010-2012. (54) (5 7 ) СПОСОБ ВЫВОДА ЧАСТИЦ ИЗ ИЗОХРОННОГО ЦИКЛОТРОНА, включающий ускорение частиц ускоряющим полем и возбуждение целого резонанса радиальных колебаний путем воздействия на частицы гармоническим по азимуту возмущающим полем, а также воздействия на частицы полем дефлектора, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей способа путем варьирования энергии выводимых частиц, в процессе вывода одновременно изменяют амплитуду гармоники возмущающего поля, амплитуду ускоряющего поля, а также радиус места воздействия на частицы

„„SU„„1257861 А 1 полем дефлектора, при этом выполняется следующее условие:

2, 3, 4,...; показатель роста магнитного поля Н(r), Тл; число секторов ускорителя в форме спиралей Архимеда; параметр спирали Архимеда см рад. относительная глубина вариации по азимуту магнитного поля H(r); радиус вывода частиц и места воздействия на них поля дефлектора, см;

Н вЂ” амплитуда гармоники индекса

S возмущающего поля;

W — энергия выводимых частиц, МэВ; е — заряд частиц, отнесенный к заряду электрона; амплитуда ускоряющего поля, NB.

1 12578

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в изохронных циклотронах при ускорении сильноточных пучков частиц (протонов, ионов, электронов) на энергию, близкую к энергии покоя или кратную ей.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей способа путем обеспечения варьирования энер- 10 гии выводимых частиц вследствие изменения нелинейного сдвига частоты свободных радиальных колебаний ускоряемых частиц.

На фиг. 1 дан кольцевой изохронный циклотрон; на фиг. 2 — поведение протонного пучка в кольцевом изохронном циклотроне с целыми оборотами (номерами обозначены целые обороты) на фиксированном азимуте 20

const на радиальной фазовой плос1 dr кости (r, — — в процессе прог, dy хождения целого резонанса Q„ = 2 при „= 1,3 10 и е V< >= 3 МэВ/об, 25

0 соответствует энергия 845 МэВ); на фиг. 3 — то же, при е 7 = 2 МэВ/об (О соответствует энергии 849 МэВ); на фиг. 4 — то же, при E r = 6,5. 10 и e V - =2 МэВ/об. (О соответствует З0 энергия 8 15 МэВ).

B изохронном циклотроне частота свободных радиальных колебаний Q„„ выраженная в единицах частоты обращения частоты, естественным обра- 35 зом возрастает с увеличением кинетической энергии частицы W (радиуса r) в процессе ускорения. В невозмущенном магнитном поле частота (и энеро гия частицы связаны соотношением: 40

Q„= где (r/r ) г (-/ - )г д(О 0625 3

f гаг о

+ W/Е, сд а= 1,18

Я Es W еЪ где

Число оборотов в зоне резонанса

t(g е7

Е, r еН о

Q„= t + W/Е + aQ

Но — магнитное поле в центре циклотрона (r = О), При 1 = еЕ, (е = 1, 2, 3, ...) частота (= 2, 3, 4,..., т.е. при"о нимает целые значения.

В магнитном поле с пространственной вариацией изменение частоты Я р;

61 2 в процессе ускорения определяется выражением: — отноСительная амплитуда основной (И-й) гармоники поля;

N — число спиралей;

Ь вЂ” параметр спирали Архимеда.

Вследствие введения низшей гармоники вертикальной компоненты магнитного поля индекса S = Q созданной токовыми гармоническими катушками, возникают вынужценные радиальные колебания (искажается замкнутая орбита) и возрастает радиальное разделение между двумя последовательными. оборотами пучка (при сохранении эмитанса пучка) в зоне целого резонанса до его наступления.

Радиальное разделение между соседними орбитами

1 18 3rEs

ДГ = р где Š— относительная амплитуда низшей гармоники магнитного поля, S

Нелинейный сдвиг частоты свободных радиальных колебаний в иэохронном циклотроне с пространственной вариацией магнитного поля причем амплитуда вынужденных радиальных колебаний частицы поэтому частота свободных радиальных колебаний в возмущенном магнитном поле изохронного циклотрона

Чем больше гармоника поля г и меньше набор энергии за оборот е 3, ! 2578 тем больше нелинейный сдвиг частоты

„ь и тем меньше энергия частицы (меньше радиус), при которой частота достигает целого значения.

Вывод частиц с варьируемой энергией из изохронного циклотрона по данному способу реализуется следующим образом.

При заданной амплитуде свободных радиальных колебаний пучка определяют минимальное значение амплитуды гармоники поля Е, которое приводит к необходимости радиального разделения между соседними оборотами частицы в зоне вывода (в зоне целого резонанса). Используя максимальную величину набора энергии за оборот, определяют амплитуду вынужденных радиальных колебаний частицы. Затем определяют энергию частицы при Q„ pan-20 ном целому значению, нелинейный сдвиг частоты Qt. и энергию частицы при равному целому значению. Вычитая из найденной энергии число полуоборо— тов, умноженное на набор энергии за оборот, определяют выводимую энергию частицы. Затем определяют радиус равновесной орбиты. Зная амплитуду свободных радиальных колебаний пучка и радиальное разделение между соседними оборотами в возмущенном магнитном поле, определяют радиус установки входа в электростатический дефлектор. 3адавая необходимый угол отклонения пучка, определяют азимутальное положение дефлектора и величину напряжения на дефлекторе. Это позволяет вывести частицы из вакуумной камеры циклотрона с максимальной энергией.

Для вывода частиц с меньшей энергией увеличивают амплитуду гармоники поля Е и уменьшают набор энергии за оборот, что приводит к увеличению амплитуды вынужденных радиальных колебаний частицы и, следовательно, к увеличению нелинейного сдвига частоты. Частота Q„ достигает целого значения при меньшей энергии частицы (на меньшем радиусе). Вычитая из най50 денной энергии число полуоборотов, умноженное на набор энергии за оборот, определяют выводимую энергию частицы. Затем определяют радиус равновесной орбиты. Зная амплитуду свободных радиальных колебаний пучка и радиальное разделение между соседними оборотами в возмущенном магнитном поле, определяют радиус установки

61

4 входа в электростатический дефлектор.

Задавая необходимый угол отклонения пучка, определяют азимутальное по— ложение электростатического дефлектора и величину напряжения на дефлекторе. Это позволяет вывести из вакуумной камеры циклотрона частицы с меньшей энергией.

В качестве примера можно дать оценки по приведенным формулам при параметрах протонного кольцевого изохронного циклотрона: напряженность магнитного поля в центре Н, = 2 кЭ, число спиральных секторов N = 20, относительная амплитуда основной гармоники магнитного поля = 1, параметр спирали Архимеда Ь = 36 см, час— тота свободных аксиальных колебаний — 1,1, частота свободных радиальных колебаний 1,09 " Q «2, энергия о инжекции 80 МэВ, радиус бесконечной энергии r = 1563, 72 см. В невоз— мущенном магнитном поле циклотрона резонансу Q = 2 соответствует энер"о гия 929 МэВ и радиус 1351 см. Радиальный шаг орбиты в зоне вывода при

1,2 10 равен 3,2 мм. Амплитуда вынужденных радиальных колебаний при е7 = 3 МэВ/об равна 5,7 см. Ради— альный шаг орбиты за счет набора энергии за оборот равен 0,9 см. Нелинейный сдвиг частоты 6.Q „ = 0.0295.

Резонансу Q = 2 в возмущенном поле соответствует энергия 897 МэВ. Выведенная энергия 871 МэВ, а соответствующий радиус орбиты 1337 см. При уменьшении набора энергии за оборот до 2 МэВ энергия выведенных протонов

846 МэВ и соответствующий радиус орбиты 1335 см. При увеличении гармоники поля Е„ уменьшаются энергия вы— веденных протонов и соответствующий радиус орбиты.

Эти оценки были проверены численным моделированием по полным уравнением движения. Энергия 845 МэВ (фиг.2) соответствует исходная амплитуда свободных радиальных колебаний пучка

5 мм. В невозмущенном магнитном поле пучки перекрываются по радиусу (радиальный шаг орбиты при е V = 3 МэВ/об. равен 0,9 мм). Введение второй гармоники магнитного поля E = 1,3 10 (H = 0,5 э) приводит к тому, что целый резонанс Q 2 достигается на четырнадцатом обороте (энергия 887 МэВ вместо 929 МэВ в невозмущенном магнитном поле). Радиальное разделение меж5 125786 ду девятым и десятым оборотами пучка равно "1,6 см, что позволяет установить электростатический дефлектор и вывести 100 пучка с энергией 875 МэВ.

Передняя пластина дефлектора устанавливается на радиусе 1337,5 см. От5 клонение пучка из вакуумной камеры циклотрона осуществляется выбором азимутального положения дефлектора и соответствующего напряжения на нем. 10

Энергии протонов 849 МэВ (фиг. 3) соответствует исходная амплитуда свободных радиальных колебаний пучка 5 мм. В невозмущенном магнитном поле набору энергии за оборот 2МэВ соответствует радиальный шаг орбиты

6 мм. При введении второй гармоники магнитного поля Я = 1,3 10 резонанс

2 достигается на 15-ом обороте (энергия 879 МэВ). Радиальное разделение между девятым и десятым оборотами пучка равно 1;4 см, что позволяет установить электростатический дефлектор и вывести 100 пучка с энергией 869 МэВ. Передняя пластина электростатического дефлектора устанавливается на радиусе 1336,5 см.

Отклонение пучка из вакуумной камеры циклотрона осуществляется выбором азимутального положения дефлектора 30 и соответствующего напряжения на нем (с уменьшением выводимой энергии протона напряжение на дефлекторе уменьшается).

Энергии протонов 815 МэВ (фиг.4) соответствует исходная амплитуда свободных радиальных колебаний пучка 2,6 мм. В невозмущенном магнитном поле при eV = 2 МэВ/об радиальный шаг орбиты равен 6 мм. При введении 0 второй гармоники магнитного поля

50 = 6,5 10 (Н = 2 э) резонанс — 2 достигается при меньшей энерг гии протона, чем в невозмущенном магнитном поле. Радиальное разделение 4 между тринадцатым и четырнадцатым оборотами пучка равно 2,5 см, что позволяет установить.электростатический дефлектор и вывести 100Х пучка с энергией 843 МэВ. Передняя . пластина электростатического пефлектора устанавливается на радиусе 1321,4 см. Отклонение пучка из вакуумной камеры циклотрона осуществляется выбором азимутального положения дефлектора и соответствующего напряжения на нем (с уменьшением выводимой энергии протона напряжения на дефлекторе уменьшается).

1 6

Кольцевой изохронный циклотрон состоит из магнитных секторов 1 с основными обмотками возбуждения, ускоряющих резонаторов 2, вакуумной камеры 3, электростатического инфлектопа 4, гармонических катушек 5 и электростатическогo дефлектора 6.

В кольцевом изохронном циклотроне при помощи магнитных секторов 1 с основными обмотками возбуждения 4ovмируют магнитное поле с пространственной вариацией . обеспечивающее поопольную и поперечную фокусировку частиц от начальной до конечной энергии.

Ускорение частиц осуществляется при помощи ускоряющих резонаторов 2, расположенных в воздушных промежутках межд магнитными секторами 1. Движение частиц происходит в вакуумной камере 3 по раскручивающейся спирали.

Частицы с начальной энергией инжектируются в вакуумную камеру 3, при помощи электростатического инфпектора

4. В области конечных радиусов необходимое радиальное разделение между соседними оборотами пучка создается посредством гармонических катушек 5, установленных в вертикальных воздушных зазорах между магнитными секторами 1. Вывод пучка из вакуумной камеры 3 осуществляется с помощью электростатического дефлектора 6.

Реализация предложенного способа вывода частиц с варьируемой энергией из изохронного циклотрона осуществляется следующим образом.

Вывод частиц из циклотрона предварительно настраивают для частиц с максимальной энергией, что обеспечивается минимальным током в гармонических катушках 5, максимальным напряжением на ускоряющих резонаторах

2, установкой начала электростатического дефлектора 6 на радиусе и азимуте, соответствующих максимальной энергии частиц с напряжением на нем для отклонения пучка из вакуумной камеры 3. Переход к выводу частиц с меньшей энергией осуществляется увеличением тока в гармонических катушках 5, уменьшением напряжения на ускоряющих резонаторах 2, перемещением на внутренние радиусы электростатического дефлектора 6 с установкой начала дефлектора на радиусе и азимуте, соответствующих меньшей энергии частиц с соответствующим напряжением на нем для отклонения пучка из вакуумной камеры 3.

1257861 ооо aJN rze0 г, 137И

Таким образом, предлагаемый способ предназначен для вывода любых частиц из изохронного циклотрона с возможностью варьирования энергии выведенных частиц без перестройки ведущего магнитного поля с пространственной вариацией и может быть реализован в изохронных циклотронах как сплош-, ного, так и кольцевого ти па.

1257861

6 6$5

0 NO

004

0 РЙ

r32$ Б

1ГЮ Я

13n b

ОЮЯ

Фис.4.

Редактор Л. Пчелинская

Заказ 1330/2

Тираж 802 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4!.r У7

РОЗ тюдор mz6 rss80 вФ4Р б

Составитель В. Краснопольский

Техред А.Кравчук Корректор И. ШаРоши

Способ вывода частиц из изохронного циклотрона Способ вывода частиц из изохронного циклотрона Способ вывода частиц из изохронного циклотрона Способ вывода частиц из изохронного циклотрона Способ вывода частиц из изохронного циклотрона Способ вывода частиц из изохронного циклотрона 

 

Похожие патенты:

Модулятор // 814263
Изобретение относится к области ускорительной техники и динамической масс-спектрометрии и может быть использовано, в частности, в магнитных резонансных масс-спектрометрах
Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к устройствам для инжекции ионов на орбиту и для выбрасывания их с орбиты, и может быть применено для изготовления и установки перезарядных фольг тандемных ускорителей, а также для изготовления и установки мишеней или подложек мишеней для ядерно-физических экспериментов
Наверх