Способ и устройство получения ускоренных заряженных частиц

 

Использование: при получении пучков заряженных частиц большой мощности в непрерывном режиме для уменьшения габаритов установки, повышения ее мощности и сейсмостойкости и применения ее в медицине для лучевой терапии, а также для уничтожения радиоактивных отходов. Сущность изобретения: пропускают пучок частиц через линейные ускоряющие структуры, соединенные друг с другом магнитными узлами поворота, с последующим направлением в систему разводки пучка. Линейные ускоряющие структуры расположены по трехмерной пространственной траектории так, что векторы направления движения пучка в смежных структурах образуют угол менее 180^o, при этом линейные ускоряющие структуры образуют плоскую, коническую или цилиндрическую спираль. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области медицины, медицинской аппаратуры, а именно к устройствам и способам для лучевой терапии.

Способ и устройство могут быть использованы также и для получения пучков заряженных частиц большой мощности в непрерывном режиме для уничтожения радиоактивных отходов, в электроядерных схемах наработки радиоактивного топлива и в подкритических реакторах.

Для ускорения пучков заряженных частиц мегаваттного уровня применяют следующие способы ускорения.

Линейному (далее 1D - одномерному) способу ускорения соответствует прямолинейная траектория и 1D-ускоритель, который характеризуется большими линейными размерами, например, в проекте Лос-Аламосской лаборатории США длина ускорителя составляет 1880 метров. [R.A.Jameson, Scaling & Optimization of High-Intensity, Low-Beam-Loss RF Linacs for Neu-tron Source Drivers, LA-UR-92-2474, Proc. of the Third Workshop on Advanced Acceleletor Concepts, 14-20 June 1992, Port Jefferson, U.S.A., Publ. Amer. Inst. of Physics].

Циклотронному (далее 2D - двумерному, т.е. ускорению в плоскости) способу соответствует плоская траектория ускоряемых частиц и устройство в виде циклотрона, который характеризуется не только размерами и массой, но и ограниченными возможностями по мощности в пучке (менее 20 МВт) в связи с проблемами пространственного заряда ускоряемого пучка. [C.Rubbia, On Heavy Ion Accelerators for Inertial Confinment Fussion, CERN-PPE/91-117, July 1991].

Известен ускоритель CEBAF [G.A.Krafft, Stutus of the Continuous Electron Beam Accelerator Facility, Proc. of the 1994 International Linac Conf., Tsukuba, Japan, Aug. 21-26, 1994, Vol.1, p.p.9-13], в котором реализован способ ускорения релятивистских электронов и известна конструкция ускорителя, работающего в непрерывном режиме, две линейные (1D) ускоряющие структуры которого выполнены из идентичных (постоянного шага) ячеек.

Ускоряемый пучок многократно ускоряют поочередно в этих двух, параллельно друг другу размещенных и лежащих в одной плоскости, структурах. После каждого прохождения структуры пучок с помощью поворотных (строго на 180 градусов) и отклоняющих и направляющих магнитов разводят (с помощью 2200 магнитов, питаемых 1800 источниками тока) на отдельные пространственно разделенные (по высоте), выполненные в виде дуг полуокружностей, магнитные дорожки. После прохождения полуокружности магнитной дорожки пучок направляют поочередно в ту или другую ускоряющую структуру. Тем самым пучок совершает четыре полных оборота и один полуоборот, причем в системах поворота пучка (по магнитным дорожкам) пучок движется каждый раз в своей плоскости. При этом из всех вертикально разделенных плоскостей магнитной проводки пучка ускоряемые частицы направляют в размещенные в одной плоскости укоряющие структуры. Никаких фокусирующих элементов ускоряющие структуры не содержат.

Наличие в данной установке двух параллельных 1D-ускоряющих структур, расположенных в одной плоскости, и используемых многократно - 4 и 5 раз, соответственно, для ускорения одного и того же пучка - позволяет рассматривать эту установку как 2D-ускоряющую систему. С другой стороны, проводка пучка в магнитных системах поворота является трехмерной, что позволяет рассматривать данную установку в целом как квази 3D-ускоритель, в которой реализован квазитрехмерный способ ускорения релятивистских заряженных частиц (реализован 2D - cnocoб ускорения и 3D - способ проводки пучка).

Известен также способ и устройство получения ускоренных заряженных частиц с энергией до 4 ГэВ, реализуемый в устройстве, включающем три ускоряющие, лежащие в одной плоскости структуры, работающие в непрерывном режиме и выполненные из ячеек постоянного шага [E.P.Colton et al. Particle Accelerators, 1984, Vol. 16, pp.81-111]. Данное устройство получило название "гексатрон". Пучок многократно (109/3 раза, т.е. 36 и 1/3 раза) ускоряют поочередно в трех линейных (1D-одномерных) ускоряющих структурах, образующих три из шести сторон плоского шестиугольника, причем три другие стороны этого шестиугольника образованы, лежащими в одной плоскости, магнитными системами поворота пучка. Из одной ускоряющей структуры в другую пучок направляют с помощью магнитной системы поворота, включающей отдельные пространственно разделенные (по радиусу) магнитные дорожки, каждая из которых выполнена в виде двух дуг, соединенных прямой, параллельной третьей ускоряющей структуре. Таким образом, пучок совершает полные обороты, причем в системах поворота пучка (на магнитных дорожках) пучок движется каждый раз по своей дорожке (со своим значением радиуса поворота), в то время как в ускоряющих структурах ускоряемые частицы движутся по общему направлению (вектору). Заметим, что никаких фокусирующих систем в структурах ускорения релятивистских электронов в гексатроне не применяют.

В гексатроне пучок заряженных частиц многократно пропускают через одну и ту же ускоряющую структуру. Недостатком гексатрона является помимо большой сложности магнитной системы проводки пучка принципиальная невозможность ускорения в нем нерелятивистских частиц - ионов.

В основе изобретения является задача получения ускоренных пучков мегаваттной мощности как нерелятивистских, так и релятивистских заряженных частиц.

Сущность решения этой задачи заключается в том, что частицы ускоряют по трехмерной траектории, для чего пучок частиц, ускоренных электростатическим полем инжектора, пропускают через линейные ускоряющие структуры (ЛУС), соединенные друг с другом магнитными узлами поворота, причем пучок частиц однократно пропускают и через каждый магнитный узел поворота, и через каждую из линейных ускоряющих структур, выполненных с нарастающим шагом, и соединенных друг с другом последовательно так, что вектора направления движения пучка в смежных структурах образуют угол менее 180 градусов, и при этом произведение величины индукции магнитного поля узла поворота на радиус поворота пучка равно значению импульса ускоряемых частиц на выходе и входе смежных структур, а после прохождения узла поворота пучок направляют в следующую ускоряющую структуру или в систему разводки пучка.

Ускоритель для осуществления заявляемого способа включает последовательность линейных ускоряющих структур, выполненных из ячеек нарастающего шага, расположенных друг относительно друга в пространстве (3D) так, что вектора направления движения пучка в смежных структурах образуют угол менее 180 градусов, и магнитные системы поворота, которые соединяют смежные ускоряющие структуры, и при этом, каждая из систем поворота выполнена так, что произведение величины индукции магнитного поля в узле поворота на радиус поворота пучка в данном узле соответствовало значению импульса ускоряемых частиц на выходе и входе смежных структур.

В некоторых вариантах исполнения ускорителя вход и выход некоторых из линейных ускоряющих структур расположены на одном уровне.

В основном вход и выход для каждой из линейных ускоряющих структур расположены на разных уровнях.

В некоторых вариантах выполнения ускорителя углы между смежными структурами выполнены одинаковыми.

В аналогах, рассмотренных выше, осуществляют многократное прохождение пучка заряженных частиц через одну и ту же ЛУС при многократном движении пучка заряженных частиц в единых магнитных системах поворота (проводки) пучка по отдельным магнитным дорожкам. В заявляемом изобретении является новым именно однократное пропускание пучка заряженных частиц как через каждую ЛУС, так и через каждую магнитную систему поворота пучка. Для реализации такого решения смежные ускоряющие 1D-структуры расположены некомпланарно. Когда входы и выходы ЛУС размещены на разных по вертикали уровнях, конструкция, реализующая заявляемый способ, будет трехмерной объемной геометрической фигурой, в которой для удобства последующего описания выделим период конструкции по вертикали. В периоде конструкции может быть две и более ЛУС и такое же число узлов поворота пучка. Для конструкции с четырьмя ускоряющими структурами в периоде можно провести аналогию с многопролетными лестничными маршами вокруг центрального лифта. В рамках такой аналогии межмаршевые площадки - поворотные узлы, лестничные марши - ускоряющие структуры, межэтажные расстояния - период конструкции по вертикали.

Техническим результатом данного изобретения является повышение мощности ускорителя, его компактность, сейсмостойкость, простота изготовления, т.к. на протяженных ускорителях необходимо учитывать магнитное поле Земли.

Технический результат достигается тем, что в способе и устройстве для получения ускоренных заряженных частиц, заключающемся в пропускании частиц, ускоренных электростатическим полем инжектора, через линейные ускоряющие структуры (ЛУС), соединенные друг с другом магнитными узлами поворота и последующим направлением в систему разводки пучка, пучок частиц ускоряют по трехмерной пространственной траектории, для чего пропускают пучок однократно через каждую из линейных ускоряющих стуктур, соединенных друг с другом последовательно так, что вектора направления движения пучка частиц в смежных структурах образуют угол менее 180^o, при этом произведение величины индукции магнитного поля узла поворота на радиус поворота пучка равно значению импульса ускоряемых частиц на выходе и входе смежных ускоряющих структур, ускорение пучка частиц производят на обратной пространственной гармонике.

В устройстве для ускорения заряженных частиц, содержащем последовательность линейных ускоряющих структур, соединенных магнитными системами, каждая из ускоряющих структур выполнена из ячеек нарастающего шага и расположена внутри сверхпроводящего соленоида, при этом магнитная система (узел поворота пучка) выполнена так, что произведение величины индукции магнитного поля узла поворота на радиус поворота пучка равно значению импульса ускоряемых частиц на выходе и входе смежных линейных ускоряющих структур. В зависимости от потребителя и условий компановки ускорителя вход и выход некоторых из линейных ускоряющих структур расположены на одном уровне. Углы между векторами направления движения пучка в смежных структурах могут быть любыми, но меньшими 180^o, а в частном случае углы между векторами направления движения пучка выполнены одинаковыми.

Существо изобретения представлено на фигурах 1, 2а, 2б, 3.

На фиг. 1 представлена блок-схема установки для получения ускоренных заряженных частиц, где 1 - электростатический инжектор; 2_1,2,...i,k - ускоряющие линейные структуры; 3_1,2,...i,k - узлы поворота пучка; 4_1,2...i,k - фокусирующие системы (сверхпроводящие соленоиды); 5 - пучок ускоряемых частиц; 5_п- пучок ускоряемых частиц с промежуточной энергией; 5_к - пучок ускоренных частиц с конечной энергией; 6_1,2...i,k - системы разводки пучка (при данном исполнении ускорителя вывод пучка, т.е. разводку можно проводить на любом этапе, на любом ярусе, что делает ускоритель многопрофильным (в зависимости от задач потребителя); d - пространственный по вертикали период ускорителя.

На фиг. 2а схематически представлен вид ускорителя сверху, а на фиг. 2б схематически представлен вид ускорителя сбоку. (В частности на фиг. 2а представлен случай выполнения ускорителя с равными углами между векторами скорости в смежных структурах - 90^o).

На фиг. 3 представлена схема обобщенного вида пространственного размещения ускоряющих структур при выполнении ускорителя с разнодлинными ускоряющими структурами, различным числом ускоряющих структур и числом поворотов пучка в различных пространственных периодах d_i.

Способ и устройство работают следующим образом.

Из инжектора 1 заряженные частицы (ионы) попадают на вход первой линейной ускоряющей структуры 2₁, помещенной в сверхпроводящий соленоид 4₁, создающий необходимое фокусирующее магнитное поле, удерживающее частицы вблизи траектории ускорения (оси ускоряющих зазоров и ось магнитного поля совмещены). ЛУС 2₁ подсоединена к источнику высокочастотного (ВЧ) питания, обеспечивающего необходимую амплитуду ускоряющей, находящейся в синхронизме со скоростью ускоряющей частицы обратной гармоники высокочастотного электромагнитного поля. Выход первой ЛУС смещен по вертикали относительно входа в нее инжектируемых частиц и также соединен с магнитной (плоское поле) системой поворота пучка 3₁. Эта же магнитная система 3₁ соединена со входом второй ЛУС 2₁, также подсоединенной к ВЧ-питанию и соединенной в свою очередь, со следующей ЛУС 2₂ посредством своей системы поворота пучка 3₂.

Угол, образуемый векторами направления движения пучка в смежных структурах, в данном случае (фиг. 2а) составляет 90 градусов.

Третья структура аналогично соединена с последующей четвертой. Поскольку угол поворота пучка выбран равным 90 градусов, то данные четыре ЛУС составляют пространственный период устройства. При этом так как выходные концы структур размещают выше входных, то при виде сверху - в плане - проекция выхода поворотной системы после четвертой ЛУС совпадает с проекцией входа в первую структуру.

Частицы, получившие необходимую энергию в электростатическом инжекторе, поступают в первую ЛУС, ускоряются в ней высокочастотным полем, направленным навстречу ускоряемых частиц, проходят структуру будучи удерживаемыми продольным магнитным полем соленоида, поворачивают под действием поперечного магнитного поля системы поворота пучка 3₁ и поступают во вторую структуру. После прохождения ряда структур, по числу равных числу ЛУС в одном пространственном периоде ускорителя, пучок совершает (в плане) первый поворот - по сложной трехмерной кривой, состоящей из прямых отрезков, соединенных плавными дугами, при этом он смещается по вертикали на расстояние d, равное одному периоду конструкции по вертикали. Далее процесс ускорения осуществляется аналогично. В связи с последовательным ростом энергии частиц магнитное поле в системах поворота пучка и/или радиус поворота также растут (прямо пропорционально росту импульса частиц). По выходу из ускорителя - по прохождению заданного числа ускоряющих структур - пучок поступает в системы разводки пучка и далее на мишени.

Формула изобретения

1. Способ получения ускоренных заряженных частиц путем пропускания пучка частиц, ускоренных в инжекторе, через линейные ускоряющие структуры, соединенные друг с другом магнитными узлами поворота, с последующим направлением в систему разводки пучка, отличающийся тем, что пучок частиц ускоряют по трехмерной пространственной траектории, для чего пропускают пучок однократно через каждую из линейных ускоряющих структур, соединенных друг с другом последовательно так, что векторы направления движения пучка в смежных структурах образуют угол менее 180^o, произведение величины индукции магнитного поля узла поворота на радиус поворота пучка равно значению импульса ускоряемых частиц на выходе и входе смежных ускоряющих структур, при этом ускорение пучка частиц производят на обратной пространственной гармонике.

2. Устройство для ускорения заряженных частиц, содержащее последовательность линейных ускоряющих структур, соединенных магнитными системами поворота, отличающееся тем, что каждая из линейных ускоряющих структур выполнена из ячеек нарастающего шага и структуры расположены друг относительно друга зигзагообразно так, что векторы направления движения пучка в смежных структурах образуют угол менее 180^o, а каждая из магнитных систем поворота выполнена так, что произведение величины индукции магнитного поля узла поворота на радиус поворота пучка соответствовало значению импульса ускоряемых частиц на выходе и входе смежных структур.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что вход и выход у некоторых из линейных ускоряющих структур находятся на одном уровне.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что углы между векторами направления движения пучка в смежных структурах одинаковы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 14.10.2001

Номер и год публикации бюллетеня: 6-2004

Извещение опубликовано: 27.02.2004