Способ ускорения заряженных частиц

 

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к протонным синхротронам. В изобретении способ управления пучком заряженных частиц по окружности с нарастающим магнитным полем осуществляется по сторонам многоугольника. В каждой стороне многоугольника установлены диполь и фокусирующие устройства, которые выполнены в виде катушек с продольным магнитным полем. Технический результат: ускоритель по предложенному способу обеспечивает получение энергии протонов свыше 1000 ТэВ при небольших геометрических размерах и скромном потреблении энергии от промышленной сети. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к мощным протонным синхротронам.

По ускорителям заряженных частиц имеется обширная литература, представленная в Трудах Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, а также в [1, 2, 3, 5, 6].

Громадные геометрические размеры и большая инерционность кольцевого электромагнита ускорителя затрудняют управление пучком заряженных частиц, ограничивают перспективные возможности протонного синхротрона по величине достигаемой энергии. Развитие протонного синхротрона произошло с принципиальными отклонениями от общих принципов построения эффективных автоматических систем. Характерные особенности протонных синхротронов имеют обременительный и негативный характер, и в итоге протонный синхротрон как лидер ускорительной техники потерял перспективу своего развития, превратился в одиозный объект с громадным потреблением энергии от промышленной сети.

В [5] предложена для протонного синхротрона автономно-секционированная система электропитания кольцевого электромагнита АССЭКЭУ. АССЭКЭУ состоит из автономных и изолированных секций кольцевого электромагнита, каждая из которых подключена к автономному и полностью управляемому источнику тока на основе эффектов бесконечного усиления (это система-усилитель), причем управляющий вход каждого источника тока подключен к задающему устройству. Структура АССЭКЭУ возвышает протонный синхротрон до идеального уровня по всем показателям при традиционном способе управления пучком заряженных частиц на траектории по окружности с возрастающим магнитным полем.

Рассмотрим как прототип АС N 1499729, содержащий поворотные магниты (диполи) кольцевой структуры, разделенные прямолинейными промежутками для размещения ускоряющей системы, корректирующих магнитных линз и иное вспомогательное оборудование. По своей конструкции указанное АС является синхрофазотроном с жесткой фокусировкой.

Недостатки прототипа: 1. Задача увеличения энергии - главная в ускорительной технике - практически решается за счет увеличения геометрических размеров ускорителя; 2. С ростом периметра кольцевой структуры ускорителя возрастают: - инерционность ускорителя, - пассивное потребление энергии от промышленной сети, - трудности управления выходными координатами главных технических систем ускорителя.

3. Прямолинейные промежутки уменьшают эффективный радиус орбиты; 4. Жесткая фокусировка увеличивает перечень недостатков ускорителя, она является результатом недостаточного владения процессами управления в ускорителе.

5. Синхротронное излучение ограничивает предельные возможности ускорителя по величине достигаемой энергии.

Структура прототипа построена на принципе рассеяния энергии в пространстве, что обусловливает все недостатки ускорителя.

Задача, решаемая в заявленном изобретении, - это создание в компактном объеме ускорителя заряженных частиц с энергией более 10¹⁵ эВ.

Этот результат достигается тем, что ускорение и транспортировку пучка заряженных частиц производят по сторонам многоугольника, в каждой из которых устанавливают диполь, фокусирующие устройства и ускоряющее устройство, при этом диполь и фокусирующие устройства выполнены в виде катушек с продольным магнитным полем, при этом замкнутый контур ускорителя представляет собой многоугольник, в каждой стороне которого установлены упомянутые диполь, фокусирующие устройства и ускоряющее устройство, причем диполь и фокусирующие устройства выполнены в виде катушек с продольным магнитным полем.

На чертеже показана схема ускорителя заряженных частиц как пример применения предлагаемого способа ускорения заряженных частиц, где 1 - диполь с продольным магнитным полем, 2, 4 - фокусирующие устройства, 3 - ускоряющее устройство,
5, 6, 7 - управляемые источники тока.

Поз. 1, 2, 4 выполнены в виде катушек с продольным магнитным полем. На схеме стрелками показана центральная орбита ускорителя. Каждый из источников тока обеспечивает точное управление его выходной координатой, при этом подавлены все действующие на него возмущения, включая и параметрические.

Катушки 2, 4 обеспечивают:
- требуемую величину плотности пространственного заряда,
- управление размером пучка за счет изменения магнитного поля.

Идеализация фиксирования размеров пучка осуществляется катушками 2, 4, когда плотность пространственного заряда при равномерном распределении по сечению равна
ρ = 2,65 · 10⁹ γ B² протон/см³,
где B - в теслах.

Как диполь 1, так и фокусирующие устройства 2, 4 могут быть выполнены конструктивно в виде катушек с продольным магнитным полем:
а) с охлаждением или без охлаждения;
б) на сильных импульсных магнитных полях (4);
в) на основе сверхпроводящей конструкции.

Количество устанавливаемых фокусирующих устройств в каждой стороне многоугольника определяется характеристикой диполя и качеством ускоряющего устройства. Варианты а) и в) допускают неограниченное время ускорения. Структура схемы устройства допускает как непрерывный режим ускорения заряженных частиц, так и импульсный. На схеме указано максимальное количество источников тока; их число можно уменьшить за счет последовательного включения устройств магнитной системы.

Диполь 1 изменяет направление орбиты на угол α между вектором скорости заряженной частицы и направлением магнитной индукции B, при этом заряженная частица движется в диполе 1 по винтовой линии с радиусом r и шагом винта h.

,
где E₁ и E₀ - полная энергия и энергия покоя заряженной частицы.

B - магнитная индукция в теслах.

Из представленной схемы устройства и формулы (1) видно, что заряженные частицы транспортируются по линейным участкам центральной орбиты и только в углах многоугольника они изменяют свое направление на α градусов.

При движении заряженных частиц по центральной орбите их энергия увеличивается в каждой стороне многоугольника на величину напряжения ускоряющего, устройства 3. Процесс нарастания энергии заряженных частиц теоретически не имеет ограничений.

Из формулы (1) видно, что радиус витка вращающейся частицы изменяется от нуля до значения, асимптотически приближающегося к величине

при E _→ ∞.
Цифровые величины в формулах (1), (2), (3) относятся к протонному синхротрону. Ограниченный размер радиуса витка (3) выражает и обеспечивает устойчивость процесса неограниченного увеличения энергии коллектива заряженных частиц, и это свойство способа и структуры предложенной схемы ускорителя заряженных частиц принципиально отличает их от всех известных схем ускорителей.

Энергия пучка протонов в предлагаемом изобретении равна

U₁ - величина ускоряющего напряжения в стороне многоугольника, вольт.

T_у - время процесса ускорения в секундах.

n - число сторон многоугольника.

П - периметр многоугольника в метрах.

Из формулы (4) хорошо видны предложения, которые оптимизируют ускоритель.

Из формулы (4) видно, что величина достигаемой энергии в предложенной конструкции ускорителя заряженных частиц, в отличие от традиционных циклических ускорителей, не зависит непосредственно от величин магнитной индукции диполя 1. Процесс ускорения заряженных частиц идет при постоянном заданном магнитном поле в диполе 1; параметры площадки ускорения - величина индукции магнитного поля, время ускорения - обеспечиваются управляемым источником тока 5, способным точно выдерживать и повторять неограниченное число раз заданное магнитное поле в диполе 1. На формулы (4) видно, что величина энергии, достигаемая в предложенной конструкции ускорителя, обратно пропорциональна периметру П многоугольника. Величина П должна быть минимальной и определяться только размерами устройств в каждой стороне многоугольника. Следовательно, предложенный способ управления пучком заряженных частиц конструктивно обеспечивает теоретически неограниченную величину достигаемой энергии C пучком заряженных частиц при минимальной величине:
- геометрических размерах ускорителя заряженных частиц,
- потребляемой им энергии от промышленной сети.

Ускоритель заряженных частиц по предложенному способу обеспечивает получение энергии протонов свыше 1000 ТэВ при небольших геометрических размерах его конструкции и скромном потреблении им энергии от промышленной сети.

В традиционной схеме ускорителя процесс ускорения по окружности идет в нарастающем магнитном поле. Именно эти две особенности традиционной схемы ускорителя являются главными фигурантами, принципиально ограничивающими дальнейшее развитие протонного синхротрона по величине достигаемой энергии.

Имеются всего два пути развития традиционного протонного синхротрона, основанных на увеличении радиуса и индукции магнитного поля кольца ускорителя, которые в настоящее время практически достигли предельных величин. Сверхпроводящая система оказалась не способной серьезно улучшить тупиковую ситуацию в традиционном способе ускорения по кольцу. Предложенный способ открывает перспективу для применения сверхпроводимости; магнитные элементы схемы 1, 2, 4 с продольным магнитным полем могут быть выполнены в сверхпроводящем исполнении. Этот вариант исполнения магнитной системы ценен тем, что он также допускает неограниченное время ускорения.

Литература
1. Брехна Г. - Сверхпроводящие магнитные системы. - М.: Мир, 1976.

2. Коломенский А.А. Физические основы методов ускорения заряженных частиц. - М.: изд. МГУ, 1980.

3. Лебедев А.Н., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей. - М.: Энергоатомиздат, 1991.

4. Сильные и сверхстильные магнитные поля и их применение / Дрансфельд К. и др. Под ред. Ф.Херлаха. - М.: Мир, 1988.

5. Гладков Б.Д. Система импульсного питания электромагнита. Патент РФ N 2013893, H 05 H 7/00. Бюл. 10, 30.05.94.

6. Ускорители: пер. с анг., нем. - М.: Гос. изд. лит. по. атомной науке и технике, 1962.

Формула изобретения

1. Способ ускорения заряженных частиц, включающий транспортировку в процессе ускорения пучка заряженных частиц по замкнутому контуру, содержащему ряд участков, в каждом из которых устанавливают диполь, фокусирующие устройства и ускоряющее устройство, отличающийся тем, что транспортировку производят по сторонам многоугольника, в каждой из которых устанавливают упомянутые диполь, фокусирующие устройства и ускоряющее устройство, при этом диполь и фокусирующие устройства выполнены в виде катушек с продольным магнитным полем.

2. Ускоритель заряженных частиц, содержащий замкнутый контур с рядом участков, в каждом из которых установлены диполь, фокусирующие устройства и ускоряющее устройство, отличающийся тем, что замкнутый контур представляет собой многоугольник, в каждой из сторон которого установлены упомянутые диполь, фокусирующие устройства и ускоряющее устройство, при этом диполь и фокусирующие устройства выполнены в виде катушек с продольным магнитным полем.

РИСУНКИ

Рисунок 1