Ускоритель частиц

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к ускорителям частиц, предназначенных для получения пучков высокоэнергетических частиц с относительно высоким значением тока. Ускоритель содержит, по меньшей мере, один первый циклотрон и один второй циклотрон, который охватывает первый циклотрон и конфигурация которого обеспечивает ускорение частиц, выходящих из первого циклотрона. Технический результат - создание надежного ускорителя, создающего интенсивный пучок высокоэнергетических частиц. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Настоящее изобретение касается ускорителей частиц и, в частности, но не исключительно, ускорителей частиц, предназначенных для получения пучков высокоэнергетичных частиц с относительно высоким значением силы тока, например, превышающим или равным 5 мА.

Из статьи «CYCLOTRONS IN RADIOTHERAPY», опубликованной в CERN ACCELERATOR SCHOOL, CYCLOTRONS, LINACS AND THEIR APPLICATIONS, GENEVA 96, после семинара, состоявшегося в Бельгии с 28 апреля по 5 мая 1994 года, известен ускоритель, содержащий два циклотрона, расположенных рядом друг с другом, при этом первый циклотрон выполнен с возможностью ускорения ионов Н^-, а второй циклотрон, называемый также «бустером», выполнен с возможностью ускорения протонов Н⁺ после прохождения пучка нейтральных частиц Н⁰, выходящих из первого циклотрона, через электронный отделитель. Такой ускоритель является относительно сложным и громоздким.

Объектом настоящего изобретения является новый ускоритель частиц, содержащий по меньшей мере:

- один первый циклотрон;

- один второй циклотрон, который охватывает первый циклотрон и конфигурация которого позволяет ускорять частицы, выходящие из первого циклотрона.

Изобретение позволяет реализовать надежный ускоритель, способный создавать интенсивный пучок высокоэнергетичных частиц. Благодаря расположению двух циклотронов, при котором один из них охватывает другой, габариты ускорителя уменьшаются, и упрощается инжекция во второй циклотрон заряженных частиц, ускоряемых первым циклотроном. В частности, срединные сечения первого и второго циклотронов могут находиться практически в одной плоскости, поэтому нет необходимости отклонять в вертикальном направлении выходящие из первого циклотрона ускоренные частицы перед их инжекцией во второй циклотрон, что позволяет сэкономить на магнитных и/или электростатичных отражателях, сократить потери и снизить опасность активации оборудования. Наконец, траектория между двумя циклотронами может стать относительно короткой, что позволяет использовать минимальное пространство.

Первый циклотрон может быть циклотроном компактного типа, в отличие от циклотрона с раздельными секторами. Второй циклотрон может быть циклотроном с раздельными секторами.

Под «циклотроном компактного типа» следует понимать циклотрон, содержащий круговую катушку, соединенную со всей его магнитной конструкцией. Под «циклотроном с раздельными секторами» следует понимать циклотрон, содержащий множество независимых магнитных секторов. В этой связи можно упомянуть вышеуказанную публикацию, содержание которой приводится в качестве ссылки.

Первый циклотрон может быть сверхпроводящим или не быть таковым.

Согласно варианту выполнения настоящего изобретения пучки частиц, создаваемые первым и вторым циклотронами, содержат частицы с различными свойствами.

Так, например, в одном из вариантов осуществления создаваемый первым циклотроном пучок содержит молекулярные ионы, например ионы Н₂ ⁺ или Н₃ ⁺. Ускоритель может содержать отделитель, и ускоряемый вторым циклотроном пучок частиц может генерироваться после прохождения через отделитель пучка частиц, создаваемого первым циклотроном. Создаваемый вторым циклотроном пучок может состоять из протонов Н⁺.

Под отделителем, называемым также стриппером, следует понимать устройство, содержащее лист, через который можно пропускать пучок частиц, при этом указанный лист выполняют из материала, способного «задерживать» некоторые элементарные частицы, например электроны е^-, и пропускать другие частицы. Отделитель может содержать, например, тонкий лист из углерода.

В варианте осуществления настоящего изобретения отделитель является электронным отделителем, обеспечивающим задержание электронов, являющихся частью молекулярных ионов пучка, создаваемого первым циклотроном, для генерирования протонов Н⁺ пучка, создаваемого вторым циклотроном.

В примере осуществления настоящего изобретения отделитель находится внутри второго циклотрона в промежуточном пространстве магнитного сектора.

Ускоритель может содержать осевую инжекционную линию, соединенную с одной стороны с источником ионов, например ионов Н₂ ⁺ или Н₃ ⁺, и с другой стороны с первым циклотроном.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения ускоритель содержит контрольное устройство, выполненное с возможностью измерения силы электрического тока, выдаваемого отделителем, и с возможностью управления в зависимости от силы этого тока и от заданного значения пусковым устройством, выполненным с возможностью изменения силы тока первого пучка ускоряемых частиц, создаваемого первым циклотроном.

Пусковое устройство может содержать, например, по меньшей мере одно устройство управления ВЧ-сгустителем, называемым также «банчером», выполненным с возможностью перегруппировки в пространстве частиц, инжектируемых в первый циклотрон, причем этот сгуститель может быть составной частью вышеуказанной инжекционной линии.

Конфигурация первого циклотрона может быть разработана таким образом, чтобы ускоряемые частицы совершали количество оборотов, например, от 10 до 30, прежде чем выйти из этого первого циклотрона. Таким образом, количество оборотов, совершаемых в первом циклотроне, может быть относительно небольшим, и измеренный по радиусу промежуток между отдельными орбитами частиц может быть достаточно большим, чтобы обеспечить относительно легкий выход пучка на конечную орбиту. Поэтому пучок частиц, ускоренный первым циклотроном, может выйти из него, не проходя через отделитель.

Объектом настоящего изобретения является также использование определенного выше ускорителя для питания управляемой ускорителем системы, называемой ADS, и, в частности:

- усилителя энергии;

- докритического ядерного реактора или

- преобразователя ядерных отходов.

Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего подробного описания неограничительного примера его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 - схематическое частичное изображение в осевом разрезе, иллюстрирующее пример осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 - схематическое частичное изображение в перспективе отдельно взятого первого циклотрона.

Фиг.3 - схематическое частичное изображение, вид сверху второго циклотрона.

Фиг.4 - блок-схема регулирования силы тока пучка, создаваемого ускорителем.

На фиг.1 показан ускоритель 1, содержащий первый циклотрон 10 и второй циклотрон 20, расположенный, например, коаксиально вокруг первого циклотрона и выполняющий роль бустера.

Первый циклотрон 10 компактного и изохронного типа показан отдельно на фиг.2. В описанном примере этот циклотрон является сверхпроводящим, и внутри криогенной камеры 11 расположена по меньшей мере одна круговая катушка 12, показанная с частичным разрезом на фиг.2. Эта катушка 12 выполнена с возможностью генерирования магнитного поля в закрытой магнитной конструкции, называемой также «ярмом», содержащей полюсы, на которых установлены спиральные или радиальные сектора 13, выполненные известным образом из материала, проницаемого для магнитного поля.

Также известным образом между магнитными секторами 13 выполнены резонансные полости 14 для ускорения частиц при помощи эффекта радиочастотного электрического поля, например, при частоте, близкой к 70 МГц.

Первый циклотрон 10 соединен с источником ионов 15, например с источником молекулярных ионов Н₂ ⁺и с осевым линейным инжектором 16, позволяющим направлять ионы, излучаемые источником 15, в центральную область циклотрона, в которой происходит ускорение частиц по практически спиралевидной траектории.

Второй циклотрон 20 является циклотроном изохронного типа с раздельными секторами и содержит множество магнитных секторов 21, чередующихся с радиочастотными полостями 22, расположенными с возможностью ускорения частиц между двумя магнитными секторами 21.

Оба циклотрона 10 и 20 соединены каналом 31, в котором, согласно представленному примеру, присутствует тот же вакуум, что и в обоих циклотронах.

Каждый сектор 21 является независимым с точки зрения магнетизма, то есть содержит свои собственные средства, обеспечивающие генерирование магнитного поля, например катушку 23.

В промежуточном пространстве одного из магнитных секторов 21 вблизи его радиально внутреннего конца установлен электронный отделитель 24, содержащий тонкий углеродный лист, например, толщиной порядка 100 нм.

Этот отделитель 24 позволяет отрывать электроны е^- от падающего пучка. Так, в рассматриваемом примере при прохождении через отделитель 24 молекулярные ионы Н₂ ⁺ трансформируются в пучок протонов Н⁺.

Отделитель 24 электрически изолирован таким образом, чтобы обеспечивать считывание собираемого электрического тока. В представленном примере этот ток измеряют при помощи контрольного устройства 30, выполненного с возможностью управления пусковым устройством 18, позволяющим изменять силу тока пучка ускоренных частиц, излучаемого первым циклотроном. Контрольное устройство 30 может быть выполнено с возможностью управления пусковым устройством 19 в зависимости от заданного значения тока I_c, что позволяет точно регулировать силу тока пучка ускоряемых частиц, излучаемого вторым циклотроном.

Пусковое устройство 18 может быть, например, любым устройством управления ВЧ-сгустителем осевого линейного инжектора 16.

Ускоритель 1 работает следующим образом. Излучаемые источником 15 ионы Н₂ ⁺ инжектируются осевым линейным инжектором 16 в первый циклотрон 10 и ускоряются в срединной плоскости Р первого циклотрона 10. В рассматриваемом примере они покидают этот циклотрон по завершении относительно малого числа оборотов, например, близкого к 25. Сила тока пучка частиц Н₂ ⁺, выходящего из первого циклотрона 10, составляет, например, приблизительно 5 мА, а энергия ионов Н₂ ⁺ - примерно от 10 до 25 МэВ.

Канал 31 обеспечивает частицам, ускоренным первым циклотроном, прохождение во второй циклотрон, где они наталкиваются на отделитель 24 и трансформируются в протоны Н⁺, которые, в свою очередь, ускоряются в срединной плоскости Р второго циклотрона 20. Этот второй циклотрон обеспечивает силу тока, которая, например, превышает или равна 10 мА, при этом энергия протонов Н⁺ превышает 10 МэВ. Превращение ионов Н₂ ⁺ в протоны Н⁺ при прохождении через отделитель 24 позволяет удвоить силу тока пучка.

Контрольное устройство 30 позволяет регулировать силу тока пучка протонов Н⁺, излучаемого вторым циклотроном, и поддерживать ее на уровне определенного постоянного или непостоянного значения в соответствии с заданным значением I_c, причем последнее может изменяться во времени.

Ускоритель частиц 1 в соответствии с настоящим изобретением может найти широкое применение и, в частности, использоваться в сочетании с усилителем энергии, описанным, например, в европейском патенте ЕР 0725967, или с преобразователем, описанным в международной заявке WO 98/9347.

Естественно, что настоящее изобретение не ограничивается описанным выше примером осуществления.

Не выходя за его рамки, можно, в частности, использовать не являющийся сверхпроводящим циклотрон для предварительного ускорения частиц.

Источником ионов может быть источник, отличный от источника Н₂ ⁺, например источник Н₃ ⁺ или Н^-.

Во всех материалах заявки, включая формулу изобретения, выражение «содержит + единственное число» должно пониматься как «содержит по меньшей мере», если не дается противоположного уточнения.

1. Ускоритель (1) частиц, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере, один первый циклотрон (10), один второй циклотрон (20), который охватывает первый циклотрон и конфигурация которого обеспечивает ускорение частиц, выходящих из первого циклотрона.

2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что первый циклотрон (10) является циклотроном компактного типа.

3. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что второй циклотрон (20) является циклотроном с раздельными секторами.

4. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что первый циклотрон (10) и второй циклотрон (20) являются циклотронами изохронного типа.

5. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что частицы, ускоряемые первым циклотроном, являются частицами со свойствами, отличающимися от свойств частиц, ускоряемых вторым циклотроном.

6. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что пучок частиц, ускоряемых первым циклотроном, содержит молекулярные ионы.

7. Ускоритель по п.6, отличающийся тем, что частицы, ускоряемые первым циклотроном, представляют собой ионы H₂ ⁺.

8. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что содержит отделитель (24) и тем, что пучок частиц, ускоряемых вторым циклотроном, генерируется при прохождении через отделитель пучка, выходящего из первого циклотрона.

9. Ускоритель по п.8, отличающийся тем, что отделитель (24) находится внутри второго циклотрона.

10. Ускоритель по п.8, отличающийся тем, что отделитель (24) содержит лист из углерода.

11. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что частицы, ускоряемые вторым циклотроном, представляют собой протоны H⁺.

12. Ускоритель по п.8, отличающийся тем, что содержит контрольное устройство (30), выполненное с возможностью измерения силы тока, выдаваемого отделителем (24), и с возможностью управления в зависимости от значения силы этого тока пусковым устройством (18), выполненным с возможностью изменения силы тока пучка частиц, выходящего из первого циклотрона.

13. Ускоритель по п.12, отличающийся тем, что пусковое устройство (18) содержит, по меньшей мере, одно устройство управления ВЧ-сгустителем, выполненным с возможностью воздействия на группирование частиц, инжектируемых в первый циклотрон.

14. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что первый циклотрон (10) соединен с линейным осевым инжектором (16).

15. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что конфигурация первого циклотрона (10) разработана таким образом, чтобы ускоряемые частицы совершали в первом циклотроне число оборотов, составляющее от 10 до 30.

16. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что пучок частиц, ускоряемых первым циклотроном, выходит из него, не проходя через отделитель.

17. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что первый циклотрон (10) является сверхпроводящим.

18. Способ питания системы, управляемой ускорителем, отличающийся тем, что указанный ускоритель является ускорителем по п.1.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что указанная система содержит усилитель энергии.

20. Способ по п.18, отличающийся тем, что указанная система содержит докритический ядерный реактор.

21. Способ по п.18, отличающийся тем, что указанная система содержит преобразователь ядерных отходов.