Циклический ускоритель заряженных частиц

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в области физики частиц высоких энергий, промышленности, медицины и научных исследований. Технический результат - увеличение максимальной энергии при циклическом ускорении заряженных частиц в постоянном магнитном поле, что позволяет упростить конструкцию, уменьшить стоимость создания и эксплуатации ускорителя. Кроме того, изобретение позволяет расширить диапазон параметров ускоряемых частиц по заряду частиц и их массе. Циклический ускоритель заряженных частиц включает в себя отклоняющие дипольные магниты для формирования замкнутых орбит частиц, ускоряющую и фокусирующую систему в виде квадрупольных линз, расположенных на прямолинейных участках орбит частиц, системы ввода и вывода пучка частиц. При выполнении специальных условий на конструкцию отклоняющих дипольных магнитов они могут быть выполнены из постоянных магнитов или электромагнитов с постоянным во времени магнитным полем и обеспечивать малые заданные по величине радиальные отклонения орбит во всем диапазоне энергий ускоряемых частиц. Ускоритель содержит дополнительную жесткофокусирующую систему в отклоняющих дипольных магнитах. Импульсная индукционная ускоряющая система с датчиками времени пролета пучка позволяет ускорять заряженные частицы в широком диапазоне энергий (времени пролета частиц) и отношения зарядов к массам частиц. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в области физики частиц высоких энергий, промышленности, медицины и научных исследований.

Уровень техники.

Известны ускорители, включающие в себя диполь с постоянным магнитным полем, и высокочастотную ускоряющую систему, в которых заряженные частицы, ускоряясь, движутся по спиральной орбите из центра магнитного диполя, постепенно увеличивая радиус орбиты с ростом энергии: циклотроны, синхроциклотроны или фазотроны (например Дж.Ливингуд. Принципы работы классических ускорителей.- М.: Издательство иностранной литературы, 1963, с.19-23), и ускорители, включающие в себя диполи с нарастающим во времени магнитным полем и высокочастотные резонаторы с перестраиваемой частотой, в которых частицы в процессе ускорения сохраняют радиус орбиты постоянным: синхрофазотрон, (например Дж.Ливингуд. Принципы работы классических ускорителей.- М.: Издательство иностранной литературы, 1963, с.23-25, 199-234)

Основным недостатком ускорителей с постоянным магнитным полем диполя является ограничение максимальной энергии ускоренных частиц из-за большого веса диполя (сотни тысяч тонн), который пропорционален приблизительно кубу диаметра полюса диполя, т.е. максимальному импульсу ускоренных частиц.

Недостатком ускорителей с постоянным радиусом в процессе ускорения является необходимость включать в себя диполи с требуемой формой зависимости от времени магнитным полем и высокочастотные резонаторы перестраиваемой частотой ускоряющего электрического поля, соответствующей меняющемуся при ускорении времени пролета частиц, а также необходимость включения предускорителей (бустеров) для ускорения частиц до высоких энергий.

В качестве прототипа выбираем ускоритель с постоянным радиусом орбиты заряженных частиц в процессе ускорения, который описан в монографии Дж.Ливингуд. Принципы работы классических ускорителей.- М.: Издательство иностранной литературы, 1963, с.23-25, 199-224. Этот ускоритель включает системы ввода и вывода пучка частиц, отклоняющие дипольные магниты с меняющимся во времени магнитным полем для формирования замкнутых орбит частиц, прямолинейные участки орбит, содержащие фокусирующую систему в виде квадрупольных линз и высокочастотные резонаторы с перестраиваемой частотой, причем зависимость величины магнитного поля и зависимость частоты высокочастотного электрического поля от времени должны соответствовать постоянству радиуса орбит частиц в процессе ускорения, что усложняет конструкцию, удорожает создание и эксплуатацию ускорителя.

Раскрытие изобретения.

Изобретение решает задачу - увеличение максимальной энергии при циклическом ускорении заряженных частиц в постоянном магнитном поле, что позволяет упростить конструкцию, уменьшить стоимость создания и эксплуатации ускорителя. Кроме того, изобретение позволяет расширить диапазон параметров ускоряемых частиц по отношению заряда частиц к их массе.

Поставленная цель достигается тем, что циклический ускоритель заряженных частиц включает в себя отклоняющие дипольные магниты для формирования замкнутых орбит частиц, ускоряющую и фокусирующую систему в виде квадрупольных линз, расположенных на прямолинейных участках орбит частиц, системы ввода и вывода пучка частиц, каждый дипольный магнит состоит из набора секций с азимутальной протяженностью ΔΘ, сами секции выполнены из двух малых диполей с однородным и постоянным во времени магнитным полем, при этом координаты внутренней границы диполей удовлетворяют условию:

x=±[(P_max/qB-r)·ctg(ΔΘ/4)+х₀,] где:

x - расстояние внутренней границы малых диполей до биссектрисы угла ΔΘ, x₀ - постоянная величина, определяемая конкретной конструкцией малых диполей, r - радиальная координата границы малых диполей, Р_max - заданный максимальный импульс частиц, q - заряд выбранных частиц; малые диполи снабжены устройствами коррекции их положения для компенсации краевых эффектов полей; дополнительно введена фокусирующая система дипольных магнитов, состоящая из чередующихся секций дипольных магнитов, служащих для фокусировки пучка в радиальном направлении и для дефокусировки пучка в вертикальном направлении, и квадрупольных линз, служащих для фокусировки пучка в вертикальном направлении и дефокусировки пучка в радиальном направлении, а ускоряющая система состоит из импульсных индукционных секций, связанных с датчиками времени пролета частиц и служащих для запуска этих секций;

малые диполи выполнены в виде постоянных магнитов.

Отличительными признаками изобретения является следующее: каждый дипольный магнит состоит из набора секций с азимутальной протяженностью ΔΘ, сами секции выполнены из двух малых диполей с однородным и постоянным во времени магнитным полем, при этом координаты внутренней границы диполей удовлетворяют условию:

x=±[(P_max/qB-r)·ctg(ΔΘ/4)+x₀,] где: [1]

x - расстояние внутренней границы малых диполей до биссектрисы угла ΔΘ, x₀ - постоянная величина, определяемая конкретной конструкцией малых диполей, r - радиальная координата границы малых диполей, Р_max - заданный максимальный импульс частиц, q - заряд выбранных частиц; малые диполи снабжены устройствами коррекции их положения для компенсации краевых эффектов полей; дополнительно введена фокусирующая система дипольных магнитов, состоящая из чередующихся секций дипольных магнитов, служащих для фокусировки пучка в радиальном направлении и для дефокусировки пучка в вертикальном направлении, и квадрупольных линз, служащих для фокусировки пучка в вертикальном направлении и дефокусировки пучка в радиальном направлении, а ускоряющая система состоит из импульсных индукционных секций, связанных с датчиками времени пролета частиц и служащих для запуска этих секций;

малые диполи выполнены в виде постоянных магнитов.

При указанных координатах внутренней границы малых диполей положение пучка и суммарный вектор скорости частиц на выходе каждой секции отклоняющего диполя будут неизменными во всем диапазоне ускоряемых энергий (импульсов) частиц.

Малая азимутальная протяженность секций отклоняющего диполя позволяет уменьшить радиальную апертуру канала пучка в секциях диполя, где траектории пучка зависят от энергии частиц.

Для компенсации краевых эффектов магнитных полей малые диполи содержат корректоры их положения.

Поскольку магнитные поля секций отклоняющего диполя фокусируют пучок в радиальном направлении и дефокусируют в вертикальном направлении, для фокусировки пучка в обоих направлениях секции диполя чередуются с квадрупольными линзами, которые фокусируют пучок в вертикальном направлении и дефокусируют в радиальном направлении.

Импульсные индукционные секции и датчики времени пролета пучка, служащие для запуска секций, позволяют ускорять частицы в широком диапазоне скоростей (энергий) частиц и отношений заряда частиц к их массе.

Совокупность вышеуказанных признаков позволяет существенно увеличить максимальную энергию ускоряемых частиц при использовании отклоняющих магнитов с постоянным во времени магнитным полем, а также уменьшить вес и стоимость магнитной системы, расширить диапазон параметров ускоряемых частиц по их зарядам и массе при использовании импульсной индукционной ускоряющей системы, связанной с датчиками времени пролета частиц и служащей для запуска системы, уменьшить стоимость создания и эксплуатации ускорителя.

Перечень иллюстраций:

Фиг.1. Схема циклического ускорителя;

Фиг.2. Схема секции дипольного магнита;

Фиг.3. Траектории пучка частиц с максимальной заданной энергией и энергией инжекции в прямолинейных участках и секциях отклоняющего магнитного диполя (состоящего из трех секций).

Описание чертежа.

Схема циклического ускорителя приведена на Фиг.1, где:

(1) - инжектор частиц в ускоритель; (2) - отклоняющая система, состоящая из секций диполя (Фиг.2), число которых зависит от данных конкретных условий; (3) - импульсная индукционная ускоряющая секция, время запуска которой определяется датчиками времени пролета пучка; (4) -прямолинейный жесткофокусирующий участок с квадрупольными линзами; (5) - дефлектор прямолинейного участка для вывода пучка частиц с промежуточными энергиями; (6) - отклоняющий магнит; (7) - дефлектор дипольного магнита для вывода пучка с заданной максимальной энергией.

На Фиг.2 приведен один из периодов структуры отклоняющего диполя ускорителя (секции диполя); (8) - малые дипольные магниты с постоянным по времени и однородным в пространстве магнитным полем, позволяющие во всем диапазоне ускоряемых энергий сохранять вне секций постоянными траектории пучка частиц; (9) - устройства коррекции положения малых диполей для компенсации краевых эффектов полей; (10) - квадрупольные линзы для фокусировки совместно с секциями отклоняющего диполя пучка в отклоняющем диполе (2) (Фиг.1), (11) - траектории частиц с разными энергиями.

На Фиг.3 приведены траектории пучка в отклоняющем диполе для случая, когда диполь состоит из трех секций. (12) - траектории пучка вне отклоняющего диполя, (13) - траектория пучка с заданной максимальной энергией частиц в секциях отклоняющего диполя, (14) - траектория пучка с энергией, соответствующей энергии инжекции частиц в секциях отклоняющего диполя.

Осуществление изобретения

Устройство работает следующим образам.

Инжектор (1) (Фиг.1) инжектирует частицы в ускоритель; магнитные диполи (2) с постоянным во времени магнитным полем формируют замкнутую орбиту частиц; импульсные индукционные секции (3), расположенные на прямолинейных участках (4), ускоряют частицы, а время запуска импульсных секций задается датчиками времени пролета пучка, что позволяет ускорять частицы в широком диапазоне отношений заряда к массе частиц и широком диапазоне скоростей частиц; дефлектор (5) и отклоняющий магнит (6) выводят частицы на прямолинейных участках орбиты на промежуточных этапах ускорения; дефлектор (7) выводит частицы с заданной максимальной энергией.

В малых диполях с однородным магнитным полем (8) (Фиг.2) частицы движутся по орбитам, радиус которых зависит от энергии (импульса) частиц, причем при специальной форме внутренней границы [1] малых диполей пучок во всем диапазоне ускоряемых энергий поворачивается на угол ΔΘ/2, а траектория пучка частиц (11) перпендикулярна биссектрисе ОС угла ∠АОВ=ΔΘ и зеркальна относительно этой биссектрисы. Поэтому на выходе каждой секции диполя пучок во всем диапазоне ускоряемых энергий имеет одни и те же координаты угла. С помощью устройств коррекции положения малых диполей (9) осуществляется компенсация краевых эффектов магнитных полей, которые зависят от конкретной конструкции диполей. Каждая секция диполя фокусирует пучок частиц в радиальном направлении и дефокусирует в вертикальном направлении. Квадрупольные линзы (10) фокусируют пучок в вертикальном направлении и дефокусируют в радиальном направлении, создавая фокусировку пучка по обоим направлениям в отклоняющем диполе (2) (Фиг.1).

Таким образом, траектории пучка в процессе ускорения одни и те же вне секций диполя и различаются только в секциях диполя. Фиг.3 поясняет, что радиальный разброс траекторий пучка (и радиальная апертура канала для пучка) зависит от азимутальной протяженности секций дипольного магнита. Чем меньше азимутальная протяженность, чем больше число секций, тем меньше разброс 1 траекторий и меньше радиальная апертура.

Пример конкретного выполнения.

Отклоняющие дипольные магниты представляют собой набор, например, одинаковых секций, выполненных из малых диполей. Малые диполи представляют собой электромагниты с заданной величиной магнитной индукции либо постоянные NdFeB или SmCo магниты. Квадрупольные линзы могут быть либо магнитными, например, либо электрическими, параметры которых рассчитываются исходя из конкретной конструкции секций диполей. Для коррекции положения малых диполей используются, например, механические устройства.

Импульсные индукционные секции выполнены на основе традиционных ферромагнитных материалов (например, пермаллое, ферритах и т.п.)

1. Циклический ускоритель заряженных частиц, включающий отклоняющие дипольные магниты для формирования замкнутых орбит частиц, ускоряющую и фокусирующую систему в виде квадрупольных линз, расположенных на прямолинейных участках орбит частиц, системы ввода и вывода пучка частиц, отличающийся тем, что каждый дипольный магнит состоит из набора секций с азимутальной протяженностью (ΔΘ), сами секции выполнены из двух малых диполей с однородным и постоянным во времени магнитным полем, при этом координаты внутренней границы диполей удовлетворяют условию:
x=±[(P_max/qB-r)·ctg(ΔΘ/4)+x₀],
где x - расстояние внутренней границы малых диполей до биссектрисы угла ΔΘ, x₀ - постоянная величина, определяемая конкретной конструкцией малых диполей, r - радиальная координата границы малых диполей, P_max - заданный максимальный импульс частиц, q - заряд выбранных частиц; малые диполи снабжены устройствами коррекции их положения для компенсации краевых эффектов полей; дополнительно введена фокусирующая система отклоняющих дипольных магнитов, состоящая из чередующихся секций дипольных магнитов, служащих для фокусировки пучка в радиальном направлении и для дефокусировки пучка в вертикальном направлении, и квадрупольных линз, служащих для фокусировки пучка в вертикальном направлении и для дефокусировки пучка в радиальном направлении, а ускоряющая система состоит из импульсных индукционных секций, связанных с датчиками времени пролета частиц и служащих для запуска этих секций.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что малые диполи выполнены в виде постоянных магнитов.