Способ синхронного ускорения заряженных частиц в постоянном магнитном поле
Изобретение относится к cпособу ускорения заряженных частиц. В заявленном способе инжектированные в ускоритель частицы ускоряются импульсами индукционного электрического поля, которые синхронизированы с импульсами тока ускоряемого пучка. Синхронизация импульсов осуществляется с помощью датчиков времени пролета пучка. Азимутальная устойчивость ускоряемых частиц обеспечивается формой вершины индукционных импульсов. Замкнутые орбиты частиц при их ускорении формируются посредством многократного отражения частиц от диполей. В результате многократного отражения инжектированные частицы, с предельно низкой энергией, движутся по хордам кольцевой орбиты ускоренных частиц. Величина отклонения траекторий инжектированных и ускоренных частиц зависит от числа отражающих диполей. Вертикальную дефокусировку частиц полями отклоняющих диполей компенсируют на входе и выходе отклоняющих пучок секций. На прямолинейных участках частицы фокусируют квадрупольными линзами и после ускорения выводят их. Техническим результатом является расширение диапазона энергий ускоряемых частиц путем существенного уменьшения нижнего порога энергий, связанного с потерей частиц с малой энергией, а также возможность отказаться от применения пред-ускорителей частиц и упрощение эксплуатации ускорителя. 3 ил.
Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в области физики частиц высоких энергий, промышленности, медицины и научных исследований.
Известны способы ускорения с постоянным магнитным полем диполя, в котором заряженные частицы ускоряются высокочастотным электрическим полем и 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», издательство иностранной литературы, Москва, 1963, с. 19-23). Способы ускорения с постоянным радиусом орбиты заряженных частиц в процессе ускорения и нарастающим во времени магнитным полем отклоняющих диполей в соответствии с ростом энергии частиц при ускорении высокочастотным полем: синхрофазотрон (например, Дж. Ливингуд «Принципы работы классических ускорителей», издательство иностранной литературы, Москва, 1963, с. 23-25, 199-234). Способ ускорения с почти постоянным радиусом орбиты частиц в процессе ускорения и постоянным во времени магнитным полем отклоняющих диполей (например, 1. Dolbilov G.V. The Induction Synchrotron with a Constant Magnetic Field // http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/rupac2014/papers/wepsb29, 2. Долбилов Г.В. Способ циклического ускорения заряженных частиц // Патент ОИЯИ, №2451435, 3. Долбилов Г.В. Циклический ускоритель заряженных частиц // Патент ОИЯИ, №2477936.)
Основным недостатком способов ускорения 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 способов ускорения с постоянным радиусом в процессе ускорения и переменным магнитным полем диполей является необходимость формирования требуемой зависимости от времени магнитного поля диполей и формирования ускоряющего электрического высокочастотного поля с переменной частотой, соответствующей меняющему времени пролета частиц поля, а также необходимость создания пред-ускорителей (бустеров) для ускорения частиц до высоких энергий.
Способ ускорения частиц в постоянном магнитном поле и формирования почти постоянных замкнутых орбит с помощью диполей с однородным магнитным полем имеет ограничения на величину минимальной энергии инжекции частиц, связанные с потерей частиц с энергии, которая ниже критической.
В качестве прототипа выбираем способ ускорения с почти постоянным радиусом орбиты частиц в процессе ускорения и постоянным во времени магнитным полем отклоняющих диполей, который описан в работах: 1. Dolbilov G.V. The Induction Synchrotron with a Constant Magnetic Field // http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/rupac2014/papers/wepsb29, 2. Долбилов Г.В. Способ циклического ускорения заряженных частиц // Патент ОИЯИ, №2451435, 3. Долбилов Г.В. Циклический ускоритель заряженных частиц // Патент ОИЯИ, №2477936.) Этот способ заключается в том, что для создания замкнутых орбит частиц формируют дипольное магнитное поле с постоянным во времени и с пространственной конфигурацией, определяющейся азимутальной протяженностью диполя, которая позволяет во всем диапазоне ускоряемых энергий иметь небольшое отклонение орбит от орбиты с максимальной энергией в диполе и иметь совпадающие орбиты вне диполя, инжектируют в магнитное поле заряженные частицы, ускоряют частицы индукционным электрическим полем с частотой импульсов, кратной периоду обращения частиц в циклическом ускорителе, жестко фокусируют их на прямолинейных участках орбиты и выводят ускоренные частицы,
Предлагаемое изобретение решает задачу расширение диапазона энергий ускоряемых частиц путем существенного уменьшения нижнего порога энергий, связанного с потерей частиц с малой энергией. Кроме того, применение способа позволяет существенно снизить требования к инжектору частиц, отказаться от применения пред-ускорителей частиц, упростить и удешевить создание и эксплуатацию ускорителя.
Способ заключается в том, что полями магнитных диполей, величина индукции которых постоянна во времени, формируют орбиты частиц, близкие к равновесной орбите ускорителя, инжектируют частицы в ускоритель, ускоряют частицы индукционным электрическим полем с частотой импульсов кратной периоду обращения ускоряемых частиц, жестко фокусируют частицы и выводят их после ускорения, при этом формирование замкнутых орбит частиц производят путем многократного отражения частиц полями магнитных диполей по всей их орбите, в отражающих диполях формируют магнитное поле с величиной индукции, позволяющей отражать частицы под тем же углом, что и инжектируемые в диполь частицы, и с однородным распределением индукции вдоль продольной оси каждого диполя и с произвольным распределением индукции поперек их оси.
Отличительными признаками заявленного способа является следующее.
Формирование замкнутых орбит частиц производят путем многократного отражения частиц полями магнитных диполей по всей их орбите, при этом в отражающих диполях формируют магнитное поле с величиной индукции, позволяющей отражать частицы под тем же углом, что и инжектируемые в диполь частицы, и с однородным распределением индукции вдоль продольной оси каждого диполя, и с произвольным распределением индукции поперек их оси.
Поставленная цель достигается тем, что совокупность всех существенных признаков формулы позволяет формировать равенство углов инжекции пучка в диполь и углов отражения пучка от диполя независимо от энергии ускоряемых частиц и независимо от характера распределения магнитной индукции поперек продольной оси диполей, что позволяет отражать частицы и в краевых полях диполей частицы с малой энергией.
Перечень иллюстраций.
На фиг. 1 (Приложение 1) приведена схема ускорителя, использующего синхротронный способ ускорения в постоянном во времени магнитным полем,
где: 1 - отражающие магнитные диполи; 2 - прямолинейные участки орбиты; 3 - вакуумная камера отклоняющей пучок системы; 4 - корректоры динамики частиц в отклоняющей системе.
На фиг. 2 (Приложение 2) приведена схема отражения ускоряемых частиц магнитным диполем: 5 - отражающий магнитный диполь; 6 - траектория частиц с различными энергиями.
На фиг. 3 (Приложение 2) приведена схема способа отклонения пучка на угол 4α во всем диапазоне ускоряемых энергий, где 7 - отражающие пучок магнитные диполи; 8 - траектория входящих в отклоняющую систему частиц; 9 - траектории частиц в процессе ускорения; 10 - траектория выходящих из системы частиц.
Способ работает следующим образом. Заряженные частицы инжектируют на одном из прямолинейных участков орбиты 2, фиг. 1 (Приложение 1), длина которых может быть произвольной. Инжектированные частицы ускоряются импульсами индукционного электрического поля, которые синхронизированы с импульсами тока ускоряемого пучка. Синхронизация импульсов осуществляется с помощью датчиков времени пролета пучка. Азимутальная устойчивость ускоряемых частиц обеспечивается формой вершины индукционных импульсов. Замкнутую орбиту частиц при их ускорении формируют посредством многократного отражения частиц от специальных диполей с постоянным магнитным полем. Пространственное распределение магнитного поля в каждом диполе таково, что углы падения и отражения частиц от диполя равны и не зависят от энергии ускоряемых частиц. В результате многократного отражения инжектированные частицы с предельно низкой энергией движутся по хордам кольцевой орбиты ускорителя. Величина отклонения траекторий инжектированных и ускоренных частиц зависит от числа пар отражающих диполей, фиг. 3 (Приложение 2). Число пар таких диполей на орбите определяется данной конкретной задачей. На фиг. 1 приведена схема ускорителя с шестью парами отражающих диполей, каждая из которых поворачивает (отклоняет) пучок на 60 градусов. Вертикальную дефокусировку частиц полями отражающих диполей компенсируют на входе и выходе отклоняющих пучок секций. Жесткую фокусировку частиц осуществляют на прямолинейных участках орбиты. Ускоренные частицы выводятся из ускорителя устройством, расположенным на прямолинейном участке орбиты.
В настоящее время в ускорительной технике широко применяются магнитные диполи (сверхпроводящие и «теплые») с уровнем магнитной индукции 1-2 Тесла, которой вполне достаточно для реализации способа. В способе используются традиционные секции линейного индукционного ускорителя с сердечниками индуктором из существующих ферромагнитных материалов. Синхронизация ускоряющих импульсов с импульсами тока пучка осуществляется традиционными методами с использованием мониторов времени пролета пучка.
Для примера рассмотрим ускоритель протонов на энергию 200 МэВ (ускоритель для медицинских целей). Поскольку частицы с максимальной для данного ускорителя энергией движутся в максимальном поле диполя, радиус их орбиты определяется выражением R=P/qBmax, где R - радиус орбиты, Р - импульс частицы, q - заряд частицы, В - индукция магнитного поля. При поле Bmax=2 Тл для протонов R=1.1 м.
Если величина индукции в сердечниках индукционных секций не превышает 0,1-0,2 Тл, потери энергии на перемагничивание сердечников будут малы и кпд ускорителя будет высоким.
Способ циклического ускорения заряженных частиц в постоянном магнитном поле, заключающийся в том, что полями магнитных диполей, величина индукции которых постоянна во времени, формируют орбиты частиц, близкие к равновесной орбите ускорителя, инжектируют частицы в ускоритель, ускоряют частицы импульсами индукционного электрического поля, которые с помощью датчиков времени пролета пучка синхронизуют с импульсами тока ускоряемых частиц, жестко фокусируют частицы и выводят их после ускорения, отличающийся тем, что формирование замкнутых орбит частиц производят путем многократного отражения заряженных частиц полями магнитных диполей по всей их орбите, при этом в отражающих диполях формируют магнитные поля с величиной индукции, позволяющей отражать частицы под тем же углом к продольной оси диполя, что и инжектируемые в диполь частицы, и с однородным распределением индукции вдоль продольной оси каждого диполя и произвольным распределением индукции поперек их оси.
