Способ медленного вывода пучка заряженных частиц

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к способам вывода частиц из кольцевых систем ускорителей и накопителей заряженных частиц, которые используют байпасные системы. Предлагаемый способ решает задачу уменьшения потерь частиц при медленном выводе с использованием байпасной системы пучка и уменьшения искажений импульсного магнитного поля экранами системы вывода пучка. Задача решается путем использования градиентных дипольных полей, которые обладают градиентным импульсом силы. Нарастающим магнитным полем градиентного диполя пучок отклоняется к системе вывода и дефокусируется для увеличения его радиального размера в области апертуры выводного устройства. При увеличении магнитного поля часть частиц пучка, которая попала в апертуру выводного дефлектора выводится из ускорителя, а оставшаяся часть фокусируется и снова вводится на равновесную орбиту. Величина магнитного поля увеличивается до тех пор, пока все частицы пучка не будут выведены из ускорителя. Технический результат – уменьшение искажений магнитного поля вокруг экрана и уменьшение потерь частиц пучка в стенке дефлектора. 1 ил.

 

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к способам вывода частиц из кольцевых систем ускорителей и накопителей заряженных частиц.

Существует несколько способов медленного вывода пучков. Наибольшее распространение получил вывод с использованием резонансной раскачки бетатронных колебаний заряженных частиц [1]. Суть этого метода заключается в том, что в одной из поперечных фазовых плоскостей создают условия сильного нелинейного резонанса. Частицы циркулирующего пучка в начале занимают устойчивую область движения фазового пространства. Затем создаются условия, когда частицы пересекают сепаратрису нелинейного резонанса и попадают в неустойчивую область движения, где амплитуда колебаний быстро возрастает и частицы попадают в апертуру выводного устройства.

Другой способ вывода связан с использованием байпасной системы отклонения пучка от равновесной орбиты [2]. В этом способе полями четырех одинаковых дипольных магнитов формируют байпасную систему, которая сначала отклоняет, а затем возвращает пучок на равновесную орбиту. С увеличением магнитной индукции магнитных полей диполей величина отклонения растет. При приближении пучка к магнитному экрану включают быстрый ударный магнит, который отклоняет траекторию пучка внутрь магнитного экрана. После чего пучок не возвращается на равновесную орбиту, а выводится из ускорителя.

В качестве прототипа выбираем способ вывода с использованием байпасной системы отклонения пучка от равновесной орбиты [2]. Одной из проблем, которая осложняет реализацию этого способа вывода пучка, является возмущение поля магнитным экраном устройства вывода пучка. Создание экранов с малыми возмущениями импульсных магнитных полей одновременно и в пространстве, и во времени представляет сложную задачу. В данном способе вывода пучков [2] предлагается использовать многослойный медно-железный экран. Кроме того, толщина такого экрана сравнима с поперечными размерами выводимого пучка, что приводит к существенным потерям частиц пучка в стенках экрана.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение искажений магнитного поля вокруг экрана и уменьшения потерь частиц в стенках выводного устройства при байпасном выводе пучка.

Способ заключается в том, что, используя переменные во времени магнитные поля, постепенно отклоняют траекторию пучка частиц от равновесной орбиты и при достижении траекторией пучка апертуры выводного устройства выводят частицы из ускорителя, частицы пучка одновременно дефокусируют и отклоняют от равновесной орбиты нарастающим во времени магнитным полем первого входного диполя, часть частиц отклоненного и дефокусированного пучка, которые достигли апертуры выводного устройства, выводятся из ускорителя, а частицы дефокусированного пучка, не попавшие в апертуру выводного устройства, фокусируют полями второго и третьего магнитных диполей и отклоняют обратно к оси, а полями четвертого магнитного диполя не выведенные из ускорителя частицы снова вводятся на равновесную орбиту, магнитные поля всех диполей увеличивают до тех пор, пока все частицы не будут выведены из ускорителя, отклонение фокусировку и дефокусировку пучка производят полями диполей с градиентом импульса силы G=d(Ft)/dy (где G - градиент импульса силы, F - сила, действующая на частицу, t - время действия силы y - поперечная координата диполя), при этом для экранировки переменного магнитные поля в устройстве вывода его стенки выполняют из тонкого немагнитного металла с толщиной стенки более скин-слоя, а для уменьшения искажений магнитного поля в области частиц пучка, не попавших в апертуру выводного устройства, стенки этого устройства выполняют параллельно силовым линиям магнитного поля.

Отличительными признаками заявленного способа является следующее:

Частицы пучка одновременно дефокусируют и отклоняют от равновесной орбиты нарастающим во времени магнитным полем первого диполя на входе в байпасную систему. В результате действия дефокусирующих и отклоняющих сил пучок, дрейфуя в пространстве дрейфа между диполями, увеличивает свой размер и величину отклонения от оси системы. При слабых полях в диполях байпасной системы все частицы пучка возвращаются на равновесную орбиту. С ростом полей растет отклонение пучка и часть частиц, достигнув апертуры выводного устройства (дефлектора), будут выведены из ускорителя. Большой размер пучка у дефлектора уменьшает потери частиц в его стенках. Магнитные поля второго и третьего диполей фокусируют оставшиеся частицы и отклоняют их к оси системы, где полем четвертого диполя вводятся на равновесную орбиту. Отклонение, фокусировку и дефокусровку пучка производят полями диполей с градиентным импульсом силы G=d(Ft)/dy, (где G - градиент импульса силы, F - сила, действующая на частицу, t - время действия силы y - поперечная координата диполя), при этом для экранировки переменного магнитные поля в устройстве вывода его стенки выполняют из тонкого немагнитного металла с толщиной стенки более скин-слоя, а для уменьшения искажений магнитного поля в области частиц пучка, не попавших в апертуру выводного устройства, стенки этого устройства выполняют параллельно силовым линиям магнитного поля. Малая толщина стенок выводного дефлектора и большой размер пучка у дефлектора способствует существенному уменьшению потерь частиц пучка. Поскольку силовые линии переменного магнитного поля всегда огибают электропроводящий метал, то параллельные силовым линиям стенки дефлектора не вызовут искажения магнитного поля.

Поставленная цель достигается тем, что совокупность всех существенных признаков позволяет существенно уменьшить искажения магнитного поля дефлектором и потери частиц пучка в дефлекторе при байпасном способе медленного вы вода пучка частиц из кольцевых ускорителей и накопителей частиц.

Перечень иллюстраций

На Фиг. 1 (Приложение) Приведена схема вывода пучка заряженных частиц из кольцевых ускорителей и накопителей частиц с использованием байпасного метода отклонения пучка,

где:

1 и 4 - градиентные диполи с фокусным расстоянием ƒ₁ (1 - входной диполь дефокусирует пучок и отклоняет его от равновесной орбиты, 4 - выходной диполь инжектирует частицы на равновесную орбиту).

2 и 3 - диполи с фокусным расстоянием ƒ₂ (фокусируют пучок и отклоняют его на равновесную орбиту).

5 - выводное устройство (дефлектор).

l - участок дрейфа.

, , - размеры огибающей пучка.

ζ - смещение элементов системы.

Способ работает следующим образом.

Отклонение, фокусировку/дефокусировку пучка производят градиентными диполями 1, 2, 3 и 4 (Рис. 1). Градиент импульса силы диполя равен:

где:

F - сила, действующая на частицу,

t - время пролета частицы в диполе,

q - заряд частицы,

y - поперечная координата диполя.

Градиентный диполь 1 на входе в систему дефокусирует и отклоняет пучок от равновесной орбиты и приближая его к выводному устройству 5 (дефлектору). При этом дефокусирока пучка увеличивает его радиальный размер с целью сделать его значительно больше толщины стенки дефлектора, чтобы уменьшить потери частиц в стенке.

Суммарное действие двух градиентных диполей 2 и 3 приводит к обратному отклонению пучка к равновесной орбите. При этом диполи фокусируют частицы пучка, которые не достигли апертуры выводного устройства (дефлектора).

Градиентный диполь 4 на выходе байпасной системы выводит пучок из системы на равновесную орбиту.

Для осуществления байпасного вывода пучка на равновесную орбиту требуется выполнение условия:

где l - длина участка дрейфа,

ƒ₁ - фокусные расстояния градиентных диполей 1 и 4,

ƒ₂ - фокусные расстояния градиентных диполей 2 и 3,

Величина фокусных расстояний определяется, соотношением:

где:

q - заряд частиц,

B₁ - магнитная индукция диполей 1 и 4,

B₂ - магнитная индукция диполей 2 и 3,

Р - импульс частиц,

tgα₁ - геометрический параметр диполей 1 и 4,

tgα₂ - геометрический параметр диполей 2 и 3.

После включения системы питания градиентных диполей и увеличения их полей отклоненный пучок, проходя байпасную систему, будет возвращается на равновесную орбиту до тех пор, пока пучок не достигнет апертуры дефлектора. Часть частиц, которые достигли апертуры дефлектора, будут выведены из ускорителя. Оставшаяся часть частиц пучка, пройдя байпасную систему, будут снова введены на равновесную орбиту. Увеличение магнитных полей в градиентных диполях продолжается до тех пор, пока все частицы пучка не будут выведены.

Величину потерь частиц в стенках дефлектора определяют из соотношения размера огибающей пучка в области дефлектора и толщины стенки дефлектора. Размер огибающей пучка в области дефлектора α_def равен:

где:

- огибающая пучка на входе в байпасную систему,

- огибающая пучка в области дефлектора,

l - длина участка дрейфа.

При размер огибающей пучка у дефлектора много больше, чем размер α_in на входе в байпасную систему, , что приведет к уменьшению потерь частиц в стенки дефлектора.

Для частного случая, когда формируют однородные магнитные поля, используют треугольную форму магнитных полюсов градиентных диполей (Фиг. 1). У таких диполей величина градиента силы диполей G_1,2 и фокусные расстояния ƒ_1,2 равны:

G_1,2=qB_1,2⋅tgα_1,2,

где R_1,2 - циклический радиус частицы в полях В₁₂, tgα_1,2 - геометрический фактор диполей (Фиг. 1).

где q и Р - заряд и импульс частицы.

Здесь индекс «1» относится к 1 и 4 диполям, индекс «2» - к 2 и 3 диполям.

Для реализации данной системы медленного вывода частиц необходимы диполи с величиной магнитной индукции В_1,2≤2T, которая зависит от заряда, массы и энергии частицы. Магнитные полюса диполей выполняют из стандартной электротехнической стали.

Литература

1. И.Б. Иссинский. «Введение в физику ускорителей заряженных частиц», Часть 4, Издательский отдел Объединенного института ядерных исследований, 141980, г. Дубна, Московской обл.

2. А.V. Bondarenko, N.A. Vinokurov. «Beam extraction from a synchrotron through a magnetic shield». Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 603 (2009), pp. 10-12.

Способ медленного вывода пучка заряженных частиц из магнитной системы кольцевых ускорителей и накопителей частиц, заключающийся в том, что, используя переменные во времени магнитные поля, постепенно отклоняют траекторию пучка частиц от равновесной орбиты и при достижении траекторией пучка апертуры выводного устройства выводят частицы из ускорителя, отличающийся тем, что частицы пучка одновременно дефокусируют и отклоняют от равновесной орбиты нарастающим во времени магнитным полем первого входного диполя, часть частиц отклоненного и дефокусированного пучка, которые достигли апертуры выводного устройства, выводят из ускорителя, а частицы дефокусированного пучка, не попавшие в апертуру выводного устройства, фокусируют полями второго и третьего магнитных диполей и отклоняются обратно к оси, а полями четвертого магнитного диполя не выведенные из ускорителя частицы снова вводятся на равновесную орбиту, магнитные поля всех диполей увеличивают до тех пор, пока все частицы не будут выведены из ускорителя, отклонение, фокусировку и дефокусировку пучка производят полями с градиентом импульса силы G=d(Ft)/dy (где G - градиент импульса силы, F - сила, действующая на частицу, t - время действия силы y - поперечная координата диполя), при этом для экранировки переменного магнитного поля в устройстве вывода его стенки выполняют из тонкого немагнитного металла с толщиной стенки более скин-слоя, а для уменьшения искажений магнитного поля в области частиц пучка, не попавших в апертуру выводного устройства, стенки этого устройства выполнены параллельно силовым линиям магнитного поля.