ИНДУКЦИОННЫЙ СИНХРОТРОН С ПОСТОЯННЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

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: 1) 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), 2) 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), 3) индукционные синхротроны включающие в себя диполи с постоянным во времени магнитным полем и ускоряющую систему, состоящую из индукционных секций, связанных с датчиками времени пролета пучка и служащих для запуска этих секций (например, Г.В. Долбилов, «Циклический ускоритель заряженных частиц», Патент ОИЯИ №2477936, 2014; [1]. G.V. Dolbilov «The Induction Synchrotron with a Constant Magnetic Field» // Proc. Of the XXIV Russian article Conference, RuPAC 2014, Obninsk, Russia, http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/rupac2014/papers/wepsb29) [2]

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 иметь в составе ускорителя генераторы импульсов тока для питания магнитных диполей, форма импульсов которых зависит от энергии ускоряемых частиц и режима работы ускорителя. Кроме того, высокочастотные ускоряющие резонаторы должны менять свою резонансную частоту в соответствии с изменением циклической частоты частиц в процессе ускорения. Большой диапазон изменения циклической частоты требует применения предускорителей (бустеров) для ускорения частиц до высоких энергий.

В качестве прототипа выбираем индукционный синхротрон, который описан в работах: Г.В. Долбилов, «Циклический ускоритель заряженных частиц», Патент ОИЯИ №2477936, 2014 [1]. G.V. Dolbilov «The Induction Synchrotron with a Constant Magnetic Field» // Proc. Of the XXIV Russian article Conference, RuPAC 2014, Obninsk, Russia, http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/rupac2014/papers/wepsb29) [2].

Этот ускоритель заряженных частиц включает в себя импульсную индукционную ускоряющую систему с датчиками времени пролета пучка для синхронизации запуска индукционных секций, систему формирования полями магнитных диполей замкнутых орбит частиц, которые в процессе ускорения близки к равновесной орбите ускорителя, систему жесткой фокусировки пучка в виде квадрупольных линз, системы ввода и вывода пучка и вакуумную систему.

Недостаткам такого ускорителя является то, что частицы с очень малой энергией могут не достигнуть области однородного поля диполя и будут отклонены краевыми полями диполя и потеряны. Это обстоятельство уменьшает диапазон ускоряемых энергий и требуют более высоких энергий инжектируемых частиц, что усложняет конструкцию, удорожает создание и эксплуатацию ускорителя.

Раскрытие из обретения.

Изобретение решает задачу увеличения диапазона ускоряемых энергий и отношения Z/A ускоряемых частиц при циклическом ускорении частиц в постоянном магнитном поле путем уменьшения нижнего порога ускоряемых энергий (Z-зарядность, Α-атомный номер). Кроме того, позволяет снизить требования к параметрам инжектируемого пучка, упростить и удешевить конструкцию инжектора, отказаться от предускорителя, уменьшить стоимость создания и эксплуатации ускорителя.

Поставленная цель достигается тем, что циклический ускоритель заряженных частиц, включает импульсную индукционную ускоряющую систему с датчиками времени пролета пучка, которые предназначены для синхронизации запуска индукционных секций с импульсами циркулирующего тока пучка, систему формирования полями магнитных диполей замкнутых орбит частиц, которые в процессе ускорения близки к равновесной орбите ускорителя, систему жесткой фокусировки пучка в виде квадрупольных линз, которые расположены на прямолинейных участках орбиты, системы ввода пучка, систему вывода пучка и вакуумную систему. При этом система формирования замкнутых орбит при ускорении пучка, близких к равновесной орбите, состоит из набора отклоняющих секций с корректирующими устройствами на входе и выходе секции. Каждая отклоняющая пучок на угол θ секция содержит два отражающих частицы пучка диполя с постоянным во времени и однородным вдоль продольной оси диполя магнитным полем и с произвольным распределением поля поперек этой оси. Продольные оси диполей расположены под углом π-θ/2 друг к другу и углом θ/4 к осям прямолинейных участков на входе и выходе каждой отклоняющей секции. Корректирующие устройства компенсируют вертикальную дефокусировку пучка в отражающих диполях. Корректирующее устройство содержит две короткие линзы, квадрупольную и симметричную, которые расположены в непосредственной близости друг к другу и представляют собой одну корректирующую линзу.

Отличительным признаком изобретения является следующее: система формирования замкнутых орбит при ускорении пучка, которые близки к равновесной орбите, состоит из набора отклоняющих секций с корректирующими устройствами на входе и выходе секции. Каждая отклоняющая пучок на угол θ секция содержит два отражающих частицы пучка диполя с постоянным во времени и однородным вдоль продольной оси диполя магнитным полем и с произвольным распределением поля поперек этой оси. Продольные оси диполей расположены под углом π-θ/2 друг к другу и углом θ/4 к осям прямолинейных участков на входе и выходе каждой отклоняющей секции. Корректирующие устройства компенсируют вертикальную дефокусировку пучка в отражающих диполях. Корректирующее устройство содержит две короткие линзы, квадрупольную и симметричную, которые расположены в непосредственной близости друг к другу и представляют собой одну сборную короткую корректирующую линзу.

Совокупность вышеуказанных признаков позволяет существенно уменьшить нижний порог ускоряемых энергий, уменьшить энергию инжектируемых частиц и отказаться от дорогостоящих предускорителей частиц при ускорении частиц на высокие энергии.

При указанном расположении диполей и распределении магнитных полей в них угол отклонения пучка в каждой отклоняющей секции будет равным θ во все диапазоне ускоряемых энергий частиц. Поскольку в области, где магнитное поле однородно вдоль продольной оси, угол отражения пучка от диполя будет равен углу падения пучка на диполь и не зависит от характера распределения поля поперек оси. Поэтому отклонение пучка секцией на угол θ будет происходить и в краевых полях диполей при очень низких энергиях частиц. Это обстоятельство позволяет существенно уменьшить энергию инжектируемых в ускоритель частиц и удешевить создание и эксплуатацию ускорителя. Поскольку магнитные поля отражающего диполя фокусируют пучок в радиальном направлении и дефокусируют в вертикальном направлении, на входе и выходе каждой отклоняющей секции установлены корректирующие устройства, которые с помощью симметричной и квадрупольной магнитных линз компенсируют вертикальную дефокусировку пучка.

Импульсные индукционные секции и датчики времени пролета пучка, служащие для синхронизации времени запуска ускоряющих секций с временем пролета пучка по периметру орбиты, позволяют ускорять частицы в широком диапазоне скоростей (энергий) и отношений заряда частиц к их массе, Ζ/А.

Перечень чертежей

Фиг. 1 -_ Фрагмент траекторий пучка заряженных частиц при ускорении с индукционном синхротроне с постоянном магнитным полем;

Фиг. 2 - Схема отражающего заряженные частицы магнитного диполя;

Фиг. 3 - Схема отклоняющей магнитной секции;

Фиг. 4 - Схема варианта индукционного синхротрона с шестью отклоняющими секциями с постоянном магнитным полем.

На Фиг. 1 приведен фрагмент траекторий пучка заряженных частиц в индукционном синхротроне с постоянном магнитном полем,

где 1 - траектория ускоренного пучка; 2 - траектория пучка с энергией инжекции, которая много меньше максимальной энергии.

Схема отражающего заряженные частицы магнитного диполя приведена на Фиг. 2,

где 3 - отражающий магнитный диполь, 4 - траектория «падающих» частиц, 5 - траектории отраженных частиц, (см. 9, фиг. 3, Приложение 1), энергия и траектория которых меняется в процессе ускорения, (α) - углы падения и отражения частиц.

Фиг. 3 (Приложение 1) приведена схема отклоняющей магнитной секции, где 6 - На отражающие магнитные диполи, 7 - траектории входящих частиц, 8 - траектории выходящих частиц, 9 - траектории частиц в отклоняющей секции в процессе ускорения. (θ) - угол отклонения пучка в секции.

На Фиг. 4 приведена схема варианта индукционного синхротрона с шестью отклоняющими пучок секциями с постоянным магнитным полем (шестью парами отражающих диполей). Каждая пара диполей отклоняет пучок на 60°. Здесь 10 - отражающие магнитные диполи; 11 - прямолинейные участки, где устанавливаются индукционная ускоряющая система с датчиками времени пролета пучка, квадрупольные линзы жестко фокусирующей системы, системы ввода пучка, вакуумная система; 12 - камера отклоняющей секции для транспортировки отражаемых от диполя частиц (см. (9), фиг. 3); 13 - корректирующие устройства, которые представляют собой сборную линзу, состоящую из двух магнитных линз, квадрупольной и симметричной, которые компенсируют вертикальную дефокусировку пучка при отражении частиц от диполей.

Осуществление изобретения

Устройство работает следующим образом.

Пучок заряженных частиц инжектируется в ускоритель на одном из прямолинейных участков орбиты и ускоряется импульсной индукционной системой. В процессе ускорения частота ускоряющих импульсов возрастает в соответствии с ростом частоты обращения частиц. Синхронизация импульсов и пучка осуществляется с помощью датчиков времени пролета пучка. Ускорение импульсов тока пучка частиц индукционными импульсами с регулируемой частотой повторения позволяет реализовать синхронное ускорение в широком диапазоне скоростей частиц и их энергий.

Замкнутые орбиты ускоряемых частиц формируются с помощью отклоняющих пучок магнитных секций, которые содержат два отражающих пучок магнитных диполя. Если продольные оси отражающих диполей составляют друг к другу угол π-θ/2, а входная траектория пучка составляет угол θ/4 с осью входного отражающего диполя, то выходная траектория и ось выходного отражающего диполя будут составлять тот же угол θ/4, а угол между входной и выходной траекториями пучка будет равен θ. При выполнении этих условий угол θ не будет зависеть от энергии ускоряемых частиц. Возможность работы отклоняющих секций в краевых полях диполей позволяет дополнительно расширить диапазон ускорения, уменьшить энергию инжекции и отказаться от использования предускорителей.

Поскольку в отклоняющей секции пучок фокусируется в горизонтальной плоскости дефокусируется в вертикальной, то установленные на входе и выходе корректирующие устройства компенсируют дефокусировку пучка.

Для ввода и вывода пучка из ускорителя используются традиционные схемы.

Пример конкретного выполнения. Дипольные магниты для отражения пучка представляют собой либо электромагниты с величиной магнитной индукции около 2 тесла, либо NdFeB или SmCo постоянные магниты с индукцией ~ 1 тесла. Использование постоянных магнитов не требует создания источников магнитной системы, но из-за меньшей величины магнитной индукции увеличивает размер равновесной орбиты.

Импульсные индукционные секции выполнены на основе традиционных ферромагнитных материалов (например, пермаллой, ферриты и т.п.). Индукционные секции представляют собой набор ферромагнитных сердечников-индукторов, каждый из которых питается импульсным напряжением порядка 1 кВ, что позволяет использовать транзисторные генераторы импульсов и увеличить надежность системы.

Корректирующие устройства системы отклонения пучка и квадрупольные линзы прямолинейных участков используют стандартные и широко применяемые магнитные линзы.