Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ МНОГООБОРОТНОЙ ИНЖЕКЦИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ЦИКЛИЧЕСКИЙ УСКОРИТЕЛЬ

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в циклических ускорителях.

Как известно, заряженные частицы, инжектированные в постоянное магнитное поле циклического ускорителя, совершив несколько оборотов в камере ускорителя, погибают на вводном устройстве (инжекторе) или апертурных элементах камеры и не захватываются в режим ускорения. Существует два метода накопления частиц в камере ускорителя: 1) увеличение числа инжектируемых импульсов (многократная инжекция); 2) увеличение длительности импульсов инжекции (многооборотная инжекция). Наиболее распространенными методами многооборотной инжекции являются метод с заполнением 4-мерного поперечного фазового пространства с помощью линейного разностного резонанса связи радиальных и вертикальных бетатронных колебаний и метод с постепенным заполнением горизонтального аксептанса ускорителя за счет смещения локального искажения горизонтальной проекции замкнутой орбиты.

В качестве прототипа выбираем способ многооборотной инжекции [1, 2], заключающийся в том, что в процессе инжекции изменяют параметры орбиты частиц и самих частиц при помощи электрических и магнитных полей с целью постепенного заполнения горизонтальной фазовой плоскости до размера, определяемого аксептансом ускорителя.

Недостатком такого способа многооборотной инжекции являются наличие ограничений на число захваченных оборотов и увеличение радиального фазового объема пучка при накоплении в нем частиц.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение интенсивности и уменьшение радиального фазового объема накопленного пучка заряженных частиц.

Способ заключается в том, что в процессе инжекции изменяют параметры орбиты частиц и самих частиц при помощи электрических и магнитных полей, для ввода частиц на линейном участке орбиты ускорителя, частицы предварительно инжектируются в магнитные поля двух разнополярных инжекционных диполей, с помощью полей этих диполей частицы вводят на равновесную орбиту, ускоряют на равновесной орбите, а перед тем как вывести частицы на второй и последующие обороты, частицы отклоняют магнитными полями двух дополнительных разнополярных диполей, в которых ускоренные частицы, минуя устройство ввода пучка в систему, снова инжектируют магнитные поля инжекционных разнополярных диполей, которые выводят частицы на равновесную орбиту ускорителя, где происходит их накопление.

Способ допускает использование в инжекционных и дополнительных диполях однородных магнитных полей с одинаковой величиной магнитной индукции.

Отличительными признаками заявляемого способа является следующее.

Для ввода частиц на линейном участке орбиты ускорителя, частицы предварительно инжектируются в магнитные поля двух разнополярных инжекционных диполей, с помощью полей этих диполей частицы вводят на равновесную орбиту, ускоряют на равновесной орбите, а перед тем как вывести частицы на второй и последующие обороты, частицы отклоняют магнитными полями двух дополнительных разнополярных диполей, в которых ускоренные частицы, минуя устройство ввода пучка в систему, снова инжектируют магнитные поля инжекционных разнополярных диполей, которые выводят частицы на равновесную орбиту ускорителя, где происходит их накопление. В одном из вариантов способа магнитные поля инжекционных и дополнительных диполей формируют однородными и имеющими одинаковую величину магнитной индукции.

Поставленная цель достигается тем, что совокупность всех существенных признаков позволяет осуществить многооборотную инжекцию и накопление частиц на равновесной орбите.

Перечень иллюстраций

На Фиг. 1 (Приложение) приведена схема ускорителя с системами инжекции пучка,

где:

1 - инжекционные разнополярные диполи,

2 - дополнительные разнополярные диполи,

3 - источник заряженных частиц,

4 - инжекционная ускоряющая система,

5 - отклоняющие магниты,

6 - ускоряющая система ускорителя.

На Фиг. 2 (Приложение) приведена схема многооборотной инжекции с использованием разно-полярных магнитных диполей, где:

1 - магнитные диполи, которые отклоняют частицы от равновесной орбиты, (DM - диполи),

2 - магнитные диполи, которые отклоняют частицы к равновесной орбите (RM - диполи),

3 - траектория частиц, энергия которых равна энергии инжекции,

4 - траектория частиц, которые были ускорены на первом обороте,

5 - траектория частиц, ускоренных на первом и втором оборотах,

- инжекционная пара диполей с противоположной полярностью магнитного поля,

±М₂ - дополнительная пара диполей с противоположной полярностью магнитного поля.

Способ работает следующим образом. Пучок заряженных частиц инжектируется в магнитную систему, которая состоит из двух диполей с разной полярностью магнитной индукции (Фиг. 1). В случае, когда поля диполей однородны, частицы в диполе движутся по круговой траектории с циклическим радиусом R

R=P/q B_z,

где Р - полный импульс частицы, B_z - величина магнитной индукции в диполе, q - заряд частицы.

Изменение поперечного импульса в диполе, P_y, будет равно

dP_y/dt=qν_xB_z, dP_y=qB_zν_xdt,

где ν_x - продольная скорость частицы, t - время.

На выходе первого инжекционного диполя поперечный импульс достигнет величины

P_1,y=P_0,y-qB_zx₁, (qB_zx₁≤P),

где x₁ - длина траектории частицы в первом диполе Р_{0, y} - поперечный импульс на входе в систему инжекционных диполей, Р - полный импульс частицы.

На выходе второго диполя с обратной полярностью импульс будет равен

Р_2,y=Р_1,y+qB_zx₂=Р_0,y-qB_z(x₁-х₂),

где х₂ - длина траектории частицы во втором инжекционном диполе.

При равенстве длин траекторий в диполях (х₁=х₂) импульс на выходе второго диполя будет равен входному импульсу Р_2,y=Р_{0, у}.

Для центральных частиц пучка х₁=х₂=х₀, Р_0,у=0, и ось пучка будет введена на равновесную орбиту ускорителя.

Ускорение частиц на первом и последующих оборотах приводит к увеличению циклического радиуса частиц в полях диполей и, следовательно, к уменьшению смещения частиц от равновесной орбиты ускорителя. Разность смещений пучка Δy₁=y_inj-y₁ называют «промашкой» пучка на первом обороте. Здесь y₁ - максимальное смещение пучка от равновесной орбите на первом обороте, y_inj - смещение от равновесной орбиты пучка при его инжекции. Величина «промашки» зависит от величины y_inj≈х₀ и отношения P_inj/Р₁

где

P_inj - инжекционный импульс,

Р₁ - импульс частицы после первого оборота,

ΔР₁ - прирост импульса частицы, ускоренной на первом обороте.

Для случая, когда кинетическая энергия инжектируемых частиц qU_inj много меньше энергии покоя частиц Мс², qU_inj/Mc²<<1 отношение импульсов равно

где qΔU - прирост энергии частицы на каждом обороте.

Увеличение числа оборотов (n), накопление частиц на равновесной орбите сопровождается увеличением разброса энергий в захваченном пучке qΔU_n=nqΔU. После ускорения частиц относительный разброс энергий в пучке будет равен nqΔU/qU_acc, где qU_acc - кинетическая энергия ускоренных частиц. С целью уменьшения этой величины ускорение частиц в процессе инжекции не должно быть большим. При ΔU/U_inj<<1 на первом обороте отношение импульсов будет равно

Однако уменьшение прироста энергии частиц ΔU приводит к уменьшению «промашки» Δy₁, требуемая величина которой определяется поперечным фазовым объемом пучка. «Промашка» на первом обороте инжекции при малых ΔU равна

где θ=arccos(y_inj/R_inj), a R_inj=P_inj/qB_z - циклический радиус частицы в поле B_z.

Например при ΔU/U_inj=2% и θ=10° «промашка» составит Δн₁≅0.12y_inj

Выбором координаты инжекции , можно задавать требуемую величину «промашки» Δy₁. Для последующих оборотов частиц «промашка» Δy_n<Δy₁.

В данном методе многооборотной инжекции не используется постепенное заполнение горизонтальной и вертикальной фазовых плоскостей ускорителя, при котором инжектированные частицы смещаются в фазовой плоскости так, что бы освободить место для вновь инжектированных частиц.

В данном методе пучки частицы каждого последующего оборота выводятся на равновесную орбиту ускорителя. И если инжектируется согласованный пучок, то вертикальный поперечный эмиттанс накопленного пучка будет равен эмиттансу инжектированного пучка.

Величина относительного энергетического разброса частиц на выходе ускорителя пропорциональна числу захваченных оборотов (N) и обратно пропорциональна отношениям:

и

где y_inj - величина смещения инжектированного пучка; Δy₁ - величина промашки пучка на первом обороте; qU_acc - кинетическая энергия ускоренных частиц; qU_inj - кинетическая энергия инжектированных частиц; q - заряд частиц.

Величина относительного энергетического разброса равна:

где θ=arccos(y_inj/R_inj).

Величина энергетического разброса при данном способе многооборотной инжекции, может быть достаточно малой и удовлетворять целому ряду физических задач. А для многих промышленных применений не имеет существенного значения. При заданных параметрах Δy₁, U_inj, U_acc и sinθ относительный энергетический разброс в ускоренном пучке может быть уменьшен путем увеличения смещения пучка при инжекции y_inj.

Особые преимущества данный способ имеет при его использовании в индукционных циклических ускорителях с постоянным магнитным полем. Поскольку такие ускорители имеют низкий порог энергии инжекции qU_inj, это позволяет существенно уменьшить величину разброса частиц по энергиям при инжекции и относительный энергетический разброс частиц в ускоренном пучке.

При ускорении многозарядных ионов циклический радиус ионов будет зависит от величины их зарядности, q. Чем больше зарядность иона, тем больше циклический радиус в данном поле диполя и тем больше промашка на первом обороте. Это обстоятельство позволяет производить селекцию зарядности накопленных в ускорителе ионов.

Литература

1. В.И. Волков, И.Н. Мешков, В.А. Михайлов, Г.В. Трубников, А.В. Тузиков, А.А. Фатеев. Концептуальный проект системы инжекции пучков тяжелых ионов в бустер ускорительного комплекса NICA. Письма в ЭЧАЯ, 2014, Т. 11, №5 (189), с. 1045-1067.

2. Е.В. Буляк, Н.Н. Моченников. «Способ многооборотной инжекции заряженных частиц», Авторское свидетельство №701493, Бюллетень №33, 07.09.82.