МАГНИТНАЯ СИСТЕМА ИНДУКЦИОННОГО СИНХРОТРОНА С ПОСТОЯННЫМ ВО ВРЕМЕНИ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

Область техники

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке циклических ускорителей с практически постоянным радиусом орбиты.

Уровень техники

Известна магнитная система ускорителя, состоящая из набора магнитных диполей и фокусирующих линз, которые расположены на дугообразных участках корпуса ускорителя и соединены с генераторами питания обмоток диполей и линз. Для удержания радиуса- орбиты частиц постоянным, магнитное поле, создаваемое генераторами питания обмоток диполей, должно быть нарастающим во времени, а рабочая частота высокочастотных ускоряющих резонаторов переменной. (См. например Д.Ж. Ливингуд «Принципы работы циклических ускорителей» // Издательство иностранной литературы, Москва 1963). Поскольку диапазон перестройки резонансных частот резонатора ограничен, то ограничен и диапазон ускоряемых энергий частиц. Это обстоятельство вынуждает использовать дополнительно бустеры и пред-ускорители энергии.

Магнитная система ускорителей, содержащих диполи с постоянным во времени магнитным полем, которые, работая в режиме отражения частиц, отклоняют траекторию частиц на заданный угол, независящий от энергии частиц, формируют замкнутые орбиты с радиусом, который, также, практически не зависит от энергии частиц. Вопрос большого диапазона ускоряемых энергий и связанный с этим большой диапазон частоты повторения циклов решается изменением частоты повторения циклов индукционных ускоряющих импульсов. (Долбилов Г.В. «Индукционный синхротрон с постоянным магнитным полем» // Патент РФ №2608365, и Долбилов Г.В. «Способ синхротронного ускорения заряженных частиц в постоянном магнитном поле» // Патент РФ №2618626).

В качестве прототипа выбираем магнитную систему ускорителя с постоянным во времени магнитным полем и практически постоянным радиусом орбиты (Долбилов Г.В. «Индукционный синхротрон с постоянным магнитным полем» // Патент РФ №2608365).

Однако такая магнитная система имеет ограничения величины нижнего порога энергии частиц, а также, процессы наладки и запуска ускорителя усложнены.

Раскрытие изобретения

Изобретение решает задачу расширить рабочий диапазон ускоряемых энергий и, кроме того, упрощает процессы наладки и запуска ускорителя.

Поставленная цель достигается тем, что магнитная система индукционного синхротрона, состоящая из набора магнитных диполей и фокусирующих линз, которые расположены на дугообразных участках корпуса ускорителя и соединенны с генераторами питания через обмотки диполей и линз, а каждый диполь содержит две составляющие с прямой и обратной полярностью магнитного поля, а каждая фокусирующая линза содержит две разно-полярные линзы с плоскими магнитными полюсами.

Отличительными признаками изобретения является следующее: каждый диполь содержит две составляющие с прямой и обратной полярностью магнитного поля, а каждая фокусирующая линза содержит две разно-полярные линзы с плоскими магнитными полюсами.

Совокупность выше указанных признаков позволяет решить задачу расширения рабочего диапазона ускоряемых энергий путем снятия ограничений на нижний порог энергий ускоряемых частиц и, кроме того, упростить процессы наладки и запуска ускорителя.

Перечень иллюстраций

Фиг. 1 (приложение) Схема ускорителя;

Фиг. 2 (приложение) Поперечное сечение биполярных магнитных диполей индукционного синхротрона;

Фиг. 3 (приложение) Схема расположения биполярных диполей и фокусирующих линз вдоль условно спрямленной траектории частиц.

Описание иллюстраций

На Фиг. 1 (приложение) приведена схема индукционного синхротрона с биполярной магнитной системой с постоянной во времени величиной магнитного поля, где:

(1) - дугообразные участки ускорителя;

(2) - индукционная ускоряющая система;

(3) - прямолинейные участки ускорителя;

(4) - инжекционная система;

(5, 6, и 7) - системы вывода пучка.

На Фиг. 2 (приложение) приведена схема поперечного сечения биполярной магнитной системы, которая расположена в дугообразных участках ускорителя, где:

(8) - магнитные полюса основного диполя с прямой полярностью поля;

(9) - магнитные полюса дополнительного диполя с обратной полярностью поля;

(10) - пучок, инжектированный на орбиту радиуса R₀,

(11) - ускоренный пучок на орбите радиуса R=R₀+ΔR (AR/R₀ << 1).

На Фиг. 3 (приложение) приведена схема расположения биполярных диполей и фокусирующих линз вдоль условно спрямленной траектории частиц, где:

(12) - диполи с прямой полярностью магнитного поля;

(13) - диполи с обратной полярностью магнитного поля;

(14) - фокусирующие линзы с плоскими магнитными полюсами;

(α) - угол границы раздела разно-полярных магнитных диполей.

(S) - расстояние между фокусирующей и дефокусирущей линзами (14)

Осуществление изобретения

Частицы инжектируются на орбиту радиуса R₀ (Фиг. 2). На этой орбите суммарное магнитное поле разно-полярных диполей равно нулю. Поэтому частицы, инжектированные на эту орбиту, могут, отражаясь от полей разно-полярных диполей, двигаться по этой орбите со сколь угодно малой скоростью. Согласно специфике циклических ускорителей, при увеличении скорости частиц при ускорении появляется дополнительная, центробежная сила, действующая на частицы равная F_ц=Mν²/R, (где М, ν u R - масса, скорость и радиус орбиты). Действие этой силы эквивалентно действию магнитного поля величиной В_ц=Mν/qR (где q - заряд частицы). В результате действия этой центробежной силы (эквивалентного ей магнитного поля) равновесная орбита, где суммарное действие всех сил равно нулю, смещается все в более и более сильные поля основного диполя. Радиус равновесной орбиты растет в соответствии с равенством R=P/qB, (Р - импульс частиц), пока не будут выведены из ускорителя.

Малые колебания частиц относительно равновесной орбиты устойчивы в радиальной y -плоскости (Фиг. 2). Длина волны колебаний частицы λ равна

где: q и P - заряд и импульс частицы, В₀ - величина индукции поля диполей, η - коэффициент (м^-1), величина которого зависит от конкретной геометрии диполей.

Неустойчивость колебаний в z - плоскости подавляется жесткофокусирующей системой (см. Фиг. 3), которая содержит линзы (3) (Долбилов Г.В. «Способ фокусировки пучков заряженных частиц» // Патент РФ №2633770,). Фокусное расстояние таких линз равно

Знак ± означает фокусирующее или дефокусирующее действие линзы. Р и В₀ - импульс частиц и индукция магнитного поля линз, α - угол наклона границы раздела разно-полярных диполей линз. Колебания частиц как в у так и в z - плоскостях всегда устойчивы если

где: S - расстояние между фокусирующей и дефокусирущей линзами (14),

α - угол наклона границы разно-полярных плоских диполей линз (3).

Пример конкретного применения

Основной и дополнительный диполи биполярной магнитной системы индукционного синхротрона представляют собой электромагниты или постоянные магниты. Источник питания обмоток электромагнитов представляет собой генератор постоянного тока.

Рабочие поверхности магнитных полюсов основного и дополнительного диполей биполярной магнитной системы ускорителя могут, например, представлять собой совокупность плоских и цилиндрических поверхностей (как это изображено на Фиг. 2) или быть гиперболическими (как у квадрупольных линз).

Жесткофокусирующие линзы (14) магнитной системы (Фиг. 3) содержат плоские дипольные электромагниты, которые подключены к источникам постоянного тока. Каждая из линз содержит два разно-полярных диполя, граница раздела которых наклонена к оси на угол α (Фиг. 3). Величина этого угла влияет на жесткость фокусировки/дефокусировки. Фокусирующее или дефокусирующее действие линз зависит от полярности магнитного поля, а также и от направления наклона границы раздела разно-полярных диполей (Фиг. 3).