МАГНИТНЫЙ КАНАЛ Российский патент 1996 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к экспериментальной ядерной физике к магнитным каналам заряженных частиц, применяемым для фокусировки и сепарации ускоренных тяжелых ионов и продуктов ядерных реакций, образующихся под их действием.

Магнитные каналы заряженных частиц, состоящие из дипольных и квадрупольных магнитов, а также из магнитов более высокой мультипольности, обычно выполнены или в хроматическом (диспергирующем), или в ахроматическом варианте. Первые производят пространственное разделение бомбардирующих частиц и выбитых из тонкой мишени продуктов ядерных реакций по их импульсам, обеспечивая при этом идентификацию и непосредственное измерение массы и энергии возбуждения нуклидов, образующихся в ядерных реакциях. Ахроматические магнитные каналы, напротив, концентрируют продукты ядерных реакций независимо от различия их импульсов, обеспечивая при этом изодистантность траекторий заряженных частиц в канале, необходимую для измерения массы нуклида методом времени пролета.

Известны два перестраиваемых магнитных канала [1 и 2] действующих в зависимости от целей эксперимента как в хроматическом, так и в ахроматическом вариантах. Трансформация режима канала из одного варианта в другой производится в каналах с помощью магнитных квадрупольных линз, требующих для соответствующей перестройки оптической схемы канала значительного пролетного расстояния. Общая длина канала [1] содержащего 14 короткофокусных сверхпроводящих квадрупольных магнитов, равна 22 м, длина канала [2] содержащего 20 обычных ("теплых) квадрупольных линз, 74 м.

Известно также предложение [3] относительно возможной трансформации создаваемого в ЛЯР ОИЯИ компактного ахроматического магнитного канала заряженных частиц (длина канала 14,5 м), состоящего только из дипольных магнитов, в хроматический путем механического поворота контрдиспергирующей секции канала вокруг горизонтальной оси на 180^о. Однако осуществление такого механического поворота многотонных дипольных магнитов с подведенными к ним линиями вакуумной откачки, водяного охлаждения, электрического питания и управления сильно затруднено и помимо этого требует значительного дополнительного места в относительно небольшом экспериментальном зале циклотрона У-400М.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей ахроматического магнитного канала заряженных частиц, а именно осуществление трансформации ахроматического канала в хроматический и обратной трансформации с помощью компактного дублета сверхпроводящих соленоидов, не требующих для своего размещения и действия большого места в зале ускорителя.

На фиг. 1 схематически представлен канал заряженных частиц с предлагаемым устройством дублетом сверхпроводящих соленоидов, где 1 тонкая мишень, облучаемая ускоренными тяжелыми ионами, 2 диспергирующая секция канала, 3 и 4 сверхпроводящие соленоиды, 5 контрдиспергирующая секция, 6 приемник продуктов реакций, 7-9 базовые траектории заряженных частиц, отражающие соответственно угловой разброс частиц в пучке (7) и диспергирующие действия магнитного канала в ахроматическом (8) и хроматическом (9) вариантах.

Ахроматический и хроматический варианты канала осуществляются следующим образом. В линейном рассмотрении преобразование пучка траекторий заряженных частиц каналом описывается следующим общим выражением:
Y₄ M₂M₁₂M₁Y₁ MY₁, (1) где М₁, М₂ и М матрицы размером 4х4, описывающие линейные преобразования траекторий заряженных частиц соответственно диспергирующей, контрдиспергирующей секциями канала и канала в целом; М₁₂ матрица, описывающая преобразование промежуточным элементом, расположенным между первой и второй секциями канала.

Здесь Y столбец из четырех параметров, определяющих траекторию заряженной частицы в радиальной плоскости магнитного канала, содержащий Y/R_o относительное значение поперечной координаты (R_o радиус кривизны оптической оси дипольных магнитов канала); α- угол наклона траектории к оптической оси канала; Δl/R_o относительное значение разности длин траектории и оптической оси; δ- параметр дисперсности заряженных частиц,
δ= Δ(mv/q)/(m_ov_o/q_o) Δm/m_o+ Δv/v_o-Δq/q_o δ_m+δ_v+δ_q, где m, v и g масса, скорость и ионный заряд частицы.

В канале выделены плоскость мишени х х₁, плоскость изображения диспергирующей секции х х₂, плоскость предмета контрдиспергирующей секции х х₃, плоскость изображения канала в целом х х₄.

Двойной (линейный и угловой) ахроматизм канала означает, что матричные элементы преобразований траекторий заряженных частиц каналов в целом
M_yδ= 0; M_αδ= 0, (2) что на фиг. 1 представлено базовой траекторией Y_δ(x) (8). При обязательном поэтапном выполнении условий угловой фокусировки (преобразование "точка в точку"), характеризуемых M_Yα1=M_Yα2= 0 и представленных на фиг. 1 базовыми траекториями Y_α(x) (7), и при дополнительном часто реализуемом условии линейной фокусировки, характеризуемом М_yy1 M_yy2 0 (преобразование "параллель в точку"), требование двойной ахроматичности (2) обязательно ведет к двойной (линейной и угловой) изодистантности траекторий заряженных частиц Y_y(x) и Y_α((x) в канале M_ly M_ly2M_yy1 + M_ly1 0; M_lα=M_lα2M_αα1+M_lα1=0. (3)
Условие (3) обеспечивает применение метода времени пролета для идентификации и измерения масс продуктов ядерных реакций.

Предлагаемый в [3] механический поворот контрдиспергирующей секции канала вокруг горизонтальной оси на 180^о означает применение промежуточного преобразования вида
M₁₂=
(4) которое ведет к превращению ахроматического канала в хроматический со следующими значениями линейной, угловой и относительных дисперсий:
M_yδ= 2M_yδ2 M_yδ/I M_yy I 2M_yδ1/ / IMyy1 I M_αδ= 2M_αδ2; M_αδ/IM_ααI= 2M_αδ1/IM_αα1I.

(5)
Для реализации поворота контрдиспергирующей секции канала, представленного на фиг. 1, требуется дополнительная площадь для зеркального размещения контрдиспергирующей секции канала в зале ускорителя, приблизительно равная трети исходной площади.

В изобретении предлагается вместо механического поворота контрдиспергирующей секции канала применить дублет соленоидов, осуществляющих поворот пучка вокруг его оси на 180^о. Дублет соленоидов такого действия не известен.

Радиальная и азимутальная (Ларморовская) координаты заряженной частицы при ее движении в магнитном поле соленоида с учетом действия радиальной составляющей краевого магнитного поля соленоида при входе в него частицы выражаются формулами
v(x) v₂cosk(x-x₂) + (α₂/k)sink(x-x₂);
Φ(x) k(x-x₂), (6) где k q_oB/2m_ov_o; B осевая компонента магнитной индукции соленоида.

На фиг. 2 и 3 показаны проекции на плоскости XOY и YOZ базовых траекторий частицы:
Y_y(x) Y₂cos²k(x-x₂);
Y_α (x) (α₂/2k)sin2k(x-x₂), построенные на основании формулы (6). На фиг. 2 представлен предлагаемый вариант применения дублета соленоидов для инверсии пучка. В этом случае магнитные поля соленоидов в дублете направлены в противоположные стороны и абсолютные значения каждого из полей определяются формулами I B₁I πm_ov_o/q_oL₁; I B₂ I= πm_ov_o/q_oL₂;
(7)
L₁ L₂, где L₁, L₂ эффективные длины соленоидов. Существенной особенностью движения заряженных частиц в этом случае является проявление действия суммарного краевого поля на стыке двух соленоидов, определяемое теоремой Буша и определяющее отличительное действие дублета соленоидов, необходимое для инверсии пучка. Ход магнитных силовых линий показан в верхних частях соленоидов.

Как можно видеть, в этом случае преобразование траекторий заряженных частиц дублетом соленоидов в радиальной плоскости магнитного канала описывается промежуточной матрицей, обеспечивающей трансформацию первоначально ахроматического канала в хроматический и результаты, как это показано базовой траекторией Y_δ(x) (9) на фиг. 1.

На фиг. 3 представлен случай, когда магнитные поля соленоидов дублета направлены в одну и ту же сторону и условия (7) выполнены. Промежуточное преобразование в этом случае описывается положительной единичной матрицей
M₁₂=
В итоговом преобразовании канала восстанавливаются двойная ахроматичность и двойная изодистантность канала, представленные на фиг. 1 базовой траекторией Y_δ(x)(8).

Для магнитного канала [3] предназначенного для сепарации продуктов ядерных реакций с максимальной магнитной жесткостью 4,5 Тм, соленоиды должны быть сверхпроводящими, чтобы обеспечить нужное преобразование пучка частиц. При В 10 Т дублет соленоидов имеет полную длину L₁+L₂, равную 3м, которая лишь незначительно увеличивает общую длину магнитного канала и не вызывает препятствий для размещения теперь уже двухфункционального канала в экспериментальном зале циклотрона У-400М.

Примером необходимости применения магнитного канала в двух режимах работы ахроматическом и хроматическом является актуальная в настоящее время потребность в экспериментах по изучению механизма ядерных реакций под действием тяжелых ионов средних и высоких энергий. В ахроматическом режиме действие канала может быть выделен и идентифицирован с помощью дополнительной методики весь ассортимент продуктов ядерных реакций. В хроматическом режиме работы канала могут быть измерены начальный спектр импульсов бомбардирующих тяжелых ионов, а также спектры импульсов продуктов ядерных реакций. Анализ полученных распределений импульсов дает информацию о характере ядерных взаимодействий полное или неполное слияние, срыв или подхват кластеров.

Изобретение относится к экспериментальной ядерной физике, а именно к магнитным каналам заряженных частиц, и может быть использовано для фокусировки и сепарации ускоренных тяжелых ионов и продуктов ядерных реакций, образующихся под действием этих ионов. Изобретение решает задачу расширения функциональных возможностей магнитного канала путем трансформации ахроматического канала в хроматический и обратной трансформации. Сущность изобретения: магнитный канал заряженных частиц содержит тонкую мишень, облучаемую ускоренными тяжелыми ионами, приемник продуктов ядерных реакций, магнитные диспергирующую и контрдиспергирующую секции, в промежутке между которыми расположен дублет соленоидов одной и той же длины с раздельными регулируемым питанием каждого соленоида током, обеспеченных возможностью совместного подключения согласно либо встречно к источнику питания. 3 ил.

МАГНИТНЫЙ КАНАЛ для заряженных частиц, содержащий последовательно расположенные тонкую мишень, облучаемую ускоренными тяжелыми ионами, магнитные диспергирующую и контрдиспергирующую секции, приемник продуктов ядерных реакций, отличающийся тем, что между магнитными диспергирующей и контрдиспергирующей секциями установлен дублет соленоидов одной и той же длины с раздельным регулируемым питанием каждого соленоида током, выполненных с возможностью совместного подключения согласно либо встречно к источнику питания.