СПОСОБ УСКОРЕНИЯ НА ВСТРЕЧНЫХ ПУЧКАХ И УСТРОЙСТВО НА ЕГО ОСНОВЕ Российский патент 2002 года по МПК H05H13/00 

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к сверхмощным ускорителям заряженных частиц.

По ускорительной технике имеется обширная литература, представленная в трудах совещаний по ускорителям заряженных частиц, а также в [1-13, 16, 20].

После опубликования в 1956 г. предложения Д.У. Керста были начаты теоретические и практические исследования на встречных пучках заряженных частиц [1, 2, 6].

В обычных ускорителях взаимодействие частиц изучается в лабораторной системе отсчета при взаимодействии пучка ускоренных частиц с неподвижной мишенью. Энергия частицы в системе инерции равна [3, 6]:

где Е - энергия налетающей частицы в лабораторной системе;
Е_o - энергия покоя частицы.

"Очевидна энергетическая выгодность столкновения двух встречных частиц одинаковой энергии, когда энергия в лабораторной системе просто совпадает с энергией в системе центра инерции" [3]:
Е_ци = 2Е. (1.a)
В случае (1.a) вся энергия столкновения доступна для образования новых частиц [10] . Из (1), (1.а) видно, что выигрыш в энергии взаимодействия для релятивистских частиц огромен: для достижения того же эффекта, какой дают встречные пучки, обычный ускоритель должен давать энергию [3]:
E_экв = 2E²/E₀.

Например, для протонов с энергией 100 ГэВ Е_экв = 20 ТэВ.

Экспериментальные возможности установки на встречных пучках характеризуются светимостью L; в простейшем случае на одно место встречи для релятивистских пучков

где n₁, n₂ - количество частиц в пучке;
f_o - частота обращения частиц в накопителе;
S - эффективное поперечное сечение пучков в области взаимодействия;
R - в общем случае зависит от области перекрытия пучка.

Способ ускорения на встречных пучках имеет недостатки:
1. малая плотность пучков частиц: по сравнению с плотностью неподвижной мишени примерно на шесть порядков [9];
2. для увеличения плотности частиц нужны накопительные кольца;
3. проигрыш в энергии вторичных частиц [5];
4. при очень высоких энергиях синхротронное излучение делает бессмысленным дальнейшее повышение энергии [10];
5. для проведения экспериментов время жизни пучка со светимостью должно составлять часы или сутки [3], что всесторонне обременительно при больших энергиях пучков частиц;
6. повышению светимости противодействуют неустойчивости различных типов; одна из них: амплитуда синхронных колебаний частиц экспоненциально возрастает с течением времени [8];
7. при больших энергиях вероятность столкновения частиц мала [7];
8. при увеличении энергии накопителя уменьшается частота обращения частиц, что обусловливает для удержания светимости крайне жесткие требования к оптическим системам пучка [10].

Указанные недостатки существующего способа встречных пучков делают преждевременными высказывания в [2, 7]:
- накопители имеют перспективы блестящие;
- встречные пучки обеспечивают абсолютное превосходство по энергии взаимодействия.

Существующие структуры ускорителей заряженных частиц имеют колоссальные геометрические размеры и вес, громадное пассивное потребление энергии; все их особенности имеют негативный и обременительный характер. Существующие синхрофазотроны имеют только две линии развития, основанные на увеличении:
- геометрических размеров кольцевого электромагнита,
- индукции магнитного поля кольцевого электромагнита, при этом длина кольца электромагнита уже достигает:
- в проекте УНК ≈ 21 км,
- в американском проекте SSC ≈ 83 км.

Вторая линия застопорена сверхпроводимостью. Можно сказать, что ускорительная техника зашла в тупик:
"...физика элементарных частиц перестала быть царицей наук" [l2].

"Уже виден предел создания технологии ускорителей" [10].

"Пока не ясно, можно ли вообще создать - коллайдер на очень высокие энергии" [11].

До настоящего времени исследования в области физики элементарных частиц проводятся на трех больших машинах [10]:
1. Тэватрон ( - коллайдер, 1000 ГэВ).

2. LEP ( - коллайдер, 100 ГэВ).

3. НЕВА ( - коллайдер, 800 ГэВ).

Ожидается в 2008 г. ввод в строй LHC (автор П. Фожерас) [13]. Сверхпроводящий адронный коллайдер LHC может быть расположен в тоннеле LEP, ускорителями которого могут быть использованы как предускорители LHC. Для получения магнитных полей порядка 10 Т могут применяться сверхпроводящие дипольные магниты с гелиевым охлаждением до температуры 1,8 К. В таком магнитном поле протоны можно будет ускорить до энергии 8-9 ТэВ, а также накапливать, так что энергия в системе центра масс рр будет достигать 16-18 ТэВ.

LEP - крупнейшее в мире накопительное кольцо с окружностью 27 км. Четыре плотных сгустка частиц по 10¹¹ электронов и позитронов в каждом циркулируют навстречу друг другу в замкнутом вакуумном канале (р=10^-10 Торр). По общей длине кольца 3400 магнитов удерживают пучки частиц по орбитам в относительно слабом магнитном поле 0,1 Т. Более 1300 квадрупольных и секступольных магнитов обеспечивают фокусировку. Следует обратить внимание на замечание в [10]: "несмотря на интенсивные усилия, в экспериментах LEP новые частицы не обнаружены". В [10] утверждается, что следующим за LEP шагом может быть только линейный ускоритель. В [16] предложена установка на двух встречно включенных линейных ускорителях со светимостью 10³² см^-2 сек^-1 (число частиц 10¹², частота обращения 10-100 Гц, энергия 2•1000 ГэВ, длина 2•1 км, темп ускорения 100 МэВ/м, радиус места встречи 1 мкм, СВЧ-мощность более 10¹² Вт).

Принципы работы традиционных ускорителей как автономно, так и в связке с накопительными кольцами основаны на удержании заряженных частиц на круговой орбите в поперечном магнитном поле. Все указанные выше недостатки структуры встречных пучков обусловлены поперечным магнитным полем их магнитных систем.

В качестве прототипа рассмотрим способ управления движением заряженных частиц в установке на встречных пучках, показателя на рис. 15.1, а), стр.407 [3] , содержащей ускоритель - инжектор, коммутатор пучков и две встречно соприкасающиеся кольцевые ускорительные системы с поперечным магнитным полем. Способ управления движением заряженных частиц в прототипе основан на удержанни заряженных частиц на круговой орбите в поперечном магнитном поле.

Прототип имеет недостатки известных установок на встречных пучках, которые обусловлены управлением процесса ускорения заряженных частиц по круговой орбите в поперечном магнитном поле.

Сущность предложенного способа состоит в том, что магнитные системы ускорителя на встречных пучках выполняют с продольным магнитным полем, когда ускорение и транспортировку заряженных частиц производят в продольном магнитном поле по сторонам многоугольников, в каждой стороне которых устанавливают диполь и уплотняющие устройства, каждые с продольным магнитным полем, и ускоряющее устройство, при этом отклоняющий диполь, уплотняющие устройства и ускоряющие устройства запитывают от источников питания на основе эффектов бесконечного усиления.

Отклоняющий диполь изменяет направление орбиты на угол α между вектором скорости заряженной частицы и направлением магнитной индукции B диполя с продольным магнитным полем, при этом заряженная частица движется в отклоняющем диполе по винтовой линии с радиусом r и шагом h.

где m_o - масса покоя заряженной частицы;
с - скорость света;
е - заряд частицы;
z - кратность заряда;
B - индукция магнитного поля диполя в теслах.

E, E_o - полная энергия и энергия покоя частицы
γ = E/E_o.

Для протонов D = 3,13.

Для электронов D = 1,706•10^-3.

Отклоняющий диполь изменяет направление орбиты на угол α в каждой стороне многоугольника. Формулы (3), (4) выражают оценку процесса движения заряженных частиц по винтовой линии. Из представленных формул видно, что радиус витка вращающейся частицы в процессе ускорения изменяется от нуля до значения, асимптотически приближающегося при E_→∞ к конечной величине. Ограниченный размер радиуса витка и обеспечивает устойчивость процесса неограниченного увеличения энергии коллективом заряженных частиц, и это свойство предложенного способа принципиально отличает конкретную схему ускорителя от всех известных ускорителей. При движении коллектива заряженных частиц по центральной орбите их энергия увеличивается в соответствии с формулой:

где U - ускоряющее напряжение орбиты, т.е. суммарное напряжение всех ускоряющих устройств в многоугольнике орбиты в вольтах;
Т_у - время ускорения в секундах;
П - длина орбиты многоугольника в метрах.

В предложенной схеме ускорителя с продольным магнитным полем потери на синхротронное излучение как для электронов, так и для протонов пренебрежимо малы:

где B - магнитная индукция отклоняющего диполя в теслах;
n - число заряженных частиц.

Формула (5) показывает неограниченные возможности способа, основанного на ускорении и транспортировке заряженных частиц по орбите в продольном магнитном поле. Энергия традиционных ускорителей пропорциональна их геометрическим размерам, т.е. процесс ускорения основан на бесполезном рассеянии энергии в пространстве. В предложенном способе процесс ускорения наоборот основан на максимальной концентрации энергии в пространстве; а это означает, что закончилась эпоха гигантских ускорителей с расточительным потреблением энергии; на смену им появляются малогабаритные сверхмощные ускорители заряженных частиц (СГЧЗ), которые в дальнейшем будем называть сверхмощными генераторами электронов, протонов, т.е. СГЭ и СГП и т.д. с энергией
Е >...10¹⁵...10²⁰... эВ (7).

В [14, 15] приведены описания сверхмощных генераторов электронов и протонов.

Из формулы (5) видно, что величина достигаемой энергии обратно пропорциональна периметру многоугольника, т.е. СГЭ и СГП основаны на максимальной компактности, что обусловливает новые возможности ускорительной техники по всем возможным направлениям.

В [3, 6] показаны схемы ускорителей на встречных пучках (УВП). В установках на встречных пучках накопительные кольца - это вакуумные камеры, помещенные в магнитное поле, которое, как правило, создается секторными магнитами, разделенными прямыми линейными промежутками. УВП содержит 1 или 2 накопительных кольца в зависимости от полярности встречных пучков. Предварительное ускорение - от синхрофазотрона. Возможно дополнительное ускорение в накопительных кольцах для компенсации потерь энергии на синхротронное излучение и ионизацию остаточного газа в вакуумной камере. Большая величина жизни пучков достигается при высоком уровне вакуума в накопительных кольцах. Для уменьшения сечения встречных пучков применяется специальная магнитная фокусировка. Конструктивные недостатки установок на встречных пучках исходят из ошибочных концепций в процессе развития ускорительной техники, которые показаны в [17]. Развитие ускорительной техники произошло с принципиальными отклонениями от принципов построения эффективных автоматических систем, что в итоге привело к тому, что лидер ускорительной техники синхрофазотрон потерял перспективу своего развития и превратился в одиозный объект гигантских размеров с громадным пассивным потреблением энергии.

На фиг. 1 показана схема сверхмощного генератора заряженных частиц (СГЗЧ), где цифрой 1 обозначен блок в комплектации фиг.2 или фиг.3; 2 - отклоняющий диполь с продольным магнитным полем; 3, 4, 10 - уплотняющие устройства с продольным магнитным полем; 5, 6, 7, 11 - источники тока на основе эффектов бесконечного усиления;
12 - блок высокого напряжения на основе эффектов бесконечного усиления.

8 - ускоряющее устройство.

На фиг. 1, 2, 3 показано максимальное количество источников тока; их количество можно уменьшить путем соответствующего последовательного включения устройств магнитной системы.

Диполи и уплотняющие устройства конструктивно выполнены в виде катушек с продольным магнитным полем:
- с охлаждением или без него,
- на сильных импульсных магнитных полях [18],
- на основе сверхпроводящей конструкции.

На фиг. 1 стрелками показана центральная орбита СГЗЧ в виде шестиугольника; из представленных выше формул хорошо видны предложения, которые характеризуют СГЗЧ, в частности, определяют оптимальное число сторон многоугольника.

В традиционных ускорителях с гигантскими размерами и низким качеством силовых устройств существует проблема устойчивости при транспортировке заряженных частиц на большие расстояния (проблема фокусировки). В СГЗЧ, который является малогабаритным объектом с идеальными источниками питания, нет проблемы фокусировки, и поэтому устройства 3, 4, 10 названы уплотняющими устройствами, которые обеспечивают:
- требуемую величину плотности пространственного заряда;
- управление размером пучка за счет изменения индукции магнитного поля. Плотность пространственного заряда равна:
- для электронов ρ_э = 485•10¹⁰γB² электрон/см³ ; (8)
- для протонов ρ_п = 265•10⁷γB² протон/см³.

Параметры площадки ускорения (величина индукции магнитного поля, время ускорения) обеспечиваются управляемыми источниками питания 5, 6, 7, 11, 12 на основе эффектов бесконечного усиления, способными точно выдерживать и повторять неограниченное число раз заданное магнитное поле в диполях и уплотняющих устройствах, и точно поддерживать заданное напряжение в блоке 12. Из формулы (5) видно, что величина достигаемой энергии СГЗЧ непосредственно не зависит от магнитной индукции диполя 2 - процесс ускорения заряженных частиц идет при постоянном заданном токе питания диполя 2.

В известных ускорителях процесс ускорения заряженных частиц осуществляется на основе высокочастотного способа ускорения, особенности которого надо рассматривать как принципиальные недостатки высокочастотной системы ускорения [19] . На фиг. 3 развернута структура блока 1, когда ускоряющее устройство 8 содержит равномерно размещенные ускоряющие электроды 9, конструктивно выполненные на основе принципа геометрической симметрии, которую имеют:
- две симметрично расположенные пластины,
- две симметрично расположенные полусферы,
- два симметрично расположенных кольца с отверстиями для пролета заряженных частиц.

Симметричная форма ускоряющих электродов позволяет по законам электростатики подавить тормозящие электрические поля при пролете заряженных частиц через ускоряющие электроды, которые установлены в уплотняющем устройстве 10. Из схемы сверхмощного генератора заряженных частиц (СГЗЧ) и формулы (3) видно, что
- число равноценных инжекционных входов может быть равно числу углов каждого многоугольника, причем при самом минимальном уровне энергии инжекции,
- диапазон энергии СГЗЧ соответствует (7).

Ускоритель на встречных пучках (УВП) может быть смонтирован в нескольких вариантах, в частности в варианте фиг.4, где
1 - блок в комплектации фиг.2 или фиг.3;
3 - ускоряющее устройство.

На фиг.4 стрелками показано движение заряженных частиц по орбитам многоугольников СГЗЧ и указан участок встречно совмещенных орбит многоугольников.

Сверхвысокая энергия СГЗЧ и уплотняющие устройства в соответствии с (8) и (9) обеспечивают совместно с идеальными источниками питания сверхвысокое сжатие частиц в ускорителе на встречных пучках. В отличие от известных установок на встречных пучках светимость встречных пучков по предложенному способу:
- возрастает с увеличением их энергии,
- обратно пропорциональна периметру многоугольников.

Во всех вариантах ускорителей на встречных пучках обеспечивается как непрерывный режим работы, так и импульсный режим работы за счет соответствующего управления источниками питания по заданной программе.

Источники информации
1. Гринберг А.Л. Библиография по ускорителям. Л.: Наука, 1970.

2. Будкер Г.И. Ускоритель со встречными пучками //УФН, 1976, т. 89, вып. 4.

3. Лебедев А.Н., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей. М.: Энергоатомиздат, 1991.

4. Скринский А. Н. Встречные пучки - настоящее и будущее. Труды Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1979.

5. Наумов А.А. Тяжелая артиллерия физики //Наука, 6, 1968.

6. БСЭ, 27, 1977.

7. Алиханян А. И. , Хейфец С.А., Есин С.К. Накопители электронов и позитронов //УФН, 1963, 81, 1.

8. Мельников В.А. Система поперечных обратных связей для LHC //Новости ОИЯИ, 1998, 1.

9. Перкинс Д. Введение в физику высоких энергий. М.: Энергоатомиздат, 1991.

10. Клапдор-Клайнгротхаус В., Штаудт А. Неускорительная физика элементарных частиц. М.: Наука, Физматлит, 1997.

11. Кейн Г. Современная физика элементарных частиц. М.: Мир, 1990.

12. Гинзбург В.Л. Наука и жизнь, 12, 1999.

13. Вестник РАН, март, 1998.

14. Гладков Б.Д. Способ ускорения электронов, 2000102814.

15. Гладков Б.Д. Способ ускорения заряженных частиц, 2000102815.

16. Балакин В.Е., Будкер Г.И., Скринский А.Н. Труды 6 Всесоюзного совещания, Д., 1979.

17. Гладков Б. Д. Системы с бесконечным усилением (идеальные системы). Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, Протвино, 1995.

18. Сильные и сверхсильные магнитные поля и их применение / Дрансфельд К. и др. Под ред. Ф.Херлаха. М.: Мир, 1988.

19. Гладков Б.Д. Протонный синхротрон, БИ 5, 2000.

20. Комар Е.Г. Основы ускорительной техники, М.: Атомиздат, 1975.

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к ускорителям на встречных пучках. Способ ускорения на встречных пучках включает ускорение и транспортировку элементарных частиц по замкнутым контурам двух соприкасающихся ускорительных систем, причем ускорение и транспортировку элементарных частиц производят в продольном магнитном поле по сторонам многоугольников, в каждой стороне которых устанавливают отклоняющий диполь и уплотняющее устройство, каждые с продольным магнитным полем, и ускоряющее устройство. Выбирают стороны многоугольников со встречно направленными орбитами и совмещают их, при этом отклоняющие диполи, уплотняющие устройства и ускоряющие устройства подключают к источникам питания на основе эффектов бесконечного усиления. Ускоритель на встречных пучках содержит две соприкасающиеся ускорительные системы. Любая ускорительная система выполнена в форме многоугольника, в каждой стороне которого установлены отклоняющий диполь и уплотняющие устройства, каждые с продольным магнитным полем, и ускоряющее устройство, при этом в схему ускорителя включен схемный участок встречно совмещенных орбит многоугольников, а отклоняющие диполи, уплотняющие устройства и ускоряющие устройства подключены к источникам питания на основе эффектов бесконечного усиления. Технический результат изобретения - обеспечение создания компактного ускорителя на встречных пучках. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ ускорения на встречных пучках, включающий ускорение и транспортировку элементарных частиц по замкнутым контурам двух соприкасающихся ускорительных систем, отличающийся тем, что ускорение и транспортировку элементарных частиц производят в продольном магнитном поле по сторонам многоугольников, в каждой стороне которых устанавливают отклоняющий диполь и уплотняющее устройство, каждые с продольным магнитным полем, и ускоряющее устройство, выбирают стороны многоугольников со встречно направленными орбитами и совмещают их, при этом отклоняющие диполи, уплотняющие устройства и ускоряющие устройства подключают к источникам питания на основе эффектов бесконечного усиления. 2. Ускоритель на встречных пучках, содержащий две соприкасающиеся ускорительные системы, отличающийся тем, что любая ускорительная система выполнена в форме многоугольника, в каждой стороне которого установлены отклоняющий диполь и уплотняющие устройства, каждые с продольным магнитным полем, и ускоряющее устройство, при этом в схему ускорителя включен схемный участок встречно совмещенных орбит многоугольников, а отклоняющие диполи, уплотняющие устройства и ускоряющие устройства подключены к источникам питания на основе эффектов бесконечного усиления.