СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПУЧКОМ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ЦИКЛОТРОНЕ Российский патент 2009 года по МПК G21K1/87 

Область техники.

Изобретение относится к области циклотронной техники и может быть использовано в циклотронах с системой внешней инжекции, которая проходит через осевой аксиальный канал в ярме электромагнита циклотрона.

Уровень техники.

Фокусировка пучка при его транспортировке в системе внешней инжекции осуществляется различными электрооптическими и магнитооптическими элементами. Важным участком в управлении пучком заряженных частиц в циклотроне является поворот пучка из аксиального направления в медианную плоскость циклотрона, где происходит ускорение. Известны способы осуществления поворота пучка из аксиального направления в медианную плоскость циклотрона, заключающиеся в том что:

1. На пучок воздействует поворачивающая сила электрического поля плоского конденсатора (электростатическое зеркало) с направлением поля приблизительно 45° к движению пучка (P. Mandrillon, "Injection into cyclotrons", In proceedings of the CERN accelerator school, 28 April - 5 May 1994, Belgium, p.153-168). При таком воздействии значительно ухудшаются оптические свойства поворачиваемого пучка, что уменьшает эффективность его ускорения в циклотроне. Кроме того, двойное прохождение пучка через сетку, формирующую поворачивающее электрическое поле, приводит к потере интенсивности пучка, при этом пучок оказывает разрушающее воздействие на сетку зеркала и ухудшает эксплуатационные характеристики инфлектора.

2. На пучок воздействует поворачивающая сила электрического поля инфлектора, сформированного по параболическому или гиперболическому законам. Выбор таких форм воздействия на пучок требует внеосевой инжекции пучка. Кроме того, соответствующие инфлекторы имеют большие размеры, что требует дополнительного пространства для их размещения в центре циклотрона. В силу указанных причин такой способ не нашел широкого применения в циклотронной технике (R.W.Muller. "Novel inflectors for cyclic accelerators", Nucl. Instr. and Meth. 54, 1967, p.29-41).

3. Наиболее близким к указанному изобретению способом управления пучком заряженных частиц в циклотроне, фиг.1, является воздействие на пучок поворачивающей силы электрического поля инфлектора, сформированного с учетом влияния на пучок магнитного поля таким образом, что в каждой точке траектории центральной частицы пучка электрическое поле направлено перпендикулярно скорости центральной частицы (D.V.Altiparmakov, P.Belicev. "Numerical simulation of Real VS Theoretical Spiral Inflector", In proceedings of the 15^th Conference on Cyclotrons and Their Applications, 14-19 June 1998, Caen, France, p.536-539), (прототип). Соответствующее электрическое поле формируется в спиральном инфлекторе, который отличается своей компактностью и оптимальным сочетанием условий производства и эксплуатации. Тем не менее, воздействие электрического и магнитного полей на пучок заряженных частиц при его повороте в спиральном инфлекторе приводит к увеличению вертикального эмиттанса и, соответственно, размера пучка. При этом пучок на выходе инфлектора всегда оказывается вертикально расходящимся. Такое воздействие на пучок, проходящий через спиральный инфлектор, является фактором, ограничивающим эффективность ускорения в циклотроне. В качестве примера для сравнительного анализа рассмотрим влияние электрического и магнитного полей на тестовый пучок заряженных частиц при его повороте в спиральном инфлекторе с поперечными эмиттансами на входе в инфлектор, представленными на фиг.2 и 3. При повороте тестового пучка в спиральном инфлекторе поперечные эмиттансы трансформируются в форму, представленную на фиг.4 и 5.

Поперечные эмиттансы тестового пучка на входе и выходе инфлектора представлены в фазовых плоскостях расстояние (u, h) - импульс (pu, ph) подвижной системы координат, привязанной к движению центральной частицы по центральной траектории, с направлением поперечных осей u и h как показано на фиг.8.

Из представленных результатов видно, что при прохождении спирального инфлектора происходит значительное увеличение поперечных эмиттансов пучка, особенно вертикального (u - направление). Кроме того, как в u, так и в h направлениях пучок на выходе из инфлектора является расходящимся. Этот эффект иллюстрируют также u (аксиальный) и h (медианный) профили тестового пучка при его прохождении через спиральный инфлектор, которые представлены на фиг.6 и 7, соответственно.

Другой особенностью прохождения пучка заряженных частиц через спиральный инфлектор является появление дополнительного продольного размера пучка. Эта особенность связана с различной длиной пути, который проходят заряженные частицы пучка при повороте в инфлекторе. В рассматриваемом примере продольный размер тестового пучка на входе в инфлектор взят равным нулю. При прохождении спирального инфлектора продольный размер тестового пучка увеличивается до ±11° от фазы ускоряющего ВЧ-напряжения, фиг.9. Увеличение продольного размера пучка приводит к уменьшению эффективность ускорения в циклотроне. Представленное поведение пучка при прохождении спирального инфлектора является характерным для любой формы пучка на входе в инфлектор.

Раскрытие изобретения.

Одним из наиболее важных параметров, ограничивающих движение пучка заряженных частиц при ускорении в циклотроне, является апертура магнитной и ускоряющей систем циклотрона, определяющих вертикальный размер пучка.

Изобретение решает задачу повышения эффективности ускорения пучка в циклотроне за счет:

1. уменьшения вертикальных угловой расходимости и размера пучка в начале ускорения, т.е. после выхода пучка из спирального инфлектора.

2. уменьшения дополнительного продольного размера пучка, возникающего при прохождении пучка через спиральный инфлектор.

Сущность настоящего изобретения заключается в том, что пучок заряженных частиц ускоряют в циклотроне с системой аксиальной инжекции, поворачивая пучок из аксиального направления в системе аксиальной инжекции в медианную плоскость циклотрона электрическим полем в спиральном инфлекторе. Пучок дополнительно фокусируют силой электрического поля спирального инфлектора, которая действует на частицы, отклоняющиеся от центральной траектории, в направлении, поперечном направлению движения центральной частицы по центральной траектории и поперечном направлению поворачивающей силы электрического поля, действующей на центральную частицу, движущуюся по центральной траектории. При этом эквипотенциальные линии электрического поля в инфлекторе имеют форму концентрических дуг в направлении, поперечном направлению движения пучка.

Отличительными признаками изобретения являются:

1. дополнительная фокусировка пучка заряженных частиц силой электрического поля спирального инфлектора;

2. форма эквипотенциальных линий электрического поля в инфлекторе в виде концентрических дуг в направлении, поперечном направлению движения пучка.

Технический результат использования дополнительной фокусировки пучка силой электрического поля спирального инфлектора выражается в значительном уменьшении аксиальных размера и расходимости пучка на выходе из инфлектора, что обеспечивает лучший коэффициент прохождения пучка в циклотроне. Технический результат изобретения так же проявляется в уменьшении дополнительного продольного размера пучка, возникающего при прохождении пучка через спиральный инфлектор. Этот эффект позволяет увеличить эффективность работы системы группирования пучка и повысить коэффициент захвата пучка в ускорение в центре циклотрона.

В свою очередь дополнительная фокусировка обеспечивается воздействием на пучок электрического поля спирального инфлектора, сформированного таким образом, что эквипотенциальные линии поля имеют форму концентрических дуг в направлении, поперечном движению пучка.

Рассмотрим результат использования дополнительной фокусировки пучка силой электрического поля спирального инфлектора. Для сравнительного анализа возьмем использованные в предыдущем примере поперечные эмиттансы на входе в инфлектор, представленные на фиг.2 и 3. При движении пучка заряженных частиц через спиральный инфлектор под действием поворачивающей и дополнительно фокусирующей сил поперечные эмиттансы тестового пучка на выходе из инфлектора трансформируются в форму, представленную на фиг.10 и 11. Профили тестового пучка в u (аксиальное) и h (медианное) направлениях при прохождении спирального инфлектора представлены, соответственно, на фиг.12 и 13.

Из полученных результатов видно, что предложенный способ дополнительной фокусировки позволяет значительно уменьшить вертикальный размер и расходимость пучка на выходе из инфлектора. Стоит отметить, что при этом возрастает размер пучка в медианном поперечном направлении. Однако это не приводит к снижению эффективности прохождения пучка в центре циклотрона, так как в медианном направлении апертурные ограничения в циклотроне не столь существенны как в аксиальном.

Предложенный способ позволяет уменьшить дополнительный продольный размер пучка, возникающий при прохождении пучка внутри инфлектора, и тем самым повысить эффективность ускорения пучка в циклотроне.

В рассмотренном примере использование дополнительной фокусировки пучка позволило уменьшить продольный размер тестового пучка в 1.5 раза до ±7° от фазы ускоряющего ВЧ-напряжения, фиг.14, против ±11° в случае, когда дополнительная фокусировка не использовалась, фиг.9.

Перечень фигур.

Фиг.1. Схема циклотрона с системой аксиальной инжекции и спиральным инфлектором, где цифрами отмечены:

1 - электромагнит циклотрона;

2 - ускоряющая система циклотрона;

3 - система аксиальной инжекции;

4 - спиральный инфлектор;

Фиг.2. Поперечный u-pu эмиттанс тестового пучка в аксиальном направлении на входе в спиральный инфлектор, эффективная площадь эмиттанса ε_rms=15 π·мм·мрад.

Фиг.3. Поперечный h-ph эмиттанс тестового пучка в

медианном направлении на входе в спиральный инфлектор, эффективная площадь эмиттанса ε_rms=18 π·мм·мрад.

Фиг.4. Поперечный u-pu эмиттанс тестового пучка в аксиальном направлении на выходе из спирального инфлектора, эффективная площадь эмиттанса ε_rms=110 π·мм·мрад.

Фиг.5. Поперечный h-ph эмиттанс тестового пучка в медианном направлении на выходе из спирального инфлектора, эффективная площадь эмиттанса ε_rms=55 π·мм·мрад.

Фиг.6. Профиль тестового пучка по оси и при прохождении спирального инфлектора.

Фиг.7. Профиль тестового пучка по оси h при прохождении спирального инфлектора.

Фиг.8. Вид спирального инфлектора со стороны входа.

Направление поперечных осей u и h подвижной системы координат, привязанной к движению центральной частицы по центральной траектории:

u - ось в аксиальном направлении;

h - ось в медианном направлении;

E_u - направление поворачивающего электрического поля.

Фиг.9. Процент числа частиц тестового пучка на выходе из спирального инфлектора в зависимости от набега фазы частиц пучка относительно центральной частицы.

Фиг.10. Поперечный u-pu эмиттанс тестового пучка (эффективная площадь ε_rms=38 π·мм·мрад) в аксиальном направлении на выходе из спирального инфлектора с дополнительной фокусировкой.

Фиг.11. Поперечный h-ph эмиттанс тестового пучка (эффективная площадь ε_rms=120 π·мм·мрад) в медианном направлении на выходе из спирального инфлектора с дополнительной фокусировкой.

Фиг.12. Профиль тестового пучка по оси u при прохождении спирального инфлектора с дополнительной фокусировкой.

Фиг.13. Профиль тестового пучка по оси h при прохождении спирального инфлектора с дополнительной фокусировкой.

Фиг.14. Процент числа частиц тестового пучка на выходе из спирального инфлектора с дополнительной фокусировкой в зависимости от набега фазы частиц пучка относительно центральной частицы.

Фиг.15. Форма поворачивающего и дополнительно фокусирующего электрического поля спирального инфлектора.

Осуществление изобретения.

Способ управления пучком в циклотроне включает в себя дополнительную фокусировку пучка заряженных частиц силой электрического поля спирального инфлектора путем воздействия на пучок, проходящий через спиральный инфлектор, дополнительной h (медианной) - компонентой электрического поля, направленной к центру рабочего зазора инфлектора. В силу геометрических особенностей движения пучка в спиральном инфлекторе дополнительная фокусировка пучка в h (медианном) направлении приводит к значительному уменьшению размера и расходимости пучка в u (аксиальном) направлении на выходе из инфлектора.

Пример выполнения способа. На фиг.1 представлена схема циклотрона. Пучок, получаемый в источнике заряженных частиц, фокусируют и перемещают по линии аксиальной инжекции в центр циклотрона. Поворот пучка из аксиального направления в медианную плоскость циклотрона, а так же дополнительная фокусировка пучка осуществляется электрическим полем спирального инфлектора. На выходе из инфлектора пучок попадает в рабочую область циклотрона, где происходит его ускорение.

Спиральный инфлектор представляет собой электростатический конденсатор, размещенный в центральной области циклотрона и состоящий из двух электродов. Электрическое поле, создаваемое между электродами, воздействует на пучок заряженных частиц, проходящий между электродами, и поворачивает его на 90 градусов из аксиального направления в медианную плоскость циклотрона. Воздействие электрического и магнитного полей на пучок характеризуется электрическим и магнитным радиусами, определяемыми по формулам:

Электрический радиус

Магнитный радиус

где Т - кинетическая энергия, q - заряд иона,

E_o - напряженность электрического поля, р - момент,

В - напряженность магнитного поля.

Траектория центральной частицы в спиральном инфлекторе представлена системой уравнений в системе координат, привязанной к центру циклотрона:

где θ - угол поворота от 0° на входе в инфлектор до 90° на выходе из инфлектора, k' - параметр наклона электродов.

В качестве примера рассмотрен спиральный инфлектор с электрическим радиусом, равным 45 мм, магнитным радиусом, равным 35 мм. Данный инфлектор предназначен для поворота пучка заряженных частиц ⁴⁸Са⁺⁸ с отношением массы к заряду A/Z=6 для ускорения в циклотроне в магнитном поле напряженностью 1.24 Тл. В рассматриваемом случае параметр наклона электродов k'=0. Расстояние между электродами инфлектора 12 мм при ширине электродов 30 мм.

Поворачивающее пучок электрическое поле в спиральном инфлекторе направлено перпендикулярно скорости центральной частицы. Формирование поворачивающего электрического поля осуществляется на основе системы уравнений (3).

Для обеспечения дополнительной фокусировки пучка заряженных частиц при его прохождении через спиральный инфлектор вводится дополнительная h (медианная) компонента электрического поля, направленная к центру рабочего зазора инфлектора. Для этого электрическое поле инфлектора формируется таким образом, чтобы эквипотенциальные линии электрического поля в поперечном движению пучка направлении имели форму концентрических дуг, как показано на фиг.15.

Необходимая форма электрического поля достигается путем придания электродам формы дуг в поперечном движению пучка направлении. Радиус кривизны поверхности электродов в поперечном движению пучка направлении в рассматриваемом примере составляет 65 мм. При этом появляется дополнительная компонента электрического поля Eh, действующая на пучок в h (медианном) направлении. Для того чтобы дополнительная h - компонента электрического поля была направлена к центру рабочего зазора инфлектора, центр кривизны дуг должен находиться по направлению основной, поворачивающей компоненты электрического поля Еu. При этом уменьшение радиуса дуг, описывающих эквипотенциальные линии, приводит к усилению воздействия дополнительной фокусирующей силы. Соответственно, увеличение радиуса дуг, описывающих эквипотенциальные линии, приводит к ослаблению дополнительной фокусирующей силы. Изменение радиуса дуг, описывающих эквипотенциальные линии, позволяет менять дополнительную силу, фокусирующую пучок при его прохождении через спиральный инфлектор, и тем самым дает возможность оптимизировать условия ускорения пучка в циклотроне.

Изобретение относится к циклотронной технике и может быть использовано для инжекции заряженных частиц в циклотрон. Способ управления пучком заряженных частиц в циклотроне включает в себя фокусировку пучка в системе аксиальной инжекции и поворот пучка электрическим полем спирального инфлектора из аксиального направления в системе аксиальной инжекции в медианную плоскость циклотрона. Пучок дополнительно фокусируют силой электрического поля спирального инфлектора, которая действует на частицы, отклоняющиеся от центральной траектории, в направлении, поперечном направлению движения центральной частицы по центральной траектории и поперечном направлению поворачивающей силы электрического поля, действующей на центральную частицу, движущуюся по центральной траектории. При этом эквипотенциальные линии электрического поля в инфлекторе в поперечном движению пучка направлении имеют форму концентрических дуг. Технический результат использования дополнительной фокусировки пучка силой электрического поля спирального инфлектора заключается в значительном уменьшении аксиальных размера и расходимости пучка на выходе из инфлектора, а так же в уменьшении продольного размера пучка, что обеспечивает лучший коэффициент прохождения пучка в циклотроне. 1 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Способ управления пучком заряженных частиц в циклотроне, включающий в себя фокусировку пучка в системе аксиальной инжекции и поворот пучка электрическим полем в спиральном инфлекторе из аксиального направления в системе аксиальной инжекции в медианную плоскость циклотрона, отличающийся тем, что пучок дополнительно фокусируют силой электрического поля спирального инфлектора, которая действует на частицы, отклоняющиеся от центральной траектории, в направлении, поперечном направлению движения центральной частицы по центральной траектории и поперечном направлению поворачивающей силы электрического поля, действующей на центральную частицу, движущуюся по центральной траектории.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что эквипотенциальные линии электрического поля в инфлекторе имеют форму концентрических дуг в направлении, поперечном движению пучка.