ИЗОХРОННЫЙ ЦИКЛОТРОН ДЛЯ УСКОРЕНИЯ НЕСКОЛЬКИХ ТИПОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2009 года по МПК H05H13/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области ускорительной техники и, в частности, к изохронным циклотронам для ускорения заряженных частиц (ионов) нескольких типов, имеющих различное отношение заряда частицы к массе частицы.

Уровень техники

Магнитное поле в изохронных циклотронах имеет сложную пространственную конфигурацию, при этом требуемая точность формирования изохронной зависимости поля определяется относительной погрешностью 10^-3-10^-4. По этой причине выбор магнитной структуры изохронных циклотронов является одной из важнейших задач при проектировании, решение которой определяет дальнейшие потребительские и эксплуатационные свойства ускорителя. Такие жесткие требования к качеству магнитного поля являются следствием требований к качеству пучка заряженных частиц, ускоряемого циклотроном и определяемого динамикой движения частиц в процессе ускорения.

Магнитные структуры изохронных циклотронов делятся на два типа - радиально-секторные и спирально-секторные /Комар Е.Г. Основы ускорительной техники. М.: Атомиздат, 1975./, /J.J.Livingood, Principles of cyclic particle accelerators, D. Van Nostrand Company, 1961/. Технологически более простой является радиально-секторная структура, которая находит практическое применение в циклотронах для ускорения частиц до сравнительно невысоких энергий (до 100 МэВ по протонам). Ускорение частиц различного типа, имеющих разные отношения заряда к массе иона, требует формирования с помощью магнитной системы различных изохронных зависимостей поля, отличающихся как средним уровнем, так и распределением индукции.

Известны циклотроны с различными устройствами для изменения распределения магнитного поля с токонесущими корректирующими катушками /Комар Е.Г. Основы ускорительной техники. М.: Атомиздат, 1975/, /J.J.Livingood, Principles of cyclic particle accelerators, D. Van Nostrand Company 1961/ или с магнитными шиммами, определяемыми расчетным путем.

Для повышения эффективности магнитной системы катушки должны быть расположены как можно ближе к медианной плоскости и, как правило, размещаются внутри вакуумного объема ускорительной камеры. В силу того, что катушки запекаются эпоксидным компаундом, затруднено получение рабочего вакуума, требующегося для ускорения пучка. Для уменьшения отрицательного эффекта прибегают к помещению катушек в герметичные контейнеры соответствующей формы. Недостатками системы с корректирующими катушками являются:

- необходимость использования дополнительных отдельных источников питания для каждой корректирующей катушки;

- конструктивная и технологическая сложность изготовления катушек заданной, часто достаточно сложной, формы.

Магнитные шиммы представляют собой детали различной конфигурации, выполненные из магнитного материала (чаще всего из магнитной стали) с достаточно высокой точностью. Они располагаются и ориентируются по отношению к основному электромагниту циклотрона различным образом, но так, чтобы своим влиянием совместно с основным магнитом циклотрона обеспечить требуемое распределение магнитного поля в рабочей области. Заданные, определяемые чаще всего расчетным путем, перемещения шиммов относительно основного магнита будут приводить к перераспределению магнитного поля для обеспечения другой изохронной зависимости и ускорению соответствующего этой зависимости другого типа заряженных частиц.

Недостатком системы с подвижными магнитными шиммами является необходимость использования механической системы перемещения шиммов при перестройке системы с режима ускорения одного типа частиц на режим ускорения другого типа частиц. Этот недостаток может быть существенно уменьшен в случае, если:

- используется автоматизированная система приводов;

- перестройка с одного режима ускорения на другой осуществляется относительно нечасто;

- число различных типов ускоряемых частиц сравнительно невелико.

В связи с этим важным является разработка оптимальной системы магнитных шиммов как с точки зрения технологии обработки поверхности, так и требующей минимально возможной системы приводов.

Известный способ формирования различных изохронных зависимостей, с использованием набора корректирующих катушек, описан в работах /Б.Н.Гикал, Г.Г.Гульбекян, О.Н.Борисов и др. «ФОРМИРОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЦИКЛОТРОНА ДЦ-60» Препринт ОИЯИ: Р9-2006-151, ОИЯИ, Дубна, 2006/, /Б.Н.Гикал, Г.Г.Гульбекян, И.А.Иваненко и др. «Формирование магнитного поля в циклотроне DC60 на основе методов математического моделирования». Сборник докладов Одиннадцатого международного совещания по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине (ICАА'05): Санкт-Петербург, 10-14 октября, 2005 стр.257-259/. Магнитное поле, создаваемое основным магнитом в изохронном циклотроне, перестраивается для обеспечения требуемых изохронных зависимостей путем включения корректирующих катушек, несущих различные токи, в различном сочетании.

Известен способ изменения магнитного поля изохронного циклотрона, предложенный в патенте Канады /патент Канады 1.008.125. С.В.Bigham, Atomic Energy of Canada, Ltd., приоритет от 07.03.1975 «Методика и устройство для шиммирования магнитного поля изохронного циклотрона»/, / С.В.-Bigham «Magnetic trim rods for superconducting cyclotrons» Nuclear Instruments and Methods 131 (1975) 223-228/. Для расширения возможностей изохронного циклотрона предложен способ шиммирования, основанный на изменении геометрической формы границ разделов сред в магнитной структуре с помощью подвижных металлических стержней, вводимых в отверстия в полюсах и перемещаемых по высоте, что позволяет изменять как уровень поля, так и характер его распределения (азимутальной формы). Недостатком данного способа является необходимость использования большого количества стержней для задания изохронной зависимости. Этот способ допустимо использовать там, где структуры, формирующие поле, располагаются вне вакуумного объема. Сложность системы заключается в необходимости герметизации большого числа приводящих штоков, перемещающих шиммы.

Известно устройство формирования различных изохронных зависимостей с использованием набора подвижных магнитных шиммов, описанное в работе /В.П.Белов, П.В.Богданов, И.Н.Васильченко и др. «Медицинский компактный циклотрон СС-18/9». Вопросы атомной науки и техники: Серия «Электрофизическая аппаратура», 2006 Выпуск 4(30), стр.27-29/. Шестнадцать магнитных шиммов расположены внутри специальных полостей, выполненных в восьми холмах, которые формируют изохронное поле магнита циклотрона. Каждый шимм был выполнен в виде детали, форма которой была определена в результате математического моделирования. Изменение распределения поля обеспечивалось за счет радиального смещения восьми шиммов и аксиального (перпендикулярного медианной плоскости основного магнита) смещения других восьми шиммов. Перестройка режима ускорения (например, переход от режима ускорения протонов к режиму ускорения дейтонов) сводится к одновременному перемещению всех шестнадцати шиммов во всех четырех парах полюсов.

Недостатком устройства является сложная структура магнитных шиммов и системы приводов; помимо этого возникает необходимость точной обработки большого количества деталей, представляющих подвижные шиммы. При формировании поля магнита возникает необходимость доработки шиммов, и для извлечения любого из шиммов требуется отсоединить полюсный наконечник от полюса, т.е. практически разобрать значительную часть всего магнита. Эта операция является весьма трудоемкой, причем может возникнуть потребность повторить цикл «разборка-сборка» несколько раз.

Наиболее близким к заявляемому изохронному циклотрону является устройство, описанное в работе /Е.Conard, M. Abs, С.Dom, «Current status and future of cyclotron development at IBA» EPAC90: Proc. of the 2-nd Europ.Part. Accel. Conf., Nice, June 12-16, 1990, v.1 pp.410-421/. Магнитная система изохронного циклотрона обеспечивает перестройку изохронных зависимостей для ускорения двух типов заряженных частиц (протонов и дейтонов) за счет изменения поля при поступательно-вращательном перемещении магнитных шиммов в виде подвижных ребер, установленных в долинах полюсных наконечников электромагнита. Для перестройки поля шимм одним концом закреплен на оси, которая в свою очередь установлена на центральной пробке электромагнита циклотрона. Поступательное перемещение второго конца шимма за счет использования привода обеспечивает возможность приближения или удаления магнитных масс шимма относительно медианной плоскости, что в свою очередь приводит к перераспределению поля и изменению его среднего уровня. Это обеспечивает перестройку изохронных зависимостей поля для ускорения протонов и дейтонов.

Недостатком устройства является то, что оси вращения всех шиммов устанавливаются в районе центральной пробки электромагнита, что существенно ограничивает возможности формирования требуемого распределения поля в центральной части, поскольку:

- сами оси и элементы их крепления занимают определенную часть объема в зоне, где наличие ферромагнитных масс существенно влияет на требуемый уровень среднего магнитного поля:

- оси и элементы их крепления должны изготавливаться и устанавливаться с высокой точностью, поскольку геометрические формы границ разделов сред между ферромагнитными и неферромагнитными материалами в центральной области существенно влияют на характер распределения среднего магнитного поля в центральной области магнита;

- формирование различных изохронных зависимостей для протонов и дейтонов осуществляется только за счет перемещения детали неизменной формы в зазоре основного магнита, поскольку геометрическая форма шимма, отделенного от магнитопровода, остается неизменной, а изменяется только его положение.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание устройства, обеспечивающего ускорение нескольких типов заряженных частиц в изохронном циклотроне, которое отвечает требованиям технологичности и относительной простоты изготовления и настройки магнитной системы, модульности структуры и, в конечном итоге, требованиям минимизации стоимости изготовления и эксплуатации циклотрона. Эти частицы характеризуются различным отношением заряда частицы к ее массе. Следствием этого является необходимость перестройки магнитного поля в основном магните циклотрона для обеспечения требуемых изохронных зависимостей, отличающихся для каждого типа ускоряемых частиц, как средним уровнем магнитного поля, так и распределением магнитного поля.

Данная задача решается в заявляемом изохронном циклотроне, содержащем электромагнит, имеющий подвижные магнитные шиммы, вакуумную камеру и ускоряющие электроды-дуанты, таким образом, шиммы электромагнита выполнены поворотными вокруг собственных осей и помещены в желоба, выполненные во вкладышах, которые помещены в свободные от дуантов долины в полюсных наконечниках электромагнита, являющихся крышками вакуумной камеры, ось вращения каждого поворотного шимма компланарна медианной плоскости электромагнита и направлена радиально к центру полюса электромагнита с возможностью обеспечения поворота шиммов без нарушения вакуума в вакуумной камере. В частном случае реализации изобретения поворот шиммов обеспечивается реечным приводом с герметизированным подвижным штоком. В реализованной конструкции в полюсных наконечниках в долинах электромагнита циклотрона сделаны углубления простой конфигурации, в которые помещены вкладыши с выполненными в них желобами (выемками). Эти желоба располагаются симметрично относительно медианной плоскости электромагнита в противоположных полюсных наконечниках. Желобам придается форма шимма, зависящая от количества типов ускоряемых частиц. В каждом желобе установлен магнитный шимм, который может вращаться вокруг оси, причем ось вращения шимма компланарна медианной плоскости электромагнита и направлена радиально к центру полюса, причем поворотный шимм заполняет без зазоров всю полость углубления. В режиме ускорения наиболее тяжелых частиц шимм находится в желобе, при этом распределение магнитного поля формируется поверхностями полюсных наконечников электромагнита, которые обеспечивают изохронную зависимость для соответствующей ускоряемой частицы (т.е. шимм в формировании поля фактически не участвует, поскольку, по сути, составляет единое целое с полюсным наконечником). При переходе к режиму ускорения более легкой частицы каждый шимм поворачивается вокруг своей оси на заданный угол, выводится из желоба и приближается к медианной плоскости, что приводит к приближению магнитных масс к медианной плоскости, перераспределению магнитного поля и изменению среднего уровня поля. Магнитная индукция повышается. Форма поверхности магнитного поворотного шимма определяется в результате математического моделирования.

Технический результат применения данного изобретения заключается в том, что используется минимальное количество подвижных шиммов и, соответственно, приводов, а положение осей подвижных шиммов не ограничивает возможности формирования требуемого распределения поля. Устройство может обеспечивать формирование нескольких изохронных зависимостей. Предлагаемый вариант позволяет упростить технологию обработки подвижного шимма, к точности изготовления которого предъявляются высокие требования. Для случая ускорения двух типов частиц геометрическая форма поворотного шимма представляет собой часть тела вращения, ограниченную плоскостью, компланарной оси вращения шимма.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 приведено схематическое изображение поворотных шиммов, установленных в желобах в долинах электромагнита изохронного циклотрона в предпочтительном варианте осуществления изобретения для случая ускорения двух типов частиц: 1 - поворотный шимм, 3 - приводной шток-рейка, 2 - вкладыш, 4 - полюсный наконечник, 5 - сектор, 6 - дуант, 7 - полюс, 8 - балка электромагнита, 9 - катушка, 10 - сильфон. Пунктиром показана медианная плоскость электромагнита.

На фиг.2 показано расположение поворотных шиммов, размещенных в долинах в желобах полюсных наконечников для режима ускорения более тяжелых частиц - шимм 1 находится внутри желоба: 5 - сектор, 1 - шимм, 2 - вкладыш, 4 - полюсный наконечник. Медианная плоскость указана пунктирной линией.

На фиг.3 показано расположение поворотных шиммов 1, размещенных в долинах в желобах полюсных наконечников электромагнита для режима ускорения более легких частиц - шимм повернут на угол 180° вокруг оси, выведен из желоба и приближен к медианной плоскости: 5 - сектор, 3 - вкладыш, 4 - полюсный наконечник, 11 - желоб.

Осуществление изобретения

На фиг.1 приведено схематическое изображение поворотного шимма 1, который устанавливается в желоб 11, показанный на фиг.3. По меньшей мере две пары поворотных магнитных шиммов устанавливаются в долинах электромагнита изохронного циклотрона. Каждый шимм из пары поворотных шиммов устанавливается симметрично относительно медианной плоскости электромагнита циклотрона таким образам, что ось вращения каждого шимма 1 компланарна медианной плоскости электромагнита и направлена радиально к центру полюса 7. Пары поворотных магнитных шиммов устанавливаются в долинах, расположенных симметрично относительно центра электромагнита. В режиме ускорения наиболее тяжелых частиц (фиг.2) поворотный шимм 1 помещается внутри желоба, выполненного во вкладыше 2, обращенная в долину часть поверхности шимма совпадает с поверхностью долины, которая была бы в случае реализации электромагнита без поворотного шимма и для ускорения только одного типа частиц. В режиме ускорения более легких частиц каждый шимм 1 (фиг.3) поворачивается вокруг своей оси на одинаковый заданный угол, выводится из желоба 11 и приближается к медианной плоскости. Это приводит к приближению магнитных масс к медианной плоскости, перераспределению магнитного поля, и изменению среднего уровня поля, и повышению магнитной индукции. Обеспечивается формирование изохронной зависимости для нового типа ускоряемых частиц. Форма поверхности поворотного магнитного шимма 1 определяется в результате математического моделирования. На фиг.3 магнитный шимм 1 повернут на угол 180° вокруг оси, выведен из желоба 11 и приближен к медианной плоскости.

В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения для случая ускорения двух типов частиц - дейтонов (D^-) и протонов (Н^-) до фиксированных энергий поворотный магнитный шимм 1 выполняется в виде половины тела вращения, ограниченной плоскостью, причем ее ось вращения компланарна медианной плоскости.

Изохронный циклотрон, представленный на фиг.1 для ускорения двух типов частиц, содержит электромагнит, включающий в себя четыре сектора и четыре долины, вакуумную камеру и ускоряющую систему с дуантами, размещенными в двух долинах, противоположных относительно центра электромагнита. Поворотные шиммы располагаются в долинах, свободных от дуантов - ускоряющих электродов в вакуумной камере в желобах, выполненных в полюсных наконечниках, которые в свою очередь являются крышками вакуумной камеры. С целью требуемого изменения магнитного поля при переходе от режима ускорения одного типа заряженных частиц к режиму ускорения другого типа заряженных частиц (от режим ускорения более тяжелых частиц - D^- к режиму ускорения более легких частиц - Н^-) ферромагнитные шиммы поворачиваются на угол 180° вокруг оси, выводятся из желоба и приближаются к медианной плоскости. В результате такого изменения взаимного положения магнитных масс изменяется характер распределения магнитного поля, и магнитная индукция повышается на требуемую величину. Поворот шиммов обеспечивается за счет реечного привода с герметизированным подвижным штоком-рейкой, т.е. поворот шиммов обеспечивается без нарушения вакуума в вакуумной камере.

Устройство может быть использовано в ускорительной технике для ускорения нескольких типов заряженных частиц. Для расширения возможностей изохронного циклотрона при ускорении различных типов заряженных ионов используются поворотные магнитные шиммы, расположенные в долинах, свободных от дуантов циклотрона в вакуумной камере в желобах, выполненных в полюсных наконечниках электромагнита, которые являются крышками вакуумной камеры. Форма поверхности поворотных магнитных шиммов определяется в результате математического моделирования. Ось вращения каждого поворотного шимма компланарна медианной плоскости электромагнита циклотрона и направлена радиально к центру полюса. Поворот шиммов обеспечивается при помощи реечного привода с герметизированным подвижным штоком - рейкой без нарушения вакуума в ускоряющей камере. В режиме ускорения наиболее тяжелых частиц шимм находится в желобе. Распределение магнитного поля формируется поверхностями полюсных наконечников, которые обеспечивают изохронную зависимость для соответствующей ускоряемой частицы. В режиме ускорения более легких частиц шиммы поворачиваются на заданный угол вокруг оси, выводятся из желоба и приближаются к медианной плоскости, за счет чего изменяется характер распределения магнитного поля и магнитная индукция повышается на требуемую величину. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Изохронный циклотрон для ускорения нескольких типов заряженных частиц до фиксированных энергий, содержащий электромагнит, имеющий подвижные магнитные шиммы, вакуумную камеру и ускоряющие электроды - дуанты, отличающийся тем, что шиммы электромагнита циклотрона имеют возможность поворота вокруг собственных осей и помещены в желоба, выполненные во вкладышах, которые помещены в свободные от дуантов долины в полюсных наконечниках электромагнита, являющихся крышками вакуумной камеры, ось вращения каждого поворотного шимма компланарна медианной плоскости электромагнита и направлена радиально к центру полюса электромагнита с возможностью обеспечения поворота шиммов без нарушения вакуума в вакуумной камере.

2. Изохронный циклотрон по п.1, отличающийся тем, что поворот шиммов обеспечивается реечным приводом с герметизированным подвижным штоком.