ИНДУКЦИОННЫЙ СИНХРОТРОН С ПОСТОЯННЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ Российский патент 2017 года по МПК H05H11/00 

Область техники.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в области физики частиц высоких энергий, промышленности, медицины и научных исследований.

Уровень техники.

Известны ускорители: 1) включающие в себя диполь с постоянным магнитным полем, и высокочастотную ускоряющую систему, в которых заряженные частицы, ускоряясь, движутся по спиральной орбите из центра магнитного диполя, постепенно увеличивая радиус орбиты с ростом энергии: циклотроны, синхроциклотроны или фазотроны (например, Дж. Ливингуд. Принципы работы классических ускорителей. - М.: Издательство иностранной литературы, 1963, с. 19-23), 2) ускорители, включающие в себя диполи с нарастающим во времени магнитным полем и высокочастотные резонаторы с перестраиваемой частотой, в которых частицы в процессе ускорения сохраняют радиус орбиты постоянным: синхрофазотрон (например, Дж. Ливингуд. Принципы работы классических ускорителей. - М.: Издательство иностранной литературы, 1963, с. 23-25, 199-234), 3) индукционные синхротроны включающие в себя диполи с постоянным во времени магнитным полем и ускоряющую систему, состоящую из индукционных секций, связанных с датчиками времени пролета пучка и служащих для запуска этих секций (например, Г.В. Долбилов, «Циклический ускоритель заряженных частиц», Патент ОИЯИ №2477936, 2014; [1]. G.V. Dolbilov «The Induction Synchrotron with a Constant Magnetic Field» // Proc. Of the XXIV Russian article Conference, RuPAC 2014, Obninsk, Russia, http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/rupac2014/papers/wepsb29) [2]

Основным недостатком ускорителей с постоянным магнитным полем диполя является ограничение максимальной энергии ускоренных частиц из-за большого веса диполя (сотни тысяч тонн), который пропорционален приблизительно кубу диаметра полюса диполя, т.е. максимальному импульсу ускоренных частиц.

Недостатком ускорителей с постоянным радиусом в процессе ускорения является необходимость иметь в составе ускорителя генераторы импульсов тока для питания магнитных диполей, форма импульсов которых зависит от энергии ускоряемых частиц и режима работы ускорителя. Кроме того, высокочастотные ускоряющие резонаторы должны менять свою резонансную частоту в соответствии с изменением циклической частоты частиц в процессе ускорения. Большой диапазон изменения циклической частоты требует применения предускорителей (бустеров) для ускорения частиц до высоких энергий.

В качестве прототипа выбираем индукционный синхротрон, который описан в работах: Г.В. Долбилов, «Циклический ускоритель заряженных частиц», Патент ОИЯИ №2477936, 2014 [1]. G.V. Dolbilov «The Induction Synchrotron with a Constant Magnetic Field» // Proc. Of the XXIV Russian article Conference, RuPAC 2014, Obninsk, Russia, http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/rupac2014/papers/wepsb29) [2].

Этот ускоритель заряженных частиц включает в себя импульсную индукционную ускоряющую систему с датчиками времени пролета пучка для синхронизации запуска индукционных секций, систему формирования полями магнитных диполей замкнутых орбит частиц, которые в процессе ускорения близки к равновесной орбите ускорителя, систему жесткой фокусировки пучка в виде квадрупольных линз, системы ввода и вывода пучка и вакуумную систему.

Недостаткам такого ускорителя является то, что частицы с очень малой энергией могут не достигнуть области однородного поля диполя и будут отклонены краевыми полями диполя и потеряны. Это обстоятельство уменьшает диапазон ускоряемых энергий и требуют более высоких энергий инжектируемых частиц, что усложняет конструкцию, удорожает создание и эксплуатацию ускорителя.

Раскрытие из обретения.

Изобретение решает задачу увеличения диапазона ускоряемых энергий и отношения Z/A ускоряемых частиц при циклическом ускорении частиц в постоянном магнитном поле путем уменьшения нижнего порога ускоряемых энергий (Z-зарядность, Α-атомный номер). Кроме того, позволяет снизить требования к параметрам инжектируемого пучка, упростить и удешевить конструкцию инжектора, отказаться от предускорителя, уменьшить стоимость создания и эксплуатации ускорителя.

Поставленная цель достигается тем, что циклический ускоритель заряженных частиц, включает импульсную индукционную ускоряющую систему с датчиками времени пролета пучка, которые предназначены для синхронизации запуска индукционных секций с импульсами циркулирующего тока пучка, систему формирования полями магнитных диполей замкнутых орбит частиц, которые в процессе ускорения близки к равновесной орбите ускорителя, систему жесткой фокусировки пучка в виде квадрупольных линз, которые расположены на прямолинейных участках орбиты, системы ввода пучка, систему вывода пучка и вакуумную систему. При этом система формирования замкнутых орбит при ускорении пучка, близких к равновесной орбите, состоит из набора отклоняющих секций с корректирующими устройствами на входе и выходе секции. Каждая отклоняющая пучок на угол θ секция содержит два отражающих частицы пучка диполя с постоянным во времени и однородным вдоль продольной оси диполя магнитным полем и с произвольным распределением поля поперек этой оси. Продольные оси диполей расположены под углом π-θ/2 друг к другу и углом θ/4 к осям прямолинейных участков на входе и выходе каждой отклоняющей секции. Корректирующие устройства компенсируют вертикальную дефокусировку пучка в отражающих диполях. Корректирующее устройство содержит две короткие линзы, квадрупольную и симметричную, которые расположены в непосредственной близости друг к другу и представляют собой одну корректирующую линзу.

Отличительным признаком изобретения является следующее: система формирования замкнутых орбит при ускорении пучка, которые близки к равновесной орбите, состоит из набора отклоняющих секций с корректирующими устройствами на входе и выходе секции. Каждая отклоняющая пучок на угол θ секция содержит два отражающих частицы пучка диполя с постоянным во времени и однородным вдоль продольной оси диполя магнитным полем и с произвольным распределением поля поперек этой оси. Продольные оси диполей расположены под углом π-θ/2 друг к другу и углом θ/4 к осям прямолинейных участков на входе и выходе каждой отклоняющей секции. Корректирующие устройства компенсируют вертикальную дефокусировку пучка в отражающих диполях. Корректирующее устройство содержит две короткие линзы, квадрупольную и симметричную, которые расположены в непосредственной близости друг к другу и представляют собой одну сборную короткую корректирующую линзу.

Совокупность вышеуказанных признаков позволяет существенно уменьшить нижний порог ускоряемых энергий, уменьшить энергию инжектируемых частиц и отказаться от дорогостоящих предускорителей частиц при ускорении частиц на высокие энергии.

При указанном расположении диполей и распределении магнитных полей в них угол отклонения пучка в каждой отклоняющей секции будет равным θ во все диапазоне ускоряемых энергий частиц. Поскольку в области, где магнитное поле однородно вдоль продольной оси, угол отражения пучка от диполя будет равен углу падения пучка на диполь и не зависит от характера распределения поля поперек оси. Поэтому отклонение пучка секцией на угол θ будет происходить и в краевых полях диполей при очень низких энергиях частиц. Это обстоятельство позволяет существенно уменьшить энергию инжектируемых в ускоритель частиц и удешевить создание и эксплуатацию ускорителя. Поскольку магнитные поля отражающего диполя фокусируют пучок в радиальном направлении и дефокусируют в вертикальном направлении, на входе и выходе каждой отклоняющей секции установлены корректирующие устройства, которые с помощью симметричной и квадрупольной магнитных линз компенсируют вертикальную дефокусировку пучка.

Импульсные индукционные секции и датчики времени пролета пучка, служащие для синхронизации времени запуска ускоряющих секций с временем пролета пучка по периметру орбиты, позволяют ускорять частицы в широком диапазоне скоростей (энергий) и отношений заряда частиц к их массе, Ζ/А.

Перечень чертежей

Фиг. 1 -_ Фрагмент траекторий пучка заряженных частиц при ускорении с индукционном синхротроне с постоянном магнитным полем;

Фиг. 2 - Схема отражающего заряженные частицы магнитного диполя;

Фиг. 3 - Схема отклоняющей магнитной секции;

Фиг. 4 - Схема варианта индукционного синхротрона с шестью отклоняющими секциями с постоянном магнитным полем.

На Фиг. 1 приведен фрагмент траекторий пучка заряженных частиц в индукционном синхротроне с постоянном магнитном полем,

где 1 - траектория ускоренного пучка; 2 - траектория пучка с энергией инжекции, которая много меньше максимальной энергии.

Схема отражающего заряженные частицы магнитного диполя приведена на Фиг. 2,

где 3 - отражающий магнитный диполь, 4 - траектория «падающих» частиц, 5 - траектории отраженных частиц, (см. 9, фиг. 3, Приложение 1), энергия и траектория которых меняется в процессе ускорения, (α) - углы падения и отражения частиц.

Фиг. 3 (Приложение 1) приведена схема отклоняющей магнитной секции, где 6 - На отражающие магнитные диполи, 7 - траектории входящих частиц, 8 - траектории выходящих частиц, 9 - траектории частиц в отклоняющей секции в процессе ускорения. (θ) - угол отклонения пучка в секции.

На Фиг. 4 приведена схема варианта индукционного синхротрона с шестью отклоняющими пучок секциями с постоянным магнитным полем (шестью парами отражающих диполей). Каждая пара диполей отклоняет пучок на 60°. Здесь 10 - отражающие магнитные диполи; 11 - прямолинейные участки, где устанавливаются индукционная ускоряющая система с датчиками времени пролета пучка, квадрупольные линзы жестко фокусирующей системы, системы ввода пучка, вакуумная система; 12 - камера отклоняющей секции для транспортировки отражаемых от диполя частиц (см. (9), фиг. 3); 13 - корректирующие устройства, которые представляют собой сборную линзу, состоящую из двух магнитных линз, квадрупольной и симметричной, которые компенсируют вертикальную дефокусировку пучка при отражении частиц от диполей.

Осуществление изобретения

Устройство работает следующим образом.

Пучок заряженных частиц инжектируется в ускоритель на одном из прямолинейных участков орбиты и ускоряется импульсной индукционной системой. В процессе ускорения частота ускоряющих импульсов возрастает в соответствии с ростом частоты обращения частиц. Синхронизация импульсов и пучка осуществляется с помощью датчиков времени пролета пучка. Ускорение импульсов тока пучка частиц индукционными импульсами с регулируемой частотой повторения позволяет реализовать синхронное ускорение в широком диапазоне скоростей частиц и их энергий.

Замкнутые орбиты ускоряемых частиц формируются с помощью отклоняющих пучок магнитных секций, которые содержат два отражающих пучок магнитных диполя. Если продольные оси отражающих диполей составляют друг к другу угол π-θ/2, а входная траектория пучка составляет угол θ/4 с осью входного отражающего диполя, то выходная траектория и ось выходного отражающего диполя будут составлять тот же угол θ/4, а угол между входной и выходной траекториями пучка будет равен θ. При выполнении этих условий угол θ не будет зависеть от энергии ускоряемых частиц. Возможность работы отклоняющих секций в краевых полях диполей позволяет дополнительно расширить диапазон ускорения, уменьшить энергию инжекции и отказаться от использования предускорителей.

Поскольку в отклоняющей секции пучок фокусируется в горизонтальной плоскости дефокусируется в вертикальной, то установленные на входе и выходе корректирующие устройства компенсируют дефокусировку пучка.

Для ввода и вывода пучка из ускорителя используются традиционные схемы.

Пример конкретного выполнения. Дипольные магниты для отражения пучка представляют собой либо электромагниты с величиной магнитной индукции около 2 тесла, либо NdFeB или SmCo постоянные магниты с индукцией ~ 1 тесла. Использование постоянных магнитов не требует создания источников магнитной системы, но из-за меньшей величины магнитной индукции увеличивает размер равновесной орбиты.

Импульсные индукционные секции выполнены на основе традиционных ферромагнитных материалов (например, пермаллой, ферриты и т.п.). Индукционные секции представляют собой набор ферромагнитных сердечников-индукторов, каждый из которых питается импульсным напряжением порядка 1 кВ, что позволяет использовать транзисторные генераторы импульсов и увеличить надежность системы.

Корректирующие устройства системы отклонения пучка и квадрупольные линзы прямолинейных участков используют стандартные и широко применяемые магнитные линзы.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в области физики частиц высоких энергий, промышленности, медицины и научных исследований. Технический результат - ускорение в постоянном магнитном поле с почти постоянным радиусом орбит во всем диапазоне ускорения, существенное снижение нижнего порога энергии инжекции, увеличение диапазона ускоряемых энергий и отношения Z/A частиц (где Ζ - зарядность, А - атомный номер), отсутствие пред-ускорителей, уменьшение стоимости создания и эксплуатации ускорителя. Ускоритель включает в себя: импульсную индукционную систему с датчиками времени пролета пучка для синхронизации ускоряющих импульсов с импульсами тока пучка; систему формирования замкнутых орбит ускоряемых частиц, которая состоит из отражающих пучок магнитных диполей и корректирующих устройств для компенсации дефокусируещего действия диполей в вертикальной плоскости; системы жесткой фокусировки на прямолинейных участках; системы ввода и вывода пучка; вакуумную систему. Корректирующие устройства расположены на входе и выходе каждой отклоняющей пучок секции и представляют собой короткую линзу. Магнитные диполи системы формирования орбит, отражая частицы пучка, создают замкнутые орбиты. При этом угол падения пучка на диполь равен углу отражения. Поскольку это равенство не зависит от характера распределения поля поперек продольной оси диполя, равенство углов падения и отражения сохраняется и в краевых полях диполей. Это обстоятельство снимает ограничения на нижний порог энергии инжекции. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Циклический ускоритель заряженных частиц, включающий импульсную индукционную ускоряющую систему, снабженную датчиками времени пролета пучка частиц, предназначенными для синхронизации запуска индукционных секций, систему формирования замкнутых орбит частиц посредством полей магнитных диполей, орбиты которых в процессе ускорения близки к равновесной орбите ускорителя, систему жесткой фокусировки пучка в виде квадрупольных линз, которые расположены на прямолинейных участках орбиты, систему ввода, систему вывода пучка и вакуумную систему отличающийся тем, что система формирования замкнутых орбит при ускорении пучка состоит из набора отклоняющих секций с корректирующими устройствами, расположенными на входе и выходе каждой секции, а каждая отклоняющая пучок секция содержит два отражающих пучок диполя, при этом продольные оси отражающих диполей образуют угол π-θ/2 друг к другу и угол θ/4 к осям прямолинейных участков на входе и выходе каждой отклоняющей секции, где θ - заданный угол отклонения пучка в каждой отклоняющей секции, а π равен 180°.

2. Ускоритель по п. 1 отличающийся тем, что корректирующее устройство представляют собой сборную линзу, содержащую две короткие линзы, квадрупольную и симметричную, которые расположены в непосредственной близости друг к другу в произвольном порядке.