УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫВОДА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ИЗ ЦИКЛИЧЕСКОГО УСКОРИТЕЛЯ Российский патент 2019 года по МПК H01J21/18 

Область техники

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для вывода частиц из циклических ускорителей.

Уровень техники

Известны устройства вывода частиц из циклических ускорителей, которые включают в себя регенераторы, постоянное магнитное поле которых быстро возрастает по радиусу. Суммарное магнитное поле в области регенераторов превышает рабочее поле. В результате многократного прохождения области регенератора расстояние между орбитами иона значительно превысит то, которое обусловлено увеличением энергии. Окончательное разделение орбит оказывается достаточно большим, чтобы частица могла обойти торец внутренней пластины магнитного канала и выйти из машины. (Livingood J. Principle of Cyclic Particle Accelerators, p.p. 196-198. // Argonne National Laboratory. 1961). В качестве прототипа выбираем систему вывода протонов из синхроциклотрона, который описан работе Livingood J. Principle of Cyclic Particle Accelerators, p.p. 196-198 // Argonne National Laboratory. 1961. Устройство содержит регенератор, у которого постоянное магнитное поле резко возрастает по радиусу и пластины магнитного канала для извлечения частиц из ускорителя. Недостатком данного устройства является низкая эффективность вывода частиц, которая составляет несколько процентов.

Раскрытие изобретения

Изобретение решает задачу увеличения эффективности вывода заряженных частиц. Поставленная цель достигается тем, что устройство для вывода заряженных частиц из циклического ускорителя, содержит выводное устройство с постоянным во времени магнитным полем, которое состоит из трех магнитных диполей, два из которых, входной и выходной, расположены под углом друг к другу, а третий диполь расположен параллельно входному диполю и имеет обратную полярность магнитного поля. Отличительными признаками изобретения является следующее:

- выводное устройство состоит из трех магнитных диполей,

- входной и выходной диполи расположены под углом друг к другу,

- третий диполь расположен параллельно входному диполю и имеет обратную полярность магнитного поля.

Совокупность вышеуказанных признаков позволяет существенно увеличить эффективность вывода частиц из ускорителя.

Перечень иллюстраций:

Фиг. 1 (приложение). Входной диполь выводного устройства.

Фиг. 2 (приложение). Схема выводного устройства.

Описание чертежей

На Фиг. 1 (в приложении) показаны траектории частиц с различными энергиями.

1, 2 и 3 - траектории частиц с энергией меньшей критического значения.

4-траектория частицы с энергией выше критического значения.

α - углы входа в диполь и выхода из диполя.

y_m и x_m - координата максимальной глубины проникновения данной частицы в диполь.

На фиг. 2 (в приложении) показана схема расположения диполей выводного устройства.

1 - входной диполь,

2 - диполь с обратной полярностью магнитного поля,

3 - выходной диполь,

4 - траектория отраженной частицы,

5 - траектория выведенной частицы

Осуществление изобретения

Устройство для вывода заряженных частиц использует такие же диполи, какие используются в данном ускорителе для формирования стационарной орбиты ускорителя. Устройство работает следующим образом

Движущаяся по стационарной орбите частица с импульсом Р влетает в первый, входной, диполь 1 под углом α к продольной оси диполя, при этом Р_х(0)=Pcosα, а Р_у(0)=Psinα (Фиг. 1 в приложении).

Полярность магнитной индукции и заряд частицы таковы, что Р_у - составляющая импульса частицы уменьшается и в координате y_m,x_m составляющие импульса становятся равными P_y=0, а P_x=Р. Далее знак у составляющей импульса P_y, меняется и частица выходит из диполя. Движение частицы в диполе от у=0 до y=y_m описывается уравнением,

,

При движении в обратном направлении

Отсюда следует, что на входе в диполь и выходе из диполя импульс P_x не меняется, а импульс P_y меняет свой знак. Имеет место отражения частицы, при этом угол отражения частицы всегда равен углу падения. При этом, как и механике, равенство углов не зависит от энергии частицы (импульса Р и скорости v).

Режим отражения частиц в диполе реализуется, только тогда, когда импульс частицы не превышает величины Р<qBh/(1-cosα), где h - поперечный размер диполя.

Диполь 3 системы вывода (Фиг. 2 в приложении) необходим для возвращения, отраженных первым диполем частиц, на стационарную орбиту. Если углы падения и отражения второго диполя равны β, то суммарный угол отклонение частицы в системе вывода будет равен θ=2(α+β). Величина угла θ выбирается из условия задачи. Угол θ, как и углы α и β, не зависит от энергии частицы.

Диполь 2 имеет обратную полярность магнитного поля, поэтому суммарное поле на пунктирной линии равно нулю. Движение частицы вдоль этой линии неустойчиво. Поэтому, когда импульс (энергия) частицы достигнет пороговой величины P_thr=qBh/(1-cosα), Частица либо отклоняется полем третьего диполя и выводится из ускорителя, либо отражается полями второго и третьего диполей и возвращается на стационарную орбиту.

Таким образом, система вывода возвращает частицы на стационарную орбиту ускорителя все частицы, импульс которых порогового значения Р<P_thr, и выводит из ускорителя частицы с импульсом Р=P_thr.

Пример конкретного применения.

Так как выводное устройство может быть использовано в различных ускорителях, как в электронных ускорителях с энергией несколько МэВ, так и в ускорителях протонов и ионов на сверхвысокие энергии, то конкретные параметры диполей определяются параметрами ускорителя. Так, например, габариты, величина и полярность индукции диполей зависят заряда и энергии частиц, углы инжекции частиц в диполи связаны с длиной периметра ускорителя и т.д.

Высокая эффективность вывода обуславливается тем, что движение частиц вдоль линии с В=0 не устойчиво. Они либо захватываются полем диполя 1, и, в конечном счете, возвращаются на стационарную орбиту, либо захватываются полем диполя с обратной полярности и выводятся из ускорителя. Потери частиц возможны только в других системах ускорителя.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для вывода частиц из циклических ускорителей. Устройство состоит из трех магнитных диполей, два из которых, входной и выходной, расположены под углом друг к другу, а третий диполь расположен параллельно входному диполю и имеет обратную полярность магнитного поля. Входной диполь и выходной диполи отклоняют частицы на угол θ=2(α+β), который не зависит от энергии ускоряемых частиц, что позволяет возвращать частицы на стационарную орбиту во всем диапазоне ускоряемых частиц (α и β - углы падения и отражения частиц во входном и выходном диполях). Такой режим работы устройства вывода имеет место, когда энергия частицы не превышает порогового значения. При достижении ускоряемой частицы порогового значения частица попадает в диполь с обратной полярностью и выводится из ускорителя. Технический результат – повышение эффективности вывода частиц из ускорителя. 2 ил.

Устройство для вывода заряженных частиц из циклического ускорителя, включающее выводное устройство с постоянным во времени магнитным полем, отличающееся тем, что выводное устройство содержит три магнитных диполя, два из которых, входной и выходной, расположены под углом друг к другу, а третий диполь расположен параллельно входному диполю и имеет обратную полярность магнитного поля.