СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ РАВНОВЕСНЫХ ТРАЕКТОРИЙ ЧАСТИЦ В ЦИКЛИЧЕСКОМ УСКОРИТЕЛЕ С ПОСТОЯННЫМ РАДИУСОМ ОРБИТЫ Российский патент 2020 года по МПК H05H15/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке циклических ускорителей с практически постоянным радиусом орбиты.

Известно, что для удержания радиуса орбиты постоянным при увеличении энергии частиц требуется увеличение ведущего магнитного поля ускорителя (Д.Ж. Ливингуд «Принципы работы циклических ускорителей» // Издательство иностранной литературы, Москва 1963).

В работах Долбилова Г.В. «Способ синхротронного ускорения заряженных частиц в постоянном магнитном поле», патент РФ. №2618626, выданный на имя ОИЯИ, и «Индукционный синхротрон с постоянным магнитным полем», патент РФ №2608365, выданный на имя ОИЯИ, показано, что возможно ускорение частиц с практически постоянным радиусом орбиты и постоянных во времени магнитных полях. Для реализации такого ускорения использован метод отражения частиц полями магнитных диполей.

В качестве прототипа используем «Способ синхротронного ускорения заряженных частиц в постоянном магнитном поле», патент РФ №2618626. В таком способе ускоряемые частицы многократно отражаются от серии магнитных диполей. Поскольку угол отражения от диполей равен углу падения на диполь и не зависит от скорости (импульса, энергии) частиц, то удается сформировать замкнутую орбиту, радиус которой практически не зависит от энергии частиц.

Недостатком такого способа являются узкий диапазон ускоряемых энергий, а также более сложная наладка и запуск ускорителя

Целью предполагаемого изобретения является расширение диапазона энергии ускоряемых частиц и, кроме того, упрощение процессов наладки и запуска ускорителя.

Способ заключается в том, что для формирования орбит частиц и сохранения радиуса орбиты частиц постоянным при ускорении частиц производят отражение частиц полями магнитных диполей и формируют жесткую фокусировку частиц, при этом отражение частиц производят посредством полей разнополярных диполей, а для формирования жесткой фокусировки частиц используют поля линз с плоскими магнитными полюсами.

Отличительными признаками заявляемого способа являются следующее: отражение частиц производят посредством полей разнополярных диполей, а для формирования жесткой фокусировки частиц используют поля линз с плоскими магнитными полюсами.

Поставленная цель достигается тем, что совокупность всех существенных признаков позволяет расширить диапазон энергии ускоряемых частиц и достичь упрощения процессов наладки и запуска ускорителя.

Перечень иллюстраций.

На Фиг. 1 (Приложение) приведена схема ускорителя с магнитными диполями, формирующими равновесные траектории частиц,

где:

1 - магнитная система формирования замкнутых орбит,

2 - индукционные системы ускорения частиц,

3 - участки дрейфа частиц,

4 - система инжекции частиц,

5, 6, 7 - системы вывода частиц

На Фиг. 2 (Приложение) приведена схема поперечного сечения магнитной системы для формирования равновесных траекторий частиц в циклическом ускорителе с постоянным радиусом орбиты,

где:

8 - магнитные полюса основного диполя,

9 - магнитные полюса диполя с полярностью обратной основному диполю,

10 - пучок частиц, инжектированных в ускоритель на орбиту радиуса R₀,

11 - пучок ускоренных частиц на орбите R=R₀+ρ, (ρ<<R₀),

(где, R - текущий радиус, R₀ - начальный радиус, ρ - приращение радиуса)

а - зазор между полюсами основного диполя и диполя с обратной полярностью,

b - зазор между разно-полярными диполями

Способ работает следующим образом.

Пучок частиц инжектируется на орбиту, радиус которой равен R₀. На этой орбите суммарное магнитное поле основного диполя и дополнительного диполя с обратной полярностью равно нулю. Поэтому частицы с очень низкой энергией свободно могут двигаться вдоль этой траектории, отражаясь поочередно от полей разно-полярных диполей. Скорость таких частиц может быть порядка и v_inj~10^-2 с (с - скорость света). С ростом энергии ускоряемых частиц помимо сил, создаваемых магнитными полями, возникает дополнительная центробежная сила F_c=Mv²/R (где М, v и R - масса, скорость и радиус частицы), действие которой эквивалентно магнитному полю В_с=Mv/qR (q - заряд частицы). Эта центробежная сила будет смещать равновесную орбиту (где суммарные силы, действующие на частицу, равны нулю) во все более и более сильные поля основного диполя в соответствии равенством B=P/qR (Р - импульс частицы), пока не будут выведены из ускорителя.

В процессе ускорения частиц малые колебания частиц будут устойчивы в радиальной плоскости. Для устойчивости вертикальных колебаний используется жесткая фокусировка биполярными магнитными линзами с плоскими магнитными полюсами. Такие линзы были предложены в работе Долбилова Г.В. «Способ фокусировки пучков заряженных частиц», патент Р Ф. №2633770.

Для реализации данного способа формирования равновесных траекторий могут быть использованы стандартные магнитные диполи теплые или сверхпроводящие, которые широко применяются в технике ускорителей частиц. Также возможно использование постоянных магнитов, например, NdFeB или CmCo.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке циклических ускорителей с практически постоянным радиусом орбиты, например индукционных синхротронов с постоянным во времени магнитным полем. Способ формирования равновесных траекторий частиц в циклическом ускорителе с постоянным радиусом орбиты заключается в том, что для формирования орбит частиц и сохранения радиуса орбиты частиц постоянным при их ускорении производят отражение частиц полями магнитных диполей и формируют жесткую фокусировку частиц. Отражения частиц производят посредством полей разнополярных диполей, а для формирования жесткой фокусировки частиц используют поля линз с плоскими магнитными полюсами. Для реализации данного способа формирования равновесных траекторий могут быть использованы стандартные магнитные диполи, теплые или сверхпроводящие, которые широко применяются в технике ускорителей частиц. Возможно также использование постоянных магнитов (например, NdFeB или CmCo). Технический результат - повышение рабочего диапазона энергий. 2 ил.

Способ формирования равновесных траекторий частиц в циклическом ускорителе с постоянным радиусом орбиты, который заключается в том, что для формирования орбит частиц и сохранения радиуса орбиты постоянным частицы при ускорении отражают полями магнитных диполей и формируют их жесткую фокусировку, отличающийся тем, что отражение частиц производят посредством полей разнополярных диполей, а для формирования жесткой фокусировки частиц используют поля линз с плоскими магнитными полюсами.