Способ получения вторичных пучков в циклических ускорителях высокой энергии Советский патент 1983 года по МПК H05H13/00 

Изобретение относится к области ускорительной техники, в частности к способам получения растянутых во времени вторичных пучков в циклических ускорителях высоких энергий. Известные способы получения вторичных пучков в циклических ускорителях основаны либо на формировании выведенного первичного пучка с последующим наведением его на внешнюю мишень, либо на поперечном (радиаль ном или вертикальном ) наведении цир кулирующего первичного пучка на внутреннюю мишень с использованием смещающего пучок электромагнитного поля tl . Наиболее близким к изобретению является способ получения вторичных пучков в циклических ускорителях высокой энергии, основанный на смещении первичного пучка, в радиальном направлении и наведении его на внутреннюю мишень путем воздействия на него электромагнитным полем Г2. Этот способ позволяет получить равномерное вторичное излучение с постоянной трассой вторичных частиц и при малых значениях длительности циклов ускорения. Недостатком этого способа являет ся значительный угловой разброс час тиц в получаемом вторичном пучке, обусловленный угловым разбросом пер вичных циркулирующих частиц и законом их наведения на мишень, что при водит к уменьшению эффективности вывода вследствие последующей коллимации. Целью изобретения является умень шение углового разброса падающих на мишень частиц. Поставленная цель достигается тем, что в известном способе получе ния вторичных пучков в циклических ускорителях высокой энергии, заключающемся в смещении первичного пучк в радиальном направлении и наведени его на внутреннюю мишень путем воз действия на него электромагнитным полем, ток питания обмоток электромагнита, возбуждающего смещающее поле, изменяют по ступенчатому закону, изменяя при этом градиент маг нитного поля так, чтобы для выполнялось условие, при котором лОп равно целому числу не кратном п (где 4Й - дробная часть частоты радиальных бетатронных колебаний, П - длительность ступенек в числах оборотов пучка), а амплитуду ступенек задают из условия равномерности сброса частиц на мишень. Способ реализуется следующим образом. Локальным возмущением магнитного поля на орбите частиц осуществляют радиальное смещение циркулирующего пучка. Питание возмущающих поле оомоток электромагнита формируют так, чтобы оно имело ступенчато-нарастгиоидай характер, и при этом длительность ступенек должна быть пропорциональна обратной величине дроеной части числа бетатронных колебаний пучка на обороте, а высоты ступенек подбирают из условий равномерности сброса частиц на шшeнь. Градиент основного магнитного поля синхротрона изменяют до тех пор, пока значение обратной величины дробной части числа бетатронных колебаний не примет нецелочисленное допустимое значение для данного ускорителя. Способ не требует применения специальных устройств, так как позволяет использовать имеющиеся на ускорителях средства локального смещения пучка с программным регулированием формы тока питания возмущающих поле электромагнитов, а также средства для изменения градиента магнитного поля ускорителя. На чертеже графически показан процесс наведения пучка на внутреннюю мишень с помощью методики вращающегося круга. Если принять, что все частицы пучка имеют одну и ту же частоту Qp радиальных бетатронных колебаний fl (, m + uQ , где m - ближайшее к Gl целое число ,5, неизменную в течение времени наведения пучка на мишень, то На азимуте 5 (место расположения мишени ) таком, что /i( 5м Рмакс ( А амплитудная функция ) на любом обороте пуска его эгмтанс на фазовой плоскости (г ; ) имеет вид круга, радиуса Лмс1кс г где Ад, максимально возможное отклонение частиц от возмущающей замкнутой, орбиты . Центр круга (г г 0) соответствует положению замкнутой орбиты на данном обороте в точке 5. Каждой точке круга, характеризуемой параметрами (Ау) А,. (0 i у 2 л соответствует, по крайней мере, одна частица. Величина радиус-вектора Т произвольной точки круга на азимуте 3 изменяется от оборота к обороту по закону :Aoos V(5 J+2Лda(k-1)-r . И) где 1t - номер оборота; V - фазовая функция. Наведение пуч1:а ни мишень (вдви- . жение мишени в пучок) означает уменьшение расстояния d между центром круга и краем мишени. Допустим, что в некоторый момент (14 1 начало отсчета оборотов) круг касается края толстой мишени и в течение первых г оборотов (длительность ступеньки в числах оборотов пучка) не изменяется в точке5 О (eJ con3t ) . Тогда в течение первого оборота пучка на мишень непрерывно (без уче та банкировки) будут падать частицы с углом 1 О по отношению к замкну той орбите. На языке вращающего круга это означает, что частицы будут соответ ствовать точке А ,.. У(5д) О на чертеже точка l. Через один оборот () в точке 5дд О начальный круг оказывается повернутым на угол по от ношению к начальному положению (К Это значит, что в течение и второго оборота пучка на шшень будут падат частицы с углом i О, но теперь уж те частицы, которые в начальный момент имели фазу у 2л. На чертеже эта точка обозначена 2. Этот процесс будет иметь место в течение первых п оборотов, где h определяется из условия П4а 1 , (2) где Cj, - целое число. Условие (2) определяет число обо ротов пучка и, в течение которых на касающуюся пучка мишень можно сбросить частицы с углом i 0. Для того, чтобы после первых п оборотов, удовлетворяющих условию (2), на мишень падали частицьт, необходимо изменить величину d (наведение пучка на мишень). Если мишень вдвинута на пучок на величину tKtA и в течение следующих п оборотов d Адддщ,- const то указанный выпе процесс повторитс с той лишь разницей, что на каждом обороте из круга уже будут вырезать мишенью равнобедренные треугольники высотою , вершины которых есть точ ки .кс - суцелое число, обеспечивающее условие ). Такое вырезание означает, что в течение первых п оборотов падающие на мишень частицы будут иметь угловой разброс, определяемый выражениемд.,,«ШСС Очевидно, что при вырезании кру га сегментами при неизменном d воз можно прекрывание сегментов, т.е. очередной вырез происходит не из по ного круга, а только той его части, которая осталась (если осталась ) после предыдущих вырезаний. Степень перекрывания зависит как от величины Ли, так и от глубины ft мише.ни в пучке. Перекрывание сегментов за первые п оборотов не будет иметь место, если шаг 4 ti выбран так, что после п вырезаний круг превращается в правильный п-угольник, вписанный в окружность радиуса А А д,акс т.е. йЬ удовлетворяет условию djh (йЬ)р , М -сов X.). (Ц) где (лЬ) Подставляя формулы 14 и (3 ), получим r sin|-. (Я Рмакс При uhn(4ti)p после первых п оборотов в пучке уже не будет частиц с амплитудами А А/цоксВ этом случае выражение 151 определяет максимальный угловой разброс падающих на мишень частиц, поскольку при следующих шагах вдвижения мишени в пучек угловой разброс определяется по формуле. ,,(АС. Рллакс I где i - число шагов и ( 1. Из выражения (5 следует, что для уменьшения углового разброса падающего на мишень пучка необходи уменьшить величину (afijjjp и соответственно увеличивать величину п. Оптимальное значение п п д„у для данного ускорителя выбирают из соображений обеспечения равномерности вывода и составляет примерно 10 часть полного времени сброса всего ускоренного пучка на мишень. Точное значение Дпя данного ускорителя можно, например, опредеe Q. , где лить из условия HQJ, ( - целое число некратное п,,,. и определяющее число оборотов круга, необходимое для образования правильного вписанного п-уголъника uQ есть значение дробной части числа бетатронных колебаний из набора допустикЕлх для данного ускорителя. При выбранном п для обеспечения рассмотренных выше процессов, дробная часть частоты бетатронных колебаний дО должна удовлетворять условию (2 ), т.е. &.0- 1г, целое число с, п , причем п рс},(р - целое) выбирается так, чтобы удовлетворялось и условие 0 4б 0,5. Таким образом, выбором величины лв и ступенчатого закона наведения пучка на мишень для любого синхротрона можно обеспечить такие условия, при которых угловой разброс падающих на мишень частиц будет, по крайней мере, на порядок меньше естественного углового разброса ускоренного пучна, обязанного динамике пучка в синхротронах высоких энерх-ий.

Предлагаемый способ получения вторичных пучков был апробирован на электронном синхротроне с жесткой фокусировкой на энергию б гэВ. Результаты эксперимента показали, что при изменении числа радиальных бетатронных колебаний с 5,25 на 5,22 и соответствующем изменении форг-и тока в обмотках, возмущения злектромагнита эффективная угловая расходимость пучка вторичного излучения с вольфрамовой внутренней мишени толщиной 0,14 рад длины уменьшилась примерно в 1,5 раза, а эффективность вывода увеличилась в 2,25 раза. При этом длительность ступеньки составляла 20 мксек, наклон одной ступеньки не превышал 3-10 А/мксек и длительность вывода составляла 2 , О мсек

Использование пред.поженно1-о способа на любом крупном циклическом ускорителе позволит по сравнению с прототипом существенно уменьшить угловую расходимость пучков вторичного излучения с внутренних мишеней что создает возможность проведения ряда экспериментов, в которых угол падения частиц на внутреннюю мишень является определяющим фактором, например экспериментов по каналированию (угловой разброс, обусловленный внутренним рассеиванием пучка в веществе самой мишени здесь не рассматривается h Уменьшение угловой расходимости медленно выводимых пучков вторичного излучения повышает эффективность канала, что позволет сократить использование для проведения эксперимента дорогостоящего пучкового времени.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВТОРИЧНЫХ ПУЧКОВ В ЦИКЛИЧЕСКИХ УСКОРИТЕЛЯХ ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ, заключающийся в сме щении первичного пучка в радиальном направлении и наведении его на внутреннюю мишень путем воздействия на него электромагнитным полем, отличающийся тем, что, . с целью уменьшения углового разброса падающих на мишень частиц первичного пучка, ток питания обмоток электромагнита, возбуждающего смещающее поле, изменяют по ступенчатому закону, изменяя при этом градиент магнитного поля так, чтобы для 0,5 выпсхлнялось условие, при котором лвп равно целому числу, не кратному п, где ла - дробная асть частоты радиальных бетатронных ко- лебаний} п - длительность ступенек в числах оборотов пучка, а амплитуду ступенек задают из условия рав- i номерности сброса частиц на мишень.