Кольцевой электромагнит для ускорителя заряженных частиц Советский патент 1986 года по МПК H05H13/00 

1

Изобретение относится к устройствам для ускорения или накопления заряженных частиц (электронов, ионов

Известен кольцевой электромагнит для ускорителя заряженных частиц с кольцевым электромагнитом, состоящий из ряда N одинаковых магнитных периодов , в каждом из которых осуществляются поворот частиц вокруг вертикальной оси Z ускорителя и сильная фокусировка по радиусу г и вертикали переменным градиентом.

Недостатком ускорителя является сравнительно малое число накапливаемых частиц, что определяется изменением частот бетатронных колебаний по радиусу и вертикали поля объемного заряда, В таком ускорителе частоты вертикальных Q и радиальных Q бетатронных колебаний имеют близкие значения: Q - Qg

Наиболее близким к изобретению техническим рещением является кольцевой электромагнит заряженных частиц, в котором используются одинаковые поворотн.о-фокусирующие секции с межполюсным зазором, возрастающим по радиусу. Недостатком такого электромагнита является относительно малое число ускоряемых частиц, что обусловлено влиянием пространствен ного заряда ускоряемого пучка на частоту.бетатронных колебаний. Вместе с тем ввиду примерного равенства частот вертикальных и радиальных бетатронных колебаний велик межполюсной зазор магнита, что приводит к большим энергозатратам на получение рабочего магнитного поля.

Целью изобретения является увеличение числа ускоряемых частиц и уменьшение энергоемкости магнита ускорителя за счет уменьщения межполюсного зазора.

Цель достигается тем, что в кольцевом электромагните для ускорителя заряженных частиц, состоящем из оди.наковых поворотно-фокусирующих магнитных блоков с межполюсным зазором возрастающим по радиусу, торцовые поверхности магнитных блоков повернуты вокруг бинормалей к орбите на ее входе и выходе из блока на одинаковые углы б , удовлетворяющие условию

(1г:)(-)|м

34107

.

|cos()

где - показатель спада магнитного поля в блоке; f - радиус кривизны орбиты

внутри блСКа;

m - длина магнитного блока; f - длина промежутка между блоками.

На фиг.1 схематично изображен один из N одинаковых магнитных блоков ускорителя в разрезе; на фиг. разрез А-А на фиг.1.

Электромагнит состоит из железного магнитопровода с цолюсами 1 гиперболического профиля (в плоскости iz) и .обмотки 2 возбуждения, симметричных относительно медианной плоскости z О, Боковые поверхности 3 полюсов I ограничены цилиндрами, коаксиальными с осью накопителя. Торцовые поверхности 4 полюсов 1 (см. фиг,2) также цилиндрические, антисимметрично наклонены к плоскостям, нормальным к равновесной орбите с продольной осью S в точках ее входа и выхода из магнитных блоков, так что проекция полюсов в медианной плоскости z О имеет вид криволинейного параллелограмма. Описанные блоки равномерно расставлены по кольцу накопителя.

Кольцевой электромагнит работает следующим образом.

Создаваемое ток.ом в обмотках 2 магнитное поле между полюсами 1 имее градиент, одинаковый во всех блоках, что обеспечивает необходимьй для накопления ленточного пучка 5 спад среднего поля по радиусу г и фокусировку по вертикали z и создает дефокусирующую силу по г. Краевые поля на антисимметричных торцовых поверхностях 4 дают поочередную краевую фокусировку и дефокусировку по гиг В результате при определенном выборе градиента и угла 0 наклона торцов получается слабая фокусировка по г и сил-ьная по z в щироком пространстве между поверхностями 3, характеризуемая сильнь1м различием частот бетатронных колебаний, например 9,., .Относительно малая келичина межполюсного зазора приводит к тому, что в большей части зазора магнитное поле зависит только от двух координат ( 1 .z) , что облегчает расчет 3 и конструирование блоков по сравнению с известным кольцевым электромагнитом. Например, при длине блоков по S, т.е , вдоль орбит, около 2 м, ширине пучка по т около 1 ми толщине пучка по Z около 0,04 м зазор между полюсами составляет 0,1-0,2 м так что длина торцовых трехмерных полей составляет менее 10% от длины орбиты. Предпагаемый электромагнит .может применяться в накопителях заряженных частиц с ленточными пучками, что дает увеличение накапливаемых токов в 10-20 раз. Преимуществом ленточного (широкого по радиусу) пучка в накопителе заряженных частиц является возможность значительного (ориентировочно в раз) снижения некогерентного кулоновского сдвига частоты бетатрон ных колебаний без существенного роста мощности электропитания магнита, поскольку высота зазора между полю- сами, определяющая в основном эту мощность, не увеличивается при расщирешш полюсов. В то же время компенсация радиального электрического поля, присущая ленточному пучку, т.е, анизотропия его поля, позволяет значительно (например, в 20-40 раз) расщирить его-и, сохраняя прежнюю плотность, существенно увеличить число накапливаемых частиц. Условия устойчивости бетатронных колебаний для предложенного ускорителя имеют вид I cos ju, i l , при этом со.()( ffv i л мэт м т ц t1, 07 .rf«)-ilffi.i,(fi)(,.tM),.,o Случай соответствует слабофокусирующим по X и z системам. Поворот торцовых стенок магнитного блока на угол в дает возможность использовать показатель спада , что улучщает вертикальную фокусировку. В частности, для и 9 55° cos 0,11Л/г 1 5 cos ji/, 0,995ju, 0,j При этом относительный.перепад поли по радиусу в градиентных магнитах . составляет (для 6 м и радиальной апертуры а 1 м) что приемлемо с точки зрения насыщения полюсов. Высота, зазора состав- ляет около 10 см в середине и 10-5 см у краев (вакуумной камеры).Увеличе ние ширины пучка до а ч; 1 м позволяет увеличить число накапливаемых частиц в 10-20 раз по сравнению с накопи- телем с квадрупольной фокусировкой Таким образом, предложенный ускоритель заряженных частиц позволит увеличить Ш1СЛО ускоренных (или накопленных) частиц за счет формирования ленточного пучка. Уменьшение вертикального размера пучка позволит о снизить энергоемкость магнита ускорителя, а при заданных энергозатратах - увеличить магнитное поле, т.е. энергию ускоряемых частиц.

КОЛЬЦЕВОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТ ДЛЯ УСКОРИТЕЛЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий одинаковые поворотно-фокусирующие магнитные блоки с межполюсным зазором, возрастающим по радиусу, отличающийся тем, что, с целью увеличения числа ускоряемых частиц и уменьшения энергоемкости магнита ускорителя за счет уменьшения межполюсного зазора, торцовые поверхности магнитных блоков повернуты вокруг бинормалей к орбите на ее входе и выходе из блока на одинаковые углы в J удовлетворяющие условию ТГ7 )(A-ti) I J32ff1 icos(v;r)-i-4;rs,-n(Tn7)(i. , I f ipV D к n где - показатель спада магнитного поля в блоке; i f - радиус кривизны орбиты внутри блока; (Л го - длина магнитного блока; 8. - длина промежутка между; блоками,