Способ вывода частиц из изохронного циклотрона Советский патент 1987 года по МПК H05H7/10 H05H7/12 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в изохронных циклотронах при ускорении йильноточных пучков частиц (протонов, ионов, электронов) на энергию, близкую к энергии покоя или кратную ей.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа путем обеспечения варьирования энергии выводимых частиц вследствие изменения нелинейного сдвига частоты свободных радиальных колебаний ускоряемых частиц.

На фиг. 1 дан кольцевой изохронный циклотрон; на фиг. 2 - поведение протонного пучка в кольцевом изохронном циклотроне с целыми оборотами (номерами обозначены целые обороты) на фиксированном азимуте 4 const на радиальной фазовой плос Jdr

TOO dy

хождения целого резонанса Qr 2 при ег 1,3-10 и eV(, 3 МэВ/об, О соответствует энергия 845 МэВ) ; на фиг. 3 - то же, при eV 2МэВ/об (О соответствует энергии 849 МэВ); на фиг. 4 - то же, при .«- 6,5- 10 и eV 2 МэВ/об. (;0 соответствует энергия 815 МэВ).

В изохронном циклотроне частота свободных радиальных колебаний Qi-;, выраженная в единицах частоты обращения частоты, естественным образом возрастает с увеличением кинетической энергии частицы W (радиуса г в процессе ускорения. В невозмущен- ном магнитном поле частота Qr и энегия частицы связаны соотношением:

Q К1 + и/Е„

кости

(г,

в процессе прогде

W

- Е

еН

Но - магнитное поле лотрона (г 0),

При W еКд (е 1, частота 2,3, 4,. , нимает целые значения.

В магнитном поле с цространствен- ной вариацией изменение частоты Q Го

12578612

в процессе ускорения определяется выражением:

Qr

где

N b

относительная амплитуда основной (N-й) гармоники поля;

-число спиралей;

-параметр спирали Архимеда. Вследствие введения низшей гармоники вертикальной компоненты магнитного поля индекса S Q, созданной токовыми гармоническими катушками, возникают вынужденные радиальные колебания (искажается замкнутая орбита) и возрастает радиальное разделение между двумя последовательными, оборотами пучка (при сохранении эмитанса пучка) в зоне целого резонанса до его наступления.

Радиальное разделение между соседними орбитами

. - 1 1Я -- &г - 1,18-g-

где 3 - относительная амплитуда низшей гармоники магнитного поля, .

Нелинейный сдвиг частоты свобод- ньк радиальных колебаний в изохронном циклотроне с пространственной вариацией магнитного поля

&Q 0,0625

га

40

причем амплитуда вынужденных радиальных колебаний частицы

1,18

Jif-e.

W

11Я

eV

45

Число оборотов в

w

зоне резонанса

50

eV

поэтому частота свободных радиальных колебаний в возмущенном магнитном поле изохронного циклотрона

Q. 1 W/E + uQ

55

Qr |(1-п) t -2-1 -j .

Чем больше гармоника поля Е и меньше набор энергии за оборот е.

10

15

25

ем больше нелинейньп сдвиг частоты Q.jH тем меньше энергия частицы (меньше радиус), при которой частота (. достигает целого значения.

Вывод частиц с варьируемой энергией из изохронного циклотрона по анному способу реализуется следуюим образом.

При заданной амплитуде свободных адиальных колебаний пучка определят минимальное значение амплитуды гармоники поля , которое приводит к необходимости радиального разделения между соседними оборотами частицы в зоне вывода (в зоне целого резонанса) . Используя максимальную веичину набора энергии за оборот, определяют амплитуду вынужденных радиальных колебаний частицы. Затем опеделяют энергию частицы при Q рав-20 ном целому значению, нелинейньш сцвиг частоты лр V. и энергию частицы при QP, равному целому значению. Вычитая

из найденной энергии число полуоборотов, умноженное на набор энергии за оборот, определяют выводимую энергию частицы. Затем определяют радиус равновесной орбиты. Зная амплитуду свободных радиальных колебаний пучка и радиальное разделение между соседними оборотами в возмущенном магнитном поле, определяют радиус установки входа в электростатический дефлектор. Задавая необходимый угол отклонения пучка, определяют азимутальное положение дефлектора и величину напряжения на дефлекторе. Это позволяет вывести частицы из вакуумной камеры циклотрона с максимальной энергией.

Для вывода частиц с меньшей энергией увеличивают амплитуду гармоники поля S и уменьшают набор энергии за оборот, что приводит к увеличению амплитуды вынужденных радиальных колебаний частицы и, следовательно, к увеличению нелинейного сдвига частоты. Частота Q достигает целого значения при меньшей энергии частицы (на меньшем радиусе). Вычитая из найденной энергии число полуоборотов, умноженное на набор энергии за оборот, определяют выводимую энергию частицы. Затем определяют радиус равновесной орбиты. Зная амплитуду свободных радиальных колебаний пучка и радиальное разделение между соседними оборотами в возмущенном магнитном поле, определяют радиус установки

35

30

40

45

50

55

0

5

5

0

входа в электростатический деф.п4 ктчр. Задавая необходимый угол отклонения пучка, определяют азимутальное положение электростатического дефлектора и величину напряжения на дефлекторе. Это позволяет вывести из вакуумной камеры циклотрона частицы с меньшей энергией.

В качестве примера можно дать оценки по приведенным формулам при параметрах протонного кольцевого изохронного циклотрона; напряженность магнитного поля в центре Н 2 кЭ, число спиральных секторов N 20, относительная амплитуда основной гармоники магнитного поля 1, параметр спирали Архимеда b 36 см, частота свободных аксиальных колебаний Q,, Ijlj частота свободных радиальных колебаний 1 ,09 , энергия инжекции 80 МэВ, радиус бесконечной энергии г 1563, 72 см. В невоз- м-ущенном магнитном поле циклотрона резонансу Q 2 соответствует энергия 929 МэВ и радиус 1351 см. Радиальный шаг орбиты в зоне вывода при ,. 1,2-10 равен 3,2 мм. Амплитуда вынуждеиньгх радиальных колебаний при eV 3 МэВ/об равна 5,7 см. Радиальный шаг орбиты за счет набора энергии за оборот равен 0,9 см. Нелинейный сдвиг частоты &Q 0.0295. Резонансу Q 2 в возмущенном поле соответствует энергия 897 МэВ. Выве- 5 денная энергия 871 МэВ, а соответствующий радиус орбиты 1337 см. При уменьшении набора энергии за оборот до 2 МэВ энергия выведенных протонов 846 МэВ и соответствующий радиус орбиты 1335 см. При увеличении гармоники поля руменьшаются энергия выведенных протонов и соответствующий радиус орбиты.

0

0

Эти оценки были проверены численным моделированием по полным уравнением движения. Энергия 845 МэВ (фиг,2) соответствует исходная амплитуда свободных радиальных колебаний пучка 5 мм. В невозмущенном магнитном поле пучки перекрываются по радиусу (радиальный шаг орбиты при eV ЗМэВ/об. равен 0,9 мм). Введение второй гармоники магнитного поля e,j 1,3-10 (Н 0,5 э) приводит к тому, что целый резонанс Q 2 достигается на четырнадцатом обороте (энергия 887 МэВ вместо 929 МэВ в невозмущенном магнитном поле). Радиальное разделение меж

5-1

ду девятым и десятым оборотами пучка равно 1,6 см, что позволяет установить электростатический дефлектор и вывести 100% пучка с энергией 875 МэВ Передняя пластина дефлектора устанавливается на радиусе N1337,5 см. Отклонение пучка из вакуумной камеры циклотрона осуществляется выбором азимутального положения дефлектора и соответствующего напряжения на нем

Энергии протонов 849 МэВ (фиг.З) соответствует исходная амплитуда свободных радиальных колебаний пучка 5 мм. В невозмущенном магнитном поле набору энергии за оборот 2 МэВ соответствует радиальный шаг орбиты 6 мм. При введении второй гармоники магнитного поля 2,г 1,3-10 резонанс Q 2 достигается на 15-ом обороте (энергия 879 МэВ). Радиальное разделение между девятым и десятым оборотами пучка равно 1;4 см, что позволяет установить электростатический дефлектор и вывести 100% пучка с энергией 869 МэВ. Передняя пластина электростатиче.ского дефлектора устанавливается на радиусе 1 336 ,5 см. Отклонение пучка из вакуумной камеры циклотрона осуществляется выбором азимутального положения дефлектора и соответствующего напряжения на нем (с уменьшением выводимой энергии протона напряжение на дефлекторе уменьшается).

Энергии протонов 815 МэВ (фиг.4) соответствует исходная амплитуда свободных радиальных колебаний пучка 2,6 мм. В невозмущенном магнитном поле при eV 2 МэВ/об радиальный шаг орбиты равен 6 мм. При введении второй гармоники магнитного поля 50 6,5-10

(Н 2 э) резонанс Q 2 достигается при меньшей энергии протона, чем в невозмущенном магнитном поле. Радиальное разделение между тринадцатым и четьфнадцатым оборотами пучка равно 2,5 см, что позволяет установить электростатический дефлектор и вывести 100% пучка с энергией 843 МэВ. Передняя . пластина электростатического дефлектора устанавливается на радиусе .4 см. Отклонение пучка из ва

Вывод частиц из циклотрона пред варительно настраивают для частиц максимальной энергией, что обеспеч вается минимальным током в гармони ческих катушках 5, максимальным на пряжением на ускоряющих резонатора 2, установкой начала электростатич кого дефлектора 6 на радиусе и ази муте, соответствующих максимальной энергии частиц с напряжением на не для отклонения пучка из вакуумной меры 3. Переход к выводу частиц с меньшей энергией осуществляется ув личением тока в гармонических ка тушках 5, уменьшением напряжения н ускоряющих резонаторах 2, перемеще нием на внутренние радиусы электро статического дефлектора 6 с устано

куумной камеры циклотрона осуществляется выбором азимутального положения 55 ° начала дефлектора на радиусе и дефлектора и соответствующего напря- .азимуте, соответствующих меньшей

жения на нем (с уменьшением выводимой энергии протона напряжения на дефлекторе уменьшается).

O

5

0

5

0

5

0

5

0

Кольцевой изохронный циклотрон состоит из магнитных секторов 1 с основными обмотками возбуждения, ускоряющих резонаторов 2, вакуумной камеры 3, электростатического инфлек- тора 4. гармонических катушек 5 и электростатического дефлектора 6.

В кольцевом изохронном циклотроне при помощи магнитных секторов 1 с основными обмотками возбуждения Фос- миоуют магнитное поле с поостсанствен- ной вариацией, обеспечивающее поодоль- ную и поперечную фокусировку частиц от начальной до конечной энергии. Ускорение частиц осуществляется при помощи ускоряющих резонаторов 2, расположенных в воздушных промежутках между магнитными секторами 1. Движение частиц происходит в вакуумной камере 3 по раскручивающейся спирали. Частицы с начальной энергией инжектируются в вакуумную камеру 3, при помощи электростатического инфпектора 4. В области конечных радиусов необходимое радиальное разделение между соседними оборотами пучка создается посредством гармонических катушек 5, установленных в вертикальных воздушных зазорах между маг-нитными секторами 1. Вывод пучка из вакуумной камеры 3 осуществляется с помощью электростатического дефлектора 6.

Реализация предложенного способа вывода частиц с варьируемой энергией из изохронного циклотрона осуществляется следующим образом.

Вывод частиц из циклотрона предварительно настраивают для частиц с максимальной энергией, что обеспечивается минимальным током в гармонических катушках 5, максимальным напряжением на ускоряющих резонаторах 2, установкой начала электростатического дефлектора 6 на радиусе и азимуте, соответствующих максимальной энергии частиц с напряжением на нем для отклонения пучка из вакуумной камеры 3. Переход к выводу частиц с меньшей энергией осуществляется увеличением тока в гармонических катушках 5, уменьшением напряжения на ускоряющих резонаторах 2, перемещением на внутренние радиусы электростатического дефлектора 6 с установ5 ° начала дефлектора на радиусе и .азимуте, соответствующих меньшей

энергии частиц с соответствующим напряжением на нем для отклонения пучка из вакуумной камеры 3.

Таким образом,предлагаемый способ предназначен для вывода любых частиц из изохронного циклотрона с возможностью варьирования энергии выведен

ных частиц без перестройки ведущего магнитного поля с пространственной вариацией и может быть реализован в изохронных циклотронах как сплош-, ного , так и кольцевого ти

Ч

ntJ4tftt

(fJuef

cr

fff

cr

//

%-5й74

П260

1УУ20 ГЗЗвй /J4M Г, Af

Фиг 2