Кольцевой электромагнит для ускорителя заряженных 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,

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (191 С111 (51) 4 H 05 Н 13/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<Риг.1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3607866/24-21 (22) 20.06.83 (46) 07.08.86. Бюл. N - 29 (72) А.И.Дзергач (53) 621.384.6 (088.8) (56) Брук Г. Циклические ускорители заряженных частиц. — М.: Атомиздат, 1970.

Коломенский А.A., Лебедев A,Н, Теория циклических ускорит ел ей.

М.: Физматгиз, 1962, с ° 289-298 ° (54)(5?) 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 @, удовлетворяющие условию где п>1 — показатель спада магнитного поля в блоке; — радиус кривизны орбиты внутри блока;

m — длина магнитного блока; .с — длина промежутка между: блоками .!!341

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 фоку- 10 сировка по радиусу х и вертикали переменным градиентом.

Недостатком ускорителя является сравнительно малое число накапливаемых частиц, что определяется измене- !5 нием частот бетатронных колебаний по радиусу и вертикали поля объемного заряда, В таком ускорителе частоты вертикальных (; и радиальных

Q „ бетатронных колебаний имеют близ- 20 кие значения:

Наиболее близким к изобретению техническим решением является кольцевой электромагнит заряженных частиц, в котором используются одинако- 25 вые поворотно-фокусирующие секции с межполюсным зазором, возрастаюпим по радиусу. Недостатком такого электромагнита является относительно малое число ускоряемых частиц, что обусловлено влиянием пространствен ного заряда ускоряемого пучка на частоту.бетатронных колебаний.

Вмете 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 увели- 40 чение числа ускоряемых частиц и уменьшение энергоемкости магнита ускорителя за счет уменьшения межполюсного зазора.

Цель достигается тем, что в коль- 45 цевом электромагните для ускорителя заряженных частиц, состоящем из оди.наковых поворотно-фокусирующих магнитных блоков с межполюсным зазором, возрастаюшим по радиусу, торцовые поверхности магнитных блоков повернуты вокруг бинормалей к орбите на ее входе и выходе из блока на одинаковые углы 8, удовлетворяющие условию

О 2 (CDs(ГЙ)- — ftl 5III(— ГП1(1 гр Р где п>! — показатель спада магнитного поля в блоке; — радиус кривизны орбиты внутри блс ка; ш — длина маг; итного блока;

1 — 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 полюсами 1 гипер" болического профиля (в плоскости zz) и .обмотки 2 возбуждения, симметричных относительно медианной плоскости z = О, Боковые поверхности 3 полюсов 1 ограничены цилиндрами, коаксиальными с осью накопителя. Торцо/ вые поверхности 4 полюсов 1 (см. фиг, 2) также цилиндрические, антиаимметрично 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 током в обмотках 2

I магнитное поле между полюсами имее градиент, одинаковый во всех блоках, что обеспечивает необходимый для накопления ленточного пучка 5 спад среднего поля по радиусу r и фокусировку по вертикали z и создает дефокусирующую силу по х. Краевые поля на антисимметричных торцовых поверх ностях 4 дают поочередную краевую фокусировку и дефокусировку по r u z.

В результате при определенном выборе градиента и угла 6 наклона торцов получается слабая фокусировка по х и сильная по z в широком пространстве между поверхностями 3, характеризуемая сильным различием частот бетатронных колебаний, например

6 /6„-60.Относительно малая величина межполюсного зазора приводит к тому, что в большей части зазора магнитное поле зависит только от двух координат (r, z), что облегчает расчет

11 34107

cos+ =

1- — - — sec 8, и=О

2 совр„=

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 м и 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 lOK от длины орбиты. )О

Предлагаемый электромагнит, может

-- r применяться в накопителях заряженных частиц с ленточными пучками, что дает увеличение накапливаемых токов в 10-20 раз. (5

Преимуществом ленточного (широкого по рад усу) пучка в накопителе заряженных частиц является возможность значительного (ориентировочно в 10-20 раз) снижения некогерентного 20 кулоновского сдвига частоты бетатронных колебаний без существенного роста мощности электропитания магнита, поскольку высота зазора между полюсами, определяющая в основном эту 25 мощность, не увеличивается при расширении полюсов. В то же время компенсация радиального электрического поля, присущая ленточному пучку, т.е. анизотропия его поля, позволяет 30 значительно (например, в 20-40 pas) расширить его.и, сохраняя прежнюю плотность, существенно увеличить число накапливаемых частиц.

Условия устойчивости бетатронных колебаний для предложенного ускорителя имеют вид (cosp (1, при этом соБ(— и-н)- — — д-nsitl(— мГЙ)() п1 (Р . m Фф&

2P g (-n 40 п< (Ь(— n-Ч) " n-7вЬ(l!n-()(-1 ), cps(4п)-- — &nein(— f )(1 ),n»0

1 3 rn 1628 р 2р Р и

Случай n(l соответствует слабофокусируюш м по х и z системам.

Поворот торцовых стенок магнитного блока на угол 8 дает возможность использовать показатель спада п>1, что улучшает вертикальную фокусировку. В частности, для n=2 и 8 = 55

cos P = 0,11 Ф =1,5

cos p 0 995 р„= 0 1

При этом относительный. перепад поля по радиусу в градиентных магнитах составляет (для (о = 6 м и радиальной апертуры а = 1 м) что приемлемо с точки зрения насыщения полюсов. Высота зазора составляет около 10 см в середине и 104 5 см у краев (вакуумной камеры). Увеличе,ние ширины пучка до а е 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 число ускоренных (или накопленных) частиц за счет формирования ленточного пучка, Уменьшение вертикального размера пучка позволит . ,снизить энергоемкость магнита ускорителя, а при заданных энергозатратах — увеличить магнитное поле, т.е ° энергию ускоряемых частиц.

11341О7

A-А

Редактор С.Титова Техред В. Кадар Корректор В-Бутяга

Заказ 4342/1 Тираж 765 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4