Способ вывода заряженных частиц из сильнофокусирующей кольцевой магнитной системы

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И) pt)4 Н 05 Н 7/00 щргсъръ, от i @

М

° ФФ М%ею1 4

4Р

9 z р у

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (46) 15.06 ° 88. Бюл. № 22 (21) 3698621/24-21 (22) 10.02.84 (72) Ю.П.Севергин, M.È.Ãðà÷åâ и И.А.Шукейло (53) 62 1.384.6(088.8) (56) Комар Е.Г. Основы ускорительной техники. M.: Атомиздат, 19?5, 3, 15.

Ливингуд Дж. Принципы работы циклических ускорителей„ М.: 1963, гл. 9, э 12, (54) (57) 1. СПОСОБ ВЫВОДА ЗАРЯЖЕННЫХ

ЧАСТИЦ ИЗ СИЛЬНОФОКУСИРУЮЩЕЙ КОЛЬЦЕВОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ, включающий наведение пучка на внутреннюю мишень и вывод частиц,.потерявших часть кинетической энергии в мишени на азимуте, находящемся на расстоянии половины периода радиальных бетатронных колебаний от мишени, о т. л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения эффективности вывода за счет. уменьшения углового рассеяния и сокращения потерь частиц, изменяют параметры ведущего магнитного поля кольцевой магнитной системы во время вывода до достижения дисперсионной функцией на азимуте размещения мишени значения а на азймуте размещения отклоняющего устройства значения

,- О, где а - полуширина пучка на ази2 муте отклоняющего устройства;

iFjP — относительное уменьшение о импульса при однократном прохождении частиц через мишень.

2, Способ по и. 1 о т л и ч а юшийся тем, что,,с целью уменьшЬния энергетического разброса в вы- . водимом пучке, за счет наведения на мишень частиц с фиксированной энергией, наводят пучок на мишень при изменении энергии частиц посредством воздействия на циркулирующий пучок вихревым электрическим полем на азимуте, свободном от электромагнитных полей.

3. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью уменьшения поперечного фазового объема выведенного пучка, пучок смещают на мишени вне средней плоскости магнитной кольцевой системы, а траектории частиц, имевших при взаимодействии с мишенью разные амплитуды колебаний, совмещают на выходе с помощью дипольных магнитов, в которых возбуждают магнитные поля горизонталь" ного и вертикального направлений, изменяющиеся в соответствии со скоростью наведения циркулирующего пучка на мишень.

4. Способ по пп. 1 — 3, о т л ич а ю шийся тем, что стабилизируют ток выведенного пучка путем изменения скорости наведения пучка на мишень в соответствии с изменением тока выведенного пучка на мишень.

5. Способ по пп. 1 — 4, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения влияния нестабильности тока питания поворотных магнитов на радиальный эмиттанс выводимого пучка, во время вывода пучка изменяют параметры ведущего магнитного по120733 пя до достижения угловой дисперсией

I на азимуте отклоняющего устройства значения =О.

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к способам вывода пучка из кольцевых магнитных систем ускорителей или накопителей заряженных частиц.

Цель изобретения повысить эффективность вывода частиц из сильнофокусирующей кольцевой магнитной системы путем уменьшения углового рассеяния и сокращения потерь частиц, 1 а также уменьшить энергетический разброс, уменьшить поперечный фазовый объем выведенного пучка, а также уменьшить влияние нестабильности тока питания поворотных магнитов на радиальный эмиттанс выводимого пучка.

Изобретение поясняется фигурами

2,3,4,5,6. На фиг, 1(а) показана форма радиального фазового объема на азимуте установки мишени. Пучок в этом месте в силу большой величины сильно сепарирован в плоскости поворота. Часть площади диаграммы представляет эмиттанс моноэнергетического пучка 1, эмиттанс пучка с имд макс

Р пульсом Р, (1 --р---) 2, эмиттапс дР „„,, пучка с импульсом Р (!- -- "-"- -) 3. о Ро

Предполагаем, что в кольцевой магнитной системе частицы имеют импульсный д1 макс разброс + ††††. Частицы сдвигаютсн

Р о по направлению к мишени 4, на которой происходит потеря части кинетической энергии. Направление смещения пучка на мишень обозначено стрелкой 5. Мишень отстоит от осевой траектории на расстояпии дг, Наведение пучка на мишень может быть выполнено с помощью слабых дипольных магнитов, установленных в софокусных точках относительно мишени, нри этом попе в основных магнитах постоянно.

На фиг. 1(б) показаны форма радиального фазового объема циркулирую- щего пучка на азимуте установки выводного отклоняющего устройства и форма фазового объема выводимого пучка в данном способе. Пунктирной .Пинией показано увеличение эмиттанса выводимого пучка из-за углового рассеяния частиц на мишени, Сл ешение оси выводимого пучка относительно циркулирующего равняется

Р где -- — относительное умень" о с пение импульса При однократном прохождении мишени.

На фиг. 1(в) показана для сравнения форма радиального фазового объе-!

5 ма на азимуте отклоняющего устройства в прототипе. Из фиг. 1(в) видно, что для того чтобы осуществить вывод частиц без потерь на отклоняющем устройстве, относительное уменьg(j шение импульса при однократном прохождении мишени должно быть больше, чем в предложенном способе.

Согласно данному способу, изменяют параметры ведущего магнитного

25 поля кольцевой магнитной системы так, что во время вывода дисперсионная функция g на азимуте размещения MH шени удовлетворяет неравенству

)дР

% Р с а на азимуте размещения отклоняющего выводного устройства

=- 0 (2)

Ы Неравенство (1) означает, что час. тицы, прошедшие мишень, через полпериода бетатронных колебаний отделяются радиально от остальной части циркулирующего пучка. Чем больше, 4О ОР тем меньше -- тем тоньше мишень

9 о и тем, следовательно, меньше ядерное взаимодействие и упругое рассеяние.

Таким образом, эффективность вывода может быть повышена за счет увеличения в месте установки мишени зна чения дисперсионной функции (, .

1207386

Сильнофокусируюшие кольцевые структуры предоставляют широкие возможности для аэимутальнай вариации дисперсианнай функции <>> путем возбуждения электрическим таком нескольких квадрупольных линз, размещенных в свободных промежутках кольцевой магнитпай системы. Сравнительно просто можно поднять величину !!> на азимуте мишени так, чта она будет сопоставима с не зависящей от азимута величиной функции !1> в слабофокусирующей структуре того же периметра.

Одним из возможных путей формирования магнитной кольцевой структуры с глубокой азимутальной вариацией цисперсной(1>-функции может быть вариант, когда в элемент периадичнос ности включена ахраматичная поворотная система.

Обращение в нуль дисперснай функции 1>> на азимуте отклоняющего магг нита означает, что замкнутые орбиты циркулирующих частиц, отличающихся импульсом, здесь радиально совмещаются, так что палуширина пучка о,, равная сумме амплитудных отклонений (Яс1 .радиально-синхронных a, и бета-(М1 тронных о колебаний, оказывается

2 (63 минимальной и равной а, = о . Таким образом, условие (2),минимизируя о,, позволяет дополнительно сократить толщину мишени, Монохроматизация пучка при медленном выводе.

При наведении пучка на мишень (фиг ° 1(а) с помощью слабых дипальных магнитов через мишень постепенно проходят частицы, имеющие разброс по Р „ ьр >1Р импульсам — ------ <-ф следовательно, после вывода разброс по импульсам сохраняется и даже немного увеличивается из-за энергетической дисперсии частиц при прохождении мишени. Введем теперь в кольцевую магнитную систему ускоряющую секцию с вихревым электрическим полем. Слабые магниты,.которые обеспечивали наведение пучка на мишень, отключены. В результате многократного прохождения ускоряющей секции частицы приобретают небольшую дополнительную энергию. Иэ-за сильной поперечной сепарации частиц на мишень попадают толька частицы, которые имеют практически фиксированную энергию, соответстнующий ей импульс раh t вен Р, (1+ †;), где dr — расстояние от мишени до осевой траектории кольцевой магнитной системы (фиг. 1(a))

Те частицы, которые имеют импульс

S (1+ --)„ выводятся так как они

V1

> проходят мишень и теряют часть кинетическаи энергии, а те, которые не

Ь1 достигли значения импульса Рд (1+ --), 1О продолжают движение в кольцевой магнитной системе н получают дополнительное приращение энергии при прохождении через ускоряющую секцию.

Из-за того, что монаэнергетический пучок (пучок> соатветстнуюший фиксированному значению импульса) имеет радиальный размер, обусловленный конечной яеличинай змиттанса пучка, 20 в выведенном пучке будет разброс по импульсам. Величина этого разброса па основанию распределения равняетr.ÿ,".

>р, 1,2 а, (-- )

Ф (Э)

25 и»>коp, где коэффициент 1,2 учитывает энергетическую дисперсию из-за прохождения частиц мишени, a — амплитуда радиальных колебаний маноэнергетического пучка на азимуте мишени.

Таким образом, введение дополнительно ускоряющей секции с вихревым, электрическим полем позволяет осуществить монохраматиза:1ию выводимого пучка, Предпалажь!М> что Выводят из кольцевой магнитной системы протоны с энергией Е, и максимальным энерге1! ма >а тическим разбросом в пучке

Ео

40 за N оборотов. Для этого необходимая амплитуда ускоряющего поля на нремя вывода определяется формулой

Ь Ец,„„

2 Е

1 -о

> (4)

45 е я где 3 — заряд электрона. устанавливая ускоряющую секцию с вихревым полем на азимуте, > где !! =0 и !!> =О, можно уменьшить

50 апертуру ускоряющей секции.

На фиг. 1(б) пунктирной линией показан радиальный эмиттанс выводимого пучка, когда мишень установлена в медианнай плоскости. На фиг. 2

S5 для этого же случая показан вертикальный эмиттанс вь!водимого пучка в точке, отстоящей от мишени на расстоянии, где набег фазы вертикальных

07386

5 12 бетятронных колебаний равен 180 .

Эмиттанс — прямоугольник со стороной 6, пропорциональной величине радиального заброса частиц на мишень, и протяженностью по угловой координате, равной угловой амплитуде вер-! тикальных колебаний „„, на азимуте мишени. Пунктирной линией на фиг. 2 показано увеличение эмиттанса из-эа углового рассеяния частиц на мишени.

Эта форма поперечного фазового объема выводимого пучка соответствует любому моменту времени вывода. Во время вывода изменяется только плотность распределения частиц внутри проекций четырехмерного объема на фаэовые плоскости ()()(и 22 )..

Установим теперь мишень в вертикальной плоскости, т.е. параллельно медианной плоскости магнитной кольцевой системы на некотором расстоянии от нее, Будем наводить на нее медленно пучок с помощью слабых дипольных магнитов, установленных в софокусных точках вертикального движения

1относительно мишени. Софокусные точки на вертикали и горизонтали могут не совпадать, На фиг. 3(а) показаны форма вертикального эмиттанса 1 пучка, наводимого по направлению »а мишень 3. На фиг. 3(б) и 3(в) показаны форма вертикального эмиттанса и мишень на фазовой плоскости для различных моментов времени вывода и Ф (1 2)°.

На фиг. 3 видно, что в любой момент времени через мишень проходят только те частицы, которые имеют линейную координату E u угловую координату, равную нулю, На фиг. 4 показаны вертикальный эмиттанс выведенного пучка, соответствующий определенному моменту времени прохождения частиц через мишень: моменту времени 1, -1, моменту времени 1, -2. Выведенный эмиттанс показан на том расстоянии от мишени, где набег фазы вертикальных бетатрон о ных колебаний равен 180

На фиг, 4 видно, что в каждый момент времени вывода выведенный пучок на фаэовой плоскости характеризуется точкой, Угловое рассеяние частиц на мишени превращает точку (мгновенный эмиттянс) в линию с протяженностью по угловой координате, равной угловому рассеянию частиц а в мишени. Временная корреляция мгновенных вертикальных эмиттянсов после вывода частиц из кольцевой системы может быть устранена и линии (мгновенные эмиттансы) сведены в одну с помощью слябых,ципольных магнитов, отклоняющих частицы в вертикальной плоскости. Предположим, что компенсация временной корреляции осуществляется за выводным магнитом, на том расстоянии от мишени, где набег фазы вертикальных бетатронных колебаний кратен Я . В этом случае компенсация осуществляется с помощью двух одинаковых дипольных магнитов, но разной полярности, установленных друг от друга на некотором расстоянии (система параллельного переноса)., Временная зависимость изменения поля подобна функции наведения пучка на мишень. Магниты запитываются от одного источника. На фиг. 5 показано совмещение осевых траекторий (точек а и б Фиг. 4) с помощью двух дипольных магнитов, Если компенсация временной корреляции осуществляется в точке, отстоящей на расстоянии от мишени, где набег фазы вертикальных бетатронных колебаний кратен н/2, то достаточно одного дипольного магнита. На фиг. 6 для этого случая показано совмещение осевых траекторий мгновенных эмиттансов для различных значений времени прохождения частиц через мишень, Так же кяк и для вертикального движения, частиць1, имеющие разные угловые амплитуды на мишени в горизонтальной плоскости, могут быть совмещены с помощью слабых дипольных магнитов, которые отклоняют частицы в горизонтальной плоскости и устанавливаются за выводным устройством.

Плотность тока выводимого пучка., Рассмотрим случай, когда мишень находится вне медианной плоскости, Плотность тока выводимого пучка зависит от скорости наведения пучка на мишень и характера распределения частиц от амплитуды вертикальных колебаний. Здесь нестабильность тока питания HOHGpOTHblX MBI HHTGB (a именно она препятствует получению равномерной плотности выведенного пучка в аналоге и прототипе) приводит к сканированию пучка по раФ диусу вдоль мишени и не сказывается,. на плотности тока выводимого пучка.

1207386

Если пучок наводится на мишень в радиальной плоскости, то плотность выводимого пучка зависит от скорости наведения пучка, характера распределения частиц н фазовом объеме радиального движения и нестабильности тока питания основных поворотных магнитов кольцевой системы. Не6? стабильность тока -- системы питаI ния поворотных магнитов приводит к смещению пучка как целого, в направлении мишени на величину 6М а1

Этот эффект устраняется о с помощью системы обратной связи, управляющей скоростью наведения частиц на мишень по сигналу с датчика .тока выведенного пучка. Изменение уровня поля изменяет скорость наведения пучка на мишень, а это. н свою очередь, отражается на плотности частиц в выводимом пучке. По сигналу с датчика тока скорость наведения пучка на мишень увеличивается, если величина тока падает, и уменьшается, если величина выводимого тока растет.

В известном способе нестабильность поля в основных магнитах приводит. к смещению пучка в радиальной плоскости на азимуте установки мишени на

61 величину dX, =«««, -- и на азимуте устао нонки отклоняющего устройства на ве61 личину 6«(=««, --, Следовательно, вне. дение обратной связи для управления скоростью наведения пучка на мишень недостаточно, необходима еще система, которая бы обеспечивала сохранение радиального положения осевой траектории на азимуте выводного устройства.

Таким образом, в предлагаемом способе независимо от того, как осуществляется наведение пучка на мишень, управление скоростью наведения пучка на мишень по эффекту позволяет получить близкую к равномерной плотность выводимого пучка.

Уменьшение влияния нестабильности тока питания поворотных магнитов на радиальный эмиттанс выведенного пучка.

Согласно данному способу, если устранить влияние нестабильности тока питания поворотных магнитов на движение циркулирующего пучка на ази

f0 !

20 муте отклоняющего устройства, то уне личения радиального эмиттаяса пучка. не будет.

Дейстнительно, нестабильность то»

dI ка †; приводит к тому, что выводимые

i частицы име(от дополнительный угол

d1(4) отклонения, равный Ь«« ()=««(, †— --, ( О где « †. угловая дисперсия на азимуте вывода частиц. Линейного же смещения нет, так как «« =О. Выбором параметров ведущего магнитного поля можно добиться, чтобы ««« =О. В зтом ( случае нестабильность тока питания поворотных магнитов не приводит к эффективному увеличению радиального эмиттанса выводимого пучка.

В качестве конкретного примера реализации рассмотрим накопитель протонного пучка мезонной фабрики

ИЯИ АН СССР. В накопителе предполагается накопить протонный пучок с высокой интенсивностью

l3

25 (3 10 частиц) за время 100 мкс и осуществить медленный вынод за время T =6 -10 с на квадратичном резо- нансе третьего порядка Ч«(=2 1/3.

Эффективность вывода при толщине

30 септум-магнита 1 мм составляет SOX

Применение предлагаемого способа к указанному накопител«о позволяет осуществить вывод пучка с эффективностью 99,8Х при равномерной плот35 ности тока . Для этого на азимуте установки мишени дисперсионная функция выбирается равной Р, =12,50 м.

В точке установки септуммагнита дисперсионные линейная и угловая функции

40 зануляются ««, =0 и g =О. Огибающая пучка по горизонтали на азимуте выводного устройства а равна 1,5 см; мишень изготавливается из углерода толщиной 3 мм. Импульсные потери

6Р

-- при прохождении мишени протонов

Р с энергией 600 Г1эВ составляет

6Р -З вЂ” 2.10 . Потери частиц.на ядер«Р ное взаимодействие менее 0,2Х.

50 Среднеквадратичное угловое расчеяние частиц составляет 2,4

10-3 рад. Расстояние между циркулирущим и выводимым пучками с учетом энергетической дисперсии пучка

55 в мишени составляет 9 мм. При той же толщине (1 мм) "ножа" септум-маг. нит обеспечивает вывод пучка, потерявшего часть кинетической энергии

9 на мишени, иэ кольцевой магнитной структуры беэ потерь.

Теперь рассмотрим монохроматиэацию пучка при выводе. Огибающая пучка по аэимуту мишени равняется 0,6 см. Импульсный раэброс частиц в выведенном пучке равняется

1207386 10 ь 0-+ (--) =5,8 ° 10 . Вычислим необходимую для этого амплитуду ускоряющего поля. Вывод частиц осуществ ляется. эй N=20000 оборотов. В пуч5 ц„, э ке — — --- 5 10 . Амплитуда

Е, ускоряющего напряжения равняется -300 В, 1207 38б

1

Фиг. Я

120738б

Составитель Ю. Терешкин

Редактор В.Зивтынь Техред A.Êðàâ÷óê Корректор C.111eKN P

Заказ 3395 Тираж 832 Подлисное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4