Способ инжекции пучка в накопительное кольцо

 

Использование: относится к ускорительной технике. Цель изобретения - увеличение интенсивности пучка накопленных частиц. Сущность изобретения: на участке кольца возбуждают высокочастотное электромагнитное поле типа E₂₁₀, синхронизированное с частотой обращения частиц, и инжектируемые частицы с импульсом, отличающимся от центрального, направляют в область максимума продольной электрической составляющей электромагнитного поля. 1 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к проблеме инжекции ионов в синхротрон или накопительное кольцо.

Обычный способ инжекции пучка частиц на замкнутую орбиту синхротрона осуществляется с помощью быстроцикличных магнитов либо импульсных дефлекторов. Длительность импульса магнитного поля (напряжения) должна составлять порядка микросекунд с фронтами 10-20 нс. С целью увеличения числа накопленных оборотов пучка производят заполнение бетатронного фазового пространства ускорителя, манипулируя сдвигом центральной орбиты с помощью дипольных магнитов и частот бетатронных колебаний квадрупольными линзами, применяя, например, "спиральную" инжекцию частиц, либо используя резонансы связи аксиальных и радиальных колебаний. Таким образом, основным требованием к условию получения интенсивного пучка на центральной орбите накопительного кольца является наличие яркого источника - инжектора ионов, например, линейного ускорителя, позволяющего в течение нескольких оборотов накопить интенсивный пучок частиц. При использовании в качестве инжектора ионов циклотрона, имеющего высокую среднюю интенсивность пучка (до 10¹⁴ г/с), эффективность захвата (обычная однооборотная инжекция) составляет величину 10^-6, т. е. недостаток в том, что возникает проблема получения интенсивного пучка в кольце.

Целью изобретения является увеличение интенсивности пуска накопленных частиц.

Цель достигается тем, что в известном способе инжекции, основанном на воздействии электростатического поля дефлектора на частицы, на участке кольца возбуждают высокочастотное электромагнитное поле типа E₂₁₀, синхронизованное с частотой обращения частиц, и инжектируемые частицы с импульсом, отличающимися на ΔP от центрального, направляют в область максимума продольной электрической составляющей электромагнитного поля.

Способ поясняется чертежом.

Сущность способа состоит в следующем.

Частицы инжектируют в накопитель - синхротрон в медианной плоскости, при этом используется высокочастотный (в. ч. ) резонатор, электромагнитное поле которого имеет продольную составляющую электрического поля E_z с синусоидальным распределением по радиусу, где нуль напряжения приходится на центральную замкнутую орбиту накопителя, а максимум напряжения - приблизительно на половину радиальной апертуры (дорожки) накопителя. Этому может служить прямоугольный резонатор с размерами a x b x d, в котором возбуждаются колебания электромагнитного поля типа E₂₁₀. Составляющие поле в средней плоскости резонатора записываются в виде: E_z= -E_zoSinK_xX*cosK_yY*cos(ωt+ϕ), B_x= E_zoSinK_xX*SinK_yY*sin (ωt+φ), B_y= E_zocosK_xX*cosK_yY*cos (ωt+φ), где E_zo - амплитудное значение продольной составляющей электрического поля; K_x, K_y, K - волновые векторы; K_x = 2 π /a, K_y = 2π /b, K₂ = K_x²+ K_y² (изложенным выше требованиям удовлетворяет и волна Е₁₁₀ в круглом волноводе).

Пучок заряженных частиц с помощью электростатического дефлектора либо перезарядной мишени вводится в накопительное кольцо на орбиту, соответствующую импульсу P_инж= Z(+a/4)= P_у+ΔP, где , - среднее магнитное поле и радиус центральной замкнутой орбиты кольца; Z_e- заряд иона. Проходя резонатор, установленный в месте максимального отклонения пучка по радиусу наружу (для определенного диапазона фаз в. ч. напряжения), импульс частицы уменьшается. С учетом времени пролета энергия, теряемая ионом в резонаторе, составит: δw= ZE Sin sin cos β = ϕ / c ; λ- длина волны резонатора (при a= βλ/2, t_o= 0, x= = - δW_макс= ZE_zoβλ/Π ). Приближенно радиус частицы уменьшится на ΔR= , W - энергия иона. Например, для ионов Xe⁺³⁰₁₃₂ , W = 50 МэВ/н, = 8 м, E_zo = 20 кВ/см, λ = 60 см значение Δ R составит 2 мм, что позволит значительной части пучка на последующем обороте миновать тонкий (0,2 мм) септум дефлектора или малопротяженную по радиуса (2 мм) перезарядную мишень, сдвигаясь в дальнейшем к центральной орбите накопителя.

Для примера на чертеже представлен период магнитной структуры накопителя (N = 6; ν₂ = 2,7; ν _z = 1,64) с характеристическими функциями матрицы твисса и радиальные сгибающие пучка частиц с ε_r = 5 x 5 мм мрад, ΔP/P = ± 0,5% , с импульсом частиц, соответствующим как центральной орбите P = P () = 3 Т. м, инжектируемым ионам - с P = P (+ 5 см) и промежуточным - P = P ( + 3 см).

Для эффективного накопления частиц работу в. ч. систем инжектора и накопителя требуется синхронизовать. Так, к примеру, для f резонатор = 500 МГц (Т = 2 нс), f_цикл = 20 МГц (Т = 50 нс) - τ сгустка ≠ 1 нс ( Δ ϕ = ±3^оС). Частота резонатора должна быть также кратна частоте обращения частиц в накопителе. Для уменьшения сдвига частоты обращения поля за оборот (или dω -> 0) необходимо исключить зависимость длины замкнутой орбиты от разброса импульсов, что точно выполняется при условии α = γ^-2 [5] , где γ - относительная энергия частиц; α - коэффициент расширения орбит, что сводится к формированию определенным образом магнитной структуры кольца. Представляется, что предлагаемый способ позволит осуществить многооборотную инжекцию пучка без применения импульсных магнитов и дефлекторов.

Формула изобретения

СПОСОБ ИНЖЕКЦИИ ПУЧКА В НАКОПИТЕЛЬНОЕ КОЛЬЦО, основанный на воздействии электростатического поля дефлектора на частицы, отличающийся тем, что, с целью увеличения интенсивности пучка накопленных частиц, на участке кольца, расположенном после дефлектора по ходу движения частиц, возбуждают с помощью резонатора прямоугольной формы высокочастотное электромагнитное поле типа Е₂₁₀ или с помощью резонатора круглой формы высокочастотное электромагнитное поле типа Е₁₁₀, синхронизированное с частотой обращения частиц, а инжектируемые частицы с импульсом, отличающимся на Δ P от равновесного, направляют в область максимума продольной электрической составляющей электромагнитного поля, где Δ P - максимальное отклонение импульса частиц от равновесного.

РИСУНКИ

Рисунок 1