Способ ускорения заряженных частиц и устройство на его основе

 

Изобретение относится к ускорительной технике. Способ управления пучком заряженных частиц заключается в управлении процессами ускорения заряженных частиц по сторонам многоугольника, в каждой стороне которого устанавливают отклоняющий диполь с продольным магнитным полем и уплотняющие устройства с ускоряющими электродами. Технический результат - ускоритель позволяет получать сверхвысокие энергии заряженных частиц, превышающие уровень выше 1000 ТэВ при небольших размерах ускорителя и скромном потреблении энергии от промышленной сети. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к мощным протонным ускорителям.

По ускорителям заряженных частиц имеется обширная литература, представленная в Трудах Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц и, в частности, в [1 - 9]. Из указанной литературы видно, что наиболее высокие результаты достигнуты в циклических ускорителях. "Впервые протонный ускоритель с кольцевым магнитом, в котором меняется и магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля, был предложен в 1943 г. профессором Бирмингамского университета М. Олифантом" [8]. Существуют всего только две линии развития ПРОТОННОГО СИНХРОТРОНА (ПС), основанные на увеличении - геометрических размеров кольцевого электромагнита ПС, - индукции магнитного поля.

Развитие ПС за относительно короткое время произошло по первой линии. В ускорительной технике неизменна тенденция к росту энергии заряженных частиц, а ее практическая реализация шла за счет увеличения радиуса кольцевого электромагнита ПС. Вторая линия развития ПС в настоящее время застопорена сверхпроводимостью, а это означает, что дальнейшее развитие ПС по второй линии возможно при освоении техники сильных импульсных магнитных полей [11] в структуре автономно-секционированной системы электропитания кольцевого электромагнита (АССЭКЭУ) [10].

Теория протонного синхротрона должна опираться на достижения теории автоматических систем в направлениях мощной электротехники, радиотехники и автоматики, основанных на теории идеальных систем, т.е. на основе теории с эффектами бесконечного усиления. Развитие ПС произошло с принципиальными отклонениями от принципов построения эффективных автоматических систем. Известные характерные особенности ПС имеют весьма обременительный и негативный характер, и в итоге ПС, как лидер ускорительной техники по величине достигаемой энергии заряженных частиц, превратился в одиозный объект по геометрическим размерам и громадным потреблениям энергии от промышленной сети. Например, крушение проекта УНК было заложено и предопределено задолго до смутного времени, когда закладывался фундамент проекта УНК на основе устаревших концепций, заимствованных на Западе.

Вероятно, в 2008 г. войдет в строй сверхпроводящий протонный коллайдер LНC, который будет расположен в тоннеле LEP с энергией 8-9 ТэВ; для получения магнитных полей порядка 10 Т намечено применить сверхпроводящие дипольные магниты с охлаждением до 1,8K. Максимальная энергия ускорителя особенно важна для поисков новых частиц. К ускорителям будущего предъявляются следующие требования [4]: W ≥ 10 ТэВ; pp или коллайдеры: L ≥ 10³² см^-2с^-1; коллайдеры: W ≥ ТэB L ≥ 10³² см^-2с^-1; W - кинетическая энергия; L - светимость, ". . . пока не ясно, можно ли вообще создать - коллайдер на очень высокие энергии" [3].

"Уже виден предел возможностей современной технологии создания ускорителей" [4], который неумолимо ограничивается синхротронным излучением заряженных частиц и разумными размерами кольцевого магнита ускорителя.

Рассмотрим как прототип АС N 1499729, содержащий поворотные магниты (диполи) кольцевой структуры, разделенные прямолинейными промежутками для размещения ускоряющей системы, корректирующих магнитных линз и иное вспомогательное оборудование. По своей конструкции указанное АС является синхрофазотроном с жесткой фокусировкой.

Недостатки прототипа: 1. Задача увеличения энергии - главная в ускорительной технике - практически решается за счет увеличения геометрических размеров ускорителя.

2. С ростом периметра кольцевой структуры ускорителя возрастают:
- инерционность ускорителя,
- пассивное потребление энергии от промышленной сети,
- трудности управления выходными координатами главных технических систем ускорителя.

3. Прямолинейные промежутки уменьшают эффективный радиус орбиты.

4. Жесткая фокусировка увеличивает перечень недостатков ускорителя, она является результатом недостаточного владения процессами управления в ускорителе.

5. Синхротронное излучение ограничивает предельные возможности ускорителя по величине достигаемой энергии.

6. Востребована многокаскадная схема ускорительного процесса.

7. Большие эксплуатационные расходы.

Структура прототипа построена на принципе рассеяния энергии в пространстве, что обусловливает все его недостатки.

В заявленном изобретении решается задача создания в компактном объеме ускорителя заряженных частиц с энергией:
E > ...10¹⁵ ...10²⁰ ... эВ.

Указанный результат достигается тем, что транспортировку и ускорение заряженных частиц производят по сторонам многоугольника, в каждой из сторон которого устанавливают диполь, уплотняющее устройство и ускоряющее устройство, включающее дополнительное уплотняющее устройство с системой ускоряющего напряжения, при этом диполи и уплотняющие устройства выполнены с продольным магнитным полем. Указанные диполи и уплотняющие устройства подключены к источникам тока на основе эффектов бесконечного усиления.

В предложенной схеме ускорителя замкнутый контур представляет собой многоугольник, в каждой из сторон которого установлены диполь, уплотняющее устройство и ускоряющее устройство, включающее дополнительное уплотняющее устройство с симметрично размещенными ускоряющими электродами, при этом диполи и уплотняющие устройства выполнены с продольным магнитным полем.

Указанные ускоряющие электроды подключены к блокам высокого напряжения на основе эффектов бесконечного усиления.

Отклоняющий диполь изменяет направление орбиты на угол α градусов между вектором скорости заряженной частицы и направлением магнитной индукции B диполя, при этом заряженная частица движется в отклоняющем диполе по винтовой линии с радиусом r и шагом винта h.

m₀ - масса покоя заряженной частицы;
c = 3 • 10⁸ м/с;
e - заряд частицы;
Z - кратность заряда;
B - индукция магнитного поля, Тл.

Для протонов D = 3,13

E,E₀ - полная энергия и энергия покоя частицы.

Отклоняющий диполь изменяет направление орбиты на угол α в каждой стороне многоугольника. Формулы (1), (3) выражают оценку процесса движения заряженных частиц по винтовой линии. Из представленных формул видно, что радиус витка r вращающейся частицы в процессе ускорения изменяется от нуля до значения, асимптотически приближающегося при E ____→ ∞ к конечной величине. Ограниченный размер радиуса витка выражает и обеспечивает устойчивость процесса неограниченного увеличения энергии коллективом заряженных частиц, и это свойство предлагаемого способа принципиально отличает конкретную схему ускорителя от всех известных схем ускорителей.

При движении заряженных частиц по центральной орбите их энергия увеличивается на величину напряжения ускоряющего устройства в каждой стороне многоугольника прямо пропорционально времени развития ускорительного процесса

U₁ - величина ускоряющего напряжения в каждой стороне многоугольника, В;
T_y - время ускорения, с;
R - радиус описанного круга многоугольника, м.

На чертеже показана схема ускорителя заряженных частиц как пример применения предлагаемого способа ускорения заряженных частиц, где:
1 - отклоняющий диполь с продольным магнитным полем,
2, 4 - уплотняющее устройство с продольным магнитным полем,
3 - ускоряющие электроды системы ускоряющего напряжения,
5, 6, 7 - источники тока по схемам на основе эффектов бесконечного усиления,
8 - блок высокого напряжения.

На чертеже показано максимальное количество источников тока и напряжения; их количество можно уменьшить за счет последовательного включения устройств магнитной системы и параллельного питания ускоряющих электродов. Диполь и уплотняющие устройства 2, 4 конструктивно выполнены в виде катушек с продольным магнитным полем:
- с охлаждением или без охлаждения,
- на сильных импульсных магнитных полях [11],
- на основе сверхпроводящей конструкции [11].

На чертеже стрелками показана центральная орбита ускорителя в виде пятиугольника. Из представленных формул хорошо видны предложения, которые оптимизируют ускоритель, в частности, определяют оптимальное число сторон многоугольника и размер радиуса описанного круга.

Предлагаемый ускоритель является малогабаритным объектом, здесь нет проблемы фокусировки в традиционном понимании и поэтому устройства 2, 4 названы уплотняющими; они обеспечивают:
- требуемую величину плотности пространственного заряда при движении заряженных частиц по сторонам многоугольника;
- управление размером пучка за счет изменения индукции магнитного поля.

Плотность пространственного заряда равна: ρ = 2,65•10⁹γB² протон/см³.
Параметры площадки ускорения обеспечиваются управляемыми источниками тока 5, 6, 7 на основе эффектов бесконечного усиления, способными точно выдерживать и повторять неограниченное число раз заданное магнитное поле в магнитной системе ускорителя.

В известных ускорителях процесс ускорения заряженных частиц осуществляется на основе высокочастотного способа ускорения, особенности которого надо рассматривать как принципиальные недостатки высокочастотной системы ускорения заряженных частиц.

Равномерно размещенные ускоряющие электроды 3 конструктивно выполнены на основе принципа геометрической симметрии. Геометрическую форму на принципе геометрической симметрии имеют:
- две симметрично расположенные пластины,
- две симметрично расположенные полусферы,
- два симметрично расположенных кольца с отверстиями для пролета заряженных частиц.

Симметричная форма ускоряющих электродов позволяет по законам электростатики подавить тормозящие электрические поля при пролете заряженных частиц через ускоряющие электроды. При выборе конкретной конструкции ускоряющих электродов следует исходить из ее эффективности, т.е. из максимального прироста энергии на единицу длины комплекта ускоряющих электродов. Ускоряющие электроды 3, установленные в уплотняющем устройстве 4 с продольным магнитным полем, подключены к полностью управляемому блоку высокого напряжения 8 на основе эффектов бесконечного усиления.

Из формулы (5) видно, что величина достигаемой энергии в предложенной схеме ускорителя, в отличие от традиционных циклических ускорителей, непосредственно не зависит от величины магнитной индукции диполя 1 - процесс ускорения заряженных частиц идет при постоянном заданном магнитном поле.

Из формулы (5) видно, что величина энергии, достигаемая в предложенной схеме, обратно пропорциональна радиусу описанного круга R многоугольника. Величина R должна быть минимальной и определяться размерами устройств в каждой стороне многоугольника, т.е. предложенный способ ускорения заряженных частиц гарантирует малогабаритность ускорителя.

Следовательно, предложенный способ управления пучком заряженных частиц конструктивно обеспечивает теоретически неограниченную величину достигаемой энергии E пучком заряженных частиц при минимальной величине
- геометрических размеров ускорителя заряженных частиц,
- потребляемой энергии от промышленной сети.

Из представленных формул видно, что предлагаемый ускоритель
- работоспособен при минимальном уровне инжекции,
- может обеспечить получение пучков заряженных частиц от самого минимального уровня до сверхвысоких энергий, т.е. свыше 1000 ТэВ = 10¹⁵ эВ.

Структура схемы ускорителя допускает как непрерывный режим, так и импульсный режим работы за счет соответствующего управления силовыми устройствами ускорителя. При энергии ускорителя более 20 - 50 ТэВ может быть целесообразным по экономическим соображениям перейти к импульсному режиму работы ускорителя.

В традиционной схеме ускорителя заряженных частиц радиационные потери на излучение уже при энергии протонов порядка 50 ТэВ весьма обременительны. Радиационные потери в предложенном ускорителе пренебрежимо малы

B - магнитная индукция диполя 1, Тл;
n - число заряженных частиц;
П - периметр многоугольника, м.

Формула (6) получена исходя из (1).

Литература
1. Власов А.Д. Теория линейных ускорителей, - М.: Атомиздат, 1965.

2. Капчинский И. М. Теория линейных резонансных ускорителей. - М.: Энергоатомиздат, 1982.

3. Кейн Г. Современная физика элементарных частиц: Пер с англ. - М.: Мир, 1990.

4. Клапдер-Клайнгротхаус, Штаудт А., Неускорительная физика элементарных частиц: Пер. с нем. - М.: Наука, Физматлит, 1997.

5. Коломенский А.А., Лебедев А.Н. Теория циклических ускорителей - М.: ГИФМЛ, 1962.

6. Комар Е.Г. Основы ускорительной техники. - М.: Атомиздат, 1975.

7. Лебедев. А Н., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей. - М. : Энергоатомиздат, 1991.

8. Ливингстон М.С. Ускорители. - М.: ИЛ, 1956.

9. Ускорители: Пер. с англ., нем. - М.: Гос. издатом науке и технике, 1962.

10. Гладков Б.Д. Патент РФ N 2013893, H 05 H 7/00.

11. Сильные и сверхсильные магнитные поля и их применение/ Дрансфельд К. и др. Под ред. Ф. Херлаха, - М.: Мир, 1988.

Формула изобретения

1. Способ ускорения заряженных частиц, включающий транспортировку в процессе ускорения пучка заряженных частиц по замкнутому контуру, содержащему ряд участков, в каждом из которых устанавливают отклоняющий диполь и ускоряющее устройство, отличающийся тем, что транспортировку и ускорение производят по сторонам многоугольника, в каждой из сторон которого устанавливают диполь, уплотняющее устройство и ускоряющее устройство, включающее дополнительное уплотняющее устройство с системой ускоряющего напряжения, при этом диполи и уплотняющие устройства выполнены с продольным магнитным полем.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что диполи и уплотняющие устройства подключены к источникам тока на основе эффектов бесконечного усиления.

3. Ускоритель заряженных частиц, содержащий замкнутый контур с рядом участков, в каждом из которых установлены диполь и ускоряющее устройство, отличающийся тем, что замкнутый контур представляет собой многоугольник, в каждой из сторон которого установлены диполь, уплотняющее устройство и ускоряющее устройство, включающее дополнительное уплотняющее устройство с симметрично размещенными ускоряющими электродами, при этом диполи и уплотняющие устройства выполнены с продольным магнитным полем.

4. Ускоритель по п.3, отличающийся тем, что ускоряющие электроды подключены к блокам высокого напряжения на основе эффектов бесконечного усиления.

РИСУНКИ

Рисунок 1