Импульсная токовая линза для формирования высокоинтенсивных пучков заряженных частиц

 

Изобретение относится к ускорительной технике. Импульсная токовая линза состоит из коаксиально расположенных центрального прямого и внешнего обратного проводников электрического тока, причем центральный проводник выполнен либо в виде коаксиально вложенных друг в друга и электрически параллельно соединенных тонкостенных трубок, либо в виде пучка электрически параллельно соединенных тонкостенных трубок с минимальным отклонением от аксиальной симметрии. Технический результат - выполнение центрального проводника в таком виде способствует созданию импульсного токового фокусирующего элемента из достаточно легких, прочных и хорошо проводящих электрический ток материалов с квазилинейным магнитным полем. 5 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике.

Известен импульсный токовый фокусирующий элемент - горн [S. Van der Meer. A derective device for charget paticles and its use in an enhanced neutrinobeam. Preprint CERN 61-7. Geneva. 1961] (и его разновидность - параболическая линза [В.Л. Ауслендер и др. Труды IV Международной конференции по ускорителям заряженных частиц. Москва. 1964, с. 282]), состоящий из коаксиально расположенных центрального прямого и внешнего обратного проводников электрического тока, центральный проводник которого представляет собой аксиально-симметричную профилированную в продольном направлении тонкостенную оболочку переменной толщины из высокопрочных алюминиевых сплавов. Вне токовой оболочки создается магнитное поле B(r) ~1/r (внутри оболочки поле не создается), и нужное воздействие на заряженные частицы B(r)l(r)~r достигается за счет продольного профилирования оболочки l(r) ~r², где l(r) - расстояние между входом в оболочку и выходом из нее при радиусе r. Внешний обратный проводник ограничивает поле в пространстве и является силовым каркасом.

Трудности изготовления и использования: сложность изготовления продольно профилированной тонкостенной оболочки переменной толщины; жесткие требования к прочностным характеристикам используемых материалов; относительно большой ток (150 - 350 кА); неизбежное присутствие в токовой монооболочке зауженного участка - "шейки", которая вносит основное количество вещества в пучок частиц и где сконцентрированы большие механические и температурные напряжения; сложность охлаждения профилированной в продольном направлении оболочки, толщина которой увеличивается в области "шейки".

Известен также импульсный токовый фокусирующий элемент - литиевая линза [Г.И. Сильвестров. Проблемы получения интенсивных пучков вторичных частиц.

Труды XIII Международной конференции по ускорителям заряженных частиц. Новосибирск. 1986. т. 2, с. 258.], центральный прямой проводник которой представляет собой сплошной цилиндр из лития в тонкостенном прочном контейнере. В сплошном центральном проводнике, занимающем всю апертуру линзы, создается линейное магнитное поле -B(r)~r, которое обеспечивает фокусировку заряженных частиц при постоянной по радиусу длине центрального проводника.

Трудности изготовления и использования: пластичность, низкая температура плавления и химическая активность лития сильно усложняют как конструкцию литиевой линзы, так и ее использование; плотность лития (0,53 г/см³) не позволяет, исходя из допустимого уровня потерь частиц, использовать линзы длиной более 0,2 - 0,3 м, что необходимо компенсировать большим током (500 - 1000 кА); из-за большого тока питания импульсный трансформатор и центральный проводник объединяются в единое устройство; сильно выраженный скин-эффект (в сплошном проводнике), приводящий к дли тельному переходному процессу установления постоянной плотности тока, не позволяет использовать литиевые линзы с большой апертурой;
сложность охлаждения сплошного центрального проводника.

Задача, решаемая настоящим изобретением - создание импульсного токового фокусирующего элемента из достаточно легких прочных и хорошо проводящих электрический ток материалов (сходство с аналогом), но с квазилинейным магнитным полем B(r)~r (сходство с прототипом).

Импульсная токовая линза (ТЛ), состоящая из коаксиально расположенных центрального прямого и внешнего обратного проводников электрического тока, центральный проводник которой выполнен в виде коаксиально вложенных друг в друга и электрически параллельно соединенных тонкостенных трубок - токовая коаксиальная линза (ТКЛ) или в виде пучка электрически параллельно соединенных тонкостенных трубок - токовая сотовая линза (ТСЛ). В токовой коаксиальной линзе достаточно 3 - 5 трубок, частично или полностью заполняющих апертуру линзы (до внешнего проводника). В токовой сотовой линзе необходимо 7 или 19 трубок, образующих заполненную шестигранную сотовую структуру, наиболее близкую к аксиально-симметричной структуре. При этом в области трубок создается квазилинейное магнитное поле B(r)~ r. Внешний обратный проводник ограничивает поле в пространстве и является силовым каркасом.

Выполнение центрального проводника в виде коаксиально вложенных друг в друга тонкостенных трубок или в виде пучка тонкостенных трубок позволяет получить токовую линзу, обладающую следующими достоинствами:
относительная простота изготовления центрального проводника из тонкостенных трубок постоянной толщины;
мягкие требования к прочностным характеристикам используемых материалов;
малая средняя плотность вещества в апертуре линзы (менее 0,1 г/см³), что позволяет использовать токовую линзу достаточно большой длины (до 1,0-1,5 м), снижая при этом ток (до 100 - 200 кА);
в силу слоистой (металл-воздух) структуры центрального проводника и, следовательно, его большого среднего удельного сопротивления скин-эффект подавлен, что позволяет создавать токовую линзу с большими апертурами;
достаточно большое число свободных параметров (количество, длина, толщина, материал трубок), позволяющих проводить широкую оптимизацию токовой линзы и, что особенно важно, варьировать зависимость G(r) = B(r)/r и влиять на переходные процессы;
однородность и "прозрачность" структуры прямого проводника в продольном направлении, что существенно упрощает проблему охлаждения.

На фиг. 1 изображена токовая коаксиальная линза, где 1 - центральный прямой проводник; 2 - внешний обратный проводник.

На фиг. 2 изображена токовая сотовая линза, где 1 - центральный прямой проводник; 2 - внешний обратный проводник.

На фиг. 3 изображена токовая коаксиальная линза (в разрезе), фокусирующая пучок вторичных заряженных частиц, рождающихся при взаимодействии первичных протонов с мишенью, где 1 - центральный прямой проводник; 2 - внешний обратный проводник; 3,4 - фланцы; 5 - мишень; 6 - пучок вторичных частиц.

На фиг. 4 изображен градиент G(r) = B(r)/r в кГс/см в токовой коаксиальной линзе в зависимости от радиуса r в см.

На фиг. 5 изображены токовые переходные характеристики I₁(t), I₂(t), I₃(t) и I₄(t) в кА в токовой коаксиальной линзе в зависимости от времени t в мс.

Импульсные токовые коаксиальная и сотовая линзы, изображенные на фиг. 1 и фиг. 2 соответственно, состоят из коаксиально расположенных центрального прямого проводника 1 и внешнего обратного проводника 2. Центральный прямой проводник токовой коаксиальной линзы выполнен в виде четырех коаксиально вложенных друг в друга и электрически параллельно соединенных тонкостенных трубок. Центральный прямой проводник токовой сотовой линзы выполнен в виде пучка из 19 электрически параллельно соединенных тонкостенных трубок. Трубки центрального проводника и внешний проводник токовой линзы объединяются в единую конструкцию с помощью фланцев 3, 4. Через фланцы осуществляется подвод электрического тока к проводникам, а через отверстия во фланцах - охлаждение трубок воздухом.

Токовая линза работает следующим образом: заряженные частицы, проходя через линзу под некоторыми углами к ее оси, испытывают усредненное (сглаженное) фокусирующее действие магнитного поля и частично поглощаются. Вероятность для частицы пройти через токовую линзу определяется формулой f(l) = epx(-l/ λ ), где l - длина пути частицы по веществу, λ - длина взаимодействия частицы в веществе линзы. Для π- - мезонов в алюминии λ = 50 см.

Формула изобретения

Импульсная токовая линза для формирования высокоинтенсивных пучков заряженных частиц, состоящая из коаксиально расположенных центрального прямого и внешнего обратного проводников электрического тока, отличающаяся тем, что центральный проводник выполнен в виде коаксиально вложенных друг в друга и электрически параллельно соединенных тонкостенных трубок или в виде пучка электрически параллельно соединенных тонкостенных трубок с минимальным отклонением от аксиальной симметрии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5