Устройство для получения ускоренных заряженных частиц

 

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к конструктивному выполнению узлов и элементов. Техническим результатом данного изобретения является повышение мощности ускорителя, упрощение процедуры юстировки ЛУС и соленоидов, компактность устройства, сейсмостойкость, простота изготовления, возможность изменения конечной энергии в широких пределах в зависимости от поставленных задач. Пучок частиц пропускают через линейные, вертикально расположенные и соединенные друг с другом магнитными узлами поворота в виде сложенного меандра ускоряющие структуры с последующим направлением пучка в систему разводки. Линейные ускоряющие структуры расположены по трехмерной пространственной поверхности так, что векторы направления движения пучка в смежных структурах образуют угол строго 180^o. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к конструктивному исполнению узлов и элементов.

Устройство может быть использовано для получения пучков заряженных частиц большой мощности в непрерывном режиме для уничтожения радиоактивных отходов, в электроядерных схемах наработки радиоактивного топлива и в схемах подкритических реакторов. Ускорители классифицируют по характеру траекторий ускоряемых частиц в них.

Управление движением частиц (формой их траектории) производится магнитным (реже электрическим) полем. По характеру траекторий частиц различают циклические и линейные ускорители [Советский энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1985, с. 1383].

Для ускорения пучков заряженных частиц мегаваттного уровня применяют следующие способы ускорения.

Линейному (далее 1D - одномерному, т.е. ускорению по прямой) способу ускорения соответствует прямолинейная траектория и 1D-ускоритель, который характеризуется большими линейными размерами, например в проекте Лос-Аламосской лаборатории США длина ускорителя составляет 1880 метров [R.A.Jameson. Scaling & Optimization of High-Intensity, Low-Beam-Loss RF Linacs for Neutron Source Drivers, LA-UR-92-2474, Proc. of the Third "Workshop on Advanced Accelerator Concepts, 14-20 June 1992, Port Jefferson, USA, Publ. Amer. Inst. of Physics].

Циклотронному (далее 2D - двумерному, т.е. ускорению в плоскости) способу соответствует плоская траектория ускоряемых частиц и устройство - циклотрон, который характеризуется меньшими размерами, но очень большой массой и ограниченными возможностями по мощности в пучке (менее 20 МВт) в связи с проблемами пространственного заряда ускоряемого пучка [C. Rubbia. On Heavy Ion Accelerators for Inertial Confinment Fussion, CERN-PPE/91-117, July 1991].

Известен ускоритель CEBAF [G.A. Krafft. Stutus of the Continuous Electron Beam Accelerator Facility, Proc. of the 1994 International Linac Conf., Tsukuba, Japan, Aug. 21-26, 1994, Vol.1, p. 9-13], в котором реализован способ ускорения релятивистских электронов. Ускоритель работает в непрерывном режиме, используемые в нем две линейные (1D) ускоряющие структуры выполнены из идентичных (постоянного шага) ячеек.

Ускоряемый пучок частиц многократно ускоряют поочередно в этих двух параллельно друг другу размещенных и лежащих в одной плоскости структурах. После каждого прохождения структуры пучок с помощью поворотных (строго на 180^o) и отклоняющих и направляющих магнитов разводят (с помощью 2200 магнитов, питаемых 1800 источниками тока) на отдельные пространственно разделенные (по высоте), выполненные в виде дуг полуокружностей, магнитные дорожки. После прохождения полуокружности магнитной дорожки пучок направляют поочередно в ту или другую ускоряющую структуру. Тем самым пучок в CEBAF совершает четыре полных оборота и один полуоборот, причем в системах поворота пучка (по магнитным дорожкам) пучок движется каждый раз в своей плоскости. При этом из всех вертикально разделенных плоскостей магнитной проводки пучка ускоряемые частицы направляют в размещенные в одной плоскости укоряющие структуры. Никаких фокусирующих элементов ускоряющие структуры не содержат.

Часто ускоритель с таким расположением двух ускоряющих структур и с системой поворотных магнитов называют рейстреком (racetrack). Наличие в данной установке двух параллельных и расположенных в одной плоскости 1D-ускоряющих структур, которые используют многократно - 4 и 5 раз соответственно для ускорения одного и того же пучка - позволяет рассматривать эту установку как 2D-ускоряющую систему. С другой стороны, проводка пучка в магнитных системах поворота является трехмерной, что позволяет рассматривать CEBAF в целом как "квази 3D-ускоритель", в котором реализован квазитрехмерный способ ускорения релятивистских заряженных частиц (реализован 2D - способ ускорения и 3D - способ проводки пучка).

Известен также способ и устройство получения ускоренных заряженных частиц (как нерелятивистских, так и релятивистских), реализуемый в 3D-устройстве, включающем множество ускоряющих структур, лежащих в разных горизонтальных плоскостях. Структуры соединены друг и другом магнитными узлами поворота [Патент РФ 2152142, МПК Н 05 Н 7/00, опубл. 27.06.2000].

Пучок однократно ускоряют последовательно в линейных (1D-одномерных) ускоряющих структурах. Ускоряющие структуры располагают так, что векторы направления движения пучка в смежных структурах образуют угол менее 180^o для создания непрерывной трехмерной траектории частиц, которая в таком ускорителе является конической, цилиндрической или плоской спиралью. Ось, относительно которой формируют такие траектории-спирали, вертикальна. Соседние структуры соединяют магнитными системами поворота пучка.

Входы и выходы некоторых из линейных ускоряющих структур могут быть расположены в одной горизонтальной плоскости.

При реализации 3D-способа ускорения в 3D-ускорителе частицы однократно "проходят" каждую ускоряющую структуру и каждый магнитный узел поворота, причем в последних частицы поворачивают на угол, меньший 180^o, что создает (обеспечивает) в пространстве движение ускоряемых частиц по разомкнутой спиральной траектории.

Недостатком известного 3D-ускорителя является относительная сложность и громоздкость конструкции. Принципиальную сложность 3D-ускорителя составляет горизонтальное размещение ускоряющих структур и соответствующих им фокусирующих соленоидов. Необходимость точного совмещения продольной оси ускоряющих структур с магнитной осью соленоидов при длинах структур порядка 5 метров не позволяет закреплять структуры в криостатах соленоидов на торцах последних (из-за недопустимо большого прогиба и структур, и соленоидов). Применение промежуточных опор увеличивает теплопритоки к ваннам с жидким гелием, в которых находятся соленоиды. В известном устройстве задача совмещения оси ускоряющей структуры с магнитной осью соленоида относится к классу задач-парадоксов, в которых улучшение одного параметра неотделимо от ухудшения параметров другого (здесь: прямолинейность/теплопритоки).

В основе изобретения лежит задача получения ускоренных нерелятивистских или релятивистских заряженных пучков частиц мегаваттной мощности с решением "парадокса прямолинейность/теплопритоки", а именно - улучшение обоих параметров.

Сущность решения этой задачи заключается в том, что частицы ускоряют по трехмерной траектории (ее можно назвать антирейстреком или меандром, навитым на трехмерную поверхность в виде призмы), для чего пучок частиц пропускают через линейные ускоряющие структуры (ЛУС), которые размещают в одной вертикальной плоскости и соединяют друг с другом магнитными узлами поворота, при этом некоторыми узлами поворота пучок переводят из одной вертикальной плоскости в смежную вертикальную плоскость.

Пучок частиц однократно пропускают и через каждый магнитный узел поворота, и через каждую ускоряющую структуру. Пучок, после ускорения в каждой ЛУС, соединяют друг с другом последовательно магнитными узлами поворота так, что векторы направления движения пучка в смежных структурах образуют угол строго 180^o, а направления движения частиц в ускоряющих структурах - вертикальны (сверху вниз или снизу вверх).

Ускоритель содержит последовательность линейных ускоряющих структур, выполненных из ячеек нарастающего шага, расположенных друг относительно друга в пространстве (3D) так, что векторы направления движения пучка в смежных структурах образуют угол строго 180^o, и магнитные системы поворота, соединяющие смежные ускоряющие структуры, при этом каждая из систем поворота выполнена так, что произведение величины индукции магнитного поля в узле поворота на радиус поворота пучка в данном узле соответствует значению импульса ускоряемых частиц на выходе и входе смежных структур, соединенных данным узлом поворота. Входные магнитные узлы поворота пучка и выходные узлы каждой линейной ускоряющей структуры всегда расположены попеременно в двух разных горизонтальных плоскостях.

В некоторых вариантах исполнения ускорителя вход и выход некоторых из линейных ускоряющих структур расположены в одной вертикальной плоскости.

В рейстреках-аналогах, рассмотренных выше, осуществляют многократное прохождение пучка заряженных частиц через одну и ту же ЛУС при смене направления движения ускоряемых частиц в единых магнитных системах поворота (проводки) пучка строго на 180^o в горизонтальной плоскости, что не позволяет получить пучки ионов мегаваттной мощности.

В прототипе удается ускорять пучки при нерелятивистских и релятивистских скоростях частиц мегаваттного уровня мощностей с однократным прохождением каждой ЛУС, поворачивая пучок на угол, меньший 180^o, при входе в смежную, горизонтально размещенную, структуру.

В данном изобретении является новым вертикальное размещение ЛУС и фокусирующих соленоидов с однократным пропусканием пучка заряженных частиц как через каждую ЛУС и соленоид, так и через каждую магнитную систему поворота пучка с изменением направления движения пучка строго на 180^o - "антирейстрек-меандр" - и поворотом пучка на угол 2π/N, где N - число секций ЛУС на одной окружности (при виде сверху или снизу вдоль ЛУС).

Такое размещение ускоряющих структур и соленоидов позволяет разрешить "парадокс прямолинейность/теплопритоки", уменьшить суммарную площадь криогенных объемов и сократить общие теплопритоки к криогенным ваннам криостатов и, кроме того, облегчает юстировку (совмещение) осей ЛУС и соленоидов.

При реализации такого решения ускоряющие 1D-структуры последовательно соединяют магнитными узлами поворота пучка строго на 180^o, структуры размещают вертикально так, что вход и выход каждой ЛУС будут находиться в двух горизонтальных плоскостях, причем входы и выходы смежных структур чередуются, т. е. если, скажем, вход некоторой ЛУС размещен на верхней плоскости, то смежные структуры размещают на той же плоскости выходами, и наоборот: выход этой ЛУС размещают на нижней плоскости рядом с входами двух смежных структур.

Допускается размещение криогенных соленоидов в общей ванне с закреплением ЛУС на верхней крышке такого единого криостата, что уменьшает расстояния между смежными ЛУС, сокращаются общие габариты устройства, уменьшаются суммарная площадь криогенных объемов и теплопритоки к ним и увеличивается его сейсмоустойчивость. Плоскости поворотных магнитов, соединяющих три смежные структуры, поворачивают на угол 2π/N вокруг оси центральной ЛУС. Общая ванна криостата может выполняться секционированной, секционированное выполнение ванны (бака) криостата позволяет использовать для конкретных задач одну, две или несколько ускоряющих структур, а не весь ускоритель в целом.

Конструкция, реализующая данное устройство, будет призмой - трехмерной объемной геометрической фигурой, а траектория частиц в ней - меандром.

Техническим результатом данного изобретения является повышение мощности ускорителя, упрощение процедуры юстировки ЛУС и соленоидов, компактность устройства, сейсмостойкость, простота изготовления, возможность изменения конечной энергии в широких пределах в зависимости от поставленных задач.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для получения ускоренных заряженных частиц, содержащем последовательность линейных ускоряющих структур, соединенных друг с другом магнитными системами поворота пучка, каждая из ускоряющих структур выполнена из ячеек нарастающего шага и расположена внутри сверхпроводящего соленоида, при этом магнитная система (узел поворота пучка) выполнена так, что произведение величины индукции магнитного поля каждого узла поворота на радиус поворота пучка равно значению импульса ускоряемых частиц на выходе и входе смежных линейных ускоряющих структур, при этом каждая из линейных ускоряющих структур расположена вертикально и соединена узлами поворота пучка так, что векторы направления пучка в смежных ускоряющих структурах расположены строго под углом 180^o. Ускоряющие структуры расположены вдоль граней многогранной призмы. При этом по крайней мере между двумя ускоряющими структурами, расположенными вдоль соседних граней многогранной призмы, дополнительно размещено не менее одной ускоряющей структуры. Все ускоряющие структуры расположены в общем криогенном баке и закреплены на его крышке. Бак может быть выполнен секционированным.

Существо изобретения представлено на фиг.1, 2, 3.

На фиг.1 схематично представлены две параллельные ЛУС, где _i,k - ускоряющие линейные структуры; 2_1,2...i,k - фокусирующие системы (сверхпроводящие соленоиды); 3_1,2...i,k - узлы поворота пучка.

На фиг. 2 схематично представлен вид ускорителя сверху, при снятой крышке, где 4 - стенки криогенного бака, 5 - перегородки криогенного бака.

На фиг.3 схематично представлен вариант исполнения ускорителя, когда на одной грани многогранной призмы расположено несколько, в данном случае три, ускоряющих системы.

Устройство работает следующим образом. Заряженные частицы (ионы) попадают на вход первой линейной ускоряющей структуры 1₁, помещенной в сверхпроводящий соленоид 2₁, создающий необходимое фокусирующее магнитное поле, удерживающее частицы вблизи траектории ускорения (оси ускоряющих зазоров и ось магнитного поля совмещены). ЛУС 1₁ подсоединена к источнику высокочастотного питания, обеспечивающему необходимую амплитуду ускоряющей находящейся в синхронизме со скоростью ускоряющей частицы обратной гармоники бегущего высокочастотного электромагнитного поля или в синхронизме со стоячей волной. Выход первой 1₁ ЛУС соединяют соответствующим узлом поворота пучка со входом второй (последующей) 1₂ ЛУС системой поворота пучка 3₁. Магнитная система 3₂ соединена с выходом второй ЛУС 1₂, также подсоединенной к ВЧ-питанию и соединенной, в свою очередь, со следующей ЛУС посредством своей системы поворота пучка.

Угол, образуемый векторами направления движения пучка в смежных структурах, составляет 180^o.

Последующая структура аналогично соединена со следующей структурой. Частицы, получившие необходимую энергию в электростатическом инжекторе, поступают в первую ЛУС, ускоряются и группируются в ней высокочастотным полем, проходят структуру 1₁, будучи удерживаемыми продольным магнитным полем соленоида ₁, поворачивают под действием поперечного магнитного поля системы поворота пучка 3₁ и поступают во вторую структуру 1₂. После прохождения ряда структур, по числу равных N-числу ЛУС на одной окружности, пучок совершает (в плане) первый полный 2π-поворот по сложной трехмерной поверхности - многогранной призме. Для получения больших значений энергии ускоряемого пучка последующие ЛУС (и их соленоиды и системы поворота пучка) размещают во втором (внешнем или внутреннем) кольце, закрепляя ЛУС на верхней крышке общего секционированного криостата. Далее процесс ускорения осуществляется аналогично. По мере роста энергии частиц магнитное поле в системах поворота пучка и/или радиус поворота также растут. По выходу из ускорителя пучок поступает в системы разводки пучка и далее - на мишени. Ускорение пучка частиц производят на обратной пространственной гармонике распространяющегося навстречу ускоряемым частицам электромагнитного поля или на стоячей волне.

Формула изобретения

1. Устройство для получения ускоренных заряженных частиц, содержащее последовательность линейных ускоряющих структур, соединенных друг с другом магнитными системами поворота пучка, причем каждая из ускоряющих структур выполнена из ячеек нарастающего шага и расположена внутри сверхпроводящего соленоида, при этом произведение величины индукции магнитного потока каждого узла поворота на радиус поворота пучка соответствует значению импульса ускоряемых частиц на выходе и входе смежных линейных ускоряющих структур, отличающееся тем, что каждая из линейных ускоряющих структур расположена вертикально и соединена узлами поворота пучка зигзагообразно так, что векторы направления пучка в смежных ускоряющих структурах расположены строго под углом 180^o.

2. Устройство для получения ускоренных заряженных частиц по п.1, отличающееся тем, что ускоряющие структуры расположены вдоль граней многогранной призмы.

3. Устройство для получения ускоренных заряженных частиц по п.1, отличающееся тем, что по крайней мере между двумя ускоряющими структурами, расположенными вдоль соседних граней многогранной призмы, дополнительно размещено не менее одной ускоряющей структуры.

4. Устройство для получения ускоренных заряженных частиц по п.1, отличающееся тем, что все ускоряющие структуры расположены в общем криогенном баке и закреплены на его верхней крышке.

5. Устройство для получения ускоренных заряженных частиц по п.4, отличающееся тем, что бак выполнен секционированным.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3