Способ циклического ускорения заряженных частиц



Способ циклического ускорения заряженных частиц
Способ циклического ускорения заряженных частиц

 


Владельцы патента RU 2451435:

Объединенный Институт Ядерных Исследований (RU)

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в области физики частиц высоких энергий, промышленности, медицины и научных исследований. Формируют дипольное магнитное поле постоянным во времени и с пространственной конфигурацией полей диполя, определяющейся азимутальной протяженностью секций диполя, которая позволяет во всем диапазоне ускоряемых энергий иметь небольшое отклонение орбит от орбиты с максимальной энергией в диполе и иметь совпадающие орбиты вне диполя. Инжектируют в дипольное магнитное поле заряженные частицы. Ускоряют частицы электрическим индукционным полем с частотой импульсов, кратной периоду обращения частиц в циклическом ускорителе, и выводят частицы из ускорителя. Изобретение позволяет упростить конструкцию, уменьшить стоимость создания и эксплуатации ускорителя. 2 ил.

 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в области физики частиц высоких энергий, промышленности, медицины и научных исследований.

Известны способы ускорения с постоянным магнитным полем диполя, в котором заряженные частицы ускоряются высокочастотным электрическим полем, заряженные частицы при ускорении движутся по спиральной орбите из центра магнитного диполя, постепенно увеличивая радиус орбиты с ростом энергии: циклотроны, синхроциклотроны или фазотроны (например, Дж.Ливингуд «Принципы работы классических ускорителей», Издательство иностранной литературы, Москва, 1963, с.19-23) и способы ускорения с постоянным радиусом орбиты заряженных частиц в процессе ускорения и нарастающим во времени магнитным полем отклоняющих диполей в соответствии с ростом энергии частиц при ускорении высокочастотным полем: синхрофазотрон, (например, Дж. Ливингуд «Принципы работы классических ускорителей», Издательство иностранной литературы, Москва, 1963, с.23-25, 199-234).

Основным недостатком способов ускорения с постоянным магнитным полем диполя является ограничение максимальной энергии ускоренных частиц из-за большого веса диполя (сотни тысяч тонн), который пропорционален приблизительно кубу диаметра полюса диполя, т.е. максимальному импульсу ускоренных частиц.

Недостатком способов ускорения с постоянным радиусом в процессе ускорения и переменным магнитным полем диполей является необходимость формирования требуемой зависимости от времени магнитного поля диполей и формирования ускоряющего электрического высокочастотного поля с переменной частотой, соответствующей меняющему времени пролета частиц поля, а также необходимость создания предускорителей (бустеров) для ускорения частиц до высоких энергий.

В качестве прототипа выбираем способ ускорения с постоянным радиусом орбиты заряженных частиц в процессе ускорения, который описан в монографии Дж.Ливингуд «Принципы работы классических ускорителей», Издательство иностранной литературы, Москва, 1963, с.23-25, 199-224. Этот способ заключается в том, что частицы инжектируют в нарастающее во времени магнитное поле и ускоряют высокочастотным электрическим полем, причем зависимость величины магнитного поля и зависимость частоты высокочастотного электрического поля от времени должны соответствовать постоянству радиуса орбит частиц в процессе ускорения, что усложняет конструкцию, удорожает создание и эксплуатацию ускорителя.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение максимальной энергии при циклическом ускорении заряженных частиц в постоянном магнитном поле, что позволяет упростить конструкцию, уменьшить стоимость создания и эксплуатации ускорителя.

Способ заключается в том, что формируют дипольное магнитное поле для создания замкнутой орбиты частиц, инжектируют в него заряженные частицы, ускоряют частицы электрическим полем и жестко фокусируют их на прямолинейных участках орбиты квадрупольными линзами, выводят ускоренные частицы, дипольное магнитное поле формируют постоянным во времени и с пространственной конфигурацией полей диполя, определяющейся азимутальной протяженностью секций диполя, которая позволяет во всем диапазоне ускоряемых энергий иметь небольшое отклонение орбит от орбиты с максимальной энергией в диполе и иметь совпадающие орбиты вне диполя, при этом ускорение частиц осуществляют индукционным электрическим полем с частотой импульсов, кратной периоду обращения частиц в циклическом ускорителе.

Отличительными признаками заявленного способа является следующее.

Формируют постоянное во времени дипольное магнитное поле с пространственной конфигурацией полей диполя определяющейся азимутальной протяженностью секций диполя (т.е. числа таких секций), которая позволяет во всем диапазоне ускоряемых энергий иметь замкнутые орбиты частиц с малым отклонением орбит в секциях диполя и совпадающие отбиты вне секций с размером огибающей пучка, зависимой от жесткости фокусировки на этих участках.

Ускоряют частицы индукционным электрическим полем с частотой импульсов, кратной периоду обращения частиц в циклическом ускорителе. Это позволяет ускорять частицы с большим диапазоном скоростей и масс (от электронов до тяжелых ионов), т.к. азимутальная синхронизация частиц осуществляется не изменением частоты высокочастотной ускоряющей системы и временем старта индукционных ускоряющих электрических импульсов, соответствующим времени пролета частиц в индукционной системе.

Поставленная цель достигается тем, что совокупность всех существенных признаков формулы позволяет использовать постоянное магнитное поле для создания циклических орбит частиц, иметь малый радиальный размер диполей и их малый вес, отказаться от использования перестраиваемых по частоте высокочастотных резонаторов и ускорять частицы импульсами индукционного электрического поля, время старта которых зависит от времени пролета частиц.

На фиг.1 приведена схема циклического ускорителя, где: 1) инжектор; 2) отклоняющая система, состоящая из секций диполя (фиг.2), число которых зависит от данных конкретных условий; 3) индукционная ускоряющая секция; 4) прямолинейный жесткофокусирующий участок; 5) дефлектор прямолинейного участка; 6) отклоняющий магнит; 7) дефлектор дипольного магнита.

На фиг.2 приведен один из периодов структуры ускорителя, 8) дипольный магнит с постоянным по времени магнитным полем и пространственной конфигурацией поля, позволяющей во всем диапазоне ускоряемых энергий инжектировать частицы в направлении оси прямолинейных участков 9) и 12), 10) квадрупольные линзы, 11) траектории частиц с разными энергиями.

Способ работает следующим образом. Заряженные частицы с помощью инжектора 1) (фиг.1) инжектируют в ускоритель. Магнитные диполи 2) формируют из серии секций, схема которых приведена на фиг.2. Число секций диполя зависит от данных конкретных условий. Ускорение частиц осуществляют секциями линейного индукционного ускорителя 3), расположенными на одном или нескольких прямолинейных участках 4). Время старта ускоряющих индукционных импульсов согласуют с временем подлета частиц к индукционным секциям, используя мониторы пучка. Частицы с заданной величиной энергии, которая ниже максимальной проектной величины, выводят из ускорителя дефлектором 5) и магнитом 6). Частицы, достигшие максимальной энергии, выводят дефлектором 7).

Пучок заряженных частиц инжектируют в каждую секцию диполя 8) из прямолинейного участка 9) на входе в секцию. Траектории частиц 11) в диполе зависят от их энергии. Частицы низких энергий имеют на входе в диполь малый радиус траектории и попадают в область слабого магнитного поля, где движутся с большим радиусом кривизны. Приближаясь к прямолинейному участку 12), расположенному на выходе диполя, частицы снова попадают в область сильного магнитного поля и имеют тот же радиус кривизны, как и на входе в диполь, и инжектируются в прямолинейный участок в направлении оси прямолинейного участка. Частицы высоких энергий имеют большую величину радиуса траектории на входе диполя и попадают в более сильное поле. Приближаясь к прямолинейному участку на выходе диполя снова имеют такой же радиус, как и на входе, и также инжектируются по оси прямолинейного участка. Радиальный размер диполей зависит от их азимутальной протяженности, т.е. от числа диполей по периметру ускорителя. С увеличением числа диполей радиальный размер и вес магнитов диполей уменьшаются.

Параметры квадрупольных линз 10) согласуют с динамикой частиц в секции диполя. После прохождения прямолинейного с линзой 10) на выходе секции диполя пучок частиц инжектируют либо в следующую секцию диполя с постоянным магнитным полем, либо в другую систему ускорителя.

Ускорение заряженных частиц осуществляют секциями линейного индукционного ускорителя. Частота повторения ускоряющих индукционных импульсов кратна частоте обращения частиц в циклическом ускорителе. Перемагничивание индукторов секций производят во время интервала между импульсами пучка частиц.

Для примера рассмотрим ускоритель протонов на энергию 200 МэВ (ускоритель для медицинских целей). Поскольку частицы с максимальной для данного ускорителя энергией движутся в максимальном поле диполя, радиус их орбиты определяется выражением R=P/qBmax, где R - радиус орбиты, Р - импульс частицы, q - заряд частицы, В - индукция магнитного поля. При поле Вmах=1 Тл для протонов R=2.2 м.

После достижения частицами максимальной энергии 200 МэВ частицы выводят из ускорителя в одном из диполей с помощью дефлектора 7) (фиг.1). Частицы промежуточных энергий выводят на прямолинейном участке орбиты дефлектором 5) и магнитом 6).

Если величина индукции в сердечниках индукционных секций не превышает 0,1-0,2 Тл, потери энергии на перемагничивание сердечников будут малы и кпд ускорителя будет высоким.

Способ циклического ускорения заряженных частиц, заключающийся в том, что формируют дипольное магнитное поле для создания замкнутой орбиты частиц, инжектируют в него заряженные частицы, ускоряют частицы электрическим полем и жестко фокусируют их на прямолинейных участках орбиты, выводят ускоренные частицы, отличающийся тем, что дипольное магнитное поле формируют постоянным во времени и с пространственной конфигурацией, определяющейся азимутальной протяженности диполя, которая позволяет во всем диапазоне ускоряемых энергий иметь небольшое отклонение орбит от орбиты с максимальной энергией в диполе и иметь совпадающие орбиты вне диполя, при этом ускорение частиц осуществляют индукционным электрическим полем с частотой импульсов, кратной периоду обращения частиц в циклическом ускорителе.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области ускорительной техники и может использоваться для ускорения плазмы до гиперскоростей. .

Изобретение относится к ускорительной технике. .

Изобретение относится к проблеме управляемого термоядерного синтеза и может найти применение в качестве сильноточного индукционного ускорителя предпочтительно положительно заряженных частиц и ионов, а также для создания пучка нейтронов.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании индукционных циклических ускорителей ионов с регулируемой кинетической энергией в медицине и научных исследованиях.

Изобретение относится к ускорительной технике и используется для сброса пучка заряженных частиц на мишень. .

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к безжелезным электромагнитам ускорителей с аксиальной симметрией магнитного поля, и может быть использовано в дефектоскопических, медицинских и других бетатронных установках.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к технологии изготовления клееных конструкций, и может быть использовано при изготовлении электромагнитов бетатронов.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании индукционных циклических ускорителей промышленного назначения. .

Изобретение относится к рентгеновской досмотровой технике

Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для генерации позитронных пучков с большой энергией для последующего использования высокоэнергетичных позитронов для целей дефектоскопии, томографии, радиационных испытаний стойкости материалов, лучевой терапии и др

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в средствах неразрушающего контроля материалов и изделий

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в средствах неразрушающего контроля материалов и изделий

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании индукционных циклических ускорителей промышленного назначения, например, для модификации и производства новых материалов, стерилизации медицинских инструментов и пищевых продуктов, дезинфекции медицинских и других отходов, очистки дымовых газов промышленных предприятий от вредных SOx и NOx окислов. Предложенный способ заключается в том, что для получения заданной конечной энергии (≤10 МэВ) используется прямоугольная волна ускоряющего индукционного напряжения и треугольная волна ведущего магнитного поля, для сохранения радиуса равновесной орбиты постоянным в процессе ускорения выполняют специальные соотношения между амплитудно-временными характеристиками магнитной индукции на орбите и индуцированным ускоряющим напряжением. Для реализации жесткой фокусировки формируют магнитное поле на орбите с большим знакопеременным градиентом. Техническим результатом является увеличение средней мощности пучка ускоренных заряженных частиц, а также уменьшение габаритов и веса ускорителя циклического индукционного ускорителя электронов, упрощение системы питания индукционной ускоряющей системы, снижение стоимости ускорителя. 5 ил.

Бетатрон (1), прежде всего, в рентгеновской досмотровой установке, с вращательно-симметричным внутренним ярмом из двух расположенных на расстоянии друг от друга частей (2a, 2b), внешним ярмом (4), соединяющим обе части (2a, 2b) внутреннего ярма, по меньшей мере одной катушкой (6a, 6b) основного поля, тороидальной камерой (5) бетатрона, расположенной между частями (2a, 2b) внутреннего ярма, по меньшей мере одной катушкой сжатия и расширения (СР-катушкой) 7a, 7b, при этом соответственно ровно одна СР-катушка (7a, 7b) расположена между торцевой стороной части (2a, 2b) внутреннего ярма и камерой (5) бетатрона, а радиус СР-катушки (7a, 7b) равен, по существу, заданному радиусу орбиты электронов в камере (5) бетатрона. Бетатрон содержит электронную схему (8) управления, выводы катушки (7a, 7b) сжатия и расширения соединены с источником (11) тока или напряжения, а, по меньшей мере, в одной линии между катушкой (7a, 7b) сжатия и расширения и источником (11) тока или напряжения расположен переключатель (9), управляемый электронной схемой (8) управления, причем электронная схема (8) управления выполнена таким образом, чтобы во время выброса электронов вызывать прохождение тока через катушку сжатия и расширения, так что материал ярма находится на нелинейном участке кривой гистерезиса. Технический результат - повышение кпд. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации электронных и ионных пучков наносекундной длительности с высокой частотой следования импульсов. Линейный индукционный ускоритель содержит индукционную систему (1) в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания с объединенными выводами (2) с каждой стороны сердечников, магнитный коммутатор, магнитный импульсный генератор (3), состоящий из последовательных контуров сжатия, каждый из которых образован конденсатором и дросселем насыщения, и имеющий заземленный и потенциальный выводы, к которым подсоединен дроссель насыщения (8), а к потенциальному выводу подключен один из трех электродов двойной формирующей линии (4). Второй электрод двойной формирующей линии (4) одним концом подключен к заземленному выводу магнитного импульсного генератора, а между другим концом этого электрода и одним из выводов витков намагничивания индукционной системы включен магнитный коммутатор (9). Между третьим электродом (7) двойной формирующей линии (4) и вторым выводом витков намагничивания (2) индукционной системы (1) включена одинарная формирующая линия (10). Между точкой соединения двойной (4) и одинарной (10) формирующих линий и точкой соединения магнитного коммутатора (9) и индукционной системы (1) включен дополнительный дроссель насыщения (11). Технический результат - снижение потерь энергии и повышение надежности за счет уменьшения числа элементов в схеме. 2 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в области физики частиц высоких энергий, промышленности, медицины и научных исследований. Заявленный циклический ускоритель электронов включает в себя отклоняющие дипольные магниты, индукционную ускоряющую систему, системы ввода и вывода пучка, расположенные на прямолинейных участках. Для ускорения электронов в диапазоне энергий ~0,3-10 МэВ ускоритель включает в себя генератор возбуждения витков индукторов ускоряющей системы прямоугольной волной напряжения. Длительность ускоряющих импульсов волны равна не ½ длительности периода обращения электронов на орбите, которая составляет несколько наносекунд, а длительности полного цикла ускорения от энергии инжекции до заданной конечной энергии ~10-4-10-6 с. Для сохранения равновесного радиуса орбиты при ускорении и медленном выводе электронов ускоритель содержит генератор питания отклоняющих дипольных магнитов, обладающий свойством возбуждения трапецеидальной волны магнитной индукции. Ускоритель также содержит жесткофокусирующую систему в отклоняющих дипольных магнитах и прямолинейных участках. Техническим результатом является увеличение средней мощности ускоренного пучка электронов, уменьшение габаритов и веса ускорителя, упрощение ускоряющей системы и увеличение диапазона регулировки энергии ускоренных электронов. 4 ил.
Наверх