Способ синхронного ускорения заряженных частиц в постоянном магнитном поле



Способ синхронного ускорения заряженных частиц в постоянном магнитном поле
Способ синхронного ускорения заряженных частиц в постоянном магнитном поле
Способ синхронного ускорения заряженных частиц в постоянном магнитном поле

 


Владельцы патента RU 2618626:

Объединенный Институт Ядерных Исследований (RU)

Изобретение относится к cпособу ускорения заряженных частиц. В заявленном способе инжектированные в ускоритель частицы ускоряются импульсами индукционного электрического поля, которые синхронизированы с импульсами тока ускоряемого пучка. Синхронизация импульсов осуществляется с помощью датчиков времени пролета пучка. Азимутальная устойчивость ускоряемых частиц обеспечивается формой вершины индукционных импульсов. Замкнутые орбиты частиц при их ускорении формируются посредством многократного отражения частиц от диполей. В результате многократного отражения инжектированные частицы, с предельно низкой энергией, движутся по хордам кольцевой орбиты ускоренных частиц. Величина отклонения траекторий инжектированных и ускоренных частиц зависит от числа отражающих диполей. Вертикальную дефокусировку частиц полями отклоняющих диполей компенсируют на входе и выходе отклоняющих пучок секций. На прямолинейных участках частицы фокусируют квадрупольными линзами и после ускорения выводят их. Техническим результатом является расширение диапазона энергий ускоряемых частиц путем существенного уменьшения нижнего порога энергий, связанного с потерей частиц с малой энергией, а также возможность отказаться от применения пред-ускорителей частиц и упрощение эксплуатации ускорителя. 3 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 и 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). 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). Способ ускорения с почти постоянным радиусом орбиты частиц в процессе ускорения и постоянным во времени магнитным полем отклоняющих диполей (например, 1. Dolbilov G.V. The Induction Synchrotron with a Constant Magnetic Field // http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/rupac2014/papers/wepsb29, 2. Долбилов Г.В. Способ циклического ускорения заряженных частиц // Патент ОИЯИ, №2451435, 3. Долбилов Г.В. Циклический ускоритель заряженных частиц // Патент ОИЯИ, №2477936.)

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 пред-ускорителей (бустеров) для ускорения частиц до высоких энергий.

Способ ускорения частиц в постоянном магнитном поле и формирования почти постоянных замкнутых орбит с помощью диполей с однородным магнитным полем имеет ограничения на величину минимальной энергии инжекции частиц, связанные с потерей частиц с энергии, которая ниже критической.

В качестве прототипа выбираем способ ускорения с почти постоянным радиусом орбиты частиц в процессе ускорения и постоянным во времени магнитным полем отклоняющих диполей, который описан в работах: 1. Dolbilov G.V. The Induction Synchrotron with a Constant Magnetic Field // http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/rupac2014/papers/wepsb29, 2. Долбилов Г.В. Способ циклического ускорения заряженных частиц // Патент ОИЯИ, №2451435, 3. Долбилов Г.В. Циклический ускоритель заряженных частиц // Патент ОИЯИ, №2477936.) Этот способ заключается в том, что для создания замкнутых орбит частиц формируют дипольное магнитное поле с постоянным во времени и с пространственной конфигурацией, определяющейся азимутальной протяженностью 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 магнитное поле заряженные частицы, ускоряют частицы индукционным электрическим полем с частотой импульсов, кратной периоду обращения частиц в циклическом ускорителе, жестко фокусируют их на прямолинейных участках орбиты и выводят ускоренные частицы,

Предлагаемое изобретение решает задачу расширение диапазона энергий ускоряемых частиц путем существенного уменьшения нижнего порога энергий, связанного с потерей частиц с малой энергией. Кроме того, применение способа позволяет существенно снизить требования к инжектору частиц, отказаться от применения пред-ускорителей частиц, упростить и удешевить создание и эксплуатацию ускорителя.

Способ заключается в том, что полями магнитных диполей, величина индукции которых постоянна во времени, формируют орбиты частиц, близкие к равновесной орбите ускорителя, инжектируют частицы в ускоритель, ускоряют частицы индукционным электрическим полем с частотой импульсов кратной периоду обращения ускоряемых частиц, жестко фокусируют частицы и выводят их после ускорения, при этом формирование замкнутых орбит частиц производят путем многократного отражения частиц полями магнитных диполей по всей их орбите, в отражающих диполях формируют магнитное поле с величиной индукции, позволяющей отражать частицы под тем же углом, что и инжектируемые в диполь частицы, и с однородным распределением индукции вдоль продольной оси каждого диполя и с произвольным распределением индукции поперек их оси.

Отличительными признаками заявленного способа является следующее.

Формирование замкнутых орбит частиц производят путем многократного отражения частиц полями магнитных диполей по всей их орбите, при этом в отражающих диполях формируют магнитное поле с величиной индукции, позволяющей отражать частицы под тем же углом, что и инжектируемые в диполь частицы, и с однородным распределением индукции вдоль продольной оси каждого диполя, и с произвольным распределением индукции поперек их оси.

Поставленная цель достигается тем, что совокупность всех существенных признаков формулы позволяет формировать равенство углов инжекции пучка в диполь и углов отражения пучка от диполя независимо от энергии ускоряемых частиц и независимо от характера распределения магнитной индукции поперек продольной оси диполей, что позволяет отражать частицы и в краевых полях диполей частицы с малой энергией.

Перечень иллюстраций.

На фиг. 1 (Приложение 1) приведена схема ускорителя, использующего синхротронный способ ускорения в постоянном во времени магнитным полем,

где: 1 - отражающие магнитные диполи; 2 - прямолинейные участки орбиты; 3 - вакуумная камера отклоняющей пучок системы; 4 - корректоры динамики частиц в отклоняющей системе.

На фиг. 2 (Приложение 2) приведена схема отражения ускоряемых частиц магнитным диполем: 5 - отражающий магнитный диполь; 6 - траектория частиц с различными энергиями.

На фиг. 3 (Приложение 2) приведена схема способа отклонения пучка на угол 4α во всем диапазоне ускоряемых энергий, где 7 - отражающие пучок магнитные диполи; 8 - траектория входящих в отклоняющую систему частиц; 9 - траектории частиц в процессе ускорения; 10 - траектория выходящих из системы частиц.

Способ работает следующим образом. Заряженные частицы инжектируют на одном из прямолинейных участков орбиты 2, фиг. 1 (Приложение 1), длина которых может быть произвольной. Инжектированные частицы ускоряются импульсами индукционного электрического поля, которые синхронизированы с импульсами тока ускоряемого пучка. Синхронизация импульсов осуществляется с помощью датчиков времени пролета пучка. Азимутальная устойчивость ускоряемых частиц обеспечивается формой вершины индукционных импульсов. Замкнутую орбиту частиц при их ускорении формируют посредством многократного отражения частиц от специальных диполей с постоянным магнитным полем. Пространственное распределение магнитного поля в каждом диполе таково, что углы падения и отражения частиц от диполя равны и не зависят от энергии ускоряемых частиц. В результате многократного отражения инжектированные частицы с предельно низкой энергией движутся по хордам кольцевой орбиты ускорителя. Величина отклонения траекторий инжектированных и ускоренных частиц зависит от числа пар отражающих диполей, фиг. 3 (Приложение 2). Число пар таких диполей на орбите определяется данной конкретной задачей. На фиг. 1 приведена схема ускорителя с шестью парами отражающих диполей, каждая из которых поворачивает (отклоняет) пучок на 60 градусов. Вертикальную дефокусировку частиц полями отражающих диполей компенсируют на входе и выходе отклоняющих пучок секций. Жесткую фокусировку частиц осуществляют на прямолинейных участках орбиты. Ускоренные частицы выводятся из ускорителя устройством, расположенным на прямолинейном участке орбиты.

В настоящее время в ускорительной технике широко применяются магнитные диполи (сверхпроводящие и «теплые») с уровнем магнитной индукции 1-2 Тесла, которой вполне достаточно для реализации способа. В способе используются традиционные секции линейного индукционного ускорителя с сердечниками индуктором из существующих ферромагнитных материалов. Синхронизация ускоряющих импульсов с импульсами тока пучка осуществляется традиционными методами с использованием мониторов времени пролета пучка.

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 Bmax=2 Тл для протонов R=1.1 м.

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 в постоянном магнитном поле, заключающийся в том, что полями магнитных диполей, величина индукции которых постоянна во времени, формируют орбиты частиц, близкие к равновесной орбите ускорителя, инжектируют частицы в ускоритель, ускоряют частицы импульсами индукционного электрического поля, которые с помощью датчиков времени пролета пучка синхронизуют с импульсами тока ускоряемых частиц, жестко фокусируют частицы и выводят их после ускорения, отличающийся тем, что формирование замкнутых орбит частиц производят путем многократного отражения заряженных частиц полями магнитных диполей по всей их орбите, при этом в отражающих диполях формируют магнитные поля с величиной индукции, позволяющей отражать частицы под тем же углом к продольной оси диполя, что и инжектируемые в диполь частицы, и с однородным распределением индукции вдоль продольной оси каждого диполя и произвольным распределением индукции поперек их оси.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в области физики частиц высоких энергий, промышленности, медицины и научных исследований. Технический результат - ускорение в постоянном магнитном поле с почти постоянным радиусом орбит во всем диапазоне ускорения, существенное снижение нижнего порога энергии инжекции, увеличение диапазона ускоряемых энергий и отношения Z/A частиц (где Ζ - зарядность, А - атомный номер), отсутствие пред-ускорителей, уменьшение стоимости создания и эксплуатации ускорителя.

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для генерации электронов с большой энергией для последующего использования в дефектоскопии, томографии, радиационных испытаниях стойкости материалов, лучевой терапии и других областях техники.

Изобретение относится к области ускорительной техники и предназначено для генерации позитронов с большой энергией для последующего использования в дефектоскопии, томографии, радиационных испытаниях стойкости материалов, лучевой терапии и др.

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

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.

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.

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 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.
Наверх