Способ медленного вывода пучка заряженных частиц из циклического ускорителя

Изобретение относится к способу вывода частиц из кольцевых ускорителей и в первую очередь из кольцевых ускорителей с постоянным магнитным полем и практически постоянным радиусом. Для вывода частиц используют отражение частиц полями постоянных магнитов, в котором угол отражения равен углу падения и не зависит от скорости (энергии и импульса) частиц, при этом глубина проникновения частиц в поле с индукцией B_z зависит от импульса (энергии) частиц и связана соотношением

где: Р - полный импульс частиц, Pcosa - составляющая импульса вдоль оси у, B_z и B_z,cp - индукция и средняя индукция поля магнита, q - заряд частицы, у_m - глубина проникновения частиц в поле магнита. При упругом отражении угол отражения всегда равен углу падения и не зависит от скорости (энергии) частиц, и глубина проникновения частиц в поле зависит от их энергии. Если глубина проникновения частиц в поле меньше поперечного размера диполя, частицы отражаются и попадают в другой такой же диполь и возвращаются на равновесную орбиту ускорителя. Когда, с увеличением энергии частиц, глубина их проникновения в поле диполя становится больше поперечного размера диполя, частицы проходят сквозь диполь и выводятся из ускорителя. Техническим результатом является возможность автоматического вывода заряженных частиц при условии достижения ими заданной энергии вывода. 1 ил.

 

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к способам вывода частиц из кольцевых ускорителей, в первую очередь из кольцевых ускорителей с постоянным магнитным полем и практически постоянным радиусом орбиты (1. Dolbilov G.V. Induction synchrotron with a constant magnetic field. // Physics of Particles and Nuclei Letters, 14(1), 201-208. 2. Долбилов Г.В. Индукционный синхротрон с постоянным магнитным полем. // Письма в ЭЧАЯ. 2017. Т. 14, №1(206), 164-175). 3. Долбилов Г.В. Способ циклического ускорения заряженных частиц // Патент ОИЯИ, №2451435 и Патент ОИЯИ, №2477936)

Существует несколько способов медленного вывода пучков. Наибольшее распространение получил вывод с использованием резонансной раскачки бетатронных колебаний заряженных частиц (И.Б. Иссинский. «Введение в физику ускорителей заряженных частиц», часть 4, Издательский отдел Объединенного института ядерных исследований, 141980, г. Дубна, Московской обл.).

Суть этого метода заключается в том, что в одной из поперечных фазовых плоскостей создают условия сильного нелинейного резонанса. Частицы циркулирующего пучка в начале занимают устойчивую область движения фазового пространства. Затем создаются условия, когда частицы пересекают сепаратрису нелинейного резонанса и попадают в неустойчивую область движения, где амплитуда колебаний быстро возрастает, и частицы попадают в апертуру выводного устройства.

Другой способ вывода связан с использованием байпасной системы отклонения пучка от равновесной орбиты (A.V. Bondarenko, N.A. Vinokurov, «Веат extraction from а synchrotron through a magnetic shield». Nuclear Inst, and Methods in Physics Research, A 603).

В этом способе полями четырех одинаковых дипольных магнитов формируют байпасную систему, которая сначала отклоняет, а затем возвращает пучок на равновесную орбиту. С увеличением индукции магнитных полей диполей величина отклонения растет. При приближении пучка к магнитному экрану включают быстрый ударный магнит, который отклоняет траекторию пучка внутрь магнитного экрана. После чего пучок не возвращается на равновесную орбиту, а выводится из ускорителя.

В качестве прототипа выбираем способ вывода (A.V. Bondarenko, N.A. Vinokurov, «Веат extraction from a synchrotron through a magnetic shield». Nuclear Inst, and Methods in Physics Research, A 603), в котором используется байпасная система отклонения пучка от равновесной орбиты.

Способ заключается в том, что четыре дипольных магнита с переменным магнитным полем сначала отклоняют пучок от равновесной орбиты, а затем возвращают его на орбиту. С ростом магнитного поля отклоненный пучок приближается к железно-медному экрану, который для уменьшения искажения переменных магнитных полей и траектории частиц выполнен из многих тонких слоев меди и железа. Как только отклоняемый пучок приблизится к экрану, быстрым ударным магнитом пучок забрасывается внутрь экрана и выводится из ускорителя.

Такой способ вывода имеет ряд недостатков. 1) Он требует формирования быстрых магнитных полей. 2) Степень экранировки и возмущения внешних магнитных полей, из-за скин-эффектов, меняется в течении длительности импульса поля. 3) Толщина многослойного экрана сравнима с размерами пучка, что приводит к потерям частиц в стенках экрана. 4) Сравнительно медленный заброс пучка в экран также увеличивает потерю частиц в стенках экрана.

Целью предлагаемого изобретения является автоматический вывод частиц из полей постоянных магнитов, как только их энергия достигает заданной энергии инжекции.

Кроме того, устраняются вышеуказанные недостатки прототипа.

Способ медленного вывода пучка заряженных частиц из циклического ускорителя заключается в том, что постепенно полями отклоняют траекторию частиц пучка от равновесной орбиты и при достижении траектории пучка апертуры выводного устройства выводят частицы из ускорителя, а для вывода частиц используют способ отражения частиц полями постоянных магнитов, в которых угол отражения равен углу падения и не зависит от скорости (энергии и импульса) частиц, при этом глубина проникновения частиц в поле с индукцией B_z зависит от импульса (энергии) частиц и связана соотношением

где: Р - полный импульс частиц,

Pcosα - составляющая импульса вдоль оси х,

B_z и B_z,cp - индукция и средняя индукция поля магнита,

q - заряд частицы,

у_m - глубина проникновения частиц в поле магнита,

и при заданном импульсе и энергии вывода частиц выполняют условие, при котором глубина проникновения у_m в поле B_z больше поперечного размера магнита h (у_m>h), что достигается выбором соотношений между импульсом Р частиц, параметром cosα, величиной индукции B_z и поперечным размером магнита h, при этом частицы автоматически выводятся из магнита и попадают в апертуру выводного устройства, а частицы, не достигшие энергии вывода, отражаясь, попадают в другой такой же магнит и возвращаются на равновесную орбиту ускорителя.

Отличительными признаками заявленного способа являются следующие.

Для медленного вывода используют способ отражения частиц полями постоянных магнитов, в которых угол отражения равен углу падения и не зависит от скорости (энергии и импульса) частиц, при этом глубина проникновения частиц в поле с индукцией B_z зависит от импульса (энергии) частиц и связана соотношением

где Р - полный импульс частиц,

Pcosα - составляющая импульса вдоль оси у,

B_z и B_z,cp - индукция и средняя индукция поля магнита,

q - заряд частицы,

у_m - глубина проникновения частиц в поле магнита.

При заданном импульсе и энергии вывода частиц выполняют условие, при котором глубина проникновения у_m в поле B_z больше поперечного размера магнита h (у_m>h), что достигается выбором соотношений между импульсом Р частиц, параметром cosα, величиной индукции B_z и размером области магнита h, при этом частицы автоматически выводятся из магнита и попадают в апертуру выводного устройства, а частицы, не достигшие энергии вывода, отражаясь, попадают в другой такой же магнит и возвращаются на равновесную орбиту ускорителя (Фиг. 1).

Поставленная цель достигается тем, что совокупность всех существенных признаков позволяет автоматически выводить ускоряемые частицы при условии достижения ими заданной энергии вывода.

На Фиг. 1 приведена схема системы вывода пучка заряженных частиц из циклических ускорителей с использованием способа отражения частиц полями постоянных магнитов.

Где: 1 - магнитный диполь с постоянной величиной индукции B_z, который предназначен для отражения частиц с энергией ниже заданной энергии вывода и вывода частиц из магнита с энергией, равной энергии вывода,

2 - устройство вывода пучка из ускорителя,

3 - магнитный диполь, такой же как диполь 1, предназначенный для возвращения частиц пучка на равновесную орбиту ускорителя (1. Dolbilov G.V. Induction synchrotron with a constant magnetic field. // Physics of Particles and Nuclei Letters, 14(1), 201-208. 2. Долбилов Г.В. Индукционный синхротрон с постоянным магнитным полем. // Письма в ЭЧАЯ. 2017. Т. 14, №1(206), 164-175). 3. Долбилов Г.В. Способ циклического ускорения заряженных частиц // Патент ОИЯИ, №2451435 и Патент ОИЯИ, №2477936)

4 - траектория частиц пучка на входе в систему вывода,

5 - траектория отраженных частиц с энергией ниже энергии вывода,

6 - траектория частиц пучка на выходе системы вывода.

Способ работает следующим образом.

Для медленного вывода пучка заряженных частиц из циклического ускорителя используют свойства отражения заряженных частиц в полях постоянных магнитов. Поскольку глубина проникновения частицы в магнитное поле зависит от импульса (энергии) частицы, можно реализовать два вида траектории частицы. Если глубина проникновения частицы в поле меньше габарита магнита, то происходит отражение частицы, если же глубина проникновения больше габарита, то частица не отразится и пройдет сквозь магнит.

Заряженные частицы с импульсом Р инжектируются в поле дипольного магнита 1 (Фиг. 1) под углом α к продольной оси диполя. При этом продольный импульс Р_х=Pcosα. Величина индукции поля равна B_z, поперечный, у - размер диполя равен h. Под действием магнитного поля поперечный импульс Р_у уменьшается и при у=у_m обращается в нуль. Далее импульс Р_у меняет знак и снова растет, отражаясь от поля. Величина у_m - есть глубина проникновения частиц в поле диполя и определяется соотношением

где Р - полный импульс частиц,

Pcosα - составляющая импульса вдоль оси х,

B_z и B_z,cp - индукция и средняя индукция поля магнита,

q - заряд частицы.

Глубина проникновения растет с увеличением импульса (энергии) ускоряемых частиц и когда глубина проникновения станет больше поперечного размера диполя, h, отражение частиц не может произойти. При h<у_m частицы выводятся из магнита и попадают в апертуру устройства транспортировки пучка 2 Фиг. 1.

Отраженные диполем 1 (Фиг. 1) частицы с помощью точно такого же диполя 3 (Фиг. 1) возвращаются на равновесную орбиту ускорителя (1. Dolbilov G.V. Induction synchrotron with a constant magnetic field. // Physics of Particles and Nuclei Letters, 14(1), 201-208. 2. Долбилов Г.В. Индукционный синхротрон с постоянным магнитным полем. // Письма в ЭЧАЯ. 2017. Т. 14, №1(206), 164-175). 3. Долбилов Г.В. Способ циклического ускорения заряженных частиц // Патент ОИЯИ, №2451435 и Патент ОИЯИ, №2477936).

Основой задачей при реализации способа медленного вывода заряженных частиц с использованием процессов отражения частиц в стационарных магнитных полях является создание магнитов (диполей) с постоянным магнитным полем.

В современных циклических ускорителях широко используются «теплые» и сверхпроводящие магниты с индукцией В=1-2 Тл.

Особый интерес представляет использование SmCo (Самарий-Кобальт) и Nd-Fe-B (Ниодим-Феррум-Бор) для постоянных магнитов. Индукция таких магнитов равна 0,9-1,15 Тл. Источники питания в этом случае не требуются.

В циклических ускорителях с постоянной величиной ведущего магнитного поля, у которых формирование замкнутых орбит, так же как и в системе вывода пучка, используется метод отражения частиц в постоянных магнитных полях (1. Dolbilov G.V. Induction synchrotron with a constant magnetic field. // Physics of Particles and Nuclei Letters, 14(1), 201-208. 2. Долбилов Г.В. Индукционный синхротрон с постоянным магнитным полем. // Письма в ЭЧАЯ. 2017. Т. 14, №1(206), 164-175. 3. Долбилов Г.В. Способ циклического ускорения заряженных частиц // Патент ОИЯИ, №2451435 и Патент ОИЯИ, №2477936). Магнитные диполи имеют одну и ту же конструкцию, за исключением поперечного размера диполя h. Величина h в выводных диполях выбирается меньшей, чем глубина проникновения частиц с энергией, равной энергии вывода у_m (h<у_m). В диполях ведущего магнитного поля соотношение обратное, h>у_m, и поэтому частицы в них всегда отражаются и образуют замкнутые орбиты.

Ускорители с постоянными магнитами в обеих системах, как в системе ведущего магнитного, так и в системе вывода частиц, найдут применение в медицине, промышленности и научных исследованиях. Отсутствие источников питания магнитов позволит создавать дешевые в эксплуатации и создании компактные ускорители для медицины (онкология) с энергией 200-600 МэВ.

Способ медленного вывода пучка заряженных частиц из циклического ускорителя, заключающийся в том, что постепенно отклоняют полями траекторию частиц пучка от равновесной орбиты и при достижении траектории пучка апертуры выводного устройства выводят частицы из ускорителя, отличающийся тем, что для вывода частиц используют способ отражения частиц полями постоянных магнитов, в котором угол отражения равен углу падения и не зависит от скорости (энергии и импульса) частиц, при этом глубина проникновения частиц в поле с индукцией B_z зависит от импульса (энергии) частиц и связана соотношением

,

где P - полный импульс частиц,

Pcosα - составляющая импульса вдоль оси y,

B_z и B_z,cp - индукция и средняя индукция поля магнита,

q - заряд частицы,

y_т - глубина проникновения частиц в поле магнита,

и при заданном импульсе и энергии вывода частиц выполняют условие, при котором глубина проникновения y_m в поле B_z больше поперечного размера магнита h (y_m>h), что достигается выбором соотношений между импульсом P частиц, параметром cosα, величиной индукции B_z и поперечным размером магнита h, при этом частицы автоматически выводятся из магнита и попадают в апертуру выводного устройства, а частицы, не достигшие энергии вывода, отражаясь, попадают в другой такой же магнит и возвращаются на равновесную орбиту ускорителя.