Способ монохроматизации энергии протонов синхроциклотрона и устройство для его осуществления
SYNCHROCYCLOTRON PROTON ENERGY MONOCHROMATIZATION METHOD AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Способ и устройство относятся к области ускорительной техники и могут использоваться при проведении экспериментов, требующих высокой степени монохроматизации энергии выведенного из синхроциклотрона (СЦ) протонного пучка (р-пучка).
Введение в проблему. Известно, что выведенные из СЦ протоны обладают разбросом энергии ΔЕ (энергетическим спектром), величина которого характеризуется коэффициентом монохроматизации энергии ΔЕ/Е. Так, например, крупнейший постоянно работающий СЦ-1000 НИЦ КИ - ПИЯФ г. Гатчина (Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев. «Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики», Гатчина, 2012 г.) [1] имеет разброс энергии выведенного пучка ΔЕ/Е ≈ 1%, что составляет ΔЕ ~ 10 МэВ при максимальной энергии протонов 1000 МэВ (Г.Д. Алхазов, Г.М. Амальский, С.Л. Белостоцкий и др. "Энергетический разброс выведенного пучка синхроциклотрона ЛИЯФ АН СССР», Препринт ФТИ-323, Ленинград, 1972 г.) [2].
Такая относительно низкая монохроматичность энергии р-пучка исключает возможность проведения ряда экспериментов, где требуется спектроскопическая точность энергии протонов, например, при исследованиях в области физики ядра (O.V. Miklucho et. Al. "Investigation Nuclear Medium Effect on Characteristics of Proton-Proton Scattering at 1 GeV" SPNPI High Energy Physics Physics Division Main Scientific Activities 2002-2006. 2007, p. 184-191.) [3], в области медицины и лечении больных с использованием «пика Брэгга» (О.В. Савченко. «40 лет протонной терапии на синхроциклотроне и фазотроне лаборатории ядерных проблем ОИЯИ», Препринт 39-2007-85, Дубна, 2007) [4], а также при испытании надежности радио-интегральной аппаратуры авиа-космического назначения к воздействию атмосферных и космических протонов и нейтронов, обладающих определенными энергетическими спектрами (Е.М. Иванов, Г.Ф. Михеев, С.А. Артамонов и др. «Устройство для радиационного облучения электроники авиакосмического назначения протонами с использованием синхроциклотрона». Патент №2680151, 2018 г.) [5].
В качестве аналога выбраны известные способ и устройство, описанные в (А. Бенфорд «Транспортировка пучков заряженных частиц», Атомиздат, М., 1969) [6].
Сущность способа-аналога заключается в воздействии магнитным полем на линейно двигающиеся из СЦ протоны и преобразовании их движения в круговые траектории с распределением их энергий по отдельным траекториям.
Сущность устройства-аналога заключается в использовании двух дополнительных с СЦ устройств, осуществляющих такое преобразование движения протонов и их монохроматизацию.
i
i
i
i
i
Объясним подробно. Монохроматизация энергии р-пучка в способе-аналоге осуществляется следующим образом. Выведенный из СЦ и линейно двигающийся пучок протонов с разбросом энергии ΔЕ попадает в постоянное магнитное поле дополнительного устройства (магнитного спектрометра), где каждый из протонов двигается согласно уравнению движения заряженной частицы в постоянном магнитном поле по дуге радиуса R в соответствии с величиной своей энергии E. Таким образом, если до входа в магнитное поле протоны двигались по осевой прямой линии, то в спектрометре они двигаются веерообразно и на выходе из спектрометра занимают полосу с линейно изменяющейся энергией протонов вдоль этой полосы. Выбирая из этой полосы при помощи коллиматора с шириной щели δL протоны с энергиями E получают на выходе из коллиматора только часть пучка протонов с разбросом энергии δE/E. Чем уже ширина щели коллиматора δL, тем выше степень монохроматизации энергии в этой части пучка и тем больше потеря флюэнса. (При расходящимся р-пучке коллиматор может находиться и перед магнитным спектрометром).
-3
Недостатком способа-аналога является невысокая степень монохроматизации энергии ~10, значительная потеря флюенса протонов из-за необходимости их коллимирования.
Недостатком устройства-аналога для осуществления способа является необходимость применения дополнительных к СЦ двух громоздких и энергоемких устройств в виде отклоняющего магнитного спектрометра и коллиматора.
В качестве прототипа выбран способ монохроматизации энергии ускоренного пучка заряженных частиц в высокочастотном ускорителе и устройство, описанное в (В.В. Петренко, В.В. Калашников, А.А. Никитушкин, Авторское свидетельство №1109032 «Способ монохроматизации энергии пучка высокочастотного ускорителя и устройство для его осуществления» 27.01.1983 г.) [7].
Предварительно поясним, что устройство, описанное в прототипе и предлагаемое устройство, относятся к высокочастотным ускорителям заряженных частиц и имеют единый способ их ускорения путем многократной проводки частиц через ускоряющие промежутки с высокочастотным электрическим полем (в частности, резонаторы, дуанты, дрейфовые трубки и т.п.). В этих ускорителях ускоренные пучки имеют пространственно-временную структуру в виде последовательности импульсов ускоренных частиц с разбросом энергии ~ 5% (А.Н. Лебедев, А.В. Шальков «Основы физики и техники ускорителей», М., Энергоиздат, 1991.) [8], (Добвня А.Н., Петренко В.В., «О возможности монохроматизации пучка линейного ускорителя электронов с энергией 2 Гэв на основе дегруппирующих свойств системы формирования», ЖТФ, 41, 776, 1971) [9].
Сущность способа-прототипа заключается в силовом воздействии электромагнитными полями на выведенный из высокочастотного ускорителя пучок с целью трансформации его пространственно-временной структуры и монохроматизации энергии его пучка. Для уменьшения разброса энергии осуществляется первоначальная дегруппировка и последующая монохроматизация энергии пучка заряженных частиц. Процесс дегруппировки осуществляется путем воздействия на пучок сначала поперечным высокочастотным электрическим полем, а затем продольным аксиально-симметричным магнитным полем для «растяжения» сгруппированного по фазам пучка. Последующий процесс их монохроматизации энергии осуществляется путем воздействия на пучок продольным высокочастотным электрическим полем.
Сущность устройства-прототипа заключается в реализации способа монохроматизации энергии пучка в высокочастотном ускорителе путем добавления к ускорителю двух устройств: дегруппирователя пучка и монохроматизатора пучка. Дегруппирователь состоит из высокочастотного дефлектора и магнитного соленоида. Монохроматизатор состоит из высокочастотной секции с бегущей волной и системы поворотных электромагнитов.
Недостатком способа-прототипа является его сложность и неэффективность использования для высокочастотных ускорителей типа синхроциклотрон из-за относительно низкой, ~ в 10 раз, частоты ускорения протонов в его дуантной системе (10-20 МГц).
Недостатком устройства-прототипа является сложность, громоздкость и энергоемкость конструкции, и необходимость сочленения его со «штатным» оборудованием ускорителя для диагностики его выведенного пучка.
Цель изобретения - увеличение степени монохроматизации энергии протонного пучка СЦ без потери его флюенса. Для достижения цели нами предложен принципиально другой способ монохроматизации энергии протонов пучка СЦ и устройство для его осуществления.
-4
-5
Технический эффект предлагаемого изобретения - увеличение степени монохроматизации энергии протонов пучка СЦ δЕ/Е ≈10÷10 без потери флюэнса при существенном упрощении конструкции его реализации.
Технический эффект достигается тем, что:
1. В способе монохроматизации энергии протонов пучка синхроциклотрона с помощью воздействия на ускоренные протоны электрическими и магнитными полями новым является то, что воздействие на пучок протонов производится внутри ускорительной камеры синхроциклотрона и заключается в предварительной пространственной трансформации ускоренного до максимальной энергии банча протонов в циркулирующий тороид из вращающихся протонов путем прекращения их дальнейшего ускорения отключением напряжения с дуанта и в последующей резонансной раскачке амплитуд радиальных колебаний протонов в тороиде для заброса их в систему вывода из камеры синхроциклотрона при помощи воздействия на тороидальный пучок протонов на локальном участке его орбиты горизонтальным импульсным электрическим полем, программно промодулированным по частоте заполнения и по амплитуде в пределах спектра частот бетатронных радиальных колебаний протонов в тороиде.
2. В устройстве для осуществления способа монохроматизации энергии протонов пучка синхроциклотрона, состоящем из сихроциклотрона с набором устройств и радиотехнических блоков для его работы, в том числе дуанта и генератора высокочастотного напряжения, новым является то, что в сихроциклотрон для его работы дополнительно в вакуумную камеру синхроциклотрона вводится дефлектор-электрод горизонтального электрического поля, а в состав радиотехнических блоков синхроциклотрона дополнительно вводятся генератор радиоимпульсов для дефлектора и связанный с ним блок модуляции его частоты и амплитуды, и вводится блок управления, подключенный цепями связи к генератору радиоимпульсов, к генератору высокочастотного напряжения на дуанте и к дуанту.
На Фиг. 1а, б условно показаны схемы, поясняющие принцип реализации предложенного способа и устройство для его осуществления.
1. Ускорительная вакуумная камера СЦ.
1а. Вакуумные насосы откачки камеры 1.
2. Дуант СЦ.
3. Ускоряющая щель, образующая ускоряющий промежуток дуанта 2.
4. Генератор высокочастотного (ВЧ) напряжения на дуанте 2.
5. Вариаторы частоты, задающие закон изменения частоты f(t) напряжения на дуанте 2.
6. Система вывода ускоренных протонов из камеры 1 СЦ.
7. Ускоряемый сгусток протонов (банч), находящийся на радиусе R(f) с энергией E(R).
max
max
8. Циркулирующий кольцевой пучок протонов (тороид), находящийся на радиусе R с энергией E.
9. Дефлектор - электрод для раскачки амплитуд радиальных колебаний протонов в тороиде 8.
10. Генератор радиоимпульсов для дефлектора 9.
11. Модулятор частоты и амплитуды генератора 10.
12. Блок управления генератором радиоимпульсов 10 и генератором ВЧ 4.
13. Связь для управления работой генератора 10.
14. Связь для управления работой генератора ВЧ 4.
15. Связь для синхронизации блока 12 с дуантом 2.
16. Электрическое поле E(t) дефлектора 9.
17. Окно для вывода протонов.
18. Выведенный из камеры 1 монохроматизированный по энергии протонный пучок.
О - центр магнитного поля СЦ.
- вектор магнитного поля
R(f) - радиус ускоряемого банча 7 при частоте f на дуанте 2.
max
R - радиус циркулирующего пучка протонов в момент отключения напряжения с генератора 4 и превращения ускоряемых протонов из банча 7 в тороид 8.
max
2ΔR; - радиальные размеры ускоряемого банча протонов 7 при его ускорении до радиуса R.
ϕ - угловая координата банча 7.
- вектор электрического поля дефлектора 9.
10
U(t) - радиоимпульсы от генератора 10.
10
10
f - частота заполнения радиоимпульса U(t).
10
10
τ - длительность радиоимпульса U(t).
- частота бетатронных радиальных колебаний протонов, находящихся на радиусе R, где n(R) - показатель спада магнитного поля СЦ на радиусе R, f(R) - частота дуанта f(t) в момент нахождения протонов на радиусе R.
Т - период циклов работы СЦ.
t - реальное время.
Предварительно поясним стандартный режим работы СЦ, Фиг. 1а (А.Н. Лебедев, А.В. Шальков. «Основы физики и техники ускорителей», М. Энергоатомиздат, 1991) [8] и [1], [2].
max
В ускорительной вакуумной камере СЦ 1 расположен ускоряющий протоны дуант 2. Питание дуанта 2 высокочастотным высоковольтным напряжением происходит от генератора ВЧ 4. Вариаторы 5 изменяют резонансную частоту дуанта 2 по закону f(t) в соответствии с изменением радиуса R(f) и энергией E(f) ускоряемых протонов, [1], стр. 107-124. Ускоряемые дуантом 2 протоны группируются в форму сгустка (банча) 7 с размерами: ширина 2ΔR, высота 2ΔZ, и угловым размером Δϕ. Банч протонов 7 формируется в центре СЦ 0 при работе плазменного источника ионов типа Пеннинга. Так например, для СЦ-1000 [1] поперечные размеры банча 7: радиальные 2ΔR ≈ 10÷15 см, вертикальные 2ΔZ ≈ 4÷6 см, азимутальные Δϕ ≈ 60°. В процессе ускорения дуантом 2 банч 7 двигается по спирали увеличивающегося радиуса R(f) по часовой стрелке. При достижении банчем 7 радиуса вывода R банч попадает в зону действия системы вывода 6, (Н.К. Абросимов, Г.А. Рябов «Эффективность регенеративного вывода пучка из синхроциклотрона». Труды IV Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. М., 1975, т. 1, с. 250-253) [10], и протоны выводятся из СЦ по направлению 18 для проведения экспериментов на р-пучке. За время вывода протонов Δτ генератор ВЧ 4 продолжает работать и ускорять протоны, что и приводит к увеличению энергии выведенного пучка на величину Е+ΔЕ. Так, например, для СЦ-1000 увеличение энергии протонного пучка за время его вывода составляет ~ 10 МэВ, ΔЕ/Е ≈ 1%, [2]. Поэтому для монохроматизации энергии протонов и в способе-аналоге и в способе прототипе осуществляется воздействие на выведенный из ускорителя протонный пучок с использованием дополнительных устройств.
Предложенный нами способ монохроматизации энергии протонов принципиально отличается от известных и заключается в воздействии не на выведенный из камеры 2 СЦ пучок протонов, а непосредственно на циркулирующие в ускорительной камере протоны и последующим их выводом из камеры СЦ.
-4
-5
Объясним подробно. Протоны в банче во время его ускорения удерживаются силами магнитной фокусировки и совершают относительно своей осевой линии R (f) свободные (бетатронные) колебания по вертикали с частотой  и по горизонтали (по радиусу) с частотой  где f(R) - частота дуанта в момент нахождения банча 7 на радиусе R(f), n - показатель спада магнитного поля, [1], стр. 100-102. Энергия протонов E(f) при бетатронных колебаниях не меняется. В азимутальном направлении протоны в банче 7 совершают азимутальные синхротронные колебания, при этом их энергия изменяется в пределах δЕ/Е≈10÷10 в соответствии с принципом фазовой фокусировки Векслера-Мак-Миллана [1], стр. 109-113, т.е. протоны в банче обладают высокой степенью монохроматизации энергии.
Сущность предлагаемого способа монохроматизации энергии заключается в сохранение этой высокой степени монохроматизации и в выведенном из СЦ протонном пучке.
Сущность предлагаемого устройства заключается в реализации способа, для чего вводятся в устройство СЦ дополнительные блоки-устройства: дефлектор 9, генератор радиоимпульсов 10, модулятор частоты и амплитуды генератора радиоимпульса 11, блок управления 12 генератором радиоимпульсов 10 и генератором ВЧ 4, а также цепь синхронизации 15 между дуантом 2 и блоком управления 12.
max
max
max
-4
-5
-4
-5
10
10
10
R
10
R
10
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Предварительно до начала вывода протонов из камеры СЦ 1 производится, как и в способе-прототипе, дегруппировка р-пучка. Для этого банч протонов 7 принудительно трансформируется (преобразуется) в кольцевой циркулирующий пучок протонов 8 (тороид). Превращение банча 7 в тороид 8 производится путем выключения ускоряющего напряжения с дуанта 2 в момент окончания ускорения дуантом 2 банча 7, достигшего радиуса R. Для этого блок управления 12 по цепи синхронизации 15 «следит» за частотой f(t) на дуанте 2 и при величине f(t), соответствующей нахождению банча 7 на радиусе R выключает генератор дуанта 4 [1]. Отключение ВЧ-напряжения с дуанта 2 приводит к «исчезновению» азимутальной фокусировки протонов и протоны за счет разброса энергий в банче 7 и кулоновского отталкивания «разбегаются» друг от друга по азимуту и занимают форму тороида 8 с радиусом кольца тороида R, т.е. происходит полная 100% дегруппировка р-пучка. Поперечное сечение «трубы тороида» имеет овальную форму - такую же, как и у банча 7: размер по вертикали 2ΔZ, размер по радиусу 2ΔR. Разброс энергии δЕ/Е≈10÷10 в банче 7 сохраняется и в тороиде 8, то есть протоны в тороиде 8 являются практически монохромными по энергии. Интервал времени превращения банча в тороид много меньше периода цикла ускорения СЦ. Одновременно с отключением ВЧ-напряжения с дуанта 2 включается электрическое поле  16 на дефлектор 9 при помощи генератора радиоимпульсов 10, блока управления 12 и цепи синхронизации 15 между дуантом 2 и блоком управления 12. Вид радиоимпульса U(t) показан на Фиг. 1б. Частота заполнения радиоимпульса f выбирается равной частоте бетатронных радиальных колебаний протонов в тороиде 8 (f=f). Так как частота колебаний f электрического поля  выбирается равной частоте f горизонтальных бетатронных (радиальных) колебаний протонов в тороиде 8, то воздействие горизонтальной составляющей поля  приводит к резонансному возбуждению колебаний протонов в тороиде 8 и к возрастанию амплитуд колебаний протонов в тороиде 8. Увеличение амплитуд их колебаний приводит к забросу протонов в зону действия системы вывода 6 и протоны выводятся из камеры 1 через окно 17 по направлению 18. Так как разброс энергии протонов в тороиде 8 был обусловлен синхротронными колебаниями протонов δЕ/Е≈10÷10, то таким он и сохраняется в выводном пучке 18. Длительность монохроматизированного по энергии пучка протонов регулируется изменением амплитуды радиоимпульсов U(t) в генераторе 10.
10
10
R
10
R
R
R
R
R
10
10
10
10
10
R
R
10
Отметим дополнительные особенности предложенного способа. Согласно предложенному способу частота заполнения f радиоимпульсов U выбирается равной частоте бетатронных радиальных колебаний fпротонов в тороиде f=f. Однако, известно, что бетатронные колебания fв тороиде 8 обладают некоторым разбросом частот Δf/f ≈ 1÷5%. Этот частотный спектр Δf в тороиде 8 может быть экспериментально измерен известным способом: (Е.М. Иванов, Г.Ф. Михеев. «Способ измерения частот поперечных некогерентных колебаний заряженных частиц, ускоряемых в синхроциклотроне». Патент №2687083, 2018) [11]. Поэтому, для эффективного резонансного воздействия электрическим полем  16 на колебания протонов в тороиде 8 необходимо, чтобы частота f генератора радиоимпульса U имела девиацию частоты Δf, равную частотному спектру бетатронных радиальных колебаний протонов в тороиде 8, Δf/f=Δf/f. Для этого частота f генератора радиоимпульса 10 программно изменяется (модулируется) по линейному закону в пределах спектра частот бетатронных радиальных колебаний протонов в циркулирующем тороиде 8 путем введение блока модулятора 11.
Отметим преимущества предложенного способа и устройства монохроматизации энергии протонов пучка СЦ по сравнению с известными:
-4
-5
1. Разброс энергии выводимого пучка протонов равен разбросу энергии в тороиде 8 и составляет ΔЕ/Е≈10÷10, т.е. на несколько порядков выше, чем в известных способах.
2. Монохроматизация энергии происходит без потери флюэнса p-пучка.
3. В предлагаемом устройстве, в отличие от энергоемких и громоздких устройств, используемых в аналоге и прототипе, используется стандартная радиоаппаратура из набора для контроля и работы любого СЦ [1], находящаяся в системе управления на пульте СЦ: генератор радиоимпульсов 10, модулятор частоты 11, блок управления 12, цепи синхронизации 13,14,15, и стандартный электрод 9.
Способ был промоделирован на СЦ-1000 МэВ НИЦ КИ - ПИЯФ.
max
-4
10
10
10
10
В качестве дефлектора 9 для раскачки амплитуд радиальных колебаний протонов использовались пластины С-электрода от стандартной системы временной растяжки протонного пучка [1] стр. 274-282, рис. 7.1. Для этого С-электрод перемещали по радиусу в зону R>R для устранения азимутального воздействия поля С-электрода на циркулирующий тороидальный пучок 8, рис. 1а. В качестве генератора радиоимпульсов 10 использовался стандартный генератор на частоту 10-15 МГц с усилителем амплитуды сигнала до величины U(t)=1000 в. Частота f выбиралась в диапазоне частот радиальных бетатронных колебаний протонов f=13,3÷13,5 МГц при модуляции частот в пределах 10-100 кГц. Время вывода Δτ протонного пучка из камеры синхроциклотрона 1 зависит от амплитуды U (t) генератора 10 и достигало величины периода Т. Интенсивность выведенного монохроматизированного р-пучка составляет 20-30% от числа протонов в тороиде 8, что соответствует стандартной величине коэффициента вывода протонного пучка из синхроциклотрона [10]. Разброс энергии протонов в выведенном пучке 18 оценивается величиной ΔЕ/Е ≈ 10.
На основании достигнутых положительных результатов при моделировании предложенного способа и устройства планируется изготовление специального отдельного электрода 9 для радиальной раскачки протонов в тороиде 8 и радиоаппаратуры 10, 11, 12 для организации на СЦ-1000 штатного режима монохроматизации энергии его протонного пучка.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев «Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики», Гатчина, 2012 г.
[2] Г.Д. Алхазов, Г.М. Амальский, С.Л. Белостоцкий и др. «Энергетический разброс выведенного пучка синхроциклотрона ЛИЯФ АН СССР». Препринт ФТИ-323, Ленинград, 1972 г.
[3] O.V. Miklucho et. al. "Investigation Nuclear Medium Effect on Characteristics of Proton-Proton Scattering at 1 GeV" SPNPI High Energy Physics Division Main Scientific Activities 2002-2006. 2007, p. 184-191.
[4] O.B. Савченко «40 лет протонной терапии на синхроциклотроне и фазотроне лаборатории ядерных проблем ОИЯИ». Препринт З9-2007-85, Дубна, 2007.
[5] Е.М. Иванов, Г.Ф. Михеев, С.А. Артамонов и др. «Устройство для радиационного облучения электроники авиакосмического назначения протонами с использованием синхроциклотрона». Патент №2680151, 2018 г. [6] Аналог. А. Бенфорд «Транспортировка пучков заряженных частиц», Атомиздат, М., 1969, с. 199.
[6] А. Бенфорд «Транспортировка пучков заряженных частиц», Атомиздат, М., 1969.
[7] Прототип. В.В. Петренко, В.В. Калашников, А.А. Никитушкин, Авторское свидетельство №1109032 «Способ монохроматизации энергии пучка высокочастотного ускорителя и устройство для его осуществления» 27.01.1983 г.
[8] А.Н. Лебедев, А.В. Шальков «Основы физики и техники ускорителей», М., Энергоиздат, 1991.
[9] Добвня А.Н., Петренко В.В. «О возможности монохроматизации пучка линейного ускорителя электронов с энергией 2 Гэв на основе дегруппирующих свойств системы формирования», ЖТФ, 41, 776, 1971.
[10] Н.К. Абросимов, Г.А. Рябов. «Эффективность регенеративного вывода пучка из синхроциклотрона» Труды IV Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. М., 1975, т. 1, с. 250-253.
[11] Е.М. Иванов, Г.Ф. Михеев «Способ измерения частот поперечных некогерентных колебаний заряженных частиц, ускоряемых в синхроциклотроне». Патент №2687083, 2018.