СПОСОБ ФОКУСИРОВКИ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
METHOD FOR FOCUSING BEAMS OF CHARGED PARTICLES

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для жесткой фокусировки пучков заряженных частиц в циклических и линейных ускорителях и накопителях заряженных частиц.
Известны способы жесткой фокусировки частиц с использованием многополюсных магнитных полей. Градиентные магнитные поля, отклоняя частицы к оси и от оси фокусирующей системы, осуществляют жесткую фокусировку пучка.
Для осуществления жесткой фокусировки пучков заряженных частиц используют квадрупольные магнитные линзы. Магнитный потенциал в таких линзах равен М=Gxy, где G=В/а - градиент магнитного поля линзы (где а - апертура рабочей области линзы, В - максимальное значение магнитной индукции в рабочей области, x и y - поперечные координаты фокусирующей системы). Для формирования магнитного потенциала М рабочие поверхности полюсов линзы должны быть выполнены в виде равнобочных гиперболических цилиндров. На практике используют более простые поверхности магнитных полюсов, но это приводит к уменьшению рабочей области поля, в которой G=const, и снижению максимальной величины поля этой области. Фокусирующее действие квадрупольных линз связано с поочередным отклонением частиц к оси и от оси фокусирующей системы. В результате этого действия осуществляется жесткая фокусировка пучка.
В качестве прототипа выбираем способ фокусировки с использованием 4-полюсных (квадрупольных) магнитных линз, которые применяются в современных ускорителях заряженных частиц (например, 1. Е.М. Сыресин, В.А. Михайлов, А.В. Тузиков и др. «Проект Сверхпроводящего Медицинского Синхротрона для Адронной Терапии» // Письма в ЭЧАЯ. 2012. Том 9, №2 (1720. С. 328-34. 2. Дж. Ливингуд «Принципы работы классических ускорителей», издательство иностранной литературы, Москва, 1963, с. 389-413). При формировании магнитных полей в квадрупольных линзах магнитный потенциал в рабочей области поля равен М=Gxy (G - градиент магнитного поля, x и y - поперечные координаты системы). В такой линзе частицы в одном из поперечных направлений отклоняются к оси системы, а в другом от оси системы. Две квадрупольные линзы с разной полярностью полей фокусируют частицы в обоих направлениях, (например, Дж. Ливингуд «Принципы работы классических ускорителей», издательство иностранной литературы, Москва, 1963, с. 389-413).
Недостатком способа фокусировки с использованием квадрупольных линз является существование дефокусировки в одном из взаимно перпендикулярных направлений, что снижает жесткость фокусирующей системы.
Предполагаемое изобретение решает задачу увеличение жесткости фокусирующей системы.
Способ заключается в том, что формируют систему магнитных полей, поочередно отклоняют ими частицы к оси и от оси системы, осуществляя таким образом жесткую фокусировку частиц, частицы отклоняют полями диполей, имеющих противоположную полярность магнитной индукции, при этом частицы движущиеся по оси фокусирующей системы приобретают суммарный импульс силы, равный нулю, а частицы, которые движутся вне оси, приобретают суммарный импульс силы, отличный от нуля, действие которого всегда отклоняет частицы к оси системы. При использовании однородных полей в диполях величина суммарного импульса силы находится в зависимости от длины траектории частицы в полях противоположной полярности.
Отличительными признаками заявляемого способа является следующее.
Частицы отклоняют полями диполей, имеющих противоположную полярность магнитной индукции, при этом частицы, движущиеся по оси фокусирующей системы, приобретают суммарный импульс силы, равный нулю, а частицы, которые движутся вне оси, приобретают суммарный импульс силы, отличный от нуля, действие которого всегда отклоняет частицы к оси системы. При использовании однородных полей диполей величина суммарного импульса силы зависит от длины траектории частицы в полях соседних диполей с противоположной полярностью.
Поставленная цель достигается тем, что совокупность всех существенных признаков позволяет осуществить жесткую фокусировку заряженных частиц магнитными полями диполей с разной полярностью магнитной индукции.
Перечень иллюстраций
На Фиг. 1 (Приложение). Представлена схема одного из вариантов элемента фокусирующей системы, состоящей из двух диполей с противоположной полярностью магнитной индукции (линзы), где:
1 - диполь с величиной индукции ±В,
2 - диполь с величиной индукции ,
3 - траектории частиц,
0
2х - продольный размер линзы,
α - угол наклона границы диполей к вертикальной оси,
Δх=ytgα - характеризует разность длины траектории, смещенной от оси частицы в диполях с разной полярностью,
y - величина смещения частицы от оси системы,
F - фокусное расстояние линзы.
Способ работает следующим образом.
1,y
1
1
Для одного из вариантов способа фокусировки, изображенного на Фиг. 1, формируют два однородных дипольных магнитным поля, которые имеют равную по величине, но разную по полярности магнитную индукцию В. В магнитном поле диполя 1 частицы приобретают импульс силы Р=νqBt=qBx, где:
q - заряд частицы,
ν - скорость частицы,
1
х - длина траектории смещенной частицы в диполе 1,
1
t - время движения смещенной частицы в диполе 1.
2,y
2
2
В поле диполя 2 частицы приобретенный импульс силы равен Р= -νqBt= -qBx, где:
2
х - длина траектории смещенной частицы в диполе 2,
2
t - время движения смещенной частицы в диполе 2.
1
2
0
1,y
2,y
1
2
1
2
Для частиц, которые движутся вдоль оси системы, х=х=х и суммарный импульс силы Р+Р=qBx-qBx=qB(x-х)=0.
1
0
2
0
1,у
2,у
Если частица смещена от оси в область у>0 то х=х-Δх, а х=х+Δх (Фиг. 1) Для таких частиц суммарный импульс силы равен Р+Р=-qB(2Δx), который отклоняет частицы в направлении оси.
1
0
2
0
1,y
2,y
Для частиц, смещенных от оси в область у<0, х=х+Δх, а х=х-Δх. Суммарный импульс силы для таких частиц равен Р+Р=+2qBΔx. Такой суммарный импульс силы так же отклоняет частицы в направлении оси х.
В результате любая частица, если она движется не по оси будет отклоняться полями диполей к оси системы, т.е. фокусироваться.
Оценим жесткость системы фокусировки. Поскольку параметры Δх и у связаны соотношением (Фиг. 1) Δх=у⋅tgα, а угол наклона траектории частицы на выходе линзы Δϕ определяется равенством tgΔϕ=y/F (Фиг. 1), то величина фокусного расстояния линзы равна
где: у - координата смещенной от оси частицы,
Δϕ - угол наклона траектории частицы.
Используя следующие равенства
- циклический радиус частицы в поле В,
здесь:
М - масса частицы,
q - заряд частицы,
γ - релятивистский фактор,
v - скорость частицы.
Для сравнения фокусное расстояние короткой квадрупольной (4-полярной) магнитной линзы равно:
где l - длина линзы, a - апертура линзы.
кв
При условии равенства параметров tgα=tgβ, для получения фокусного расстояния дипольной линзы, равного фокусному расстоянию квадрупольной линз (F=F), потребуется в 2 раза меньшее по величине магнитное поле.
Если в предлагаемом варианте способа используют плоско-параллельные полюсные наконечники, то жесткая фокусировка реализуется только в одном из взаимно перпендикулярных направлений. Отсутствие дефокусировки частиц в данном направлении усиливает жесткость фокусирующей системы.
В другом направлении силы, действующие на частицы, отсутствуют и частицы свободно дрейфуют в линзе. Для фокусировки частиц в другом направлении используют фокусирующую систему с повернутыми на 90° диполями.
Возможность фокусировки частиц только в одном из взаимно перпендикулярных направлений позволяет использовать предлагаемый способ для жесткой фокусировки пучков частиц в вертикальном направлении в циклических ускорителях с показателем ведущего поля n>>1.
Для реализации способа потребуются магнитные поля с величиной индукции порядка (0,1-2) Тесла.