СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РАЗБРОСА ПУЧКА ЧАСТИЦ В ЦИКЛОТРОНЕ
METHOD OF REDUCING ENERGY SPREAD OF PARTICLE BEAM IN CYCLOTRON

Область техники
Изобретение относится к области циклотронной техники и может быть использовано в компактных изохронных циклотронах, имеющих систему, добавляющую к основной ускоряющей частоте ее гармоники. Наличие конечного азимутального размера пучка, приводящее к тому, что частицы находятся при разных фазах синусоидальной зависимости от времени ускоряющего поля, является причиной неравномерного набора энергии частицами в процессе ускорения. Энергетический разброс в получаемом пучке ускоренных частиц является одной из основных характеристик, определяющих качество пучка. Для уменьшения энергетического разброса в ускоренном пучке необходимо, чтобы все частицы в процессе ускорения имели одинаковый набор энергии при прохождении ускоряющих зазоров.
Уровень техники
Известны способы уменьшения энергетического разброса в ускоренном пучке частиц в циклотронах: 1. Создание системы инжекции, обеспечивающей ускорение одиночного сгустка частиц в компактном циклотроне [1]. Идея способа состоит в том, что в линии аксиальной инжекции пучка устанавливается устройство импульсного электрического поля для отклонения частиц от осевой линии инжекции. Расположенный далее вдоль линии коллиматор пропускает лишь те сгустки частиц, которые не были отклонены от оси инжекции. Режим ускорения одиночного сгустка позволяет избавиться при выводе частиц из вакуумной камеры ускорителя от ионов, выводимых с внутренних орбит вблизи конечной энергии, обеспечивая тем самым снижение энергетического разброса в выведенном пучке. Эффект имеет место лишь в компактном циклотроне при наличии перекрытия соседних орбит на конечном радиусе установки. Недостатком способа является неизбежность двухоборотного вывода частиц сгустка, что несколько снижает моноэнергетичность выведенного пучка и требует дополнительной системы отсечения частиц, выводимых со второго оборота, устанавливаемой на выходе из циклотрона. 2. Другим способом снижения энергетического разброса в выведенном пучке частиц является формирование очень коротких по времени сгустков ионов в центральной зоне циклотрона при помощи так называемых "фазовых" щелей [2]. Частицы при пересечении 1-го ускоряющего зазора получают энергию в зависимости от фазы ВЧ прохождения зазора. Далее, за счет магнитного поля циклотрона частицы получают сдвиг по радиусу в зависимости от полученной энергии на первом зазоре, т.е. в зависимости от ВЧ-фазы частиц. Устанавливая коллиматоры (щели) в выделенных точках орбит ионов, где достигается максимальное разделение частиц по ВЧ-фазам, возможно селектирование коротких по времени сгустков частиц (узкий диапазон ВЧ-фаз в пучке) для дальнейшего ускорения. Таим образом, частицы, находящиеся в пучке, имеющем минимальную азимутальную протяженность, получают практически равный набор энергии, так как проходят ускоряющие промежутки при практически равной величине ускоряющего напряжения. Недостатком способа является существенное снижение интенсивности ускоряемых частиц за счет "фазовых" щелей, а также невозможность достижения достаточно коротких сгустков этим способом за счет децентрирования орбит и конечных амплитуд свободных радиальных колебаний в пучке 3. Наиболее близким к указанному изобретению способом уменьшения энергетического разброса пучка является применение ускоряющей системы с использованием сложения гармонических колебаний первой и последующих кратностей, так называемый режим с плоской (flat-top) вершиной [3]. Генератор высокой частоты создает электрическое поля, действующее в ускоряющих промежутках, и настроен таким образом, что волна ускоряющего поля имеет форму синусоиды и частота совпадает с частотой обращения заряженных частиц в циклотроне. Основной причиной разброса по энергии в изохронных циклотронах является то, что в процессе ускорения частицы, имеющие различные фазы, попадают в ускоряющие промежутки в различные моменты времени, попадают на различные участки синусоиды ускоряющей волны и получают различные приросты энергии (Фиг.1а). При многократном прохождении ускоряющих промежутков в процессе ускорения разница в наборе энергии для различных частиц накапливается, и выводимый пучок имеет значительный разброс по энергии. Суть способа уменьшения разброса по энергии состоит в том, что гармонические колебания основной и дополнительных волн складываются таким образом, чтобы вершина кривой ускоряющего напряжения была бы возможно более плоской (Фиг.1в). Если все частицы, захваченные в режим ускорения, будут располагаться на этом плато, то все частицы пучка в процессе ускорения будут набирать одинаковую энергию. Существенными недостатком описанного способа является то, что набег фаз между двумя последовательными прохождениями ускоряющих зазоров должен быть кратен 180 градусам. При работе в режимах ускорения, когда набег фаз между последовательным прохождением зазоров не кратен 180 градусам ВЧ-пучок проходит ускоряющие промежутки не на вершинах ускоряющей волны и применение данного способа невозможно.
Раскрытие изобретения
Сущность настоящего изобретения заключается в том, к основной частоте ускоряющего поля добавляется гармоника таким образом, что область кривой напряжения результирующего ускоряющего поля, на которой находится пучок при прохождении ускоряющего зазора, становится линейной, и если частицы в процессе ускорения проходят ускоряющие зазоры, находясь на спадающих и растущих частях кривой результирующей волны, то имеет место компенсация разницы в наборах энергии частицами при последовательном прохождении частицами ускоряющих зазоров в процессе ускорения, и конечный разброс по энергии уменьшается.
Отличительными признаками изобретения являются: 1. Добавление гармоник к основной ускоряющей частоте в изохронных циклотронах таким образом, что область кривой ускорения, на которой находится ускоряемый пучок при прохождении ускоряющих промежутков, становится линейной; 2. Использование имеющихся на циклотронах систем, добавляющих гармоники к основной частоте, включенных определенным образом для достижения поставленной задачи; 3. Компенсация разницы в наборах энергии частицами при последовательном прохождении ускоряющих зазоров и, как результат, уменьшение энергетического разброса в ускоренном пучке. Совокупность вышеуказанных признаков позволяет решить нижеуказанную задачу.
Технической задачей, выполняемой изобретением, является уменьшение энергетического разброса пучка в циклотроне вследствие постоянной компенсации разницы в наборах энергии частицами при последовательном прохождении ускоряющих промежутков.
Перечень фигур.
Фиг.1. Процесс формирования плоской вершины ускоряющей волны.
Фиг.2. Общий вид AVF-циклотрона.
Фиг.3. Резонансные линии AVF-циклотрона.
Фиг.4. Радиальный и продольный эмиттансы на конечном радиусе ускорения с использованием только основного ускоряющего поля.
Фиг.5. Принцип компенсации энергетического разброса (1 - основная волна ускоряющего поля, 2 - основная волна плюс дополнительная третья гармоника).
Фиг.6. Относительный набор энергии частицами пучка после прохождения двух ускоряющих зазоров одного дуанта в зависимости от фазы частицы при работе только с основной частотой ускоряющего поля.
Фиг.7. Относительный набор энергии частицами пучка после прохождения двух ускоряющих зазоров одного дуанта в зависимости от фазы частицы при работе с волной ускоряющего поля, полученной суммированием основной частоты и третьей гармоники.
Фиг.8. Радиальный и продольный эмиттансы на конечном радиусе ускорения с использованием основного ускоряющего поля с третьей гармоникой, добавленной с тем же знаком.
Осуществление изобретения
Способ уменьшения энергетического разброса в ускоренном пучке для изохронных циклотронов включает наличие дополнительной к основной резонансной линии, добавляющей гармоники к основной частоте ускоряющего поля. Дополнительным требованием является такой режим работы ускорителя, при котором пучок ускоряемых частиц, последовательно проходящий два ускоряющих зазора одного дуанта циклотрона, находится соответственно на спадающей и на возрастающей (возрастающей и спадающей) частях ускоряющей волны. Для уменьшения разницы в наборе энергии частицами пучка после последовательного прохождения двух ускоряющих зазоров необходимо создать добавляемую гармонику таким образом, чтобы область результирующей ускоряемой волны была линейна в области нахождения пучка при прохождении им ускоряющего зазора. При работе с такой кривой ускоряющего напряжения возникает явление компенсации разницы в наборах энергии у частиц. Ускоренный пучок имеет более чем на порядок меньший энергетический разброс (Фиг.6) по сравнению с пучком, ускоренным с применением только основной частоты (Фиг.2). Меньший разброс по энергии ведет к меньшему азимутальному размеру пучка и к большей его применимости в прикладных и фундаментальных исследованиях.
Пример выполнения способа.
Для исследования способа уменьшения разброса по энергии в изохронных циклотронах было проведено моделирование динамики частиц в AVF-циклотроне (RIKEN, Япония) при работе на первой гармонике ускоряющего поля. Циклотрон имеет два ускоряющих дуанта с угловым размером 84° ВЧ (4, Фиг.2). Вывод частиц осуществляется при помощи электростатического дефлектора (3, Фиг.2) и магнитного канала (2, Фиг.2), для уменьшения азимутального разброса имеются фазовые щели (5, Фиг.2). На фигуре 3 приведена основная резонансная линия (1), имеющаяся на ускорителе с дополнительной flat-top системой (6). Моделирование велось с использованием пучка протонов, состоящим из 2000 частиц и стартующим перед входом в инфлектор. Ускорение велось до конечного радиуса, и исследовались эмиттансы пучка перед входом в выводную систему. При работе ускорителя только на основной частоте ускоряющего поля энергетический разброс составляет около 2.5% от средней энергии (Фиг.4).
При моделировании был исследован способ добавления третьей гармоники к основному ускоряющему полю с целью уменьшения энергетического разброса в пучке ускоренных частиц, но не в известной всем форме, когда она добавляется с противоположным к основной волне знаком, а добавление ее со знаком основной волны. Данная цель была достигнута с помощью использования имеющейся flat-top системы. Процесс компенсации разброса по энергии схематически показан на фиг.5.
При существующем угловом размере дуантов данного циклотрона при ускорении на первой гармонике ВЧ-поля частицы должны проходить ускоряющие зазоры при ±48 градусах ВЧ, что показано на чертеже вертикальными пунктирными линиями. На чертеже представлены два последовательных положения ускоряемого пучка при прохождении двух зазоров одного дуанта. При прохождении первого ускоряющего зазора частицы, смещенные по фазе в отрицательную сторону, получат больший прирост энергии по сравнению с центральной частицей, а частицы, имеющие большую фазу - меньший. При прохождении второго зазора ситуация полностью противоположная. Но вследствие того что функция косинуса нелинейная на участке, занимаемым пучком (8, Фиг.5), прирост энергии на первом зазоре, скажем для частиц, имеющих меньшую фазу, неполностью компенсируется недобором энергии на втором зазоре. В результате неполной компенсации разницы по набору энергии для крайних частиц разброс по энергии накапливается в процессе ускорения. Данную проблему можно решить путем линеаризации участка ускоряющей волны. Математические расчеты дают, что для линеаризации области синусоиды с центром пучка, находящимся на 48 градусах ВЧ-поля, необходимо добавить к основной ускоряющей волне третью гармонику со знаком основной волны и амплитудой 0.1 от основной гармоники. Результирующая волна показана на фиг.5 (7). Для сравнения на фигурах 6 и 7 показан набор энергии при прохождении двух ускоряющих зазоров одного дуанта в зависимости от фазы частицы. Расчеты динамики показали, что использование такого способа позволяет уменьшить энергетический разброс в 12 раз (Фиг.8).
Литература
1. N.Inabe, M.Kase, Т.Kawama, M.Hemmi, О.Kamigaito, M.Nagase, I.Yokoyama, A.Goto, Y.Yano, Development of a New Type of Single-Bunch Selector, RIKEN Accel. Prog. Rep.27,1993.
th
2. A.Goto, T.Kageyama, K.Hatanaka, Y.Yano, Study of beam optics for the injector AVF cyclotron at RIKEN, Proceedings of the 12 Int. Cyc. Conf, Berlin, 1989.
3. S.Kohara, A.Goto, N.Sakamoto, O.Kamigaito, S.Watanabe, T.Teranishi, T.Katayama, Y.Chiba, M.Kase, Y.Yano, Nucl. Inst. and Methods in Physics Research, A526, 2004.p.230-238.