УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВОРОТА АХРОМАТИЧЕСКИХ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
APPARATUS FOR TURNING ACHROMATIC BEAMS OF CHARGED PARTICLES

Изобретение относится к области физики пучков заряженных частиц и ускорительной техники. Устройства для поворота немоноэнергетичных пучков (магнитные электронные зеркала) известны давно (В.М.Кельман, М.И.Корсунский, Ф.Ф.Ланге. «Магнитное электронное зеркало», ЖЭТФ 1939, т.9, вып.6, 1939). Однако практическая реализация этих схем (с образованием заряженными частицами траекторий в виде петель и без описания петель) по разным причинам не получила широкого распространения (сложность получения требуемых распределений магнитных полей, узкий диапазон величин поворота). У магнитных зеркал с траекториями без образования петель входное магнитное поле (поле рассеивания на краях полюсов) является дефокусирующим. Этот эффект расширения пучка по ширине щели зеркала остановил применение такой схемы поворота.
В связи с этим последующие ахроматические поворачивающие или смещающие магнитные системы стали содержать плоские поворотные магниты и фокусирующие системы (квадрупольные линзы), уменьшающие угловую расходимость пучка после поворота (W.K.H. Panofsky, J.A. McIntyre. Rev. Sci. Instr., 25, 287, 1954; В.В.Владимирский, Д.Г.Кошкарев. «Ахроматическая поворачивающая магнитная система», ПТЭ, 1958, №6, 46). Опыт создания подобной ахроматической системы для поворота электронного пучка импульсного ВЧ ускорителя ИЛУ-10 (50 кВт, 5 МэВ, разброс по энергии 15%) на 90 градусов (В.Л.Ауслендер, А.А.Брязгин и др. «Импульсный высокочастотный линейный ускоритель электронов ИЛУ-10», Radtech-Euroasia 1 (11), 2002) показал сложность применения ее в радиационном промышленном производстве. Основной трудностью стало нахождение оптимальных параметров большого числа элементов системы (2 поворотных магнита, 5 квадрупольных линз и 2 датчика положения пучка), особенно при изменении режимов облучения продукции.
В настоящем изобретении авторы предлагают использовать в поворотных системах (с траекториями без петель) два одинаковых магнитных зеркала с такой формой распределения магнитного поля по глубине, чтобы за нарастанием напряженности на краю магнита следовал ее спад.
На фигуре 1 схематически изображена форма железного сердечника и геометрия распределения ампервитков по глубине магнита (по оси z), спроектированного для поворота ахроматических пучков. Также здесь представлена форма распределения магнитного поля в средней плоскости B(z). На фигуре 2 показаны расчетная проекция пучка на среднюю плоскость (плоскость XZ), расположение зеркал M1 и М2 и развертка траекторий на плоскость XY. На фигуре 3 приведены сечения пучка по пути поворота. Цифрами 1, 2, 3 обозначены их места, показанные на фигуре 2: 1 - сечение пучка на входе в магнит, 2 - середина траектории между зеркалами, 3 - выходное сечение пучка. На всех фигурах размеры указаны в метрах.
В процессе поворота пучок заряженных частиц последовательно проходит через два одинаковых магнитных зеркала. Частицы, попадая в магнитное поле, движутся в плоскости, которая проходит посередине зазора между полюсами магнитов (средняя плоскость или плоскость антисимметрии магнитного поля), заворачиваются и выходят из зеркала с той же стороны, с которой они в него вошли. Вследствие двухмерности поля и вытекающей отсюда симметрии траектории угол отражения равен углу падения. После прохождения первого магнита пучок поворачивается на угол, равный удвоенному углу входа в зеркало. Суммарный угол поворота на выходе из системы двух зеркал удваивается. При этом магниты расположены относительно друг друга таким образом, что разворачивают пучок на одинаковый угол.
В линейном приближении для плоских полей составляющая магнитного поля в произвольной точке, ответственная за фокусировку в направлении, перпендикулярном к средней плоскости (радиальная фокусировка), пропорциональна расстоянию частицы от плоскости антисимметрии и величине первой производной распределения поля по глубине зеркала. Нарастающее поле на входе в зеркало оказывает дефокусирующее действие на пучок. Этот эффект компенсируется в последующей области спада поля, где происходит фокусировка (из-за смены знака первой производной). Другими словами, подбором параметров обмоток зеркала можно обеспечить спад магнитного поля по глубине, компенсирующий расширение пучка по щели. В области выхода из зеркала происходит обратное чередование сил в зазоре магнита, и пучок с сечением в виде разложенного по энергии линейного фокуса выходит из зеркала и транспортируется до второго магнита. Во втором зеркале происходит дополнительный половинный (от суммарного) поворот пучка и его обратная трансформация к входным параметрам.
В качестве примера рассмотрим результаты расчета разворота пучка на 180 градусов. Для этой цели был спроектирован магнит, обеспечивающий форму распределения поля по глубине в средней плоскости B(z), представленную на фиг.1. Конструкция магнитопровода зеркала и размещение ампервитков в нем обеспечивают спад магнитного поля после его нарастания до максимума на краю зеркала, компенсирующий дефокусирующее действие участка нарастания поля.
Для получения требуемой индукции магнитного поля (0.8 кГс) значение ампервитков (Iw) было взято равным 2000. Обмотки зеркала представляют собой две симметричные (относительно средней плоскости) плоские катушки, единственным требованием к которым является равномерность намотки по оси z каждого приведенного значения ампервитков на каждом из четырех участков. Длина магнита по оси Х равна 0.8 м. Форма железного сердечника и геометрия распределения ампервитков по глубине магнита (по оси z) приведены на фиг.1. Естественно, что число витков с прямыми (знак +) и обратными токами (знак -) одинаково. Угловые коэффициенты прямых на «B(z) - расчетное» равны 20, -20 и -3 для T1, T2 и Т3 соответственно.
В первый магнит пучок входит под углом 45 градусов. Для получения трехмерной трассировки пучка электронов решалась задача уравнения движения Ньютона в декартовых координатах. Расчет производился для указанных выше параметров ускорителя ИЛУ-10, причем разброс энергий, для демонстрации возможностей системы поворота, был выбран равным 50% (от 2.5 до 5 МэВ). Трассировалось 1000 траекторий, магниты зеркал M1 и М2 принимались одинаковыми с выбранным распределением B(z) для M1 и В(x) для М2 соответственно. Входной диаметр пучка составил 1 см, пучок имел Гауссово распределение и нулевые углы входа.
Расчетная проекция пучка на среднюю плоскость (плоскость XZ), расположение зеркал M1 и М2 и развертка траекторий на плоскость XY показаны на фиг.2 (на чертежах все размеры указаны в метрах). На фиг.3 приведены сечения пучка по пути поворота. Цифрами 1, 2, 3 обозначены их места, показанные на фиг.2: 1 - сечение пучка на входе в магнит, 2 - середина траектории между зеркалами, 3 - выходное сечение пучка.
Аналогичные расчеты были проведены для поворота пучка на 40, 90, 180, 270, 320 и 360 градусов. Их результаты идентичны приведенным выше. Данная система поворота позволяет разворачивать пучки заряженных частиц с немонохроматичностью до 70% практически на любой угол без возникновения радиальной расходимости пучка на всей трассе поворота.