СПОСОБ ЦИКЛИЧЕСКОГО УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
METHOD FOR CYCLIC ACCELERATION OF CHARGED PARTICLES

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в области физики частиц высоких энергий, промышленности, медицины и научных исследований.
Известны способы ускорения с постоянным магнитным полем диполя, в котором заряженные частицы ускоряются высокочастотным электрическим полем, заряженные частицы при ускорении движутся по спиральной орбите из центра магнитного диполя, постепенно увеличивая радиус орбиты с ростом энергии: циклотроны, синхроциклотроны или фазотроны (например, Дж.Ливингуд «Принципы работы классических ускорителей», Издательство иностранной литературы, Москва, 1963, с.19-23) и способы ускорения с постоянным радиусом орбиты заряженных частиц в процессе ускорения и нарастающим во времени магнитным полем отклоняющих диполей в соответствии с ростом энергии частиц при ускорении высокочастотным полем: синхрофазотрон, (например, Дж. Ливингуд «Принципы работы классических ускорителей», Издательство иностранной литературы, Москва, 1963, с.23-25, 199-234).
Основным недостатком способов ускорения с постоянным магнитным полем диполя является ограничение максимальной энергии ускоренных частиц из-за большого веса диполя (сотни тысяч тонн), который пропорционален приблизительно кубу диаметра полюса диполя, т.е. максимальному импульсу ускоренных частиц.
Недостатком способов ускорения с постоянным радиусом в процессе ускорения и переменным магнитным полем диполей является необходимость формирования требуемой зависимости от времени магнитного поля диполей и формирования ускоряющего электрического высокочастотного поля с переменной частотой, соответствующей меняющему времени пролета частиц поля, а также необходимость создания предускорителей (бустеров) для ускорения частиц до высоких энергий.
В качестве прототипа выбираем способ ускорения с постоянным радиусом орбиты заряженных частиц в процессе ускорения, который описан в монографии Дж.Ливингуд «Принципы работы классических ускорителей», Издательство иностранной литературы, Москва, 1963, с.23-25, 199-224. Этот способ заключается в том, что частицы инжектируют в нарастающее во времени магнитное поле и ускоряют высокочастотным электрическим полем, причем зависимость величины магнитного поля и зависимость частоты высокочастотного электрического поля от времени должны соответствовать постоянству радиуса орбит частиц в процессе ускорения, что усложняет конструкцию, удорожает создание и эксплуатацию ускорителя.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение максимальной энергии при циклическом ускорении заряженных частиц в постоянном магнитном поле, что позволяет упростить конструкцию, уменьшить стоимость создания и эксплуатации ускорителя.
Способ заключается в том, что формируют дипольное магнитное поле для создания замкнутой орбиты частиц, инжектируют в него заряженные частицы, ускоряют частицы электрическим полем и жестко фокусируют их на прямолинейных участках орбиты квадрупольными линзами, выводят ускоренные частицы, дипольное магнитное поле формируют постоянным во времени и с пространственной конфигурацией полей диполя, определяющейся азимутальной протяженностью секций диполя, которая позволяет во всем диапазоне ускоряемых энергий иметь небольшое отклонение орбит от орбиты с максимальной энергией в диполе и иметь совпадающие орбиты вне диполя, при этом ускорение частиц осуществляют индукционным электрическим полем с частотой импульсов, кратной периоду обращения частиц в циклическом ускорителе.
Отличительными признаками заявленного способа является следующее.
Формируют постоянное во времени дипольное магнитное поле с пространственной конфигурацией полей диполя определяющейся азимутальной протяженностью секций диполя (т.е. числа таких секций), которая позволяет во всем диапазоне ускоряемых энергий иметь замкнутые орбиты частиц с малым отклонением орбит в секциях диполя и совпадающие отбиты вне секций с размером огибающей пучка, зависимой от жесткости фокусировки на этих участках.
Ускоряют частицы индукционным электрическим полем с частотой импульсов, кратной периоду обращения частиц в циклическом ускорителе. Это позволяет ускорять частицы с большим диапазоном скоростей и масс (от электронов до тяжелых ионов), т.к. азимутальная синхронизация частиц осуществляется не изменением частоты высокочастотной ускоряющей системы и временем старта индукционных ускоряющих электрических импульсов, соответствующим времени пролета частиц в индукционной системе.
Поставленная цель достигается тем, что совокупность всех существенных признаков формулы позволяет использовать постоянное магнитное поле для создания циклических орбит частиц, иметь малый радиальный размер диполей и их малый вес, отказаться от использования перестраиваемых по частоте высокочастотных резонаторов и ускорять частицы импульсами индукционного электрического поля, время старта которых зависит от времени пролета частиц.
На фиг.1 приведена схема циклического ускорителя, где: 1) инжектор; 2) отклоняющая система, состоящая из секций диполя (фиг.2), число которых зависит от данных конкретных условий; 3) индукционная ускоряющая секция; 4) прямолинейный жесткофокусирующий участок; 5) дефлектор прямолинейного участка; 6) отклоняющий магнит; 7) дефлектор дипольного магнита.
На фиг.2 приведен один из периодов структуры ускорителя, 8) дипольный магнит с постоянным по времени магнитным полем и пространственной конфигурацией поля, позволяющей во всем диапазоне ускоряемых энергий инжектировать частицы в направлении оси прямолинейных участков 9) и 12), 10) квадрупольные линзы, 11) траектории частиц с разными энергиями.
Способ работает следующим образом. Заряженные частицы с помощью инжектора 1) (фиг.1) инжектируют в ускоритель. Магнитные диполи 2) формируют из серии секций, схема которых приведена на фиг.2. Число секций диполя зависит от данных конкретных условий. Ускорение частиц осуществляют секциями линейного индукционного ускорителя 3), расположенными на одном или нескольких прямолинейных участках 4). Время старта ускоряющих индукционных импульсов согласуют с временем подлета частиц к индукционным секциям, используя мониторы пучка. Частицы с заданной величиной энергии, которая ниже максимальной проектной величины, выводят из ускорителя дефлектором 5) и магнитом 6). Частицы, достигшие максимальной энергии, выводят дефлектором 7).
Пучок заряженных частиц инжектируют в каждую секцию диполя 8) из прямолинейного участка 9) на входе в секцию. Траектории частиц 11) в диполе зависят от их энергии. Частицы низких энергий имеют на входе в диполь малый радиус траектории и попадают в область слабого магнитного поля, где движутся с большим радиусом кривизны. Приближаясь к прямолинейному участку 12), расположенному на выходе диполя, частицы снова попадают в область сильного магнитного поля и имеют тот же радиус кривизны, как и на входе в диполь, и инжектируются в прямолинейный участок в направлении оси прямолинейного участка. Частицы высоких энергий имеют большую величину радиуса траектории на входе диполя и попадают в более сильное поле. Приближаясь к прямолинейному участку на выходе диполя снова имеют такой же радиус, как и на входе, и также инжектируются по оси прямолинейного участка. Радиальный размер диполей зависит от их азимутальной протяженности, т.е. от числа диполей по периметру ускорителя. С увеличением числа диполей радиальный размер и вес магнитов диполей уменьшаются.
Параметры квадрупольных линз 10) согласуют с динамикой частиц в секции диполя. После прохождения прямолинейного с линзой 10) на выходе секции диполя пучок частиц инжектируют либо в следующую секцию диполя с постоянным магнитным полем, либо в другую систему ускорителя.
Ускорение заряженных частиц осуществляют секциями линейного индукционного ускорителя. Частота повторения ускоряющих индукционных импульсов кратна частоте обращения частиц в циклическом ускорителе. Перемагничивание индукторов секций производят во время интервала между импульсами пучка частиц.
max
mах
Для примера рассмотрим ускоритель протонов на энергию 200 МэВ (ускоритель для медицинских целей). Поскольку частицы с максимальной для данного ускорителя энергией движутся в максимальном поле диполя, радиус их орбиты определяется выражением R=P/qB, где R - радиус орбиты, Р - импульс частицы, q - заряд частицы, В - индукция магнитного поля. При поле В=1 Тл для протонов R=2.2 м.
После достижения частицами максимальной энергии 200 МэВ частицы выводят из ускорителя в одном из диполей с помощью дефлектора 7) (фиг.1). Частицы промежуточных энергий выводят на прямолинейном участке орбиты дефлектором 5) и магнитом 6).
Если величина индукции в сердечниках индукционных секций не превышает 0,1-0,2 Тл, потери энергии на перемагничивание сердечников будут малы и кпд ускорителя будет высоким.