СПОСОБ МЕДЛЕННОГО ВЫВОДА ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ИЗ ЦИКЛИЧЕСКОГО УСКОРИТЕЛЯ
METHOD OF SLOW REMOVAL OF A BEAM OF CHARGED PARTICLES FROM A RING ACCELERATOR

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к способам вывода частиц из кольцевых ускорителей, в первую очередь из кольцевых ускорителей с постоянным магнитным полем и практически постоянным радиусом орбиты (1. Dolbilov G.V. Induction synchrotron with a constant magnetic field. // Physics of Particles and Nuclei Letters, 14(1), 201-208. 2. Долбилов Г.В. Индукционный синхротрон с постоянным магнитным полем. // Письма в ЭЧАЯ. 2017. Т. 14, №1(206), 164-175). 3. Долбилов Г.В. Способ циклического ускорения заряженных частиц // Патент ОИЯИ, №2451435 и Патент ОИЯИ, №2477936)
Существует несколько способов медленного вывода пучков. Наибольшее распространение получил вывод с использованием резонансной раскачки бетатронных колебаний заряженных частиц (И.Б. Иссинский. «Введение в физику ускорителей заряженных частиц», часть 4, Издательский отдел Объединенного института ядерных исследований, 141980, г. Дубна, Московской обл.).
Суть этого метода заключается в том, что в одной из поперечных фазовых плоскостей создают условия сильного нелинейного резонанса. Частицы циркулирующего пучка в начале занимают устойчивую область движения фазового пространства. Затем создаются условия, когда частицы пересекают сепаратрису нелинейного резонанса и попадают в неустойчивую область движения, где амплитуда колебаний быстро возрастает, и частицы попадают в апертуру выводного устройства.
Другой способ вывода связан с использованием байпасной системы отклонения пучка от равновесной орбиты (A.V. Bondarenko, N.A. Vinokurov, «Веат extraction from а synchrotron through a magnetic shield». Nuclear Inst, and Methods in Physics Research, A 603).
В этом способе полями четырех одинаковых дипольных магнитов формируют байпасную систему, которая сначала отклоняет, а затем возвращает пучок на равновесную орбиту. С увеличением индукции магнитных полей диполей величина отклонения растет. При приближении пучка к магнитному экрану включают быстрый ударный магнит, который отклоняет траекторию пучка внутрь магнитного экрана. После чего пучок не возвращается на равновесную орбиту, а выводится из ускорителя.
В качестве прототипа выбираем способ вывода (A.V. Bondarenko, N.A. Vinokurov, «Веат extraction from a synchrotron through a magnetic shield». Nuclear Inst, and Methods in Physics Research, A 603), в котором используется байпасная система отклонения пучка от равновесной орбиты.
Способ заключается в том, что четыре дипольных магнита с переменным магнитным полем сначала отклоняют пучок от равновесной орбиты, а затем возвращают его на орбиту. С ростом магнитного поля отклоненный пучок приближается к железно-медному экрану, который для уменьшения искажения переменных магнитных полей и траектории частиц выполнен из многих тонких слоев меди и железа. Как только отклоняемый пучок приблизится к экрану, быстрым ударным магнитом пучок забрасывается внутрь экрана и выводится из ускорителя.
Такой способ вывода имеет ряд недостатков. 1) Он требует формирования быстрых магнитных полей. 2) Степень экранировки и возмущения внешних магнитных полей, из-за скин-эффектов, меняется в течении длительности импульса поля. 3) Толщина многослойного экрана сравнима с размерами пучка, что приводит к потерям частиц в стенках экрана. 4) Сравнительно медленный заброс пучка в экран также увеличивает потерю частиц в стенках экрана.
Целью предлагаемого изобретения является автоматический вывод частиц из полей постоянных магнитов, как только их энергия достигает заданной энергии инжекции.
Кроме того, устраняются вышеуказанные недостатки прототипа.
z
Способ медленного вывода пучка заряженных частиц из циклического ускорителя заключается в том, что постепенно полями отклоняют траекторию частиц пучка от равновесной орбиты и при достижении траектории пучка апертуры выводного устройства выводят частицы из ускорителя, а для вывода частиц используют способ отражения частиц полями постоянных магнитов, в которых угол отражения равен углу падения и не зависит от скорости (энергии и импульса) частиц, при этом глубина проникновения частиц в поле с индукцией B зависит от импульса (энергии) частиц и связана соотношением
где: Р - полный импульс частиц,
Pcosα - составляющая импульса вдоль оси х,
z
z,cp
B и B - индукция и средняя индукция поля магнита,
q - заряд частицы,
m
у - глубина проникновения частиц в поле магнита,
m
z
m
z
и при заданном импульсе и энергии вывода частиц выполняют условие, при котором глубина проникновения у в поле B больше поперечного размера магнита h (у>h), что достигается выбором соотношений между импульсом Р частиц, параметром cosα, величиной индукции B и поперечным размером магнита h, при этом частицы автоматически выводятся из магнита и попадают в апертуру выводного устройства, а частицы, не достигшие энергии вывода, отражаясь, попадают в другой такой же магнит и возвращаются на равновесную орбиту ускорителя.
Отличительными признаками заявленного способа являются следующие.
z
Для медленного вывода используют способ отражения частиц полями постоянных магнитов, в которых угол отражения равен углу падения и не зависит от скорости (энергии и импульса) частиц, при этом глубина проникновения частиц в поле с индукцией B зависит от импульса (энергии) частиц и связана соотношением
где Р - полный импульс частиц,
Pcosα - составляющая импульса вдоль оси у,
z
z,cp
B и B - индукция и средняя индукция поля магнита,
q - заряд частицы,
m
у - глубина проникновения частиц в поле магнита.
m
z
m
z
При заданном импульсе и энергии вывода частиц выполняют условие, при котором глубина проникновения у в поле B больше поперечного размера магнита h (у>h), что достигается выбором соотношений между импульсом Р частиц, параметром cosα, величиной индукции B и размером области магнита h, при этом частицы автоматически выводятся из магнита и попадают в апертуру выводного устройства, а частицы, не достигшие энергии вывода, отражаясь, попадают в другой такой же магнит и возвращаются на равновесную орбиту ускорителя (Фиг. 1).
Поставленная цель достигается тем, что совокупность всех существенных признаков позволяет автоматически выводить ускоряемые частицы при условии достижения ими заданной энергии вывода.
На Фиг. 1 приведена схема системы вывода пучка заряженных частиц из циклических ускорителей с использованием способа отражения частиц полями постоянных магнитов.
z
Где: 1 - магнитный диполь с постоянной величиной индукции B, который предназначен для отражения частиц с энергией ниже заданной энергии вывода и вывода частиц из магнита с энергией, равной энергии вывода,
2 - устройство вывода пучка из ускорителя,
3 - магнитный диполь, такой же как диполь 1, предназначенный для возвращения частиц пучка на равновесную орбиту ускорителя (1. Dolbilov G.V. Induction synchrotron with a constant magnetic field. // Physics of Particles and Nuclei Letters, 14(1), 201-208. 2. Долбилов Г.В. Индукционный синхротрон с постоянным магнитным полем. // Письма в ЭЧАЯ. 2017. Т. 14, №1(206), 164-175). 3. Долбилов Г.В. Способ циклического ускорения заряженных частиц // Патент ОИЯИ, №2451435 и Патент ОИЯИ, №2477936)
4 - траектория частиц пучка на входе в систему вывода,
5 - траектория отраженных частиц с энергией ниже энергии вывода,
6 - траектория частиц пучка на выходе системы вывода.
Способ работает следующим образом.
Для медленного вывода пучка заряженных частиц из циклического ускорителя используют свойства отражения заряженных частиц в полях постоянных магнитов. Поскольку глубина проникновения частицы в магнитное поле зависит от импульса (энергии) частицы, можно реализовать два вида траектории частицы. Если глубина проникновения частицы в поле меньше габарита магнита, то происходит отражение частицы, если же глубина проникновения больше габарита, то частица не отразится и пройдет сквозь магнит.
х
z
у
m
у
m
Заряженные частицы с импульсом Р инжектируются в поле дипольного магнита 1 (Фиг. 1) под углом α к продольной оси диполя. При этом продольный импульс Р=Pcosα. Величина индукции поля равна B, поперечный, у - размер диполя равен h. Под действием магнитного поля поперечный импульс Р уменьшается и при у=у обращается в нуль. Далее импульс Р меняет знак и снова растет, отражаясь от поля. Величина у - есть глубина проникновения частиц в поле диполя и определяется соотношением
где Р - полный импульс частиц,
Pcosα - составляющая импульса вдоль оси х,
z
z,cp
B и B - индукция и средняя индукция поля магнита,
q - заряд частицы.
m
Глубина проникновения растет с увеличением импульса (энергии) ускоряемых частиц и когда глубина проникновения станет больше поперечного размера диполя, h, отражение частиц не может произойти. При h<у частицы выводятся из магнита и попадают в апертуру устройства транспортировки пучка 2 Фиг. 1.
Отраженные диполем 1 (Фиг. 1) частицы с помощью точно такого же диполя 3 (Фиг. 1) возвращаются на равновесную орбиту ускорителя (1. Dolbilov G.V. Induction synchrotron with a constant magnetic field. // Physics of Particles and Nuclei Letters, 14(1), 201-208. 2. Долбилов Г.В. Индукционный синхротрон с постоянным магнитным полем. // Письма в ЭЧАЯ. 2017. Т. 14, №1(206), 164-175). 3. Долбилов Г.В. Способ циклического ускорения заряженных частиц // Патент ОИЯИ, №2451435 и Патент ОИЯИ, №2477936).
Основой задачей при реализации способа медленного вывода заряженных частиц с использованием процессов отражения частиц в стационарных магнитных полях является создание магнитов (диполей) с постоянным магнитным полем.
В современных циклических ускорителях широко используются «теплые» и сверхпроводящие магниты с индукцией В=1-2 Тл.
Особый интерес представляет использование SmCo (Самарий-Кобальт) и Nd-Fe-B (Ниодим-Феррум-Бор) для постоянных магнитов. Индукция таких магнитов равна 0,9-1,15 Тл. Источники питания в этом случае не требуются.
m
m
m
В циклических ускорителях с постоянной величиной ведущего магнитного поля, у которых формирование замкнутых орбит, так же как и в системе вывода пучка, используется метод отражения частиц в постоянных магнитных полях (1. Dolbilov G.V. Induction synchrotron with a constant magnetic field. // Physics of Particles and Nuclei Letters, 14(1), 201-208. 2. Долбилов Г.В. Индукционный синхротрон с постоянным магнитным полем. // Письма в ЭЧАЯ. 2017. Т. 14, №1(206), 164-175. 3. Долбилов Г.В. Способ циклического ускорения заряженных частиц // Патент ОИЯИ, №2451435 и Патент ОИЯИ, №2477936). Магнитные диполи имеют одну и ту же конструкцию, за исключением поперечного размера диполя h. Величина h в выводных диполях выбирается меньшей, чем глубина проникновения частиц с энергией, равной энергии вывода у (h<у). В диполях ведущего магнитного поля соотношение обратное, h>у, и поэтому частицы в них всегда отражаются и образуют замкнутые орбиты.
Ускорители с постоянными магнитами в обеих системах, как в системе ведущего магнитного, так и в системе вывода частиц, найдут применение в медицине, промышленности и научных исследованиях. Отсутствие источников питания магнитов позволит создавать дешевые в эксплуатации и создании компактные ускорители для медицины (онкология) с энергией 200-600 МэВ.