СПОСОБ МНОГООБОРОТНОЙ ИНЖЕКЦИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ЦИКЛИЧЕСКИЙ УСКОРИТЕЛЬ
METHOD OF MULTI-TURN INJECTION OF CHARGED PARTICLES INTO CYCLIC ACCELERATOR

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в циклических ускорителях.
Как известно, заряженные частицы, инжектированные в постоянное магнитное поле циклического ускорителя, совершив несколько оборотов в камере ускорителя, погибают на вводном устройстве (инжекторе) или апертурных элементах камеры и не захватываются в режим ускорения. Существует два метода накопления частиц в камере ускорителя: 1) увеличение числа инжектируемых импульсов (многократная инжекция); 2) увеличение длительности импульсов инжекции (многооборотная инжекция). Наиболее распространенными методами многооборотной инжекции являются метод с заполнением 4-мерного поперечного фазового пространства с помощью линейного разностного резонанса связи радиальных и вертикальных бетатронных колебаний и метод с постепенным заполнением горизонтального аксептанса ускорителя за счет смещения локального искажения горизонтальной проекции замкнутой орбиты.
В качестве прототипа выбираем способ многооборотной инжекции [1, 2], заключающийся в том, что в процессе инжекции изменяют параметры орбиты частиц и самих частиц при помощи электрических и магнитных полей с целью постепенного заполнения горизонтальной фазовой плоскости до размера, определяемого аксептансом ускорителя.
Недостатком такого способа многооборотной инжекции являются наличие ограничений на число захваченных оборотов и увеличение радиального фазового объема пучка при накоплении в нем частиц.
Целью предлагаемого изобретения является увеличение интенсивности и уменьшение радиального фазового объема накопленного пучка заряженных частиц.
Способ заключается в том, что в процессе инжекции изменяют параметры орбиты частиц и самих частиц при помощи электрических и магнитных полей, для ввода частиц на линейном участке орбиты ускорителя, частицы предварительно инжектируются в магнитные поля двух разнополярных инжекционных диполей, с помощью полей этих диполей частицы вводят на равновесную орбиту, ускоряют на равновесной орбите, а перед тем как вывести частицы на второй и последующие обороты, частицы отклоняют магнитными полями двух дополнительных разнополярных диполей, в которых ускоренные частицы, минуя устройство ввода пучка в систему, снова инжектируют магнитные поля инжекционных разнополярных диполей, которые выводят частицы на равновесную орбиту ускорителя, где происходит их накопление.
Способ допускает использование в инжекционных и дополнительных диполях однородных магнитных полей с одинаковой величиной магнитной индукции.
Отличительными признаками заявляемого способа является следующее.
Для ввода частиц на линейном участке орбиты ускорителя, частицы предварительно инжектируются в магнитные поля двух разнополярных инжекционных диполей, с помощью полей этих диполей частицы вводят на равновесную орбиту, ускоряют на равновесной орбите, а перед тем как вывести частицы на второй и последующие обороты, частицы отклоняют магнитными полями двух дополнительных разнополярных диполей, в которых ускоренные частицы, минуя устройство ввода пучка в систему, снова инжектируют магнитные поля инжекционных разнополярных диполей, которые выводят частицы на равновесную орбиту ускорителя, где происходит их накопление. В одном из вариантов способа магнитные поля инжекционных и дополнительных диполей формируют однородными и имеющими одинаковую величину магнитной индукции.
Поставленная цель достигается тем, что совокупность всех существенных признаков позволяет осуществить многооборотную инжекцию и накопление частиц на равновесной орбите.
Перечень иллюстраций
На Фиг. 1 (Приложение) приведена схема ускорителя с системами инжекции пучка,
где:
1 - инжекционные разнополярные диполи,
2 - дополнительные разнополярные диполи,
3 - источник заряженных частиц,
4 - инжекционная ускоряющая система,
5 - отклоняющие магниты,
6 - ускоряющая система ускорителя.
На Фиг. 2 (Приложение) приведена схема многооборотной инжекции с использованием разно-полярных магнитных диполей, где:
1 - магнитные диполи, которые отклоняют частицы от равновесной орбиты, (DM - диполи),
2 - магнитные диполи, которые отклоняют частицы к равновесной орбите (RM - диполи),
3 - траектория частиц, энергия которых равна энергии инжекции,
4 - траектория частиц, которые были ускорены на первом обороте,
5 - траектория частиц, ускоренных на первом и втором оборотах,
- инжекционная пара диполей с противоположной полярностью магнитного поля,
2
±М - дополнительная пара диполей с противоположной полярностью магнитного поля.
Способ работает следующим образом. Пучок заряженных частиц инжектируется в магнитную систему, которая состоит из двух диполей с разной полярностью магнитной индукции (Фиг. 1). В случае, когда поля диполей однородны, частицы в диполе движутся по круговой траектории с циклическим радиусом R
z
R=P/q B,
z
где Р - полный импульс частицы, B - величина магнитной индукции в диполе, q - заряд частицы.
y
Изменение поперечного импульса в диполе, P, будет равно
y
x
z
y
z
x
dP/dt=qνB, dP=qBνdt,
x
где ν - продольная скорость частицы, t - время.
На выходе первого инжекционного диполя поперечный импульс достигнет величины
1,y
0,y
z
1
z
1
P=P-qBx, (qBx≤P),
1
0, y
где x - длина траектории частицы в первом диполе Р - поперечный импульс на входе в систему инжекционных диполей, Р - полный импульс частицы.
На выходе второго диполя с обратной полярностью импульс будет равен
2,y
1,y
z
2
0,y
z
1
2
Р=Р+qBx=Р-qB(x-х),
2
где х - длина траектории частицы во втором инжекционном диполе.
1
2
2,y
0, у
При равенстве длин траекторий в диполях (х=х) импульс на выходе второго диполя будет равен входному импульсу Р=Р.
1
2
0
0,у
Для центральных частиц пучка х=х=х, Р=0, и ось пучка будет введена на равновесную орбиту ускорителя.
1
inj
1
1
inj
inj
0
inj
1
Ускорение частиц на первом и последующих оборотах приводит к увеличению циклического радиуса частиц в полях диполей и, следовательно, к уменьшению смещения частиц от равновесной орбиты ускорителя. Разность смещений пучка Δy=y-y называют «промашкой» пучка на первом обороте. Здесь y - максимальное смещение пучка от равновесной орбите на первом обороте, y - смещение от равновесной орбиты пучка при его инжекции. Величина «промашки» зависит от величины y≈х и отношения P/Р
где
inj
P - инжекционный импульс,
1
Р - импульс частицы после первого оборота,
1
ΔР - прирост импульса частицы, ускоренной на первом обороте.
inj
inj
2
2
Для случая, когда кинетическая энергия инжектируемых частиц qU много меньше энергии покоя частиц Мс, qU/Mc<<1 отношение импульсов равно
где qΔU - прирост энергии частицы на каждом обороте.
n
acc
acc
inj
Увеличение числа оборотов (n), накопление частиц на равновесной орбите сопровождается увеличением разброса энергий в захваченном пучке qΔU=nqΔU. После ускорения частиц относительный разброс энергий в пучке будет равен nqΔU/qU, где qU - кинетическая энергия ускоренных частиц. С целью уменьшения этой величины ускорение частиц в процессе инжекции не должно быть большим. При ΔU/U<<1 на первом обороте отношение импульсов будет равно
1
Однако уменьшение прироста энергии частиц ΔU приводит к уменьшению «промашки» Δy, требуемая величина которой определяется поперечным фазовым объемом пучка. «Промашка» на первом обороте инжекции при малых ΔU равна
inj
inj
inj
inj
z
z
где θ=arccos(y/R), a R=P/qB - циклический радиус частицы в поле B.
inj
1
inj
Например при ΔU/U=2% и θ=10° «промашка» составит Δн≅0.12y
1
n
1
Выбором координаты инжекции , можно задавать требуемую величину «промашки» Δy. Для последующих оборотов частиц «промашка» Δy<Δy.
В данном методе многооборотной инжекции не используется постепенное заполнение горизонтальной и вертикальной фазовых плоскостей ускорителя, при котором инжектированные частицы смещаются в фазовой плоскости так, что бы освободить место для вновь инжектированных частиц.
В данном методе пучки частицы каждого последующего оборота выводятся на равновесную орбиту ускорителя. И если инжектируется согласованный пучок, то вертикальный поперечный эмиттанс накопленного пучка будет равен эмиттансу инжектированного пучка.
Величина относительного энергетического разброса частиц на выходе ускорителя пропорциональна числу захваченных оборотов (N) и обратно пропорциональна отношениям:
и
inj
1
acc
inj
где y - величина смещения инжектированного пучка; Δy - величина промашки пучка на первом обороте; qU - кинетическая энергия ускоренных частиц; qU - кинетическая энергия инжектированных частиц; q - заряд частиц.
Величина относительного энергетического разброса равна:
inj
inj
где θ=arccos(y/R).
1
inj
acc
inj
Величина энергетического разброса при данном способе многооборотной инжекции, может быть достаточно малой и удовлетворять целому ряду физических задач. А для многих промышленных применений не имеет существенного значения. При заданных параметрах Δy, U, U и sinθ относительный энергетический разброс в ускоренном пучке может быть уменьшен путем увеличения смещения пучка при инжекции y.
inj
Особые преимущества данный способ имеет при его использовании в индукционных циклических ускорителях с постоянным магнитным полем. Поскольку такие ускорители имеют низкий порог энергии инжекции qU, это позволяет существенно уменьшить величину разброса частиц по энергиям при инжекции и относительный энергетический разброс частиц в ускоренном пучке.
При ускорении многозарядных ионов циклический радиус ионов будет зависит от величины их зарядности, q. Чем больше зарядность иона, тем больше циклический радиус в данном поле диполя и тем больше промашка на первом обороте. Это обстоятельство позволяет производить селекцию зарядности накопленных в ускорителе ионов.
Литература
1. В.И. Волков, И.Н. Мешков, В.А. Михайлов, Г.В. Трубников, А.В. Тузиков, А.А. Фатеев. Концептуальный проект системы инжекции пучков тяжелых ионов в бустер ускорительного комплекса NICA. Письма в ЭЧАЯ, 2014, Т. 11, №5 (189), с. 1045-1067.
2. Е.В. Буляк, Н.Н. Моченников. «Способ многооборотной инжекции заряженных частиц», Авторское свидетельство №701493, Бюллетень №33, 07.09.82.