СПОСОБ АКСИАЛЬНОЙ ИНЖЕКЦИИ ПУЧКА В КОМПАКТНЫЙ ЦИКЛОТРОН СО СВЕРХВЫСОКИМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
METHOD OF AXIAL INJECTION OF BUNDLE INTO CYCLOTRON WITH SUPERHIGH MAGNETIC FIELD

Область техники.
Изобретение относится к области циклотронной техники и может быть использовано в компактных циклотронах и синхроциклотронах со сверхвысокими магнитными полями при необходимости использования внешнего источника ионов. Ускорители такого типа используются главным образом в медицине, когда необходимы интенсивности выведенного пучка >200 мкА. Очевидно, что размер ускорителя определяется уровнем магнитного поля. При помощи технологии, использующей сверхпроводимость, возможно получить магнитные поля 9-10 Тл. Основным ограничением, накладываемым при использовании сверхвысоких магнитных полей в центре (полей больше 4-5 Тл), является трудность создания центральной зоны циклотрона, в которой возможно было бы перевести пучок из вертикальной плоскости в медианную плоскость ускорителя, не потеряв при этом в интенсивности пучка. Практически все ускорители такого типа для перевода пучка используют спиральный электростатический инфлектор. Частицы, двигаясь в сильном магнитном поле по круговой орбите малого радиуса, не могут обогнуть пластины корпуса инфлектора. Коэффициент проводки пучка (трансмиссия) через центральную зону при этом падает. Работы по созданию сверхкомпактных ускорителей вылились в отдельную ветвь в ускорительной технике [1, 2] и становятся все более актуальными.
Уровень техники.
Возможный путь к продвижению в область больших магнитных полей состоит в повышении напряжения на ускоряющих электродах и увеличение количества ускоряющих дуантов [3]. В этом случае частица, вылетая из спирального инфлектора, получает большой набор энергии при совершении первого оборота. При этом ее энергия изменяется настолько, что радиус кривизны траектории становится достаточным для того, чтобы обогнуть корпус инфлектора. Такой подход неудобен тем, что он противоречит основному требованию к современным компактным ускорителям - минимальным энергетическим затратам при их использовании. Следующим возможным решением проблемы может быть изменение энергии инжектируемых частиц [4]. При этом эффективно как увеличение энергии инжекции, так и ее уменьшение. В первом случае с увеличением скорости инжектируемой частицы возрастает ее магнитный радиус кривизны при прохождении спирального инфлектора. Учитывая то, что электрический радиус инфлектора не является определяющим при выборе ширины пластин, которая в основном зависит от зазора между ними, можно получить геометрическую структуру инфлектора такую, которую возможно обогнуть частицам на первом обороте. При уменьшении энергии инжектируемых частиц возникает ситуация, когда магнитный радиус инфлектора уменьшается, но при этом остается неизменным напряжение на ускоряющих электродах. Основной эффект сводится к тому, что при прохождении первого ускоряющего промежутка частица получает более значительный прирост энергии по сравнению с ее начальной энергией, а значит, и радиус кривизны ее траектории становится гораздо больше геометрического размера инфлектора. При этом становится возможным частице совершить первый оборот без потери на геометрической структуре. Недостатками данных методов является то, что они являются лишь частичным решением проблемы и полезны лишь при небольшом повышении магнитного поля. На пути повышения энергии инжекции стоит тот факт, что современные источники ионов имеют ограничения по максимально возможной энергии частиц на уровне 25-30 кэВ. К тому же, при большей энергии частицы необходимо иметь и большее напряжение на обкладках инфлектора, что является немаловажным фактором, затрудняющим разработку инфлектора. При использовании низкоэнергетического инжектируемого пучка существенной проблемой становится создание самого спирального инфлектора с малым параметром магнитного радиуса.
Наиболее близким к указанному изобретению является способ аксиальной инжекции пучка в компактный синхроциклотрон, описанный в работе [5]. Приведенный синхроциклотрон имеет магнитное поле в центре 4.7 Тл. Авторы следуют направлению миниатюризации структуры центра. При такой реализации минимизируются геометрические размеры спирального инфлектора и окружающей его инфраструктуры (Фиг.1). Основной особенностью предложенной структуры центральной зоны ускорителя выступает сам спиральный инфлектор. В его стандартную конструкцию внесен ряд изменений. Во-первых, предлагается геометрия пластин инфлектора с отношением ширины пластины к зазору между пластинами, равным 1.25, тогда как обычно эта величина порядка 2. Очевидно, что в таком варианте краевые поля электрического поля инфлектора будут попадать в область прохождения пучка между пластинами. Такое поле, несомненно, внесет искажения в фазовые распределения пучка на выходе из инфлектора. Для того чтобы избежать этой проблемы, предлагается установить дополнительные слабо проводящие проволочки параллельно пластинам инфлектора, находящиеся под различными потенциалами. Проводники покрыты стеклом либо другим изолятором. Такая конструкция призвана выровнять поле между пластинами. Расчеты в трехмерной программе показали, что при использовании 9 проволочек удается получить поле с уровнем равномерности порядка 2.5%. Следующим важным моментом является наличие выреза в корпусе инфлектора напротив зазора (2, Фиг.1). Благодаря такому вырезу удается избежать потерь частиц на этой части корпуса при завершении ими первого оборота в магнитном поле. С другой стороны, наличие выреза приводит к тому, что электрическое поле инфлектора «вываливается» наружу. Эффект наличия поля вне корпуса инфлектора приводит к вертикальному отклонению пучка и к увеличению аксиальных потерь. Как возможное решение данной проблемы авторы указывают на оптимизацию напряжения на пластинах инфлектора с целью создания более равномерного поля. Совместно с этим предлагается потенциал верхнего электрода задать нулевым, при этом, естественно, увеличив вдвое потенциал нижнего электрода инфлектора. Расчеты динамики пучка, проведенные авторами на идеализированном пучке частиц, показывают, что при соблюдении всех предложенных конструктивных и оптимизационных решений можно обеспечить прохождение пучка через центральную область без потерь. Существенным недостатком предложенной конструкции центральной зоны ускорителя является весьма сложная структура спирального инфлектора, которую проблематично изготовить и при этом обеспечить заданные точности.
Раскрытие изобретения.
Технической задачей, выполняемой изобретением, является осуществление аксиальной инжекции пучка в компактный циклотрон со сверхвысоким магнитным полем.
Сущность настоящего изобретения заключается в том, что предложен способ аксиальной инжекции пучка частиц в компактный циклотрон со сверхвысоким магнитным полем, включающий в себя поворот пучка электрическим полем в спиральном инфлекторе из аксиального направления в системе аксиальной инжекции в медианную плоскость циклотрона так, что инфлектор инжектирует частицы, создавая пространственное разделение по вертикали между их траекториями и инфраструктурой инфлектора. Таким образом, частица пучка может не огибать корпус инфлектора, как это принято, а двигаться под ним. При этом вертикальные колебания частиц пучка происходят симметрично относительно медианной плоскости ускорителя за счет того, что спиральный инфлектор расположен таким образом, что его пластины на выходе имеют несимметричное положение относительно медианной плоскости ускорителя. Для того чтобы осуществить такой механизм, предлагается создание такой конструкции инфлектора, при использовании которого частицы пучка переводятся в плоскость циклотрона под определенным углом (Фиг.2). В этом его отличие от стандартного спирального инфлектора, при движении в котором частицы входят в медианную плоскость ускорителя под углом, близким к нулевому. В предлагаемом случае частица, имея достаточный угол с медианной плоскостью циклотрона, отклоняется по вертикали от нее на расстояние, достаточное для того, чтобы ее траектория (3, Фиг.2) находилась на разном уровне по вертикали с корпусом инфлектора (1, Фиг.2). В такой ситуации частица, имея малый радиус вращения в магнитном поле, не пересекается с геометрической структурой инфлектора и его корпуса.
Отличительными признаками изобретения являются: 1. Спиральный инфлектор инжектирует частицы пучка, создавая пространственное разделение по вертикали между их траекториями и инфраструктурой инфлектора. 2. Устойчивые вертикальные колебания частиц пучка происходят симметрично, относительно медианной плоскости ускорителя, за счет того, что спиральный инфлектор расположен таким образом, что его пластины на выходе имеют несимметричное положение относительно медианной плоскости ускорителя.
Перечень фигур.
Фиг.1 - Центральная зона синхроциклотрона (1 - корпус спирального инфлектора, 2 - вырез в корпусе инфлектора).
Фиг.2 - Движение частицы в спиральном инфлекторе (1 - корпус инфлектора, 2 - спиральный инфлектор, 3 - траектория центральной частицы).
Фиг.3 - Модификация спирального инфлектора (1 - вход инфлектора, 2 - выход инфлектора, 3 - плоскость обрезки пластин).
Фиг.4 - Расположение инфлектора в корпусе (1 - вход в спиральный инфлектор, 2 - верхняя пластина инфлектора, находящаяся под положительным потенциалом, 3 - нижняя пластина, находящаяся под нулевым потенциалом, 4 - корпус инфлектора, 5 - медианная плоскость ускорителя).
Фиг.5 - Взаимное расположение траектории частицы и корпуса инфлектора. Вид сверху (1 - траектория частицы, 2 - корпус инфлектора).
Фиг.6 - Взаимное расположение траектории частицы на первом обороте и корпуса инфлектора (1 - корпус инфлектора, 2 - траектория частицы).
Фиг.7 - Движение частицы в центральной зоне компактного циклотрона (1 - корпус инфлектора, 2 - траектория частицы, 3 - ускоряющий дуант, 4 - антидуантная рамка).
Осуществление изобретения
Описанное изобретение применимо к компактным циклотронам и синхроциклотронам со сверхвысоким магнитным полем. Необходимым условием осуществления изобретения является наличие аксиальной инжекции пучка в центр ускорителя перпендикулярно его медианной плоскости и сверхвысокого основного магнитного поля. Для перевода пучка из аксиальной плоскости в плоскость ускорителя служит спиральный электростатический инфлектор (2, Фиг.), который отличается тем, что имеет такую конструкцию, что частицы пучка входят в плоскость ускорителя под определенным углом. На первых оборотах в магнитном поле траектория частицы (3, Фиг.2) имеет пространственное разделение по вертикали с инфлектором и его корпусом (1, Фиг.2). Инфлектор расположен по вертикали таким образом, чтобы его пластины на выходе (2, 3, Фиг.4) располагаются несимметрично относительно медианной плоскости (5, Фиг.4), для того чтобы аксиальные колебания частицы происходили симметрично относительно медианной плоскости ускорителя. Аксиальная устойчивость движения частицы достигается за счет фокусирующего действия сил электрического поля ускоряющих электродов.
Необходимым инфлектором может быть, например, инфлектор, имеющий обрезанные пластины на выходе (Фиг.3). Также можно подобрать параметры инфлектора таким образом, чтобы частицы выходили из него под нужным углом. Для этого достаточно увеличить электрический радиус инфлектора. Компенсация вертикальной составляющей скорости происходит за счет действия сил электрического поля ускоряющих электродов. Устойчивое аксиальное движение частицы достигается за счет оптимизации положения инфлектора с корпусом, формы ускоряющих электродов и вертикального расстояния между электродами.
Пример выполнения способа.
-
Для исследования применимости предложенного способа аксиальной инжекции пучка к решению поставленной выше технической задачи было проведено математическое моделирование. Анализ проводился на примере компактного циклотрона с магнитным полем в центре 4.5 Тл. Расчеты проводились в программе трассировки частиц с использованием трехмерных полей основного магнита, спирального инфлектора и ускоряющих дуантов. В качестве тестовой частицы использовался Н ион, инжектируемый аксиально с энергией 25 кэВ. Основная модификация, внесенная в общепринятую структуру спирального инфлектора, состояла в том, что его пластины были обрезаны с конца на 20 градусов (2, Фиг.3). Конструкция также предусматривает распределение электрического потенциала на пластинах таким образом, что верхняя пластина находится под потенциалом +10 кВ, а нижняя пластина имеет потенциал земли. Это позволяет совместить корпус инфлектора (4, Фиг.4) с нижней пластиной (3, Фиг.4), уменьшая тем самым геометрическое расстояние между центром выходного окна корпуса и его нижней границей. Расчеты показали, что при использовании описанной конструкции для инжекции протона в центр циклотрона угол пересечения траектории частицы на выходе из инфлектора с горизонтальной плоскостью ускорителя составляет ~6 градусов. Радиус траектории при этом равен 5.5 мм. Хотя радиус внешней границы корпуса равен 9 мм (2, Фиг.5), траектория частицы пучка (2, Фиг.6) не пересекается с корпусом (1, Фиг.6), так как они находятся на разных уровнях по вертикальной оси. Для того чтобы убедиться в устойчивости аксиального движения частицы, была подготовлена трехмерная модель системы ускоряющих дуантов, с полученным распределением электрического поля было промоделировано движение частицы. Предложенный способ формирования центральной зоны ускорителя позволяет ограничиться малой величиной напряжения на ускоряющих дуантах. Для примера было выбрано напряжение 30 кВ с расстоянием между даунтом и антидуантной рамкой 2.5 мм. Для получения устойчивого аксиального движения геометрия центральной области была выбрана таким образом, что частица пересекала ускоряющие промежутки при спадающем ускоряющем напряжении. При этом очевидно, что имеет место фокусировка электрическим ускоряющим полем. Для того чтобы вертикальные колебания установились относительно медианной плоскости, структура, включающая инфлектор и его корпус, была сдвинута по вертикальной оси на 3.7 мм. Под сдвигом здесь имеется ввиду расположение инфлектора относительно его общепринятого положения, когда плоскость симметрии между пластинами на его выходе совпадает с медианной плоскостью ускорителя. Расчеты показали, что в компактном циклотроне с описанной структурой центральной зоны устанавливается устойчивое движение частицы пучка и захват ее в режим ускорения (Фиг.7). Таким образом, предложенный способ позволяет решить принципиальную проблему циклотронной физики - аксиально инжектировать пучок из внешнего источника в циклотрон со сверхвысоким магнитным полем. Причем при реализации предложенного способа используется относительно простая конфигурация центральной зоны ускорителя.
Литература
1. Т.A. Antaya, "An assessment of the feasibility for high current operation of compact high field superconducting cyclotrons", PSFC/RR-09-16, Plasma Science and Fusion Center, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge MA 02139, USA, 2009.
2. A.I. Papash, G.A. Karamysheva, L.M. Onischenko, "Compact superconducting synchrocyclotrons at magnetic field level of up to 10 T for proton and carbon therapy", Proc. of RuPAC-2010, Protvino, Russia.
3. D. Campo, L. Calabretta, M. Maggiore, L.A.C. Piazza, "Beam injection and extraction of SCENT300, a superconducting cyclotron for hadrontherapy", Proc. of EPAC08, Genoa, Italy.
4. V.S. PANDIT, "Study on using high injection voltage and spiral inflector in the central region of VEC", PRAMANA journal of physics, Indian Academy of Sciences, Vol.59, No. 6, pp.1019-1024, 2002.
5. Adriano Garonna, "Cyclotron designs for ion beam therapy with cyclinacs", PhD Thesis, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, 2011.