ФОКУСИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО СИНХРОЦИКЛОТРОНА

Полезная модель относится к ускорительной технике, непосредственно к фокусирующему устройству синхроциклотрона и предназначена для согласования радиального размера (эмиттанса) ускоряемого сгустка протонов с радиальным размером (аксептансом) выводного канала синхроциклотрона, обеспечивая тем самым вывод протонов из камеры ускорителя без радиационного воздействия их на выводную систему.
В качестве устройства-аналога выбрано фокусирующее устройство синхроциклотрона 680 МэВ в ОИЯИ, Дубна, РФ: «Фокусирующее устройство». Труды международной конференции по ускорителям, Дубна, 1963, М., «Атомиздат», 1964, [1].
Устройство-аналог состоит из дуанта, ионного источника открытого типа Пеннинга и фокусирующего бокового электрода, подключенных к источникам их питания.
Устройство-аналог работает следующим образом. На боковой электрод подается отрицательный потенциал необходимой величины, в результате этого вокруг ионного источника между дуантом и боковым электродом создается электрическое поле, которое фокусирует протоны в вертикальном направлении и определяет вертикальный размер сгустка протонов и плотность протонов в нем, то есть - интенсивность синхроциклотрона.
Недостатком аналога является отсутствие возможности влиять на радиальный спектр амплитуд бетатронных колебаний протонов в ускоряемом сгустке и регулировать радиальный размер (эмиттанс) сгустка протонов, что приводит к несогласованности его с радиальным размером (аксептансом) выводного канала, к потере протонов при их выводе из ускорителя и, как следствие, к радиационной активации выводного канала ускоряемым пучком.
В качестве прототипа выбрано фокусирующее устройство самого большого в мире синхроциклотрона на энергию протонов 1000 МэВ Санкт-Петербургского института ядерной физики, А.С. N743243 [2].
Фокусирующее устройство состоит из дуанта, открытого источника протонов типа Пеннинга и фокусирующих бокового и центрального электродов, располагаемых в центральной области ускорителя. Дуант, источник и электроды подсоединены к соответствующим источникам их питания.
Устройство-прототип работает следующим образом. На дуант, ионный источник и фокусирующие электроды подаются соответствующие напряжения, в результате чего в центральной области ускорителя создается электрическое поле, которое фокусирует протоны в вертикальном направлении к медианной плоскости магнитного поля и определяет спектр амплитуд бетатронных колебаний протонов, а так же плотность и поперечные размеры сгустка ускоряемых протонов и тем самым интенсивность протонного пучка синхроциклотрона. (Устройство-прототип, используемое на синхроциклотроне ПИЯФ, приводит к 10-кратному увеличению интенсивности синхроциклотрона. Труды VI Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 11-13 окт., 1978, М., 1979, т.3 [3]).
Недостатком прототипа является отсутствие возможности изменять спектр амплитуд радиальных бетатронных колебаний протонов в ускоряемом сгустке и регулировать радиальный размер (эмиттанс) ускоряемого сгустка протонов, что приводит к несогласованности его с радиальным аксептансом выводного канала, к потере части протонов при выводе их из ускорителя и, как следствие, к радиационной активации выводного канала ускоренными до высокой энергии протонами. Этот недостаток, в свою очередь, приводит к существенным отрицательным последствиям для работы самого синхроциклотрона.
Z
Z
R
R
Z
R
Z
R
Поясним этот недостаток прототипа подробно. Захват протонов в режим их ускорения дуантом и формирование спектра амплитуд вертикальных и радиальных колебаний протонов и размеров сгустка происходит в центральной области синхроциклотрона. Фокусирующее устройство влияет, в основном, только на вертикальный спектр амплитуд и вертикальный размер сгустка 2A, (где A - максимальная амплитуда в спектре вертикальных бетатронных колебаний), а радиальный спектр амплитуд и радиальный размер сгустка 2A, (где A - максимальная амплитуда в спектре радиальных бетатронных колебаний) определяется процессом захвата протонов в сепаратрису и практически не зависит от параметров фокусирующего устройства. Сформированный в центре синхроциклотрона сгусток протонов с поперечными размерами 2A×2A при дальнейшем его ускорении и увеличении энергии практически не меняет свой спектр амплитуд бетатронных колебаний и с этими же размерами достигает выводного канала. Типичные поперечные размеры сгустка в синхроциклотронах 2A≈2-4 см; 2A≈20-40 см. Вывод ускоренного сгустка протонов из камеры синхроциклотрона для его использования осуществляется при помощи регенеративной выводной магнитной системы (выводного канала). Однако известно, что во всех синхроциклотронах с открытым ионным источником типа Пеннинга коэффициент вывода протонов из камеры ускорителя составляет величину всего 5%-30%, остальные 95%-70% протонов гибнут на элементах выводного канала: Труды II Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц М., 11-18 ноября 1970 г.; М., 1972, т.II, [4].
Известно так же, что одной из основных причин потерь является слишком широкий спектр радиальных бетатронных колебаний протонов в сгустке. Эти потери могут быть значительно снижены, если сузить спектр радиальных колебаний протонов в ускоряемом сгустке, то есть уменьшить радиальный размер сгустка.
Таким образом, так как в устройстве-прототипе радиальный размер (эмиттанс) ускоренного сгустка в несколько раз больше радиального размера (аксептанса) выводного канала (условно называемого «окном» выводного канала), то значительная часть ускоренных протонов гибнет на элементах конструкции канала, производя его радиационную активацию: Сб. докладов XV Совещания по ускорителям заряженных частиц. Протвино 22-24 окт. 1996 г. Протвино, 1996, т.II 5]. Из-за этого недостатка уровень наведенной радиоактивности выводного канала синхроциклотрона находится вблизи предельно-допустимых значений, а дозовая нагрузка на обслуживающий персонал и необходимую радиационную защиту самого синхроциклотрона составляет существенную стоимость эксплуатации ускорителя. Важно так же отметить, что этот недостаток прототипа - является ограничивающим фактором для интенсивности синхроциклотрона. При энергии 1000 МэВ предельным с точки зрения эксплуатации ускорителя является интенсивность ~1 мкА, так как при увеличении интенсивности и, следовательно, увеличения радиационной нагрузки пришлось бы переходить на использование дистанционных манипуляторов при обслуживании радиоактивных систем синхроциклотрона.
Таким образом, в синхроциклотроне при его работе с прототипом радиальный эмиттанс пучка не согласован с радиальным аксептансом выводного канала и значительно больше его, что приводит к потере значительной части протонов на элементах конструкции выводного канала и к радиационной активации выводного канала ускоряемым пучком.
Задача изобретения - создание нового фокусирующего устройства синхроциклотрона, которое осуществляет не только вертикальную фокусировку протонов как у прототипа, но и одновременно производит формирование и регулировку радиального размера (эмиттанса) сгустка ускоряемых протонов для согласования его с радиальным аксептансом выводного канала синхроциклотрона.
Технический эффект заключается в обеспечении вывода протонов из камеры ускорителя без радиационного воздействия их на выводной канал при сохранении числа выведенных протонов из камеры ускорителя, то есть при той же интенсивности пучка синхроциклотрона.
Технический эффект достигается тем, что в фокусирующем устройстве синхроциклотрона, включающем дуант, ионный источник типа Пеннинга с системой фокусирующих центрального и бокового электродов и блоками их питания, новым является то, что в устройство дополнительно вводится дефлектор, состоящий из двух пластин в форме полуколец, окружающих пластины бокового фокусирующего электрода, и вводится генератор радиоимпульсов с частотой заполнения, равной частоте бетатронных вертикальных колебаний протонов в ускоряемом сгустке, причем разнополярный выход генератора подключен к пластинам дефлектора, а его вход подключен к дуанту для временной синхронизации и включения радиоимпульса в момент нахождения между пластинами дефлектора только части сгустка протонов, имеющих большие амплитуды радиальных колебаний.
Сущность предлагаемого устройства поясняется фигурой 1а, б, где 1а - схема устройства - вид сбоку, 1б - вид сверху.
1. Вакуумная камера синхроциклотрона.
2. Дуант.
3. Ионный источник с центральными фокусирующими электродами.
4. Боковой фокусирующий электрод.
5. Пластины дефлектора.
6. Генератор радиоимпульсов.
7. Цепь синхронизации генератора радиоимпульсов 6 с дуантом 2.
8. Разнополярные выходы генератора 6 подключены к пластинам дефлектора 5.
9. Положение и размер ускоряемого сгустка протонов в момент подачи радиоимпульса t*. (Заштрихованная часть сгустка - протоны подвергающиеся воздействию дефлектора и выбывающие из ускоряемого сгустка).
10. Положение и размер сгустка протонов, продолжающих дальнейшее ускорение.
11. Направление выведенных протонов из камеры синхроциклотрона 1.
12. Схематическое изображение радиоимпульса, подаваемого на пластины дефлектора 5, вырабатываемого генератором радиоимпульсов 6.
13. Схематическое изображение выводного канала.
На Фиг.1 введены следующие обозначения.
0 - центр симметрии магнитного поля синхроциклотрона.
XYZ - система координат.
OXY - медианная плоскость магнитного поля ускорителя.
R - радиус ускорения.
дф
R - радиус дефлекторных пластин 5.
b - ширина пластин дефлектора 5.
0
R(t) - равновесный радиус сгустка (центр сгустка) в момент времени I его ускорения.
Z
A - максимальная амплитуда вертикальных бетатронных колебаний протонов в сгустке.
Z
2A - вертикальный размер сгустка.
R
A - максимальная амплитуда радиальных бетатронных колебаний протонов в сгустке.
R
2A - радиальный размер сгустка.
R
2a - радиальный размер сгустка 10 продолжающего ускорение после подачи на дефлекторные пластины 5 радиоимпульса 12.
дФ
U - амплитуда напряжения на пластинах дефлектора 5.
дф
f - частота напряжения радиоимпульса 12, подаваемого на пластины дефлектора 5.
Z
f - частота вертикальных колебаний протонов.
t - текущее время ускорения сгустка
t* - момент времени появления радиоимпульса 12 на пластинах дефлектора 5.
τ - длительность радиоимпульса 12.
Предлагаемое фокусирующее устройство (Фиг.1) состоит из находящихся в вакуумной камере 1 дуанта 2, ионного источника 3, и фокусирующих центрального 3 и бокового 4 электродов. (Система их крепления и питания на Фиг.1 не показаны).
В эту фокусирующую систему дополнительно введен дефлектор 5. Дефлектор 5 состоит из двух пластин в виде полуколец, окружающих боковой фокусирующий электрод 4. (Схема его крепления на Фиг.1 не показана).
В фокусирующую систему введен также генератор радиоимпульсов 6, причем, частота заполнения радиоимпульсов равна частоте бетатронных вертикальных колебаний протонов в ускоряемом сгустке. Разнополярные выходы 8 генератора 6 подключены к пластинам дефлектора 5. Вход генератора 6 подключен к дуанту 2 для временной синхронизации работы генератора 6 с циклом работы и частотной ВЧ-программы дуанта 2.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При каждом ускорительном цикле в вакуумной камере сихроциклотрона 1 формируется ускоряемый сгусток (банч) протонов. Формирование сгустка происходит в центральной области медианной плоскости ОХУ на радиусах 5-15 см в результате действия фокусирующих сил магнитного поля и электростатических полей при работе ионного источника с центральными фокусирующими электродами 3, бокового фокусирующего электрода 4 и ВЧ- поля дуанта 2.
Z
R
Размеры этого сгустка 2A≈2-4 см, 2A≈20-40 см., угловой размер Δφ≈40-60°. В процессе его дальнейшего ускорения дуантом 2 и движения по радиусу R размеры сгустка практически не меняются.
0
дф
0
дф
Z
R
В некоторый момент времени цикла ускорения t* центр сгустка достигает радиуса R(t*) превышающего радиус дефлекторных пластин R и сгусток занимает положение 9, при котором только его левая заштрихованная часть будет находится между пластинами дефлектора 5. В этот момент t* на дефлекторные пластины 5 подается радиоимпульс 12, вырабатываемый генератором радиоимпульсов 6. Форма этого радиоимпульса 12 условно показана на Фиг.1б. Между пластинами дефлектора 5 возникает высокочастотное электрическое поле, которое воздействует на протоны, находящиеся в заштрихованных частях сгустка 9, как слева так и справа от его центра R. Так как частота заполнения радиоимпульса f выбрана равной частоте вертикальных бетатронных колебаний протонов в сгустке f, то это воздействие носит резонансный характер, амплитуды вертикальных колебаний протонов в заштрихованных областях сгустка 9 увеличиваются, и протоны попадают на пластины дефлектора 5 и выбывают из процесса дальнейшего ускорения. Сгусток оставшихся протонов 10 с укороченным радиальным размером 2a продолжает дальнейшее ускорение, достигает выводного канала 13 и практически без потерь и радиационного воздействия на выводной канал сгусток выводится из камеры ускорителя по направлению 11.
Поясним работу предлагаемого устройства подробно.
0
0
0
Известно, что ускоряемый в синхроциклотроне сгусток протонов имеет равновесный радиус R, положение которого однозначно связано с параметрами магнитного поля ускорителя и частотой ускоряющего поля дуанта f(t). Ускоряемый сгусток вращается вокруг центра ускорителя 0 по спирали с частотой обращения, равной частоте дуанта f(t), и по мере продвижения по радиусу R увеличивает свою энергию. «Основы физики и техники ускорителей». М., Энергоатомиздат, 1991 г. [6],
0
R
Z
R
Z
Протоны в ускоряемом сгустке совершают свободные гармонические колебания около равновесного радиуса (центра сгустка) R как в вертикальном Z, так и горизонтальном R направлениях, которые называются бетатронными колебаниями. В синхроциклотроне эти колебания независимы друг от друга. Частоты этих колебаний связаны с параметрами магнитного поля и частотой дуанта известными соотношениями , , где n(R) - показатель спада магнитного поля. Спектр амплитуд бетатронных колебаний формируется в центральной области ускорителя и определяет размеры сгустка 2A×2A, где A и A - максимальные радиальные и вертикальные амплитуды колебаний протонов в ускоряемом сгустке. В процессе дальнейшего ускорения сгустка эти размеры остаются практически неизменными. Все выше перечисленные величины известны и могут быть определены экспериментально.
дф
z
Известно, что если весь сгусток в процессе его ускорения и движения по радиусу R полностью попадает в электрическое поле дефлекторных пластин 5, на которые подано напряжение в виде радиоимпульса 12 с частотой заполнения, равной частоте вертикальных колебаний протонов в сгустке f=f, то все протоны в сгустке подвергаются резонансной вертикальной раскачке, увеличивают свои амплитуды вертикальных колебаний, попадают на пластины дефлектора и все выбывают из дальнейшего ускорения: Авт. свид. №997593 [7].
В предлагаемом устройстве не все протоны, а только часть протонов из заштрихованных частей сгустка 9, имеющих большие амплитуды, подвергается резонансному воздействию дефлектором 5 и выбывает из дальнейшего ускорения. Это происходит следующим образом.
0
дф
R
Радиоимпульс 12 подается на пластины дефлектора 5 в тот момент t*, когда центр сгустка R(t*) находится за радиусом пластин дефлектора R, а между пластинами в электрическом поле дефлектора 5 будет находиться только заштрихованная левая часть сгустка 9, имеющая амплитуды радиальных колебаний протонов больше амплитуд a, необходимых для вывода.
Однако, так как протоны в сгустке одновременно с вертикальными Z-колебаниями независимо совершают и радиальные R-колебания относительно центра сгустка 0, то резонансному воздействию подвергаются не только протоны в левой, но и в правой заштрихованной части сгустка 9. В результате такого воздействия дефлектора сгусток укорачивается по радиусу с двух сторон, а протоны, имеющие большие амплитуды R - колебаний попадают на пластины дефлектора и выбывают из дальнейшего ускорения.
R
R
Таким образом, сформированный и укороченный по радиусу R от размера 2A до размера 2a сгусток 10 продолжает дальнейшее ускорение, достигает выводного канала 13 и практически без потерь и радиационного воздействия на канал выводится наружу из камеры ускорителя по направлению 11.
0
0
0
0
Момент времени t* подачи радиоимпульса на дефлектор 5 определяется следующим способом. Вход генератора радиоимпульсов 6 подключен к дуанту 2 цепью 7 для временной синхронизации работы генератора 6 с циклами работы и частотой ВЧ-программы дуантов. Так как радиальное положение сгустка однозначно связано с частотой дуанта R=R(f), то генератор 6 «следит» за частотой дуанта f(t) и в нужный момент t* «включает» радиоимпульс 12 на пластины дефлектора 5. Этот момент t* зависит от спектра амплитуд радиальных колебаний протонов в сгустке и подбирается экспериментально по минимуму сигнала потерь от выводного канала.
R
Таким образом, в предлагаемом фокусирующем устройстве при помощи введенных дефлектора 5 и генератора радиоимпульсов 6 производится «отсечение» лишней части спектра больших амплитуд радиальных колебаний и формируется необходимый радиальный размер сгустка (2a), эмиттанс которого соответствует аксептансу выводного канала для вывода его без потерь.
Преимущества предлагаемого устройства выгодно отличают его от прототипа и всех известных аналогичных ему устройств.
Предлагаемое фокусирующее устройство прошло макетные испытания в ФГБУ ПИЯФ им. Б.П. Константинова на синхроциклотроне 1000 МэВ.
Приводим необходимые параметры синхроциклотрона ПИЯФ [7] и расчетные параметры предлагаемого фокусирующего устройства.
Диаметр полюса магнита - 685 см
Зазор между полюсами - 50 см
Показатель спада n≈0,01
0
Частота дуанта f(t)=30-13 МГц.
13
Интенсивность - 1,8 10 протон/с
R
Z
Размеры сгустка - по радиусу 2A≈32 см, по вертикали 2A≈4 см, по азимуту ~30°-40°.
0
дф
Частота дуанта на радиусе дефлектора f(R)≈28 МГЦ
дф
Радиус дефлектора R≈30 см
Ширина дефлектора - 6 см
Зазор между пластинами дефлектора - 6 см
Параметры радиоимпульса:
дф
Амплитуда U - до 300 В.
Z
Частота заполнения радиоимпульса - f=3 МГц
Z
Девиация частоты заполнения - 5% f.
Длительность радиоимпульса τ≈0,5 мс
В ФГБУ «ПИЯФ» ведутся работы по внедрению предлагаемого устройства в постоянную эксплуатацию.
Источники информации
1. Данилов В.И. и др. «Фокусирующее устройство». Труды международной конференции по ускорителям, Дубна, 1963, М, «Атомиздат», 1964, с.591-594. Аналог.
2. Абросимов Н.К. и др. «Фокусирующее устройство синхроциклотрона». А.С. 743243. Прототип.
3. Абросимов Н.К. и др. «Увеличение интенсивности пучка синхроциклотрона ПИЯФ им. Б.П. Константинова АНСССР за счет улучшения электростатической фокусировки в центральной области». Труды VI Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 11-13 окт., 1978, М, 1979, т.1, с.277-280.
4. Абросимов Н.К. и др. «Вывод протонного пучка синхроциклотрона ФТИ АН СССР на энергию 1 ГэВ». Труды II Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. М., 11-18 ноября 1970 г., М, 1972, т.II, с.182-184.
5. Миронов Ю.Т. «Радиационные последствия потерь пучка протонов с энергией 1ГэВ». Сборник докладов XV Совещания по ускорителям заряженных частиц. Протвино, 22-24 окт. 1996 г. Протвино, 1996, т.II, с.275-278.
6. Лебедев А.Н. и др. «Основы физики и техники ускорителей». М., Энергоатомиздат, 1991 г.
7. Абросимов Н.К. и др. «Способ формирования импульса вторичных частиц на внутренних мишенях синхроциклотрона». А.С. 997593, опубл. Бюллетень №25, ч.II, с.433, 2000 г.
8. Г.Ф. Михеев. «Синхроциклотрон на энергию протонов 1 ГэВ ПИЯФ РАН». Библиография. Гатчина. 2000 г.