RU2420045C1 - Method for inductive ion acceleration - Google Patents

Method for inductive ion acceleration Download PDF

Info

Publication number
RU2420045C1
RU2420045C1 RU2009138481/07A RU2009138481A RU2420045C1 RU 2420045 C1 RU2420045 C1 RU 2420045C1 RU 2009138481/07 A RU2009138481/07 A RU 2009138481/07A RU 2009138481 A RU2009138481 A RU 2009138481A RU 2420045 C1 RU2420045 C1 RU 2420045C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
orbit
ions
pulses
accelerating
induction
Prior art date
Application number
RU2009138481/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Геннадий Варламович Долбилов (RU)
Геннадий Варламович Долбилов
Сергей Иванович Тютюнников (RU)
Сергей Иванович Тютюнников
Original Assignee
Объединенный Институт Ядерных Исследований
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Объединенный Институт Ядерных Исследований filed Critical Объединенный Институт Ядерных Исследований
Priority to RU2009138481/07A priority Critical patent/RU2420045C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2420045C1 publication Critical patent/RU2420045C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Particle Accelerators (AREA)

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: particles are accelerated in a magnetic field increasing over time, in which the average value of magnetic flux density inside the equilibrium orbit Bav is much less than the magnetic flux density at the equilibrium orbit. B0 ("Bav<<B0"), In order to keep the radius of the equlibrium orbit constant during acceleration, special relationships between amplitude-time characteristics of magnetic flux density on the orbit and the induced acceleration voltage are satisfied. In order to realise strong focusing, magnetic field with a large alternating gradient is formed on the orbit. The absence of resonant accelerating systems and synchronisation of accelerating pulses with pulses of the time-of-flight beam system enables to accelerate particles in a wide range of particle energy (velocity) with constant equilibrium radius during acceleration. ^ EFFECT: reduced weight and size of the accelerator with a wide range of ion velocity during acceleration, reduced cost of the accelerator and wide range for regulating energy of the accelerated ions, which is necessary when using accelerators in medicine and scientific research. ^ 3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании индукционных циклических ускорителей ионов с регулируемой кинетической энергией в медицине и научных исследованиях. Одним из наиболее важных применений пучков ионов с регулируемой кинетической энергией в медицине является лечение онкологических больных.The invention relates to accelerator technology and can be used to create induction cyclic ion accelerators with controlled kinetic energy in medicine and scientific research. One of the most important applications of ion beams with controlled kinetic energy in medicine is the treatment of cancer patients.

Известны ускорители ионов с регулируемой кинетической энергией, специально разработанные для медицинских целей, - это компактный сверхпроводящий циклотрон [1], в котором реализуется способ, заключающийся в том, что частицы с непрерывно растущим равновесным радиусом ускоряются в постоянном во времени магнитном поле, а ускоряющие дуанты питаются высокочастотным электрическим напряжением, и компактный фазотрон [2], в котором ускорение частиц ведется в нарастающем во времени магнитном поле на равновесной орбите постоянного радиуса, а резонансная частота ускоряющих резонаторов изменяется в соответствии с частотой обращения частиц. В работах [3, 4] предложен вариант индукционного ускорителя заряженных частиц бетатронного типа.Known ion accelerators with adjustable kinetic energy, specially designed for medical purposes, are a compact superconducting cyclotron [1], which implements a method consisting in the fact that particles with a continuously growing equilibrium radius are accelerated in a constant magnetic field in time, and accelerating duants powered by high-frequency electric voltage, and a compact phasotron [2], in which the acceleration of particles is carried out in an increasing magnetic field in time in an equilibrium orbit of constant radius, and nsnaya frequency accelerating cavities varies according to the frequency of revolution of the particles. In [3, 4], a variant of the induction accelerator of charged particles of the betatron type was proposed.

Недостатками компактного сверхпроводящего циклотрона [1] являются большая масса магнитного материала (350 тон) и стоимость установки, в которой регулировка энергии ионов осуществляется путем замедления скорости ускоренных ионов в линейном ускорителе ионов.The disadvantages of a compact superconducting cyclotron [1] are the large mass of magnetic material (350 tons) and the cost of the installation, in which the regulation of ion energy is carried out by slowing the speed of accelerated ions in a linear ion accelerator.

Недостатками компактного фазотрона [2] являются большой вес (40-50 тон) и зависимость частоты ускоряющего напряжения от скорости ускоряемых ионов, которая определяет временем пролета ионов на орбите. Ограниченный диапазон перестройки резонансной частоты ускоряющей системы фазотрона требует ограничения диапазона скоростей ускоряемых ионов и использование дополнительных инжекторов с высокой энергией инжекции пучка.The disadvantages of the compact phasotron [2] are the large weight (40-50 tons) and the dependence of the frequency of the accelerating voltage on the speed of accelerated ions, which determines the time of flight of ions in orbit. The limited tuning range of the resonant frequency of the accelerating system of the phasotron requires limiting the speed range of the accelerated ions and the use of additional injectors with high beam injection energy.

Индукционные ускорители [3, 4] и критерии, предложенные в этих работах, имеют малую массу магнитного материала и не имеют перестраиваемых резонансных ускоряющих структур, но они предназначены для индукционного ускорение легких частиц, которые быстро набирают скорость на первых оборотах, а основной процесс ускорения ведется при скорости частиц, близкой к скорости света.Induction accelerators [3, 4] and the criteria proposed in these works have a small mass of magnetic material and do not have tunable resonant accelerating structures, but they are designed for induction acceleration of light particles, which quickly gain speed at first revolutions, and the main acceleration process at a particle velocity close to the speed of light.

В качестве прототипа выбираем способ [4]. Этот способ заключается в том, что формируют нарастающее во времени магнитное поле со средней величиной магнитной индукции, много меньшей индукции магнитного поля на орбите; формируют знакопеременный градиент магнитного поля на орбите с показателем поля, много большим единицы (сильная фокусировка); инжектируют в него заряженные частицы; ускоряют заряженные частицы импульсами индукционного электрического поля с длительностью импульсов, много меньшей времени нарастания поля на орбите, и частотой повторения импульсов, равной частоте обращения частиц на орбите, и выводят ускоренные частицы.As a prototype, select the method [4]. This method consists in forming a magnetic field increasing in time with an average value of magnetic induction much less than the magnetic field induction in orbit; form an alternating magnetic field gradient in orbit with a field index much larger than unity (strong focusing); charged particles are injected into it; accelerate charged particles by pulses of an induction electric field with a pulse duration much shorter than the rise time of the field in orbit, and a pulse repetition rate equal to the frequency of revolution of the particles in orbit, and accelerated particles are output.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение веса и габаритов ускорителя с широким диапазоном скоростей ионов в процессе ускорения, снижение его стоимости и увеличение диапазона регулировки энергии ускоренных ионов, что необходимо при использовании ускорителей в медицине и научных исследованиях.The technical result of the invention is to reduce the weight and dimensions of the accelerator with a wide range of ion velocities during the acceleration process, reduce its cost and increase the range of regulation of the energy of accelerated ions, which is necessary when using accelerators in medicine and scientific research.

Способ заключается в том, что формируют нарастающее во времени магнитное поле со средней величиной магнитной индукции, много меньшей магнитного поля на орбите; формируют знакопеременный градиент магнитного поля на орбите с показателем поля, много большим единицы (сильная фокусировка); инжектируют в него заряженные частицы; ускоряют заряженные частицы импульсами индукционного электрического поля с длительностью импульсов, много меньшей времени нарастания поля на орбите, с частотой повторения импульсов, равной частоте обращения ионов на орбите, с длительностью ускоряющей части индуцированных импульсов, постоянной в процессе ускорения и равной половине периода обращения ионов в конце цикла ускорения, а их амплитуда равна ΔU=L·R0·dB/dt,The method consists in forming a magnetic field increasing in time with an average value of magnetic induction much lower than the magnetic field in orbit; form an alternating magnetic field gradient in orbit with a field index much larger than unity (strong focusing); charged particles are injected into it; accelerate charged particles by pulses of an induction electric field with a pulse duration much shorter than the rise time of the field in orbit, with a pulse repetition rate equal to the frequency of revolution of ions in orbit, with a duration of the accelerating part of the induced pulses, constant during acceleration and equal to half the period of revolution of ions at the end acceleration cycle, and their amplitude is ΔU = L · R 0 · dB / dt,

где L - периметр орбиты с учетом прямолинейных участков, R0 - радиус равновесной орбиты ионов, dB/dt - скорость изменения магнитной индукции на орбите. Импульсы ускоряющего индукционного электрического поля формируют с наклонным столом вершины импульсов для обеспечения устойчивости азимутального движения. В режиме однооборотного вывода частиц фронт импульса дефлектора системы вывода формируют меньшим или равным половине периода обращения ионов в конце цикла ускорения, при этом длительность импульса больше или равна половине этого периода.where L is the perimeter of the orbit taking into account the straight sections, R 0 is the radius of the equilibrium orbit of ions, dB / dt is the rate of change of magnetic induction in orbit. The pulses of the accelerating induction electric field form the tips of the pulses with an inclined table to ensure the stability of the azimuthal motion. In the regime of single-turn particle extraction, the pulse front of the deflector of the output system is formed less than or equal to half the ion revolution period at the end of the acceleration cycle, and the pulse duration is greater than or equal to half this period.

Отличительными признаками заявленного способа являются следующие.Distinctive features of the claimed method are as follows.

Длительность ускоряющей части индуцированных импульсов формируют постоянной в процессе ускорения и равной половине периода обращения ионов в конце цикла ускорения. Это позволяет обеспечить азимутальную («фазовую») устойчивость ускоряемого пучка частиц и увеличить диапазон регулировки энергии ускоренных ионов.The duration of the accelerating part of the induced pulses is formed constant during the acceleration process and equal to half the ion revolution period at the end of the acceleration cycle. This allows us to ensure the azimuthal ("phase") stability of the accelerated particle beam and increase the range of regulation of the energy of accelerated ions.

Формируют амплитуду индуцированных ускоряющих импульсов равной ΔU=L·R0·dB/dt, где L - периметр орбиты с учетом прямолинейных участков, R0 - радиус равновесной орбиты ионов, dB/dt - скорость изменения магнитной индукции на орбите, что позволяет в процессе ускорения сохранить радиус равновесной орбиты электронов постоянным и уменьшить вес и габариты ускорителя с широким диапазоном скоростей ионов в процессе ускорения.The amplitude of the induced accelerating pulses is formed equal to ΔU = L · R 0 · dB / dt, where L is the perimeter of the orbit taking into account rectilinear sections, R 0 is the radius of the equilibrium orbit of ions, dB / dt is the rate of change of magnetic induction in orbit, which allows the process accelerations to keep the radius of the equilibrium electron orbit constant and to reduce the weight and dimensions of the accelerator with a wide range of ion velocities during acceleration.

Для усиления азимутальной устойчивости ускоряемого пучка частиц вершина ускоряющих импульсов индуцированного напряжения формируется неоднородной.To enhance the azimuthal stability of the accelerated particle beam, the apex of the accelerating pulses of the induced voltage is formed inhomogeneous.

В режиме однооборотного вывода ускоренных частиц длительность фронта импульсов дефлектора системы вывода формируется меньшей половины периода обращения частиц в конце цикла ускорения, а длительность этого импульса больше, чем половина этого периода.In the regime of single-turn output of accelerated particles, the duration of the pulse front of the deflector of the output system is formed for less than half the period of revolution of the particles at the end of the acceleration cycle, and the duration of this pulse is longer than half of this period.

Технический результат предлагаемого изобретения, использующего данный способ, а именно уменьшение веса и габаритов ускорителя с широким диапазоном скоростей ионов в процессе ускорения, снижение его стоимости и увеличение диапазона регулировки энергии ускоренных ионов, что необходимо при использовании ускорителей в медицине и научных исследованиях, достигается тем, что совокупность всех существенных признаков формулы позволяет ускорять ионы в диапазоне относительных скоростей 0.01≤β=v/c≤1.0 в индукционном ускорителе с жесткой фокусировкой при постоянном радиусе равновесной орбиты, что позволяет обойтись без дополнительных ускрителей-инжекторов и многократно уменьшить объем и вес магнитной системы и понизить стоимость ускорителя.The technical result of the invention using this method, namely, reducing the weight and dimensions of the accelerator with a wide range of ion velocities in the acceleration process, reducing its cost and increasing the range of regulation of accelerated ion energy, which is necessary when using accelerators in medicine and scientific research, is achieved by that the combination of all the essential features of the formula allows us to accelerate ions in the range of relative velocities of 0.01≤β = v / c≤1.0 in an induction accelerator with a rigid focus with a constant radius of the equilibrium orbit, which eliminates the need for additional injector accelerators and many times reduces the volume and weight of the magnetic system and lowers the cost of the accelerator.

Кроме того, использование индукционного способа ускорения для ускорения ионов в нарастающем магнитном поле со средней величиной магнитного поля, много меньшей магнитного поля на орбите, и со знакопеременным градиентом магнитного поля на орбите (сильная фокусировка) позволяет дополнительно увеличить интенсивность пучка и уменьшить вес и стоимость ускорителя ионов.In addition, the use of an induction acceleration method to accelerate ions in an increasing magnetic field with an average magnetic field much smaller than the magnetic field in orbit, and with an alternating magnetic field gradient in orbit (strong focusing) can further increase the beam intensity and reduce the weight and cost of the accelerator ions.

Перечень чертежей.The list of drawings.

Фиг.1. Схема ускорителя.Figure 1. Accelerator circuit.

Фиг.2. Схема С-образных сердечников со знакопеременным градиентом.Figure 2. Scheme of C-shaped cores with alternating gradient.

Фиг.3. Форма волны напряжения источника питания (а) и форма волны магнитной индукции на равновесной орбите (б).Figure 3. The voltage waveform of the power source (a) and the magnetic induction waveform in equilibrium orbit (b).

Фиг.4. Схема О-образных сердечников индукционной ускоряющей секции.Figure 4. Scheme of O-shaped cores of the induction accelerating section.

Фиг.5. Амплитудно-временные характеристики магнитной индукции на равновесной орбите (а) и ускоряющее напряжение на витках О-образных сердечников (индукторов) (б).Figure 5. The amplitude-time characteristics of magnetic induction in equilibrium orbit (a) and accelerating voltage on the turns of O-shaped cores (inductors) (b).

На фиг.1 приведена схема устройства, реализующего предложенный способ, гдеFigure 1 shows a diagram of a device that implements the proposed method, where

1) С-образные электромагниты, 2) О-образные сердечники индукционной ускоряющей системы, 3) система инжекции и вывода ионного пучка.1) C-shaped electromagnets, 2) O-shaped cores of an induction accelerating system, 3) an injection and extraction system for an ion beam.

Способ работает следующим образом. Пучок заряженных частиц (ионов) выводят на равновесную орбиту, частицы пучка удерживают на равновесной орбите магнитным полем С-образных электромагнитов (1), ускоряют электрическим полем, индуцированным O-образными ферромагнитными сердечниками (индукторами) (2) и при достижении требуемой энергии выводят из ускорителя.The method works as follows. The beam of charged particles (ions) is brought into equilibrium orbit, the beam particles are held in equilibrium by the magnetic field of C-shaped electromagnets (1), accelerated by the electric field induced by O-shaped ferromagnetic cores (inductors) (2) and, when the required energy is reached, they are removed from accelerator.

Для реализации предлагаемого способа ускорения нарастающее во времени магнитное поле на орбите формируют С-образными электромагнитами с высокими градиентами поля n>>1 и n<<-1. Комбинация двух типов С-образных сердечников позволяет обеспечить жесткую фокусировку ионов. На фиг.2 представлена схема С-образных сердечников электромагнитов со знакопеременным градиентом. Электромагниты питаются прямоугольной волной напряжения V0 (фиг.3а). Форма волны магнитной индукции на орбите показана на фиг.3б.To implement the proposed method of acceleration, an increasing magnetic field in time in orbit is formed by C-shaped electromagnets with high field gradients n >> 1 and n << - 1. The combination of two types of C-shaped cores allows for rigid focusing of ions. Figure 2 presents a diagram of the C-shaped cores of electromagnets with an alternating gradient. The electromagnets are fed by a rectangular voltage wave V 0 (figa). The magnetic induction waveform in orbit is shown in FIG.

Частицы, движущиеся по равновесной орбите, ускоряются электрическим полем, индуцированным O-образными ферромагнитными сердечниками (индукторами), которые располагаются на прямолинейных участках ускорителя. На фиг.4 приведена схема O-образных сердечников индукционной ускоряющей системы. Для того чтобы в процессе ускорения радиус равновесной орбиты оставался постоянным, необходимо выполнить условие постоянства в процессе ускорения соотношенияParticles moving in equilibrium orbit are accelerated by an electric field induced by O-shaped ferromagnetic cores (inductors), which are located in straight sections of the accelerator. Figure 4 shows a diagram of the O-shaped cores of an induction accelerating system. In order for the radius of the equilibrium orbit to remain constant during acceleration, it is necessary to fulfill the condition of constancy in the process of acceleration of the relation

P(t)/q·B(t)=const,P (t) / qB (t) = const,

где P(t) - импульс ионов, B(t) - индукция магнитного поля на орбите, q - заряд иона. Это условие выполняется, когда величина суммарного индуцированного О-образными сердечниками напряжение равна:where P (t) is the ion momentum, B (t) is the magnetic field induction in orbit, q is the ion charge. This condition is fulfilled when the total voltage induced by O-shaped cores is equal to:

Vуск=R0·L·dB/dt,V accele = R 0 · L · dB / dt,

где R0 - радиус равновесной орбиты, L - суммарный периметр орбиты с учетом прямолинейных участков.where R 0 is the radius of the equilibrium orbit, L is the total perimeter of the orbit, taking into account the straight sections.

Амплитудно-временные характеристики магнитной индукции на орбите и ускоряющего напряжения на витках О-образных сердечников (индукторов) показаны на фиг.5. Длительность импульсов ускоряющего напряжения равна 1/2 периода обращения ионов на конечной стадии ускорения. Эта длительность остается постоянной в течение всего процесса ускорения. Положительная часть импульса ускоряет ионы, а отрицательная часть перемагничивает О-образные сердечники и возвращает их в исходное состояние. Малая длительность импульсов обеспечивает малый объем и вес О-образных сердечников.The amplitude-time characteristics of magnetic induction in orbit and accelerating voltage on the turns of O-shaped cores (inductors) are shown in Fig.5. The pulse duration of the accelerating voltage is 1/2 of the period of revolution of the ions at the final stage of acceleration. This duration remains constant throughout the acceleration process. The positive part of the pulse accelerates the ions, and the negative part magnetizes the O-shaped cores and returns them to their original state. The short pulse duration provides a small volume and weight of O-shaped cores.

Период повторения ускоряющих импульсов зависит от скорости частиц и должен соответствовать периоду обращения частиц в процессе ускоренияThe repetition period of accelerating pulses depends on the speed of the particles and should correspond to the period of revolution of the particles during acceleration

τ0=L/v0, τmin=L/Vmax τ 0 = L / v 0 , τ min = L / V max

v0 - начальная скорость ионов, Vmax - скорость, соответствующая конечной энергии ионов, τmin - период повторения импульсов в конце процесса ускорения, τ0 - период повторения импульсов в начале процесса ускорения, L - суммарный периметр орбиты ионов с учетом прямолинейных участков.v 0 is the initial ion velocity, V max is the velocity corresponding to the final ion energy, τ min is the pulse repetition period at the end of the acceleration process, τ 0 is the pulse repetition period at the beginning of the acceleration process, L is the total perimeter of the ion orbit taking into account straight sections.

Момент запуска каждого последующего ускоряющего импульса определяется сигналами системы контроля ионного пучка.The starting moment of each subsequent accelerating pulse is determined by the signals of the ion beam monitoring system.

Наклон вершины ускоряющих импульсов обеспечивает азимутальную («фазовую») устойчивость пуска ионов. Величина наклона вершины импульсов определяется расчетным путем и зависит от суммарного периметра орбиты и типа ускоряемых ионов.The slope of the peak of the accelerating pulses provides azimuthal ("phase") stability of the launch of ions. The magnitude of the slope of the peak of the pulses is determined by calculation and depends on the total perimeter of the orbit and the type of accelerated ions.

Формирование магнитного поля в зазорах С-образных электромагнитов с большим радиальным градиентом и осуществление фокусировки ионов знакопеременным градиентом поля (сильная фокусировка) позволяет увеличить число ионов, ускоряемых в одном цикле ускорения. Большой показатель магнитного поля уменьшает амплитуду бетатронных колебаний и позволяет уменьшить размеры вакуумной камеры, уменьшить размеры, вес и стоимость С-образных магнитов.The formation of a magnetic field in the gaps of C-shaped electromagnets with a large radial gradient and the focusing of ions by an alternating field gradient (strong focusing) makes it possible to increase the number of ions accelerated in one acceleration cycle. A large indicator of the magnetic field reduces the amplitude of betatron oscillations and allows you to reduce the size of the vacuum chamber, to reduce the size, weight and cost of C-shaped magnets.

Малая длительность ускоряющих импульсов индукционного поля позволяет существенно уменьшить сечение О-образных сердечников, их вес и стоимость.The short duration of the accelerating pulses of the induction field can significantly reduce the cross section of O-shaped cores, their weight and cost.

Синхронизация ускоряющих импульсов с импульсами системы измерения времени пролета пучка ионов позволяет ускорять ионы в большом диапазоне энергий (скоростей ионов) при неизменном равновесном радиусе и отказаться от ускорителей-инжекторов.The synchronization of accelerating pulses with the pulses of the system for measuring the time of flight of an ion beam makes it possible to accelerate ions in a large range of energies (ion velocities) at a constant equilibrium radius and to abandon injector accelerators.

Регулировка энергии ускоренных ионов осуществляется изменением длительности импульсов прямоугольной волны напряжения (Фиг.3а), которым и питаются С-образные электромагниты, длительность которых определяет амплитуду ведущего магнитного поля на орбите Вmax (Фиг.3б) и, соответственно, конечную энергию ионовThe energy of accelerated ions is regulated by changing the pulse duration of a rectangular voltage wave (Fig.3a), which feeds C-shaped electromagnets, the duration of which determines the amplitude of the leading magnetic field in orbit B max (Fig.3b) and, accordingly, the final ion energy

Еион(max)=q·ВmaxR0·c2/Vmax,E ion (max) = q · V max R 0 · c 2 / V max ,

где q - заряд ионов, R0 - радиус равновесной орбиты, с - скорость света, v - скорость ионов.where q is the ion charge, R 0 is the radius of the equilibrium orbit, c is the speed of light, v is the speed of ions.

Для примера рассмотрим основные параметры ускорителя протонов на энергию 200 МэВ. При энергии 200 МэВ релятивистский фактор протонов равен γ=1.2, а их относительная скорость β=0.553. При амплитуде магнитной индукции Вmax=1 Т радиус равновесной орбиты R0 равен:As an example, we consider the main parameters of a proton accelerator with an energy of 200 MeV. At an energy of 200 MeV, the relativistic factor of protons is γ = 1.2, and their relative velocity is β = 0.553. When the amplitude of the magnetic induction B max = 1 T, the radius of the equilibrium orbit R 0 is:

R0max/qBmax=Mc2βγ/eBmax·c=2.2 м,R 0 = P max / qB max = Mc 2 βγ / eB max · c = 2.2 m,

где Рmax - импульс протона, q - заряд протона, М - масса протона, с - скрость света, β=v/с - относительная скорость протонов, Bmax - максимальна амплитуда магнитной индукции поля.where P max is the proton momentum, q is the proton charge, M is the proton mass, s is the speed of light, β = v / s is the relative speed of the protons, B max is the maximum amplitude of the magnetic induction of the field.

Если суммарный периметр орбиты с учетом прямолинейных участков равен 15 м, то период обращения ускоренных протонов будет равен τmin=90·10-9с. Для реализации предлагаемого способа ускорения длительность ускоряющих импульсов должна быть равна τуск=45·10-9с.If the total perimeter of the orbit, taking into account the straight sections, is 15 m, then the period of revolution of the accelerated protons will be τ min = 90 · 10 -9 s. To implement the proposed method of acceleration, the duration of the accelerating pulses should be equal to τ accele = 45 · 10 -9 s.

Потери при высокочастотном перемагничивании О-образных сердечников будут малы, если их максимальная индукция не будет превышать ΔВ=0.1 Т. При суммарном сечении сердечников S=20-400 см величина ускоряющего напряжения будет составлять:Losses during high-frequency magnetization reversal of O-shaped cores will be small if their maximum induction does not exceed ΔВ = 0.1 T. With a total core cross-section S = 20-400 cm, the value of the accelerating voltage will be:

Vуск=ΔВ·S/τуск=4.4кВ-88 кВV USAC = ΔV · S / τ = the Start-88 kV 4.4kV

Для реализации такой ускоряющей системы потребуется 10 ферритовых колец размером 120×80×10 мм (S=20 см) или 20 колец размером 240×80×25 мм (S=400 см), первичные витки которых возбуждаются импульсами с амплитудой около 450 В (S=20 см) или 4500 В (S=400 см).To implement such an accelerating system, 10 ferrite rings 120 × 80 × 10 mm in size (S = 20 cm) or 20 rings 240 × 80 × 25 mm in size (S = 400 cm), the primary turns of which are excited by pulses with an amplitude of about 450 V ( S = 20 cm) or 4500 V (S = 400 cm).

Из условия постоянства равновесного радиуса орбиты находим:From the condition of constant equilibrium radius of the orbit we find:

dB/dt=Вmax/Т=Vуск/LR0 dB / dt = V max / T = V accele / LR 0

Время нарастания индукции ведущего магнитного поля:Rise time of the induction of the leading magnetic field:

T=LR0Bmax/Vуск=7.4·10-3-3.7·10-4сT = LR 0 B max / V accele = 7.4 · 10 -3 -3.7 · 10 -4 s

При необходимости энергия ускоренных частиц может быть уменьшена путем сокращения времени нарастания (длительности импульса) индукции магнитного поля, Т.If necessary, the energy of accelerated particles can be reduced by reducing the rise time (pulse duration) of the magnetic field induction, T.

Если кинетическая энергия инжекции протонов составляет 50 кВ, то относительная скорость и начальный период повторения ускоряющих импульсов индукционного поля будут равны: β0=0.01; τ0=5·10-6. Таким образом, период повторения ускоряющих импульсов должен меняться от 5 мкс до 90 нс. При этом длительность импульсов и их амплитуда должны оставаться постоянными в процессе ускорения.If the kinetic energy of proton injection is 50 kV, then the relative velocity and the initial repetition period of the accelerating pulses of the induction field will be equal to: β 0 = 0.01; τ 0 = 5 · 10 -6 . Thus, the repetition period of accelerating pulses should vary from 5 μs to 90 ns. In this case, the duration of the pulses and their amplitude should remain constant during acceleration.

Момент запуска каждого последующего ускоряющего импульса определяется сигналами системы контроля времени пролета протонного пучка.The starting moment of each subsequent accelerating pulse is determined by the signals of the proton beam flight time monitoring system.

Из всех вариантов систем импульсной мощности транзисторный вариант является наиболее предпочтительным. Транзисторные конвертеры DC напряжения в АС напряжение имеют высокие надежность, долговечностьи и к.п.д. В работе [5] сообщается об реализации конвертора мощностью 1.6 МВт с частотой коммутации 150 кГц. Имеются в наличии транзисторные ключи с частотой переключения до 30 МГц и мощностью до 1.8 кВт [6]. Быстрый прогресс в области полупроводниковых переключателех позволяет надеяться на то, что мощные системы питания для индукционных ускорителей частиц с высокой частотой повторения циклов будут разработаны в ближайшее время.Of all the options for pulsed power systems, a transistor option is most preferred. Transistor converters DC voltage to AC voltage have high reliability, durability and efficiency In [5], the implementation of a 1.6 MW converter with a switching frequency of 150 kHz was reported. Transistor switches are available with a switching frequency of up to 30 MHz and a power of up to 1.8 kW [6]. The rapid progress in the field of semiconductor switches allows us to hope that powerful power systems for induction particle accelerators with a high repetition rate of cycles will be developed in the near future.

ЛитератураLiterature

1. Luchiano Colabetto et al, A Novel Supercoducting Cyclotron for Therapy and Radioisotope Production, «Nuclear Instrument and Method in Physics Research», A 562 (2006) p.p.1009-1012.1. Luchiano Colabetto et al, A Novel Supercoducting Cyclotron for Therapy and Radioisotope Production, Nuclear Instrument and Method in Physics Research, A 562 (2006) p.p. 1009-1012.

2. V.E.Balakin et al, «TRAPP-Fasility for Proton Therapy of Cancer», EPAC, Rome, 1988, v.2, p.1505.2. V.E. Balakin et al, "TRAPP-Facility for Proton Therapy of Cancer", EPAC, Rome, 1988, v. 2, p. 1505.

3. G.V.Dolbilov, «The Compact Iduction Circular Accelerator for Radiation Technologies», Proceedings of APAC 2007, Raja Ramanna Centre for Advanced Technology(RRCAT), Indore, India, p.p.628-629.3. G.V. Dolbilov, “The Compact Iduction Circular Accelerator for Radiation Technologies”, Proceedings of APAC 2007, Raja Ramanna Center for Advanced Technology (RRCAT), Indore, India, p. P. 628-629.

4. Г.В.Долбилов, «Способ индукционного ускорения заряженных частиц», Патент на изобретение №2359434, 05 июля 2007 г.4. G.V.Dolbilov, “Method of induction acceleration of charged particles”, Patent for invention No. 2359434, July 05, 2007

5. H.Matthes, R. Jurgens, «1.6 MW 150 kHz Series Resonant Circuit Converter incorporating IGBT Device for welding Applikation», International Heating Seminar, Padova, p.25-31.5. H. Matthes, R. Jurgens, “1.6 MW 150 kHz Series Resonant Circuit Converter incorporating IGBT Device for welding Applikation”, International Heating Seminar, Padova, p.25-31.

6. Hammad Abo Zied, Peter Mutschler, Guido Bachmann, «A Modulator IGBT Converter System for High Frequency Induction Heating Application», PCIM 2002, 14-16.05, Nurenberg.6. Hammad Abo Zied, Peter Mutschler, Guido Bachmann, “A Modulator IGBT Converter System for High Frequency Induction Heating Application”, PCIM 2002, 14-16.05, Nurenberg.

Claims (3)

1. Способ индукционного ускорения заряженных частиц, заключающийся в том, что формируют нарастающее во времени магнитное поле со средней величиной, много меньшей магнитного поля на орбите; формируют знакопеременный градиент магнитного поля на орбите с показателем поля, много большим единицы (сильная фокусировка); инжектируют в него заряженные частицы; ускоряют заряженные частицы импульсами индукционного электрического поля с длительностью импульсов, много меньшей времени нарастания поля на орбите и частотой повторения импульсов, равной частоте обращения ионов на орбите, и выводят ускоренные частицы, отличающийся тем, что на длительность ускоряющей части импульсов индукционного электрического поля накладывается условие постоянства длительности импульсов в процессе ускорения, при этом длительность ускоряющих импульсов равна половине периода обращения ионов в конце цикла ускорения, а их амплитуда равна Vуск=L·R0·dB/dt,
где L - периметр орбиты с учетом прямолинейных участков, R0 - радиус равновесной орбиты ионов, dB/dt - скорость изменения магнитной индукции на орбите.
1. The method of induction acceleration of charged particles, which consists in the fact that they form an increasing magnetic field in time with an average value, much smaller than the magnetic field in orbit; form an alternating magnetic field gradient in orbit with a field index much larger than unity (strong focus); charged particles are injected into it; accelerate charged particles by pulses of an induction electric field with a pulse duration much shorter than the rise time of the field in orbit and a pulse repetition rate equal to the revolution frequency of ions in orbit, and accelerated particles are output, characterized in that the constancy condition is imposed on the duration of the accelerating part of the pulses of the induction electric field the duration of the pulses during acceleration, while the duration of the accelerating pulses is equal to half the period of revolution of the ions at the end of the cycle is accelerated I, and their amplitude is equal to the Start V = L · R 0 · dB / dt,
where L is the perimeter of the orbit taking into account the straight sections, R 0 is the radius of the equilibrium orbit of the ions, dB / dt is the rate of change of magnetic induction in orbit.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения устойчивости азимутального движения ионов («фазовая» устойчивость) стол вершины ускоряющего импульса имеет наклон, соответствующий конкретным условиям азимутального движения ионов.2. The method according to claim 1, characterized in that to ensure the stability of the azimuthal movement of ions ("phase" stability), the top table of the accelerating pulse has a slope corresponding to the specific conditions of the azimuthal movement of ions. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для обеспечения однооборотного вывода ионов фронт импульса дефлектора системы вывода формируют меньшим или равным половине периода обращения ионов в конце цикла ускорения, при этом длительность импульса больше или равна половине этого периода. 3. The method according to claim 2, characterized in that in order to provide single-turn ion output, the pulse front of the deflector of the output system is formed to be less than or equal to half the ion revolution period at the end of the acceleration cycle, while the pulse duration is greater than or equal to half this period.
RU2009138481/07A 2009-10-21 2009-10-21 Method for inductive ion acceleration RU2420045C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009138481/07A RU2420045C1 (en) 2009-10-21 2009-10-21 Method for inductive ion acceleration

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009138481/07A RU2420045C1 (en) 2009-10-21 2009-10-21 Method for inductive ion acceleration

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2420045C1 true RU2420045C1 (en) 2011-05-27

Family

ID=44735014

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009138481/07A RU2420045C1 (en) 2009-10-21 2009-10-21 Method for inductive ion acceleration

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2420045C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2513034C2 (en) * 2012-07-03 2014-04-20 Объединенный Институт Ядерных Исследований Method for induction electron acceleration
RU2529372C2 (en) * 2012-09-26 2014-09-27 Николай Владимирович Андреев Linear electron accelerator

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2513034C2 (en) * 2012-07-03 2014-04-20 Объединенный Институт Ядерных Исследований Method for induction electron acceleration
RU2529372C2 (en) * 2012-09-26 2014-09-27 Николай Владимирович Андреев Linear electron accelerator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101173332B1 (en) Ion beam accelerating method
RU2420045C1 (en) Method for inductive ion acceleration
RU2359434C2 (en) Method for induction acceleration of charged particles
Kim et al. Control and analysis of magnetic switch reset current in pulsed power systems
Luo et al. Conception design of helium ion FFAG accelerator with induction accelerating cavity
White et al. A 3 Bev high intensity proton-synchrotron
Singh Electron acceleration by an intense short pulse laser in a static magnetic field in vacuum
Miao et al. Experimental demonstration of dual-mode relativistic backward wave oscillator with a beam filtering ring packaged with permanent magnet
Rajput et al. Electron acceleration due to a circularly polarized laser pulse on a downward plasma density ramp in the presence of an azimuthal magnetic field
RU2683963C1 (en) Pulsed thermonuclear neutron generator
RU2451435C1 (en) Method for cyclic acceleration of charged particles
RU2468546C1 (en) Positron acceleration method, and device for its implementation
RU2513034C2 (en) Method for induction electron acceleration
RU2524571C1 (en) Induction cyclic electron accelerator
RU2671915C2 (en) Autoresonant ultra high frequency generator
RU2618626C2 (en) Method of synchronous accelerating charged particles in constant magnetic field
RU2187913C2 (en) Induction accelerator pulsed power system
Takayama et al. KEK Digital Accelerator and Recent Beam Commissioning Result
Sipahi et al. Co-linear X-Band Energy Booster (XCEB) Cavity and RF System Details
SU433625A1 (en) CURRENT PULSE GENERATOR
Nakamura et al. A modification plan of the KEK 500MEV booster to an all-ion accelerators (An injector-free synchrotron)
RU2187912C2 (en) Induction accelerator pulsed power
SU293557A1 (en) DEVICE FOR PULSE ACCELERATION OF CHARGED PARTICLES
Chernousov et al. Features of the formation of an electron beam in a linear accelerator on parallel-coupled structure
SU1012779A2 (en) Method for accelerating beam of charged particles

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20191022