RU2451435C1

RU2451435C1 - Method for cyclic acceleration of charged particles

Info

Publication number: RU2451435C1
Application number: RU2011103530/07A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Варламович Долбилов (RU); Геннадий Варламович Долбилов
Original assignee: Объединенный Институт Ядерных Исследований
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2011-02-01
Publication date: 2012-05-20

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: time-constant dipolar magnetic field is generated, where the spatial configuration of the dipole field is determined by the azimuthal length of the dipole sections, which enables, in the entire range of accelerated energies, to have small orbit deviation from the orbit with maximum energy in the dipole and have coinciding orbits outside the dipole. Charged particles are injected into the dipolar magnetic field. The particles are accelerated by an electric inductive field with pulse frequency which is a multiple of the orbiting period of the particles in the cyclic accelerator and the particles are output from the accelerator.

EFFECT: invention simplifies the design, reduces the cost of making and using the accelerator.

2 dwg

Description

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в области физики частиц высоких энергий, промышленности, медицины и научных исследований.The invention relates to accelerator technology and can be used in the field of high-energy particle physics, industry, medicine and scientific research.

Известны способы ускорения с постоянным магнитным полем диполя, в котором заряженные частицы ускоряются высокочастотным электрическим полем, заряженные частицы при ускорении движутся по спиральной орбите из центра магнитного диполя, постепенно увеличивая радиус орбиты с ростом энергии: циклотроны, синхроциклотроны или фазотроны (например, Дж.Ливингуд «Принципы работы классических ускорителей», Издательство иностранной литературы, Москва, 1963, с.19-23) и способы ускорения с постоянным радиусом орбиты заряженных частиц в процессе ускорения и нарастающим во времени магнитным полем отклоняющих диполей в соответствии с ростом энергии частиц при ускорении высокочастотным полем: синхрофазотрон, (например, Дж. Ливингуд «Принципы работы классических ускорителей», Издательство иностранной литературы, Москва, 1963, с.23-25, 199-234).Known methods of acceleration with a constant magnetic field of a dipole in which charged particles are accelerated by a high-frequency electric field, charged particles during acceleration move in a spiral orbit from the center of a magnetic dipole, gradually increasing the radius of the orbit with increasing energy: cyclotrons, synchrocyclotrons or phaseotrons (for example, J. Livingstone "Principles of operation of classical accelerators", Publishing house of foreign literature, Moscow, 1963, p.19-23) and methods of acceleration with a constant radius of the orbit of charged particles in the process accelerated I and the time-increasing magnetic field of deflecting dipoles in accordance with the increase in particle energy when accelerating by a high-frequency field: synchrophasotron, (for example, J. Livingood, "Principles of Operation of Classical Accelerators", Publishing House of Foreign Literature, Moscow, 1963, pp. 23-25, 199 -234).

Основным недостатком способов ускорения с постоянным магнитным полем диполя является ограничение максимальной энергии ускоренных частиц из-за большого веса диполя (сотни тысяч тонн), который пропорционален приблизительно кубу диаметра полюса диполя, т.е. максимальному импульсу ускоренных частиц.The main disadvantage of acceleration methods with a constant magnetic field of a dipole is the limitation of the maximum energy of accelerated particles due to the large weight of the dipole (hundreds of thousands of tons), which is proportional to approximately a cube of the diameter of the pole of the dipole, i.e. maximum momentum of accelerated particles.

Недостатком способов ускорения с постоянным радиусом в процессе ускорения и переменным магнитным полем диполей является необходимость формирования требуемой зависимости от времени магнитного поля диполей и формирования ускоряющего электрического высокочастотного поля с переменной частотой, соответствующей меняющему времени пролета частиц поля, а также необходимость создания предускорителей (бустеров) для ускорения частиц до высоких энергий.The disadvantage of acceleration methods with a constant radius in the process of acceleration and a variable magnetic field of dipoles is the need to form the required time dependence of the magnetic field of the dipoles and the formation of an accelerating electric high-frequency field with a variable frequency corresponding to changing the time of flight of the field particles, as well as the need to create accelerators (boosters) for particle acceleration to high energies.

В качестве прототипа выбираем способ ускорения с постоянным радиусом орбиты заряженных частиц в процессе ускорения, который описан в монографии Дж.Ливингуд «Принципы работы классических ускорителей», Издательство иностранной литературы, Москва, 1963, с.23-25, 199-224. Этот способ заключается в том, что частицы инжектируют в нарастающее во времени магнитное поле и ускоряют высокочастотным электрическим полем, причем зависимость величины магнитного поля и зависимость частоты высокочастотного электрического поля от времени должны соответствовать постоянству радиуса орбит частиц в процессе ускорения, что усложняет конструкцию, удорожает создание и эксплуатацию ускорителя.As a prototype, we choose a method of acceleration with a constant radius of the orbit of charged particles in the acceleration process, which is described in the monograph by J. Livingwood, Principles of Operation of Classical Accelerators, Foreign Literature Publishing House, Moscow, 1963, pp. 23-25, 199-224. This method consists in the fact that particles are injected into a magnetic field increasing in time and accelerated by a high-frequency electric field, and the time dependence of the magnetic field and the frequency dependence of the high-frequency electric field must correspond to the constant radius of the particles' orbits during acceleration, which complicates the design, making creation more expensive and operation of the accelerator.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение максимальной энергии при циклическом ускорении заряженных частиц в постоянном магнитном поле, что позволяет упростить конструкцию, уменьшить стоимость создания и эксплуатации ускорителя.The technical result of the invention is to increase the maximum energy during cyclic acceleration of charged particles in a constant magnetic field, which allows to simplify the design, reduce the cost of creating and operating the accelerator.

Способ заключается в том, что формируют дипольное магнитное поле для создания замкнутой орбиты частиц, инжектируют в него заряженные частицы, ускоряют частицы электрическим полем и жестко фокусируют их на прямолинейных участках орбиты квадрупольными линзами, выводят ускоренные частицы, дипольное магнитное поле формируют постоянным во времени и с пространственной конфигурацией полей диполя, определяющейся азимутальной протяженностью секций диполя, которая позволяет во всем диапазоне ускоряемых энергий иметь небольшое отклонение орбит от орбиты с максимальной энергией в диполе и иметь совпадающие орбиты вне диполя, при этом ускорение частиц осуществляют индукционным электрическим полем с частотой импульсов, кратной периоду обращения частиц в циклическом ускорителе.The method consists in forming a dipole magnetic field to create a closed orbit of particles, injecting charged particles into it, accelerating the particles with an electric field and rigidly focusing them on the straight sections of the orbit with quadrupole lenses, removing accelerated particles, forming a dipole magnetic field constant in time and with spatial configuration of the dipole fields, determined by the azimuthal length of the dipole sections, which allows a small deviation of um from the orbit with the maximum energy in the dipole and have coincident orbit is a dipole, and the acceleration of the particles is carried out by induction electric field with a pulse frequency which is a multiple orbital period of particles in a cyclic accelerator.

Отличительными признаками заявленного способа является следующее.Distinctive features of the claimed method is the following.

Формируют постоянное во времени дипольное магнитное поле с пространственной конфигурацией полей диполя определяющейся азимутальной протяженностью секций диполя (т.е. числа таких секций), которая позволяет во всем диапазоне ускоряемых энергий иметь замкнутые орбиты частиц с малым отклонением орбит в секциях диполя и совпадающие отбиты вне секций с размером огибающей пучка, зависимой от жесткости фокусировки на этих участках.A time-constant dipole magnetic field is formed with the spatial configuration of the dipole fields determined by the azimuthal length of the dipole sections (i.e., the number of such sections), which allows closed particle orbits with a small deviation of the orbits in the dipole sections and coinciding outbits outside the sections over the entire range of accelerated energies with the size of the envelope of the beam, depending on the rigidity of focusing in these areas.

Ускоряют частицы индукционным электрическим полем с частотой импульсов, кратной периоду обращения частиц в циклическом ускорителе. Это позволяет ускорять частицы с большим диапазоном скоростей и масс (от электронов до тяжелых ионов), т.к. азимутальная синхронизация частиц осуществляется не изменением частоты высокочастотной ускоряющей системы и временем старта индукционных ускоряющих электрических импульсов, соответствующим времени пролета частиц в индукционной системе.The particles are accelerated by an induction electric field with a pulse frequency that is a multiple of the period of revolution of the particles in a cyclic accelerator. This allows you to accelerate particles with a wide range of speeds and masses (from electrons to heavy ions), because azimuthal synchronization of particles is carried out not by changing the frequency of the high-frequency accelerating system and the start time of induction accelerating electric pulses corresponding to the time of flight of particles in the induction system.

Поставленная цель достигается тем, что совокупность всех существенных признаков формулы позволяет использовать постоянное магнитное поле для создания циклических орбит частиц, иметь малый радиальный размер диполей и их малый вес, отказаться от использования перестраиваемых по частоте высокочастотных резонаторов и ускорять частицы импульсами индукционного электрического поля, время старта которых зависит от времени пролета частиц.This goal is achieved in that the combination of all the essential features of the formula makes it possible to use a constant magnetic field to create cyclic orbits of particles, have a small radial size of dipoles and their small weight, refuse to use high-frequency resonators tunable in frequency and accelerate particles with pulses of an induction electric field, start time which depends on the time of flight of the particles.

На фиг.1 приведена схема циклического ускорителя, где: 1) инжектор; 2) отклоняющая система, состоящая из секций диполя (фиг.2), число которых зависит от данных конкретных условий; 3) индукционная ускоряющая секция; 4) прямолинейный жесткофокусирующий участок; 5) дефлектор прямолинейного участка; 6) отклоняющий магнит; 7) дефлектор дипольного магнита.Figure 1 shows a diagram of a cyclic accelerator, where: 1) an injector; 2) a deflecting system consisting of sections of the dipole (figure 2), the number of which depends on these specific conditions; 3) induction accelerating section; 4) rectilinear rigid focusing area; 5) the deflector rectilinear section; 6) deflecting magnet; 7) the deflector of the dipole magnet.

На фиг.2 приведен один из периодов структуры ускорителя, 8) дипольный магнит с постоянным по времени магнитным полем и пространственной конфигурацией поля, позволяющей во всем диапазоне ускоряемых энергий инжектировать частицы в направлении оси прямолинейных участков 9) и 12), 10) квадрупольные линзы, 11) траектории частиц с разными энергиями.Figure 2 shows one of the periods of the structure of the accelerator, 8) a dipole magnet with a time-constant magnetic field and spatial field configuration that allows particles to be injected in the direction of the straight sections 9) and 12), 10) quadrupole lenses over the entire range of accelerated energies, 11) trajectories of particles with different energies.

Способ работает следующим образом. Заряженные частицы с помощью инжектора 1) (фиг.1) инжектируют в ускоритель. Магнитные диполи 2) формируют из серии секций, схема которых приведена на фиг.2. Число секций диполя зависит от данных конкретных условий. Ускорение частиц осуществляют секциями линейного индукционного ускорителя 3), расположенными на одном или нескольких прямолинейных участках 4). Время старта ускоряющих индукционных импульсов согласуют с временем подлета частиц к индукционным секциям, используя мониторы пучка. Частицы с заданной величиной энергии, которая ниже максимальной проектной величины, выводят из ускорителя дефлектором 5) и магнитом 6). Частицы, достигшие максимальной энергии, выводят дефлектором 7).The method works as follows. Charged particles using the injector 1) (figure 1) are injected into the accelerator. Magnetic dipoles 2) are formed from a series of sections, a diagram of which is shown in figure 2. The number of dipole sections depends on these specific conditions. Particle acceleration is carried out by sections of a linear induction accelerator 3) located in one or more straight sections 4). The start time of accelerating induction pulses is coordinated with the time of particle arrival to the induction sections using beam monitors. Particles with a given value of energy, which is below the maximum design value, are removed from the accelerator by a deflector 5) and a magnet 6). Particles that have reached maximum energy are discharged by the deflector 7).

Пучок заряженных частиц инжектируют в каждую секцию диполя 8) из прямолинейного участка 9) на входе в секцию. Траектории частиц 11) в диполе зависят от их энергии. Частицы низких энергий имеют на входе в диполь малый радиус траектории и попадают в область слабого магнитного поля, где движутся с большим радиусом кривизны. Приближаясь к прямолинейному участку 12), расположенному на выходе диполя, частицы снова попадают в область сильного магнитного поля и имеют тот же радиус кривизны, как и на входе в диполь, и инжектируются в прямолинейный участок в направлении оси прямолинейного участка. Частицы высоких энергий имеют большую величину радиуса траектории на входе диполя и попадают в более сильное поле. Приближаясь к прямолинейному участку на выходе диполя снова имеют такой же радиус, как и на входе, и также инжектируются по оси прямолинейного участка. Радиальный размер диполей зависит от их азимутальной протяженности, т.е. от числа диполей по периметру ускорителя. С увеличением числа диполей радиальный размер и вес магнитов диполей уменьшаются.A beam of charged particles is injected into each section of dipole 8) from a straight section 9) at the entrance to the section. The trajectories of the particles 11) in the dipole depend on their energy. Low-energy particles have a small trajectory radius at the entrance to the dipole and fall into the region of a weak magnetic field, where they move with a large radius of curvature. Approaching the rectilinear section 12) located at the exit of the dipole, the particles again fall into the region of a strong magnetic field and have the same radius of curvature as at the entrance to the dipole, and are injected into the rectilinear section in the direction of the axis of the rectilinear section. High-energy particles have a large radius of the trajectory at the entrance of the dipole and fall into a stronger field. Approaching a straight section at the exit of the dipole, they again have the same radius as at the entrance, and are also injected along the axis of the straight section. The radial size of dipoles depends on their azimuthal length, i.e. from the number of dipoles along the perimeter of the accelerator. With an increase in the number of dipoles, the radial size and weight of the dipole magnets decrease.

Параметры квадрупольных линз 10) согласуют с динамикой частиц в секции диполя. После прохождения прямолинейного с линзой 10) на выходе секции диполя пучок частиц инжектируют либо в следующую секцию диполя с постоянным магнитным полем, либо в другую систему ускорителя.The parameters of the quadrupole lenses 10) agree with the dynamics of the particles in the dipole section. After passing straight through with the lens 10) at the output of the dipole section, the particle beam is injected either into the next section of the dipole with a constant magnetic field, or into another accelerator system.

Ускорение заряженных частиц осуществляют секциями линейного индукционного ускорителя. Частота повторения ускоряющих индукционных импульсов кратна частоте обращения частиц в циклическом ускорителе. Перемагничивание индукторов секций производят во время интервала между импульсами пучка частиц.The acceleration of charged particles is carried out by sections of a linear induction accelerator. The repetition rate of accelerating induction pulses is a multiple of the frequency of particles in a cyclic accelerator. The magnetization reversal of the section inductors is carried out during the interval between the pulses of the particle beam.

Для примера рассмотрим ускоритель протонов на энергию 200 МэВ (ускоритель для медицинских целей). Поскольку частицы с максимальной для данного ускорителя энергией движутся в максимальном поле диполя, радиус их орбиты определяется выражением R=P/qB_max, где R - радиус орбиты, Р - импульс частицы, q - заряд частицы, В - индукция магнитного поля. При поле В_mах=1 Тл для протонов R=2.2 м.For example, consider a proton accelerator with an energy of 200 MeV (an accelerator for medical purposes). Since particles with the maximum energy for a given accelerator move in the maximum field of the dipole, the radius of their orbit is determined by the expression R = P / qB _max , where R is the radius of the orbit, P is the particle momentum, q is the particle charge, B is the magnetic field induction. With a field B _max = 1 T for protons R = 2.2 m.

После достижения частицами максимальной энергии 200 МэВ частицы выводят из ускорителя в одном из диполей с помощью дефлектора 7) (фиг.1). Частицы промежуточных энергий выводят на прямолинейном участке орбиты дефлектором 5) и магнитом 6).After the particles reach a maximum energy of 200 MeV, the particles are removed from the accelerator in one of the dipoles using a deflector 7) (Fig. 1). Particles of intermediate energies are removed in a rectilinear portion of the orbit by a deflector 5) and a magnet 6).

Если величина индукции в сердечниках индукционных секций не превышает 0,1-0,2 Тл, потери энергии на перемагничивание сердечников будут малы и кпд ускорителя будет высоким.If the magnitude of the induction in the cores of the induction sections does not exceed 0.1-0.2 T, the energy loss due to magnetization reversal of the cores will be small and the efficiency of the accelerator will be high.

Claims

The method of cyclic acceleration of charged particles, which consists in forming a dipole magnetic field to create a closed orbit of particles, injecting charged particles into it, accelerating particles with an electric field and rigidly focusing them on the straight sections of the orbit, outputting accelerated particles, characterized in that the dipole magnetic the field is formed constant in time and with a spatial configuration determined by the azimuthal length of the dipole, which allows not having Olsha deviation of the orbits of the orbit with maximum energy in the dipole and have coincident orbit is a dipole, and the acceleration of the particles is carried out by induction electric field with a pulse frequency which is a multiple orbital period of particles in a cyclic accelerator.