RU2641658C2 - Method for slow beam output of charged particles - Google Patents
Method for slow beam output of charged particles Download PDFInfo
- Publication number
- RU2641658C2 RU2641658C2 RU2016123888A RU2016123888A RU2641658C2 RU 2641658 C2 RU2641658 C2 RU 2641658C2 RU 2016123888 A RU2016123888 A RU 2016123888A RU 2016123888 A RU2016123888 A RU 2016123888A RU 2641658 C2 RU2641658 C2 RU 2641658C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- particles
- magnetic
- magnetic field
- output device
- fields
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к способам вывода частиц из кольцевых систем ускорителей и накопителей заряженных частиц.The invention relates to accelerator technology, in particular to methods for removing particles from ring systems of accelerators and charged particle storage devices.
Существует несколько способов медленного вывода пучков. Наибольшее распространение получил вывод с использованием резонансной раскачки бетатронных колебаний заряженных частиц [1]. Суть этого метода заключается в том, что в одной из поперечных фазовых плоскостей создают условия сильного нелинейного резонанса. Частицы циркулирующего пучка в начале занимают устойчивую область движения фазового пространства. Затем создаются условия, когда частицы пересекают сепаратрису нелинейного резонанса и попадают в неустойчивую область движения, где амплитуда колебаний быстро возрастает и частицы попадают в апертуру выводного устройства.There are several ways to slowly output beams. The most widely used conclusion was the use of resonant buildup of betatron vibrations of charged particles [1]. The essence of this method is that in one of the transverse phase planes create conditions of strong nonlinear resonance. The particles of the circulating beam at the beginning occupy a stable region of motion of the phase space. Then conditions are created when the particles cross the separatrix of nonlinear resonance and fall into the unstable region of motion, where the amplitude of the oscillations increases rapidly and the particles fall into the aperture of the output device.
Другой способ вывода связан с использованием байпасной системы отклонения пучка от равновесной орбиты [2]. В этом способе полями четырех одинаковых дипольных магнитов формируют байпасную систему, которая сначала отклоняет, а затем возвращает пучок на равновесную орбиту. С увеличением магнитной индукции магнитных полей диполей величина отклонения растет. При приближении пучка к магнитному экрану включают быстрый ударный магнит, который отклоняет траекторию пучка внутрь магнитного экрана. После чего пучок не возвращается на равновесную орбиту, а выводится из ускорителя.Another output method involves the use of a bypass system deflecting the beam from the equilibrium orbit [2]. In this method, a bypass system is formed by the fields of four identical dipole magnets, which first deflects and then returns the beam to an equilibrium orbit. With increasing magnetic induction of the magnetic fields of the dipoles, the magnitude of the deviation increases. As the beam approaches the magnetic screen, a fast shock magnet is turned on, which deflects the beam path into the magnetic screen. After that, the beam does not return to equilibrium orbit, but is removed from the accelerator.
В качестве прототипа выбираем способ вывода с использованием байпасной системы отклонения пучка от равновесной орбиты [2]. Одной из проблем, которая осложняет реализацию этого способа вывода пучка, является возмущение поля магнитным экраном устройства вывода пучка. Создание экранов с малыми возмущениями импульсных магнитных полей одновременно и в пространстве, и во времени представляет сложную задачу. В данном способе вывода пучков [2] предлагается использовать многослойный медно-железный экран. Кроме того, толщина такого экрана сравнима с поперечными размерами выводимого пучка, что приводит к существенным потерям частиц пучка в стенках экрана.As a prototype, we choose the output method using the bypass system deviation of the beam from the equilibrium orbit [2]. One of the problems that complicates the implementation of this method of beam extraction is the disturbance of the field by the magnetic screen of the beam output device. The creation of screens with small perturbations of pulsed magnetic fields both in space and in time is a difficult task. In this method of beam extraction [2], it is proposed to use a multilayer copper-iron screen. In addition, the thickness of such a screen is comparable with the transverse dimensions of the output beam, which leads to significant losses of the particle particles in the walls of the screen.
Целью предлагаемого изобретения является уменьшение искажений магнитного поля вокруг экрана и уменьшения потерь частиц в стенках выводного устройства при байпасном выводе пучка.The aim of the invention is to reduce the distortion of the magnetic field around the screen and to reduce particle loss in the walls of the output device bypass beam.
Способ заключается в том, что, используя переменные во времени магнитные поля, постепенно отклоняют траекторию пучка частиц от равновесной орбиты и при достижении траекторией пучка апертуры выводного устройства выводят частицы из ускорителя, частицы пучка одновременно дефокусируют и отклоняют от равновесной орбиты нарастающим во времени магнитным полем первого входного диполя, часть частиц отклоненного и дефокусированного пучка, которые достигли апертуры выводного устройства, выводятся из ускорителя, а частицы дефокусированного пучка, не попавшие в апертуру выводного устройства, фокусируют полями второго и третьего магнитных диполей и отклоняют обратно к оси, а полями четвертого магнитного диполя не выведенные из ускорителя частицы снова вводятся на равновесную орбиту, магнитные поля всех диполей увеличивают до тех пор, пока все частицы не будут выведены из ускорителя, отклонение фокусировку и дефокусировку пучка производят полями диполей с градиентом импульса силы G=d(Ft)/dy (где G - градиент импульса силы, F - сила, действующая на частицу, t - время действия силы y - поперечная координата диполя), при этом для экранировки переменного магнитные поля в устройстве вывода его стенки выполняют из тонкого немагнитного металла с толщиной стенки более скин-слоя, а для уменьшения искажений магнитного поля в области частиц пучка, не попавших в апертуру выводного устройства, стенки этого устройства выполняют параллельно силовым линиям магнитного поля.The method consists in the fact that, using time-varying magnetic fields, they gradually deviate the trajectory of the particle beam from the equilibrium orbit, and when the trajectory of the beam reaches the aperture of the output device, particles are removed from the accelerator, the beam particles are simultaneously defocused and deflected from the equilibrium orbit by the magnetic field of the first of the input dipole, part of the deflected and defocused beam particles that have reached the aperture of the output device are output from the accelerator, and the defocused particles are those that do not fall into the aperture of the output device are focused by the fields of the second and third magnetic dipoles and deflected back to the axis, and by the fields of the fourth magnetic dipole, particles not extracted from the accelerator are again brought into equilibrium orbit, the magnetic fields of all dipoles are increased until all particles will not be pulled out of the accelerator, the deflection will be focused and defocused by the fields of dipoles with the force momentum gradient G = d (Ft) / dy (where G is the force momentum gradient, F is the force acting on the particle, t is the force action time y is the cross coordinate of the dipole), while for shielding an alternating magnetic field in the output device of its wall is made of thin non-magnetic metal with a wall thickness more than the skin layer, and to reduce the distortion of the magnetic field in the region of the beam particles that do not fall into the aperture of the output device, the walls of devices perform parallel to the lines of force of the magnetic field.
Отличительными признаками заявленного способа является следующее:Distinctive features of the claimed method is the following:
Частицы пучка одновременно дефокусируют и отклоняют от равновесной орбиты нарастающим во времени магнитным полем первого диполя на входе в байпасную систему. В результате действия дефокусирующих и отклоняющих сил пучок, дрейфуя в пространстве дрейфа между диполями, увеличивает свой размер и величину отклонения от оси системы. При слабых полях в диполях байпасной системы все частицы пучка возвращаются на равновесную орбиту. С ростом полей растет отклонение пучка и часть частиц, достигнув апертуры выводного устройства (дефлектора), будут выведены из ускорителя. Большой размер пучка у дефлектора уменьшает потери частиц в его стенках. Магнитные поля второго и третьего диполей фокусируют оставшиеся частицы и отклоняют их к оси системы, где полем четвертого диполя вводятся на равновесную орбиту. Отклонение, фокусировку и дефокусровку пучка производят полями диполей с градиентным импульсом силы G=d(Ft)/dy, (где G - градиент импульса силы, F - сила, действующая на частицу, t - время действия силы y - поперечная координата диполя), при этом для экранировки переменного магнитные поля в устройстве вывода его стенки выполняют из тонкого немагнитного металла с толщиной стенки более скин-слоя, а для уменьшения искажений магнитного поля в области частиц пучка, не попавших в апертуру выводного устройства, стенки этого устройства выполняют параллельно силовым линиям магнитного поля. Малая толщина стенок выводного дефлектора и большой размер пучка у дефлектора способствует существенному уменьшению потерь частиц пучка. Поскольку силовые линии переменного магнитного поля всегда огибают электропроводящий метал, то параллельные силовым линиям стенки дефлектора не вызовут искажения магнитного поля.The beam particles are simultaneously defocused and deflected from the equilibrium orbit by the increasing magnetic field of the first dipole at the entrance to the bypass system. As a result of the action of defocusing and deflecting forces, the beam, drifting in the space of the drift between the dipoles, increases its size and the magnitude of the deviation from the axis of the system. With weak fields in the dipoles of the bypass system, all particles of the beam return to equilibrium orbit. With increasing fields, the beam deflection increases and part of the particles, reaching the aperture of the output device (deflector), will be removed from the accelerator. The large beam size at the deflector reduces the loss of particles in its walls. The magnetic fields of the second and third dipoles focus the remaining particles and deflect them toward the axis of the system, where they are introduced into the equilibrium orbit by the field of the fourth dipole. The beam is deflected, focused and defocused using dipole fields with a gradient force momentum G = d (Ft) / dy, (where G is the force momentum gradient, F is the force acting on the particle, t is the force action time y is the transverse coordinate of the dipole), in order to shield the variable, the magnetic fields in the output device of its wall are made of thin non-magnetic metal with a wall thickness greater than the skin layer, and to reduce the distortion of the magnetic field in the region of the beam particles that do not fall into the aperture of the output device, the walls of this device run parallel of the magnetic field lines. The small wall thickness of the outlet deflector and the large beam size at the deflector contribute to a significant reduction in the loss of beam particles. Since the lines of force of an alternating magnetic field always envelope the electrically conductive metal, the walls of the deflector parallel to the lines of force will not cause distortion of the magnetic field.
Поставленная цель достигается тем, что совокупность всех существенных признаков позволяет существенно уменьшить искажения магнитного поля дефлектором и потери частиц пучка в дефлекторе при байпасном способе медленного вы вода пучка частиц из кольцевых ускорителей и накопителей частиц.This goal is achieved in that the combination of all the essential features can significantly reduce the magnetic field distortion by the deflector and the loss of beam particles in the deflector with the bypass method of slow extraction of the particle beam from ring accelerators and particle storage devices.
Перечень иллюстрацийList of illustrations
На Фиг. 1 (Приложение) Приведена схема вывода пучка заряженных частиц из кольцевых ускорителей и накопителей частиц с использованием байпасного метода отклонения пучка,In FIG. 1 (Appendix) A diagram of the output of a beam of charged particles from ring accelerators and particle storage using the bypass method of beam deflection,
где:Where:
1 и 4 - градиентные диполи с фокусным расстоянием ƒ1 (1 - входной диполь дефокусирует пучок и отклоняет его от равновесной орбиты, 4 - выходной диполь инжектирует частицы на равновесную орбиту).1 and 4 — gradient dipoles with a focal length ƒ 1 (1 — the input dipole defocuses the beam and deflects it from the equilibrium orbit; 4 — the output dipole injects particles into the equilibrium orbit).
2 и 3 - диполи с фокусным расстоянием ƒ2 (фокусируют пучок и отклоняют его на равновесную орбиту).2 and 3 — dipoles with focal length ƒ 2 (they focus the beam and deflect it into equilibrium orbit).
5 - выводное устройство (дефлектор).5 - output device (deflector).
l - участок дрейфа. l is the drift area.
, , - размеры огибающей пучка. , , - dimensions of the envelope of the beam.
ζ - смещение элементов системы.ζ is the displacement of the elements of the system.
Способ работает следующим образом.The method works as follows.
Отклонение, фокусировку/дефокусировку пучка производят градиентными диполями 1, 2, 3 и 4 (Рис. 1). Градиент импульса силы диполя равен:The beam is deflected, focused / defocused using
где:Where:
F - сила, действующая на частицу,F is the force acting on the particle,
t - время пролета частицы в диполе,t is the time of flight of the particle in the dipole,
q - заряд частицы,q is the particle charge,
y - поперечная координата диполя.y is the transverse coordinate of the dipole.
Градиентный диполь 1 на входе в систему дефокусирует и отклоняет пучок от равновесной орбиты и приближая его к выводному устройству 5 (дефлектору). При этом дефокусирока пучка увеличивает его радиальный размер с целью сделать его значительно больше толщины стенки дефлектора, чтобы уменьшить потери частиц в стенке.
Суммарное действие двух градиентных диполей 2 и 3 приводит к обратному отклонению пучка к равновесной орбите. При этом диполи фокусируют частицы пучка, которые не достигли апертуры выводного устройства (дефлектора).The combined action of two
Градиентный диполь 4 на выходе байпасной системы выводит пучок из системы на равновесную орбиту.
Для осуществления байпасного вывода пучка на равновесную орбиту требуется выполнение условия:For the bypass output of the beam to the equilibrium orbit, the following conditions are required:
где l - длина участка дрейфа,where l is the length of the drift,
ƒ1 - фокусные расстояния градиентных диполей 1 и 4,ƒ 1 - the focal lengths of the
ƒ2 - фокусные расстояния градиентных диполей 2 и 3,ƒ 2 - focal lengths of
Величина фокусных расстояний определяется, соотношением:The magnitude of the focal lengths is determined by the ratio:
где:Where:
q - заряд частиц,q is the particle charge,
B1 - магнитная индукция диполей 1 и 4,B 1 - magnetic induction of
B2 - магнитная индукция диполей 2 и 3,B 2 - magnetic induction of
Р - импульс частиц,P is the momentum of the particles,
tgα1 - геометрический параметр диполей 1 и 4,tgα 1 - geometric parameter of
tgα2 - геометрический параметр диполей 2 и 3.tgα 2 is the geometric parameter of
После включения системы питания градиентных диполей и увеличения их полей отклоненный пучок, проходя байпасную систему, будет возвращается на равновесную орбиту до тех пор, пока пучок не достигнет апертуры дефлектора. Часть частиц, которые достигли апертуры дефлектора, будут выведены из ускорителя. Оставшаяся часть частиц пучка, пройдя байпасную систему, будут снова введены на равновесную орбиту. Увеличение магнитных полей в градиентных диполях продолжается до тех пор, пока все частицы пучка не будут выведены.After turning on the power system of the gradient dipoles and increasing their fields, the deflected beam passing through the bypass system will return to equilibrium orbit until the beam reaches the deflector aperture. Part of the particles that have reached the aperture of the deflector will be removed from the accelerator. The remaining part of the beam particles, having passed the bypass system, will again be introduced into equilibrium orbit. The increase in magnetic fields in gradient dipoles continues until all particles of the beam are removed.
Величину потерь частиц в стенках дефлектора определяют из соотношения размера огибающей пучка в области дефлектора и толщины стенки дефлектора. Размер огибающей пучка в области дефлектора αdef равен:The amount of particle loss in the walls of the deflector is determined from the ratio of the size of the envelope of the beam in the region of the deflector and the wall thickness of the deflector. The beam envelope size in the deflector region α def is equal to:
где:Where:
- огибающая пучка на входе в байпасную систему, - the envelope of the beam at the entrance to the bypass system,
- огибающая пучка в области дефлектора, - the envelope of the beam in the area of the deflector,
l - длина участка дрейфа. l is the length of the drift plot.
При размер огибающей пучка у дефлектора много больше, чем размер αin на входе в байпасную систему, , что приведет к уменьшению потерь частиц в стенки дефлектора.At the beam envelope size of the deflector is much larger than the size α in at the entrance to the bypass system, , which will lead to a decrease in particle loss in the walls of the deflector.
Для частного случая, когда формируют однородные магнитные поля, используют треугольную форму магнитных полюсов градиентных диполей (Фиг. 1). У таких диполей величина градиента силы диполей G1,2 и фокусные расстояния ƒ1,2 равны:For a special case, when uniform magnetic fields are formed, the triangular shape of the magnetic poles of the gradient dipoles is used (Fig. 1). For such dipoles, the magnitude of the dipole force gradient G 1.2 and focal lengths ƒ 1.2 are equal to:
G1,2=qB1,2⋅tgα1,2, G = qB 1.2 1.2 1.2 ⋅tgα,
где R1,2 - циклический радиус частицы в полях В12, tgα1,2 - геометрический фактор диполей (Фиг. 1).where R 1,2 is the cyclic radius of the particle in fields B 12 , tgα 1,2 is the geometric factor of dipoles (Fig. 1).
где q и Р - заряд и импульс частицы.where q and P are the charge and momentum of the particle.
Здесь индекс «1» относится к 1 и 4 диполям, индекс «2» - к 2 и 3 диполям.Here the index “1” refers to 1 and 4 dipoles, the index “2” refers to 2 and 3 dipoles.
Для реализации данной системы медленного вывода частиц необходимы диполи с величиной магнитной индукции В1,2≤2T, которая зависит от заряда, массы и энергии частицы. Магнитные полюса диполей выполняют из стандартной электротехнической стали.To implement this system of slow particle extraction, dipoles with a magnitude of magnetic induction B 1.2 ≤2T are required, which depends on the charge, mass and energy of the particle. The magnetic poles of the dipoles are made of standard electrical steel.
ЛитератураLiterature
1. И.Б. Иссинский. «Введение в физику ускорителей заряженных частиц», Часть 4, Издательский отдел Объединенного института ядерных исследований, 141980, г. Дубна, Московской обл.1. I. B. Issinsky. “Introduction to the Physics of Charged Particle Accelerators”,
2. А.V. Bondarenko, N.A. Vinokurov. «Beam extraction from a synchrotron through a magnetic shield». Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 603 (2009), pp. 10-12.2. A.V. Bondarenko, N.A. Vinokurov. "Beam extraction from a synchrotron through a magnetic shield." Nuclear instit. and Methods in Physics Research, A 603 (2009), pp. 10-12.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016123888A RU2641658C2 (en) | 2016-06-15 | 2016-06-15 | Method for slow beam output of charged particles |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016123888A RU2641658C2 (en) | 2016-06-15 | 2016-06-15 | Method for slow beam output of charged particles |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2016123888A RU2016123888A (en) | 2017-12-20 |
RU2641658C2 true RU2641658C2 (en) | 2018-01-19 |
Family
ID=60718407
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016123888A RU2641658C2 (en) | 2016-06-15 | 2016-06-15 | Method for slow beam output of charged particles |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2641658C2 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1499729A2 (en) * | 1987-02-24 | 1995-11-20 | Ю.П. Севергин | Method of extraction of charged particles from high-focusing ring magnetic system |
EP1069809A1 (en) * | 1999-07-13 | 2001-01-17 | Ion Beam Applications S.A. | Isochronous cyclotron and method of extraction of charged particles from such cyclotron |
RU2359434C2 (en) * | 2007-07-05 | 2009-06-20 | Геннадий Варламович Долбилов | Method for induction acceleration of charged particles |
RU2477936C2 (en) * | 2011-06-15 | 2013-03-20 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Cyclic charged particle accelerator |
-
2016
- 2016-06-15 RU RU2016123888A patent/RU2641658C2/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1499729A2 (en) * | 1987-02-24 | 1995-11-20 | Ю.П. Севергин | Method of extraction of charged particles from high-focusing ring magnetic system |
EP1069809A1 (en) * | 1999-07-13 | 2001-01-17 | Ion Beam Applications S.A. | Isochronous cyclotron and method of extraction of charged particles from such cyclotron |
RU2359434C2 (en) * | 2007-07-05 | 2009-06-20 | Геннадий Варламович Долбилов | Method for induction acceleration of charged particles |
RU2477936C2 (en) * | 2011-06-15 | 2013-03-20 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Cyclic charged particle accelerator |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2016123888A (en) | 2017-12-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Smirnov et al. | Study of charged particle motion in fields of different configurations for developing the concept of plasma separation of spent nuclear fuel | |
US6683426B1 (en) | Isochronous cyclotron and method of extraction of charged particles from such cyclotron | |
Kaganovich et al. | Physics of neutralization of intense high-energy ion beam pulses by electrons | |
Horioka | Progress in particle-beam-driven inertial fusion research: Activities in Japan | |
RU2477936C2 (en) | Cyclic charged particle accelerator | |
CN111630940B (en) | Accelerator and accelerator system | |
Okamura et al. | Magnetic plasma confinement for laser ion source | |
RU2641658C2 (en) | Method for slow beam output of charged particles | |
RU149963U1 (en) | ION TRIODE FOR NEUTRON GENERATION | |
RU2647497C1 (en) | Method of multi-turn injection of charged particles into cyclic accelerator | |
RU2608365C1 (en) | Induction synchrotron accelerator with constant magnetic field | |
Somov et al. | Magnetic reconnection and acceleration of particles on the sun | |
RU2411067C1 (en) | Method of isotope separation and device to this end | |
Dolbilov | Induction synchrotron with a constant magnetic field | |
RU2659572C1 (en) | Method of slow removal of a beam of charged particles from a ring accelerator | |
Biryukov | Possibility to make a beam of tau-leptons and charmed particles by a channeling crystal | |
RU2451435C1 (en) | Method for cyclic acceleration of charged particles | |
Rivlin | Laser acceleration of neutrons (physical foundations) | |
Bahng et al. | Design study of low-energy beam transport for multi-charge beams at RAON | |
WO2008130436A2 (en) | Controlled transport system for an elliptic charged-particle beam | |
Karamysheva et al. | Simulation of beam extraction from C235 cyclotron for proton therapy | |
RU2676757C1 (en) | Device for output of charged particles from cyclic accelerator | |
Wang et al. | Magnetic field annihilation and reconnection driven by femtosecond lasers in inhomogeneous plasma | |
RU2764147C1 (en) | Injector for cluster ion accelerator | |
Belikov et al. | Transport and matching of the injecting beam |