RU2647497C1 - Способ многооборотной инжекции заряженных частиц в циклический ускоритель - Google Patents
Способ многооборотной инжекции заряженных частиц в циклический ускоритель Download PDFInfo
- Publication number
- RU2647497C1 RU2647497C1 RU2016123890A RU2016123890A RU2647497C1 RU 2647497 C1 RU2647497 C1 RU 2647497C1 RU 2016123890 A RU2016123890 A RU 2016123890A RU 2016123890 A RU2016123890 A RU 2016123890A RU 2647497 C1 RU2647497 C1 RU 2647497C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- particles
- injection
- dipoles
- accelerator
- magnetic fields
- Prior art date
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 83
- 238000002347 injection Methods 0.000 title claims abstract description 44
- 239000007924 injection Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 title claims abstract description 13
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 6
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 6
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 241000275031 Nica Species 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
- H05H7/08—Arrangements for injecting particles into orbits
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в циклических ускорителях. Способ многооборотной инжекции заряженных частиц в циклический ускоритель заключается в том, что для ввода частиц на линейном участке орбиты ускорителя, частицы предварительно инжектируются в магнитные поля двух разнополярных инжекционных диполей. С помощью полей этих диполей частицы вводят на равновесную орбиту и ускоряют на равновесной орбите, а перед тем как вывести частицы на второй и последующие обороты, частицы отклоняют магнитными полями двух дополнительных разнополярных диполей, в которых ускоренные частицы, минуя устройство ввода пучка в систему, снова инжектируют в магнитные поля инжекционных разнополярных диполей, которые выводят частицы на равновесную орбиту ускорителя, где происходит их накопление. Технический результат – увеличение интенсивности и уменьшение радиального фазового объема накопленного пучка заряженных частиц в циклическом ускорителе. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в циклических ускорителях.
Как известно, заряженные частицы, инжектированные в постоянное магнитное поле циклического ускорителя, совершив несколько оборотов в камере ускорителя, погибают на вводном устройстве (инжекторе) или апертурных элементах камеры и не захватываются в режим ускорения. Существует два метода накопления частиц в камере ускорителя: 1) увеличение числа инжектируемых импульсов (многократная инжекция); 2) увеличение длительности импульсов инжекции (многооборотная инжекция). Наиболее распространенными методами многооборотной инжекции являются метод с заполнением 4-мерного поперечного фазового пространства с помощью линейного разностного резонанса связи радиальных и вертикальных бетатронных колебаний и метод с постепенным заполнением горизонтального аксептанса ускорителя за счет смещения локального искажения горизонтальной проекции замкнутой орбиты.
В качестве прототипа выбираем способ многооборотной инжекции [1, 2], заключающийся в том, что в процессе инжекции изменяют параметры орбиты частиц и самих частиц при помощи электрических и магнитных полей с целью постепенного заполнения горизонтальной фазовой плоскости до размера, определяемого аксептансом ускорителя.
Недостатком такого способа многооборотной инжекции являются наличие ограничений на число захваченных оборотов и увеличение радиального фазового объема пучка при накоплении в нем частиц.
Целью предлагаемого изобретения является увеличение интенсивности и уменьшение радиального фазового объема накопленного пучка заряженных частиц.
Способ заключается в том, что в процессе инжекции изменяют параметры орбиты частиц и самих частиц при помощи электрических и магнитных полей, для ввода частиц на линейном участке орбиты ускорителя, частицы предварительно инжектируются в магнитные поля двух разнополярных инжекционных диполей, с помощью полей этих диполей частицы вводят на равновесную орбиту, ускоряют на равновесной орбите, а перед тем как вывести частицы на второй и последующие обороты, частицы отклоняют магнитными полями двух дополнительных разнополярных диполей, в которых ускоренные частицы, минуя устройство ввода пучка в систему, снова инжектируют магнитные поля инжекционных разнополярных диполей, которые выводят частицы на равновесную орбиту ускорителя, где происходит их накопление.
Способ допускает использование в инжекционных и дополнительных диполях однородных магнитных полей с одинаковой величиной магнитной индукции.
Отличительными признаками заявляемого способа является следующее.
Для ввода частиц на линейном участке орбиты ускорителя, частицы предварительно инжектируются в магнитные поля двух разнополярных инжекционных диполей, с помощью полей этих диполей частицы вводят на равновесную орбиту, ускоряют на равновесной орбите, а перед тем как вывести частицы на второй и последующие обороты, частицы отклоняют магнитными полями двух дополнительных разнополярных диполей, в которых ускоренные частицы, минуя устройство ввода пучка в систему, снова инжектируют магнитные поля инжекционных разнополярных диполей, которые выводят частицы на равновесную орбиту ускорителя, где происходит их накопление. В одном из вариантов способа магнитные поля инжекционных и дополнительных диполей формируют однородными и имеющими одинаковую величину магнитной индукции.
Поставленная цель достигается тем, что совокупность всех существенных признаков позволяет осуществить многооборотную инжекцию и накопление частиц на равновесной орбите.
Перечень иллюстраций
На Фиг. 1 (Приложение) приведена схема ускорителя с системами инжекции пучка,
где:
1 - инжекционные разнополярные диполи,
2 - дополнительные разнополярные диполи,
3 - источник заряженных частиц,
4 - инжекционная ускоряющая система,
5 - отклоняющие магниты,
6 - ускоряющая система ускорителя.
На Фиг. 2 (Приложение) приведена схема многооборотной инжекции с использованием разно-полярных магнитных диполей, где:
1 - магнитные диполи, которые отклоняют частицы от равновесной орбиты, (DM - диполи),
2 - магнитные диполи, которые отклоняют частицы к равновесной орбите (RM - диполи),
3 - траектория частиц, энергия которых равна энергии инжекции,
4 - траектория частиц, которые были ускорены на первом обороте,
5 - траектория частиц, ускоренных на первом и втором оборотах,
±М2 - дополнительная пара диполей с противоположной полярностью магнитного поля.
Способ работает следующим образом. Пучок заряженных частиц инжектируется в магнитную систему, которая состоит из двух диполей с разной полярностью магнитной индукции (Фиг. 1). В случае, когда поля диполей однородны, частицы в диполе движутся по круговой траектории с циклическим радиусом R
R=P/q Bz,
где Р - полный импульс частицы, Bz - величина магнитной индукции в диполе, q - заряд частицы.
Изменение поперечного импульса в диполе, Py, будет равно
dPy/dt=qνxBz, dPy=qBzνxdt,
где νx - продольная скорость частицы, t - время.
На выходе первого инжекционного диполя поперечный импульс достигнет величины
P1,y=P0,y-qBzx1, (qBzx1≤P),
где x1 - длина траектории частицы в первом диполе Р0, y - поперечный импульс на входе в систему инжекционных диполей, Р - полный импульс частицы.
На выходе второго диполя с обратной полярностью импульс будет равен
Р2,y=Р1,y+qBzx2=Р0,y-qBz(x1-х2),
где х2 - длина траектории частицы во втором инжекционном диполе.
При равенстве длин траекторий в диполях (х1=х2) импульс на выходе второго диполя будет равен входному импульсу Р2,y=Р0, у.
Для центральных частиц пучка х1=х2=х0, Р0,у=0, и ось пучка будет введена на равновесную орбиту ускорителя.
Ускорение частиц на первом и последующих оборотах приводит к увеличению циклического радиуса частиц в полях диполей и, следовательно, к уменьшению смещения частиц от равновесной орбиты ускорителя. Разность смещений пучка Δy1=yinj-y1 называют «промашкой» пучка на первом обороте. Здесь y1 - максимальное смещение пучка от равновесной орбите на первом обороте, yinj - смещение от равновесной орбиты пучка при его инжекции. Величина «промашки» зависит от величины yinj≈х0 и отношения Pinj/Р1
где
Pinj - инжекционный импульс,
Р1 - импульс частицы после первого оборота,
ΔР1 - прирост импульса частицы, ускоренной на первом обороте.
Для случая, когда кинетическая энергия инжектируемых частиц qUinj много меньше энергии покоя частиц Мс2, qUinj/Mc2<<1 отношение импульсов равно
где qΔU - прирост энергии частицы на каждом обороте.
Увеличение числа оборотов (n), накопление частиц на равновесной орбите сопровождается увеличением разброса энергий в захваченном пучке qΔUn=nqΔU. После ускорения частиц относительный разброс энергий в пучке будет равен nqΔU/qUacc, где qUacc - кинетическая энергия ускоренных частиц. С целью уменьшения этой величины ускорение частиц в процессе инжекции не должно быть большим. При ΔU/Uinj<<1 на первом обороте отношение импульсов будет равно
Однако уменьшение прироста энергии частиц ΔU приводит к уменьшению «промашки» Δy1, требуемая величина которой определяется поперечным фазовым объемом пучка. «Промашка» на первом обороте инжекции при малых ΔU равна
где θ=arccos(yinj/Rinj), a Rinj=Pinj/qBz - циклический радиус частицы в поле Bz.
Например при ΔU/Uinj=2% и θ=10° «промашка» составит Δн1≅0.12yinj
Выбором координаты инжекции , можно задавать требуемую величину «промашки» Δy1. Для последующих оборотов частиц «промашка» Δyn<Δy1.
В данном методе многооборотной инжекции не используется постепенное заполнение горизонтальной и вертикальной фазовых плоскостей ускорителя, при котором инжектированные частицы смещаются в фазовой плоскости так, что бы освободить место для вновь инжектированных частиц.
В данном методе пучки частицы каждого последующего оборота выводятся на равновесную орбиту ускорителя. И если инжектируется согласованный пучок, то вертикальный поперечный эмиттанс накопленного пучка будет равен эмиттансу инжектированного пучка.
Величина относительного энергетического разброса частиц на выходе ускорителя пропорциональна числу захваченных оборотов (N) и обратно пропорциональна отношениям:
где yinj - величина смещения инжектированного пучка; Δy1 - величина промашки пучка на первом обороте; qUacc - кинетическая энергия ускоренных частиц; qUinj - кинетическая энергия инжектированных частиц; q - заряд частиц.
Величина относительного энергетического разброса равна:
где θ=arccos(yinj/Rinj).
Величина энергетического разброса при данном способе многооборотной инжекции, может быть достаточно малой и удовлетворять целому ряду физических задач. А для многих промышленных применений не имеет существенного значения. При заданных параметрах Δy1, Uinj, Uacc и sinθ относительный энергетический разброс в ускоренном пучке может быть уменьшен путем увеличения смещения пучка при инжекции yinj.
Особые преимущества данный способ имеет при его использовании в индукционных циклических ускорителях с постоянным магнитным полем. Поскольку такие ускорители имеют низкий порог энергии инжекции qUinj, это позволяет существенно уменьшить величину разброса частиц по энергиям при инжекции и относительный энергетический разброс частиц в ускоренном пучке.
При ускорении многозарядных ионов циклический радиус ионов будет зависит от величины их зарядности, q. Чем больше зарядность иона, тем больше циклический радиус в данном поле диполя и тем больше промашка на первом обороте. Это обстоятельство позволяет производить селекцию зарядности накопленных в ускорителе ионов.
Литература
1. В.И. Волков, И.Н. Мешков, В.А. Михайлов, Г.В. Трубников, А.В. Тузиков, А.А. Фатеев. Концептуальный проект системы инжекции пучков тяжелых ионов в бустер ускорительного комплекса NICA. Письма в ЭЧАЯ, 2014, Т. 11, №5 (189), с. 1045-1067.
2. Е.В. Буляк, Н.Н. Моченников. «Способ многооборотной инжекции заряженных частиц», Авторское свидетельство №701493, Бюллетень №33, 07.09.82.
Claims (2)
1. Способ многооборотной инжекции заряженных частиц в циклический ускоритель с последующим накоплением частиц в камере ускорителя, заключающийся в том, что в процессе инжекции изменяют параметры орбиты частиц при помощи электрических и магнитных полей, отличающийся тем, что для ввода частиц на линейном участке орбиты ускорителя, частицы предварительно инжектируются в магнитные поля двух разнополярных инжекционных диполей, с помощью полей этих диполей частицы вводят на равновесную орбиту, ускоряют на равновесной орбите, а перед тем как вывести частицы на второй и последующие обороты, частицы отклоняют магнитными полями двух дополнительных разнополярных диполей, в которых ускоренные частицы, минуя устройство ввода пучка в систему, снова инжектируют в магнитные поля инжекционных разнополярных диполей, которые снова выводят частицы на равновесную орбиту ускорителя, где происходит их накопление.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что магнитные поля инжекционных и дополнительных диполей формируют однородными и с одинаковой величиной магнитной индукции.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016123890A RU2647497C1 (ru) | 2016-06-15 | 2016-06-15 | Способ многооборотной инжекции заряженных частиц в циклический ускоритель |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016123890A RU2647497C1 (ru) | 2016-06-15 | 2016-06-15 | Способ многооборотной инжекции заряженных частиц в циклический ускоритель |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2016123890A RU2016123890A (ru) | 2017-12-20 |
RU2647497C1 true RU2647497C1 (ru) | 2018-03-16 |
Family
ID=60718235
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016123890A RU2647497C1 (ru) | 2016-06-15 | 2016-06-15 | Способ многооборотной инжекции заряженных частиц в циклический ускоритель |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2647497C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2714507C1 (ru) * | 2019-02-04 | 2020-02-18 | Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) | Способ формирования равновесных траекторий частиц в циклическом ускорителе с постоянным радиусом орбиты |
RU2714505C1 (ru) * | 2019-03-11 | 2020-02-18 | Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) | Магнитная система индукционного синхротрона с постоянным во времени магнитным полем |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU344609A1 (ru) * | П. А. Черенков , А. М. Громов Ордена Ленина Физический институт П. Н. Лебедева СССР | Способ многооборотной инжекции заряженныхчастиц | ||
US4992746A (en) * | 1988-04-26 | 1991-02-12 | Acctek Associates | Apparatus for acceleration and application of negative ions and electrons |
RU2451435C1 (ru) * | 2011-02-01 | 2012-05-20 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Способ циклического ускорения заряженных частиц |
-
2016
- 2016-06-15 RU RU2016123890A patent/RU2647497C1/ru active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU344609A1 (ru) * | П. А. Черенков , А. М. Громов Ордена Ленина Физический институт П. Н. Лебедева СССР | Способ многооборотной инжекции заряженныхчастиц | ||
US4992746A (en) * | 1988-04-26 | 1991-02-12 | Acctek Associates | Apparatus for acceleration and application of negative ions and electrons |
RU2451435C1 (ru) * | 2011-02-01 | 2012-05-20 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Способ циклического ускорения заряженных частиц |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2714507C1 (ru) * | 2019-02-04 | 2020-02-18 | Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) | Способ формирования равновесных траекторий частиц в циклическом ускорителе с постоянным радиусом орбиты |
RU2714505C1 (ru) * | 2019-03-11 | 2020-02-18 | Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) | Магнитная система индукционного синхротрона с постоянным во времени магнитным полем |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2016123890A (ru) | 2017-12-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN102793979B (zh) | 质子或重离子束治癌装置 | |
Matthias et al. | New search for the spontaneous conversion of muonium to antimuonium | |
RU2647497C1 (ru) | Способ многооборотной инжекции заряженных частиц в циклический ускоритель | |
US3344357A (en) | Storage ring | |
RU2477936C2 (ru) | Циклический ускоритель заряженных частиц | |
Zhang et al. | Design and evaluation of the driving coil on induction coilgun | |
RU2633770C1 (ru) | Способ фокусировки пучков заряженных частиц | |
Nagata et al. | Behaviour of compact toroid injected into an external magnetic field | |
US3519942A (en) | Apparatus for providing short bunches of charged molecular,atomic,or nuclear particles | |
RU2608365C1 (ru) | Индукционный синхротрон с постоянным магнитным полем | |
RU2411067C1 (ru) | Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления | |
Dougar-Jabon et al. | Three-dimensional simulation of an ECR plasma in a minimum-B trap | |
Dolbilov | Induction synchrotron with a constant magnetic field | |
RU2451435C1 (ru) | Способ циклического ускорения заряженных частиц | |
Shope et al. | Laser-based foilless diode | |
RU2641658C2 (ru) | Способ медленного вывода пучка заряженных частиц | |
RU2676757C1 (ru) | Устройство для вывода заряженных частиц из циклического ускорителя | |
Kutner et al. | The laser ion source of multiply charged ions for the U‐200 LNR JINR cyclotron | |
RU2714507C1 (ru) | Способ формирования равновесных траекторий частиц в циклическом ускорителе с постоянным радиусом орбиты | |
RU2558384C2 (ru) | Газовая обдирочная мишень | |
RU2659572C1 (ru) | Способ медленного вывода пучка заряженных частиц из циклического ускорителя | |
Badarin et al. | Simulation of the development and interaction of instabilities in a relativistic electron beam under variation of the beam wall thickness | |
RU2618626C2 (ru) | Способ синхронного ускорения заряженных частиц в постоянном магнитном поле | |
Frost et al. | Magnetic bending of laser guided electron beams | |
US3435208A (en) | Arrangement for electrically charging a beam of microparticles with an ion beam |