RU2714505C1 - Induction synchrotron magnetic system with magnetic field constant in time - Google Patents

Induction synchrotron magnetic system with magnetic field constant in time Download PDF

Info

Publication number
RU2714505C1
RU2714505C1 RU2019106735A RU2019106735A RU2714505C1 RU 2714505 C1 RU2714505 C1 RU 2714505C1 RU 2019106735 A RU2019106735 A RU 2019106735A RU 2019106735 A RU2019106735 A RU 2019106735A RU 2714505 C1 RU2714505 C1 RU 2714505C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
magnetic
lenses
induction
dipoles
magnetic field
Prior art date
Application number
RU2019106735A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Геннадий Варламович Долбилов
Original Assignee
Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи)
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 (Оияи) filed Critical Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи)
Priority to RU2019106735A priority Critical patent/RU2714505C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2714505C1 publication Critical patent/RU2714505C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H15/00Methods or devices for acceleration of charged particles not otherwise provided for, e.g. wakefield accelerators

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to acceleration engineering and can be used in development of inductive cyclic accelerators with practically constant radius of orbit and constant in time magnetic field. Induction, non-resonant method of acceleration solves the problem of synchronization in a wide range of speeds of accelerated particles and accelerating electric field by changing the repetition frequency of induction pulses. Magnetic system of induction synchrotron has no fundamental limitations on lower energy threshold of accelerated particles. Induction synchrotron magnetic system consists of a set of magnetic dipoles and focusing lenses, which are located on arc-shaped sections of the accelerator housing, and windings of dipoles and lenses are respectively connected to power generators, each dipole contains two components with direct and reverse polarity of magnetic field, thus forming a bipolar magnetic system, and each focusing lens comprises two heteropolar lenses with flat magnetic poles.
EFFECT: technical result is expansion of operating range of accelerated energies and simple process of adjustment and start of accelerator.
1 cl, 3 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке циклических ускорителей с практически постоянным радиусом орбиты.The invention relates to accelerator technology and can be used in the development of cyclic accelerators with a practically constant radius of the orbit.

Уровень техникиState of the art

Известна магнитная система ускорителя, состоящая из набора магнитных диполей и фокусирующих линз, которые расположены на дугообразных участках корпуса ускорителя и соединены с генераторами питания обмоток диполей и линз. Для удержания радиуса- орбиты частиц постоянным, магнитное поле, создаваемое генераторами питания обмоток диполей, должно быть нарастающим во времени, а рабочая частота высокочастотных ускоряющих резонаторов переменной. (См. например Д.Ж. Ливингуд «Принципы работы циклических ускорителей» // Издательство иностранной литературы, Москва 1963). Поскольку диапазон перестройки резонансных частот резонатора ограничен, то ограничен и диапазон ускоряемых энергий частиц. Это обстоятельство вынуждает использовать дополнительно бустеры и пред-ускорители энергии.Known magnetic system of the accelerator, consisting of a set of magnetic dipoles and focusing lenses, which are located on the arcuate sections of the housing of the accelerator and are connected to the power generators of the windings of dipoles and lenses. To keep the radius of the particle’s orbit constant, the magnetic field created by the power generators of the dipole windings must be increasing in time, and the working frequency of the high-frequency accelerating resonators is variable. (See, for example, D.J. Livingood, "Principles of Operation of Cyclic Accelerators" // Publishing House of Foreign Literature, Moscow 1963). Since the tuning range of the resonant frequencies of the resonator is limited, the range of accelerated particle energies is also limited. This circumstance forces the use of additional boosters and pre-accelerators of energy.

Магнитная система ускорителей, содержащих диполи с постоянным во времени магнитным полем, которые, работая в режиме отражения частиц, отклоняют траекторию частиц на заданный угол, независящий от энергии частиц, формируют замкнутые орбиты с радиусом, который, также, практически не зависит от энергии частиц. Вопрос большого диапазона ускоряемых энергий и связанный с этим большой диапазон частоты повторения циклов решается изменением частоты повторения циклов индукционных ускоряющих импульсов. (Долбилов Г.В. «Индукционный синхротрон с постоянным магнитным полем» // Патент РФ №2608365, и Долбилов Г.В. «Способ синхротронного ускорения заряженных частиц в постоянном магнитном поле» // Патент РФ №2618626).The magnetic system of accelerators containing dipoles with a time-constant magnetic field, which, when operating in the particle reflection mode, deflect the particle trajectory by a predetermined angle independent of the particle energy, form closed orbits with a radius that also practically does not depend on the particle energy. The issue of a large range of accelerated energies and the associated large range of cycle repetition rate is solved by changing the cycle frequency of induction accelerating pulses. (Dolbilov G.V. “Induction synchrotron with a constant magnetic field” // RF Patent No. 2608365, and Dolbilov GV “Method for the synchrotron acceleration of charged particles in a constant magnetic field” // RF Patent No. 2618626).

В качестве прототипа выбираем магнитную систему ускорителя с постоянным во времени магнитным полем и практически постоянным радиусом орбиты (Долбилов Г.В. «Индукционный синхротрон с постоянным магнитным полем» // Патент РФ №2608365).As a prototype, we choose the accelerator magnetic system with a constant magnetic field in time and an almost constant radius of the orbit (G. Dolbilov, “Induction synchrotron with a constant magnetic field” // RF Patent No. 2608365).

Однако такая магнитная система имеет ограничения величины нижнего порога энергии частиц, а также, процессы наладки и запуска ускорителя усложнены.However, such a magnetic system has limitations on the magnitude of the lower threshold of particle energy, and the setup and start-up processes of the accelerator are complicated.

Раскрытие изобретенияDisclosure of Invention

Изобретение решает задачу расширить рабочий диапазон ускоряемых энергий и, кроме того, упрощает процессы наладки и запуска ускорителя.The invention solves the problem of expanding the working range of accelerated energies and, in addition, simplifies the process of setting up and starting the accelerator.

Поставленная цель достигается тем, что магнитная система индукционного синхротрона, состоящая из набора магнитных диполей и фокусирующих линз, которые расположены на дугообразных участках корпуса ускорителя и соединенны с генераторами питания через обмотки диполей и линз, а каждый диполь содержит две составляющие с прямой и обратной полярностью магнитного поля, а каждая фокусирующая линза содержит две разно-полярные линзы с плоскими магнитными полюсами.This goal is achieved by the fact that the magnetic system of the induction synchrotron, consisting of a set of magnetic dipoles and focusing lenses, which are located on the arcuate sections of the accelerator body and are connected to power generators through the windings of dipoles and lenses, and each dipole contains two components with direct and reverse polarity of the magnetic fields, and each focusing lens contains two different-polar lenses with flat magnetic poles.

Отличительными признаками изобретения является следующее: каждый диполь содержит две составляющие с прямой и обратной полярностью магнитного поля, а каждая фокусирующая линза содержит две разно-полярные линзы с плоскими магнитными полюсами.The distinguishing features of the invention are the following: each dipole contains two components with direct and reverse polarity of the magnetic field, and each focusing lens contains two different polar lenses with flat magnetic poles.

Совокупность выше указанных признаков позволяет решить задачу расширения рабочего диапазона ускоряемых энергий путем снятия ограничений на нижний порог энергий ускоряемых частиц и, кроме того, упростить процессы наладки и запуска ускорителя.The combination of the above characteristics allows us to solve the problem of expanding the working range of accelerated energies by removing restrictions on the lower threshold of energies of accelerated particles and, in addition, to simplify the process of setting up and starting the accelerator.

Перечень иллюстрацийList of illustrations

Фиг. 1 (приложение) Схема ускорителя;FIG. 1 (Appendix) Accelerator circuit;

Фиг. 2 (приложение) Поперечное сечение биполярных магнитных диполей индукционного синхротрона;FIG. 2 (Appendix) Cross-section of bipolar magnetic dipoles of an induction synchrotron;

Фиг. 3 (приложение) Схема расположения биполярных диполей и фокусирующих линз вдоль условно спрямленной траектории

Figure 00000001
частиц.FIG. 3 (Appendix) Arrangement of bipolar dipoles and focusing lenses along a conditionally rectified path
Figure 00000001
particles.

Описание иллюстрацийDescription of illustrations

На Фиг. 1 (приложение) приведена схема индукционного синхротрона с биполярной магнитной системой с постоянной во времени величиной магнитного поля, где:In FIG. 1 (Appendix) shows a diagram of an induction synchrotron with a bipolar magnetic system with a constant magnetic field in time, where:

(1) - дугообразные участки ускорителя;(1) - arcuate sections of the accelerator;

(2) - индукционная ускоряющая система;(2) - induction accelerating system;

(3) - прямолинейные участки ускорителя;(3) - straight sections of the accelerator;

(4) - инжекционная система;(4) - injection system;

(5, 6, и 7) - системы вывода пучка.(5, 6, and 7) are beam extraction systems.

На Фиг. 2 (приложение) приведена схема поперечного сечения биполярной магнитной системы, которая расположена в дугообразных участках ускорителя, где:In FIG. 2 (Appendix) shows a cross-sectional diagram of a bipolar magnetic system, which is located in the arcuate sections of the accelerator, where:

(8) - магнитные полюса основного диполя с прямой полярностью поля;(8) - magnetic poles of the main dipole with direct field polarity;

(9) - магнитные полюса дополнительного диполя с обратной полярностью поля;(9) - magnetic poles of an additional dipole with reverse field polarity;

(10) - пучок, инжектированный на орбиту радиуса R0,(10) - a beam injected into an orbit of radius R 0 ,

(11) - ускоренный пучок на орбите радиуса R=R0+ΔR (AR/R0 << 1).(11) - accelerated beam in an orbit of radius R = R 0 + ΔR (AR / R 0 << 1).

На Фиг. 3 (приложение) приведена схема расположения биполярных диполей и фокусирующих линз вдоль условно спрямленной траектории

Figure 00000001
частиц, где:In FIG. Figure 3 (Appendix) shows the arrangement of bipolar dipoles and focusing lenses along a conditionally rectified path
Figure 00000001
particles, where:

(12) - диполи с прямой полярностью магнитного поля;(12) - dipoles with direct polarity of the magnetic field;

(13) - диполи с обратной полярностью магнитного поля;(13) - dipoles with reverse polarity of the magnetic field;

(14) - фокусирующие линзы с плоскими магнитными полюсами;(14) - focusing lenses with flat magnetic poles;

(α) - угол границы раздела разно-полярных магнитных диполей.(α) is the angle of the interface of different polar magnetic dipoles.

(S) - расстояние между фокусирующей и дефокусирущей линзами (14)(S) - the distance between the focusing and defocusing lenses (14)

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Частицы инжектируются на орбиту радиуса R0 (Фиг. 2). На этой орбите суммарное магнитное поле разно-полярных диполей равно нулю. Поэтому частицы, инжектированные на эту орбиту, могут, отражаясь от полей разно-полярных диполей, двигаться по этой орбите со сколь угодно малой скоростью. Согласно специфике циклических ускорителей, при увеличении скорости частиц при ускорении появляется дополнительная, центробежная сила, действующая на частицы равная Fц=Mν2/R, (где М, ν u R - масса, скорость и радиус орбиты). Действие этой силы эквивалентно действию магнитного поля величиной Вц=Mν/qR (где q - заряд частицы). В результате действия этой центробежной силы (эквивалентного ей магнитного поля) равновесная орбита, где суммарное действие всех сил равно нулю, смещается все в более и более сильные поля основного диполя. Радиус равновесной орбиты растет в соответствии с равенством R=P/qB, (Р - импульс частиц), пока не будут выведены из ускорителя.Particles are injected into an orbit of radius R 0 (Fig. 2). In this orbit, the total magnetic field of different polar dipoles is zero. Therefore, particles injected into this orbit can, reflected from the fields of different polar dipoles, move in this orbit at an arbitrarily low speed. According to the specifics of cyclic accelerators, with increasing particle velocity during acceleration, an additional, centrifugal force appears, acting on the particles equal to F c = Mν 2 / R, (where M, ν u R is the mass, speed and radius of the orbit). The action of this force is equivalent to the action of a magnetic field of the quantity B c = Mν / qR (where q is the particle charge). As a result of the action of this centrifugal force (the equivalent magnetic field), the equilibrium orbit, where the total effect of all forces is zero, shifts more and more to the stronger fields of the main dipole. The radius of the equilibrium orbit grows in accordance with the equality R = P / qB, (P is the momentum of the particles) until they are removed from the accelerator.

Малые колебания частиц относительно равновесной орбиты устойчивы в радиальной y -плоскости (Фиг. 2). Длина волны колебаний частицы λ равна

Figure 00000002
Small particle vibrations with respect to the equilibrium orbit are stable in the radial y-plane (Fig. 2). The particle wavelength λ is
Figure 00000002

где: q и P - заряд и импульс частицы, В0 - величина индукции поля диполей, η - коэффициент (м-1), величина которого зависит от конкретной геометрии диполей.where: q and P are the charge and momentum of the particle, B 0 is the magnitude of the induction of the dipole field, η is the coefficient (m -1 ), the value of which depends on the specific geometry of the dipoles.

Неустойчивость колебаний в z - плоскости подавляется жесткофокусирующей системой (см. Фиг. 3), которая содержит линзы (3) (Долбилов Г.В. «Способ фокусировки пучков заряженных частиц» // Патент РФ №2633770,). Фокусное расстояние таких линз равноThe instability of oscillations in the z - plane is suppressed by a rigid focusing system (see Fig. 3), which contains lenses (3) (G. Dolbilov, “Method for focusing charged particle beams” // RF Patent No. 2633770,). The focal length of such lenses is

Figure 00000003
Figure 00000004
Figure 00000003
Figure 00000004

Знак ± означает фокусирующее или дефокусирующее действие линзы. Р и В0 - импульс частиц и индукция магнитного поля линз, α - угол наклона границы раздела разно-полярных диполей линз. Колебания частиц как в у так и в z - плоскостях всегда устойчивы еслиThe ± sign indicates the focusing or defocusing action of the lens. P and B 0 are the momentum of the particles and the induction of the magnetic field of the lenses, α is the angle of inclination of the interface of different polar dipoles of the lenses. Oscillations of particles in both y and z - planes are always stable if

Figure 00000005
Figure 00000005

где: S - расстояние между фокусирующей и дефокусирущей линзами (14),where: S is the distance between the focusing and defocusing lenses (14),

α - угол наклона границы разно-полярных плоских диполей линз (3).α is the angle of inclination of the boundary of different-polar flat lens dipoles (3).

Пример конкретного примененияCase Study

Основной и дополнительный диполи биполярной магнитной системы индукционного синхротрона представляют собой электромагниты или постоянные магниты. Источник питания обмоток электромагнитов представляет собой генератор постоянного тока.The main and additional dipoles of the bipolar magnetic system of the induction synchrotron are electromagnets or permanent magnets. The power source of the electromagnet windings is a direct current generator.

Рабочие поверхности магнитных полюсов основного и дополнительного диполей биполярной магнитной системы ускорителя могут, например, представлять собой совокупность плоских и цилиндрических поверхностей (как это изображено на Фиг. 2) или быть гиперболическими (как у квадрупольных линз).The working surfaces of the magnetic poles of the main and additional dipoles of the bipolar magnetic system of the accelerator can, for example, be a combination of flat and cylindrical surfaces (as shown in Fig. 2) or be hyperbolic (like quadrupole lenses).

Жесткофокусирующие линзы (14) магнитной системы (Фиг. 3) содержат плоские дипольные электромагниты, которые подключены к источникам постоянного тока. Каждая из линз содержит два разно-полярных диполя, граница раздела которых наклонена к оси на угол α (Фиг. 3). Величина этого угла влияет на жесткость фокусировки/дефокусировки. Фокусирующее или дефокусирующее действие линз зависит от полярности магнитного поля, а также и от направления наклона границы раздела разно-полярных диполей (Фиг. 3).The hard-focusing lenses (14) of the magnetic system (Fig. 3) contain flat dipole electromagnets that are connected to direct current sources. Each of the lenses contains two different-polar dipoles, the interface of which is inclined to the axis by an angle α (Fig. 3). The magnitude of this angle affects the stiffness of the focus / defocus. The focusing or defocusing effect of the lenses depends on the polarity of the magnetic field, as well as on the direction of inclination of the interface of different polar dipoles (Fig. 3).

Claims (1)

Магнитная система индукционного синхротрона с постоянным во времени магнитным полем, состоящая из набора магнитных диполей и фокусирующих линз, которые расположены на дугообразных участках корпуса ускорителя, а каждый диполь и каждая линза через их обмотки соединены с соответствующими им генераторами питания, отличающаяся тем, что каждый диполь содержит две его составляющие с прямой и обратной полярностью магнитного поля, образуя таким образом биполярную магнитную систему, а каждая фокусирующая линза содержит две разнополярные линзы с плоскими магнитными полюсами.A magnetic system of an induction synchrotron with a time-constant magnetic field, consisting of a set of magnetic dipoles and focusing lenses that are located on the arcuate sections of the accelerator body, and each dipole and each lens are connected through their windings to their respective power generators, characterized in that each dipole contains two of its components with direct and reverse polarity of the magnetic field, thus forming a bipolar magnetic system, and each focusing lens contains two opposite-polar lenses with flat magnetic poles.
RU2019106735A 2019-03-11 2019-03-11 Induction synchrotron magnetic system with magnetic field constant in time RU2714505C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019106735A RU2714505C1 (en) 2019-03-11 2019-03-11 Induction synchrotron magnetic system with magnetic field constant in time

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019106735A RU2714505C1 (en) 2019-03-11 2019-03-11 Induction synchrotron magnetic system with magnetic field constant in time

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2714505C1 true RU2714505C1 (en) 2020-02-18

Family

ID=69626038

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019106735A RU2714505C1 (en) 2019-03-11 2019-03-11 Induction synchrotron magnetic system with magnetic field constant in time

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2714505C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4992746A (en) * 1988-04-26 1991-02-12 Acctek Associates Apparatus for acceleration and application of negative ions and electrons
SU1040966A1 (en) * 1981-12-10 1996-04-10 И.Г. Артюх Multi-beam electronic microwave device
RU2474984C1 (en) * 2011-10-24 2013-02-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Plasma accelerator with closed electron drift
RU2608365C1 (en) * 2015-08-11 2017-01-18 Объединенный Институт Ядерных Исследований Induction synchrotron accelerator with constant magnetic field
RU2633770C1 (en) * 2016-06-15 2017-10-18 Объединенный Институт Ядерных Исследований Method for focusing beams of charged particles
US20180025792A1 (en) * 2009-02-12 2018-01-25 Msnw, Llc Method and apparatus for the generation, heating and/or compression of plasmoids and/or recovery of energy therefrom
RU2647497C1 (en) * 2016-06-15 2018-03-16 Объединенный Институт Ядерных Исследований Method of multi-turn injection of charged particles into cyclic accelerator

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1040966A1 (en) * 1981-12-10 1996-04-10 И.Г. Артюх Multi-beam electronic microwave device
US4992746A (en) * 1988-04-26 1991-02-12 Acctek Associates Apparatus for acceleration and application of negative ions and electrons
US20180025792A1 (en) * 2009-02-12 2018-01-25 Msnw, Llc Method and apparatus for the generation, heating and/or compression of plasmoids and/or recovery of energy therefrom
RU2474984C1 (en) * 2011-10-24 2013-02-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Plasma accelerator with closed electron drift
RU2608365C1 (en) * 2015-08-11 2017-01-18 Объединенный Институт Ядерных Исследований Induction synchrotron accelerator with constant magnetic field
RU2633770C1 (en) * 2016-06-15 2017-10-18 Объединенный Институт Ядерных Исследований Method for focusing beams of charged particles
RU2647497C1 (en) * 2016-06-15 2018-03-16 Объединенный Институт Ядерных Исследований Method of multi-turn injection of charged particles into cyclic accelerator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4570103A (en) Particle beam accelerators
US5017882A (en) Proton source
JPH11513528A (en) Method for extracting charged particles from isochronous cyclotron and apparatus applying this method
Lopez et al. Cathode effects on a relativistic magnetron driven by a microsecond e-beam accelerator
RU2714505C1 (en) Induction synchrotron magnetic system with magnetic field constant in time
RU2477936C2 (en) Cyclic charged particle accelerator
RU2608365C1 (en) Induction synchrotron accelerator with constant magnetic field
Dolbilov Induction synchrotron with a constant magnetic field
RU2714507C1 (en) Method of forming equilibrium trajectories of particles in a cyclic accelerator with a constant radius of an orbit
RU2451435C1 (en) Method for cyclic acceleration of charged particles
SU747394A1 (en) Device for phase-grouping of accelerated charged particle beam
SU1237056A1 (en) Method of withdrawing particles from isotron cyclotron
Crittenden Jr et al. Methods for betatron or synchrotron beam removal
RU2740207C1 (en) Radioactive isotope source of alternating current
SU1764192A1 (en) Removal device for betatron accelerated electron beam
RU2641658C2 (en) Method for slow beam output of charged particles
RU2212121C2 (en) Method and device for accelerating and focusing charged particles by constant field
RU2012169C1 (en) Method of injecting particles beam into accumulation ring
Dolbilov Broadband cyclic accelerator with a constant magnetic field and radius of equilibrium orbit
SU344802A1 (en) Method of cyclic acceleration of charged particles
RU2092982C1 (en) Method for producing fast plasma currents
Swenson Extensions to the RFQ Domain
Sheinman et al. Wakefield Undulator Based on a Sinusoidal Dielectric Waveguide
JP4002977B2 (en) FFAG accelerator
SU313319A1 (en) LINEAR ION ACCELERATOR