RU2786487C1

RU2786487C1 - Synchrocyclotron proton energy monochromatization method and device for its implementation

Info

Publication number: RU2786487C1
Application number: RU2022109815A
Authority: RU
Inventors: Евгений Михайлович Иванов; Гелий Федорович Михеев
Filing date: 2022-04-11
Publication date: 2022-12-21

Abstract

FIELD: synchrocyclotron proton energy monochromatization devices.

SUBSTANCE: invention relates to a method and device for synchrocyclotron proton energy monochromatization. The method consists in implementing the output of the proton beam from the synchrocyclotron when the accelerating voltage from the dee is turned off and is carried out by the method for building up the amplitudes of proton oscillations before they are output from the synchrocyclotron. For this, an electrode is used - a deflector, to which a radio pulse is applied with a filling frequency corresponding to the spectrum of betatron radial oscillations of protons. In addition, the radio engineering units of the synchrocyclotron additionally include a radio pulse generator for the deflector and an associated unit for modulating its frequency and amplitude, as well as a control unit connected by communication circuits to the radio pulse generator, to the high-frequency voltage generator on the dee and to the dee.

EFFECT: increase in the degree of beam proton energy monochromatization ΔE/E ≈ 10^-4without loss of fluence with a significant simplification of the device design.

2 cl, 1 dwg

Description

Способ и устройство относятся к области ускорительной техники и могут использоваться при проведении экспериментов, требующих высокой степени монохроматизации энергии выведенного из синхроциклотрона (СЦ) протонного пучка (р-пучка).The method and device belong to the field of accelerator technology and can be used in experiments requiring a high degree of monochromatization of the energy of the proton beam (p-beam) extracted from the synchrocyclotron (SC).

Введение в проблему. Известно, что выведенные из СЦ протоны обладают разбросом энергии ΔЕ (энергетическим спектром), величина которого характеризуется коэффициентом монохроматизации энергии ΔЕ/Е. Так, например, крупнейший постоянно работающий СЦ-1000 НИЦ КИ - ПИЯФ г. Гатчина (Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев. «Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики», Гатчина, 2012 г.) [1] имеет разброс энергии выведенного пучка ΔЕ/Е ≈ 1%, что составляет ΔЕ ~ 10 МэВ при максимальной энергии протонов 1000 МэВ (Г.Д. Алхазов, Г.М. Амальский, С.Л. Белостоцкий и др. "Энергетический разброс выведенного пучка синхроциклотрона ЛИЯФ АН СССР», Препринт ФТИ-323, Ленинград, 1972 г.) [2].Introduction to the problem. It is known that the protons extracted from the SC have an energy spread ΔЕ (energy spectrum), the value of which is characterized by the energy monochromatization coefficient ΔЕ/Е. So, for example, the largest permanently operating STs-1000 NRC KI - PNPI Gatchina (N.K. Abrosimov, G.F. Mikheev. "Radio engineering systems of the synchrocyclotron of the St. Petersburg Institute of Nuclear Physics", Gatchina, 2012) [1] has energy spread of the extracted beam ΔЕ/Е ≈ 1%, which is ΔЕ ~ 10 MeV at the maximum proton energy of 1000 MeV (G.D. Alkhazov, G.M. Amalsky, S.L. Belostotsky et al. "Energy spread of the extracted beam of the synchrocyclotron LINP AS USSR”, Preprint FTI-323, Leningrad, 1972) [2].

Такая относительно низкая монохроматичность энергии р-пучка исключает возможность проведения ряда экспериментов, где требуется спектроскопическая точность энергии протонов, например, при исследованиях в области физики ядра (O.V. Miklucho et. Al. "Investigation Nuclear Medium Effect on Characteristics of Proton-Proton Scattering at 1 GeV" SPNPI High Energy Physics Physics Division Main Scientific Activities 2002-2006. 2007, p. 184-191.) [3], в области медицины и лечении больных с использованием «пика Брэгга» (О.В. Савченко. «40 лет протонной терапии на синхроциклотроне и фазотроне лаборатории ядерных проблем ОИЯИ», Препринт 39-2007-85, Дубна, 2007) [4], а также при испытании надежности радио-интегральной аппаратуры авиа-космического назначения к воздействию атмосферных и космических протонов и нейтронов, обладающих определенными энергетическими спектрами (Е.М. Иванов, Г.Ф. Михеев, С.А. Артамонов и др. «Устройство для радиационного облучения электроники авиакосмического назначения протонами с использованием синхроциклотрона». Патент №2680151, 2018 г.) [5].Such a relatively low monochromaticity of the p-beam energy excludes the possibility of conducting a number of experiments where the spectroscopic accuracy of the proton energy is required, for example, in studies in the field of nuclear physics (O.V. Miklucho et. Al. "Investigation Nuclear Medium Effect on Characteristics of Proton-Proton Scattering at 1 GeV" SPNPI High Energy Physics Physics Division Main Scientific Activities 2002-2006. 2007, p. 184-191.) [3], in the field of medicine and treatment of patients using the "Bragg peak" (O.V. Savchenko. "40 years of Proton Therapy at the Synchrocyclotron and Phasotron of the Laboratory of Nuclear Problems of JINR”, Preprint 39-2007-85, Dubna, 2007) [4], as well as when testing the reliability of radio-integrated equipment for aerospace purposes to the effects of atmospheric and cosmic protons and neutrons that have certain energy spectra (E.M. Ivanov, G.F. Mikheev, S.A. Artamonov et al. “Device for radiation exposure of aerospace electronics proton ami using the synchrocyclotron”. Patent No. 2680151, 2018) [5].

В качестве аналога выбраны известные способ и устройство, описанные в (А. Бенфорд «Транспортировка пучков заряженных частиц», Атомиздат, М., 1969) [6].The well-known method and device described in (A. Benford "Transportation of Charged Particle Beams", Atomizdat, M., 1969) [6] was chosen as an analogue.

Сущность способа-аналога заключается в воздействии магнитным полем на линейно двигающиеся из СЦ протоны и преобразовании их движения в круговые траектории с распределением их энергий по отдельным траекториям.The essence of the analogue method lies in the influence of a magnetic field on protons linearly moving from the SC and the transformation of their movement into circular trajectories with the distribution of their energies along separate trajectories.

Сущность устройства-аналога заключается в использовании двух дополнительных с СЦ устройств, осуществляющих такое преобразование движения протонов и их монохроматизацию.The essence of the analogue device is the use of two additional devices with SC, which carry out such a transformation of the movement of protons and their monochromatization.

Объясним подробно. Монохроматизация энергии р-пучка в способе-аналоге осуществляется следующим образом. Выведенный из СЦ и линейно двигающийся пучок протонов с разбросом энергии ΔЕ попадает в постоянное магнитное поле дополнительного устройства (магнитного спектрометра), где каждый из протонов двигается согласно уравнению движения заряженной частицы в постоянном магнитном поле по дуге радиуса R_i в соответствии с величиной своей энергии E_i. Таким образом, если до входа в магнитное поле протоны двигались по осевой прямой линии, то в спектрометре они двигаются веерообразно и на выходе из спектрометра занимают полосу с линейно изменяющейся энергией протонов вдоль этой полосы. Выбирая из этой полосы при помощи коллиматора с шириной щели δL протоны с энергиями E_i получают на выходе из коллиматора только часть пучка протонов с разбросом энергии δE_i/E_i. Чем уже ширина щели коллиматора δL, тем выше степень монохроматизации энергии в этой части пучка и тем больше потеря флюэнса. (При расходящимся р-пучке коллиматор может находиться и перед магнитным спектрометром).Let's explain in detail. Monochromatization of the p-beam energy in the analog method is carried out as follows. A beam of protons extracted from the SC and moving linearly with an energy spread ΔЕ falls into a constant magnetic field of an additional device (magnetic spectrometer), where each of the protons moves according to the equation of motion of a charged particle in a constant magnetic field along an arc of radius R _i in accordance with the value of its energy E _i . Thus, if before entering the magnetic field the protons moved along an axial straight line, then in the spectrometer they move like a fan and at the exit from the spectrometer they occupy a band with a linearly varying proton energy along this band. Choosing from this band using a collimator with a slit width δL, protons with energies E _i receive at the exit from the collimator only a part of the proton beam with an energy spread δE _i /E _i . The narrower the collimator slit δL, the higher the degree of energy monochromatization in this part of the beam and the greater the loss of fluence. (In the case of a divergent p-beam, the collimator can also be located in front of the magnetic spectrometer).

Недостатком способа-аналога является невысокая степень монохроматизации энергии ~10^-3, значительная потеря флюенса протонов из-за необходимости их коллимирования.The disadvantage of the analogue method is the low degree of energy monochromatization ~10 ^-3 , a significant loss of proton fluence due to the need to collimate them.

Недостатком устройства-аналога для осуществления способа является необходимость применения дополнительных к СЦ двух громоздких и энергоемких устройств в виде отклоняющего магнитного спектрометра и коллиматора.The disadvantage of the analogue device for implementing the method is the need to use additional to the SC two bulky and energy-intensive devices in the form of a deflecting magnetic spectrometer and a collimator.

В качестве прототипа выбран способ монохроматизации энергии ускоренного пучка заряженных частиц в высокочастотном ускорителе и устройство, описанное в (В.В. Петренко, В.В. Калашников, А.А. Никитушкин, Авторское свидетельство №1109032 «Способ монохроматизации энергии пучка высокочастотного ускорителя и устройство для его осуществления» 27.01.1983 г.) [7].As a prototype, a method for monochromatizing the energy of an accelerated beam of charged particles in a high-frequency accelerator and a device described in (V.V. Petrenko, V.V. Kalashnikov, A.A. Nikitushkin, Copyright certificate No. device for its implementation” 27.01.1983) [7].

Предварительно поясним, что устройство, описанное в прототипе и предлагаемое устройство, относятся к высокочастотным ускорителям заряженных частиц и имеют единый способ их ускорения путем многократной проводки частиц через ускоряющие промежутки с высокочастотным электрическим полем (в частности, резонаторы, дуанты, дрейфовые трубки и т.п.). В этих ускорителях ускоренные пучки имеют пространственно-временную структуру в виде последовательности импульсов ускоренных частиц с разбросом энергии ~ 5% (А.Н. Лебедев, А.В. Шальков «Основы физики и техники ускорителей», М., Энергоиздат, 1991.) [8], (Добвня А.Н., Петренко В.В., «О возможности монохроматизации пучка линейного ускорителя электронов с энергией 2 Гэв на основе дегруппирующих свойств системы формирования», ЖТФ, 41, 776, 1971) [9].Let us first explain that the device described in the prototype and the proposed device relate to high-frequency particle accelerators and have a single method for accelerating them by repeatedly passing particles through accelerating gaps with a high-frequency electric field (in particular, resonators, dees, drift tubes, etc. .). In these accelerators, accelerated beams have a space-time structure in the form of a sequence of pulses of accelerated particles with an energy spread of ~ 5% (A.N. Lebedev, A.V. Shalkov “Fundamentals of Physics and Technology of Accelerators”, M., Energoizdat, 1991.) [8], (Dobvnya A.N., Petrenko V.V., “On the possibility of monochromatization of a beam of a linear electron accelerator with an energy of 2 GeV based on the degrouping properties of the formation system”, JTF, 41, 776, 1971) [9].

Сущность способа-прототипа заключается в силовом воздействии электромагнитными полями на выведенный из высокочастотного ускорителя пучок с целью трансформации его пространственно-временной структуры и монохроматизации энергии его пучка. Для уменьшения разброса энергии осуществляется первоначальная дегруппировка и последующая монохроматизация энергии пучка заряженных частиц. Процесс дегруппировки осуществляется путем воздействия на пучок сначала поперечным высокочастотным электрическим полем, а затем продольным аксиально-симметричным магнитным полем для «растяжения» сгруппированного по фазам пучка. Последующий процесс их монохроматизации энергии осуществляется путем воздействия на пучок продольным высокочастотным электрическим полем.The essence of the prototype method lies in the force impact of electromagnetic fields on the beam extracted from the high-frequency accelerator in order to transform its spatio-temporal structure and monochromatize the energy of its beam. To reduce the energy spread, the initial degrouping and subsequent monochromatization of the energy of the charged particle beam is carried out. The degrouping process is carried out by exposing the beam first to a transverse high-frequency electric field, and then to a longitudinal axially symmetric magnetic field to "stretch" the beam grouped in phases. The subsequent process of their energy monochromatization is carried out by exposing the beam to a longitudinal high-frequency electric field.

Сущность устройства-прототипа заключается в реализации способа монохроматизации энергии пучка в высокочастотном ускорителе путем добавления к ускорителю двух устройств: дегруппирователя пучка и монохроматизатора пучка. Дегруппирователь состоит из высокочастотного дефлектора и магнитного соленоида. Монохроматизатор состоит из высокочастотной секции с бегущей волной и системы поворотных электромагнитов.The essence of the prototype device is to implement a method of beam energy monochromatization in a high-frequency accelerator by adding two devices to the accelerator: a beam debunker and a beam monochromatizer. The degrouper consists of a high-frequency deflector and a magnetic solenoid. The monochromatizer consists of a high-frequency section with a traveling wave and a system of rotary electromagnets.

Недостатком способа-прототипа является его сложность и неэффективность использования для высокочастотных ускорителей типа синхроциклотрон из-за относительно низкой, ~ в 10 раз, частоты ускорения протонов в его дуантной системе (10-20 МГц).The disadvantage of the prototype method is its complexity and inefficiency for high-frequency accelerators such as synchrocyclotron due to the relatively low, ~ 10 times, the frequency of proton acceleration in its dee system (10-20 MHz).

Недостатком устройства-прототипа является сложность, громоздкость и энергоемкость конструкции, и необходимость сочленения его со «штатным» оборудованием ускорителя для диагностики его выведенного пучка.The disadvantage of the prototype device is the complexity, bulkiness and power consumption of the design, and the need to articulate it with the "standard" equipment of the accelerator to diagnose its extracted beam.

Цель изобретения - увеличение степени монохроматизации энергии протонного пучка СЦ без потери его флюенса. Для достижения цели нами предложен принципиально другой способ монохроматизации энергии протонов пучка СЦ и устройство для его осуществления.The purpose of the invention is to increase the degree of monochromatization of the energy of the SC proton beam without losing its fluence. To achieve the goal, we have proposed a fundamentally different method for monochromatization of the proton energy of the SC beam and a device for its implementation.

Технический эффект предлагаемого изобретения - увеличение степени монохроматизации энергии протонов пучка СЦ δЕ/Е ≈10^-4÷10^-5 без потери флюэнса при существенном упрощении конструкции его реализации.The technical effect of the proposed invention is an increase in the degree of monochromatization of the proton energy of the SC beam δE/E ≈10 ^-4 ÷10 ^-5 without loss of fluence with a significant simplification of the design of its implementation.

Технический эффект достигается тем, что:The technical effect is achieved by:

1. В способе монохроматизации энергии протонов пучка синхроциклотрона с помощью воздействия на ускоренные протоны электрическими и магнитными полями новым является то, что воздействие на пучок протонов производится внутри ускорительной камеры синхроциклотрона и заключается в предварительной пространственной трансформации ускоренного до максимальной энергии банча протонов в циркулирующий тороид из вращающихся протонов путем прекращения их дальнейшего ускорения отключением напряжения с дуанта и в последующей резонансной раскачке амплитуд радиальных колебаний протонов в тороиде для заброса их в систему вывода из камеры синхроциклотрона при помощи воздействия на тороидальный пучок протонов на локальном участке его орбиты горизонтальным импульсным электрическим полем, программно промодулированным по частоте заполнения и по амплитуде в пределах спектра частот бетатронных радиальных колебаний протонов в тороиде.1. In the method of monochromatization of the proton energy of the synchrocyclotron beam by exposing the accelerated protons to electric and magnetic fields, what is new is that the impact on the proton beam is carried out inside the accelerating chamber of the synchrocyclotron and consists in the preliminary spatial transformation of the proton bunch accelerated to the maximum energy into a circulating toroid of rotating protons by stopping their further acceleration by turning off the voltage from the dee and in the subsequent resonant buildup of the amplitudes of radial oscillations of protons in the toroid for throwing them into the extraction system from the synchrocyclotron chamber by exposing the toroidal proton beam in the local section of its orbit to a horizontal pulsed electric field, programmatically modulated according to filling frequency and amplitude within the frequency spectrum of betatron radial oscillations of protons in a toroid.

2. В устройстве для осуществления способа монохроматизации энергии протонов пучка синхроциклотрона, состоящем из сихроциклотрона с набором устройств и радиотехнических блоков для его работы, в том числе дуанта и генератора высокочастотного напряжения, новым является то, что в сихроциклотрон для его работы дополнительно в вакуумную камеру синхроциклотрона вводится дефлектор-электрод горизонтального электрического поля, а в состав радиотехнических блоков синхроциклотрона дополнительно вводятся генератор радиоимпульсов для дефлектора и связанный с ним блок модуляции его частоты и амплитуды, и вводится блок управления, подключенный цепями связи к генератору радиоимпульсов, к генератору высокочастотного напряжения на дуанте и к дуанту.2. In the device for implementing the method of monochromatization of the proton energy of the synchrocyclotron beam, consisting of a synchrocyclotron with a set of devices and radio engineering units for its operation, including a dee and a high-frequency voltage generator, what is new is that in the synchrocyclotron for its operation, in addition to the vacuum chamber of the synchrocyclotron a deflector-electrode of a horizontal electric field is introduced, and a generator of radio pulses for the deflector and an associated unit for modulating its frequency and amplitude are additionally introduced into the composition of the radio engineering units of the synchrocyclotron, and a control unit is introduced connected by communication circuits to the radio pulse generator, to the high-frequency voltage generator on the dee and to the dee.

На Фиг. 1а, б условно показаны схемы, поясняющие принцип реализации предложенного способа и устройство для его осуществления.On FIG. Figures 1a and 1b schematically show diagrams illustrating the principle of implementing the proposed method and a device for its implementation.

1. Ускорительная вакуумная камера СЦ.1. Accelerator vacuum chamber SC.

1а. Вакуумные насосы откачки камеры 1.1a. Vacuum pumps pumping chamber 1.

2. Дуант СЦ.2. Deuant SC.

3. Ускоряющая щель, образующая ускоряющий промежуток дуанта 2.3. Accelerating gap forming the accelerating gap of dee 2.

4. Генератор высокочастотного (ВЧ) напряжения на дуанте 2.4. High-frequency (HF) voltage generator at dee 2.

5. Вариаторы частоты, задающие закон изменения частоты f(t) напряжения на дуанте 2.5. Frequency variators that set the law of frequency change f(t) of the voltage on the dee 2.

6. Система вывода ускоренных протонов из камеры 1 СЦ.6. System for extracting accelerated protons from chamber 1 of the SC.

7. Ускоряемый сгусток протонов (банч), находящийся на радиусе R(f) с энергией E(R).7. Accelerated bunch of protons (bunch) located at radius R(f) with energy E(R).

8. Циркулирующий кольцевой пучок протонов (тороид), находящийся на радиусе R^max с энергией E^max.8. Circulating annular proton beam (toroid) located at a radius R ^max with energy E ^max .

9. Дефлектор - электрод для раскачки амплитуд радиальных колебаний протонов в тороиде 8.9. Deflector - an electrode for the buildup of the amplitudes of the radial oscillations of protons in the toroid 8.

10. Генератор радиоимпульсов для дефлектора 9.10. Radio pulse generator for deflector 9.

11. Модулятор частоты и амплитуды генератора 10.11. Generator frequency and amplitude modulator 10.

12. Блок управления генератором радиоимпульсов 10 и генератором ВЧ 4.12. Control unit for radio pulse generator 10 and RF generator 4.

13. Связь для управления работой генератора 10.13. Communication to control the operation of the generator 10.

14. Связь для управления работой генератора ВЧ 4.14. Communication to control the operation of the RF generator 4.

15. Связь для синхронизации блока 12 с дуантом 2.15. Connection for synchronization of block 12 with dee 2.

16. Электрическое поле E(t) дефлектора 9.16. Electric field E(t) of the deflector 9.

17. Окно для вывода протонов.17. Window for the output of protons.

18. Выведенный из камеры 1 монохроматизированный по энергии протонный пучок.18. An energy-monochromatized proton beam extracted from chamber 1.

О - центр магнитного поля СЦ.O is the center of the magnetic field of the SC.

- вектор магнитного поля

- magnetic field vector

R(f) - радиус ускоряемого банча 7 при частоте f на дуанте 2.R(f) is the radius of accelerated bunch 7 at frequency f at dee 2.

R^max - радиус циркулирующего пучка протонов в момент отключения напряжения с генератора 4 и превращения ускоряемых протонов из банча 7 в тороид 8.R ^max is the radius of the circulating proton beam at the moment of power off from generator 4 and the transformation of accelerated protons from bunch 7 into toroid 8.

2ΔR; - радиальные размеры ускоряемого банча протонов 7 при его ускорении до радиуса R^max.2ΔR; - radial dimensions of the accelerated bunch of protons 7 when it is accelerated to the radius R ^max .

ϕ - угловая координата банча 7.ϕ - angular coordinate of bunch 7.

- вектор электрического поля дефлектора 9.

- vector of the electric field of the deflector 9.

U₁₀(t) - радиоимпульсы от генератора 10.U ₁₀ (t) - radio pulses from the generator 10.

f₁₀ - частота заполнения радиоимпульса U₁₀(t).f ₁₀ - filling frequency of the radio pulse U ₁₀ (t).

τ₁₀ - длительность радиоимпульса U₁₀(t).τ ₁₀ - the duration of the radio pulse U ₁₀ (t).

- частота бетатронных радиальных колебаний протонов, находящихся на радиусе R, где n(R) - показатель спада магнитного поля СЦ на радиусе R, f(R) - частота дуанта f(t) в момент нахождения протонов на радиусе R.

is the frequency of betatron radial oscillations of protons located at radius R, where n(R) is the index of the decline in the magnetic field of the SC at radius R, f(R) is the frequency of the dee f(t) at the moment the protons are at radius R.

Т - период циклов работы СЦ.T is the period of cycles of work of the SC.

t - реальное время.t - real time.

Предварительно поясним стандартный режим работы СЦ, Фиг. 1а (А.Н. Лебедев, А.В. Шальков. «Основы физики и техники ускорителей», М. Энергоатомиздат, 1991) [8] и [1], [2].Let us first explain the standard operating mode of the SC, Fig. 1a (A.N. Lebedev, A.V. Shalkov. Fundamentals of Physics and Technology of Accelerators, M. Energoatomizdat, 1991) [8] and [1], [2].

В ускорительной вакуумной камере СЦ 1 расположен ускоряющий протоны дуант 2. Питание дуанта 2 высокочастотным высоковольтным напряжением происходит от генератора ВЧ 4. Вариаторы 5 изменяют резонансную частоту дуанта 2 по закону f(t) в соответствии с изменением радиуса R(f) и энергией E(f) ускоряемых протонов, [1], стр. 107-124. Ускоряемые дуантом 2 протоны группируются в форму сгустка (банча) 7 с размерами: ширина 2ΔR, высота 2ΔZ, и угловым размером Δϕ. Банч протонов 7 формируется в центре СЦ 0 при работе плазменного источника ионов типа Пеннинга. Так например, для СЦ-1000 [1] поперечные размеры банча 7: радиальные 2ΔR ≈ 10÷15 см, вертикальные 2ΔZ ≈ 4÷6 см, азимутальные Δϕ ≈ 60°. В процессе ускорения дуантом 2 банч 7 двигается по спирали увеличивающегося радиуса R(f) по часовой стрелке. При достижении банчем 7 радиуса вывода R^max банч попадает в зону действия системы вывода 6, (Н.К. Абросимов, Г.А. Рябов «Эффективность регенеративного вывода пучка из синхроциклотрона». Труды IV Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. М., 1975, т. 1, с. 250-253) [10], и протоны выводятся из СЦ по направлению 18 для проведения экспериментов на р-пучке. За время вывода протонов Δτ генератор ВЧ 4 продолжает работать и ускорять протоны, что и приводит к увеличению энергии выведенного пучка на величину Е+ΔЕ. Так, например, для СЦ-1000 увеличение энергии протонного пучка за время его вывода составляет ~ 10 МэВ, ΔЕ/Е ≈ 1%, [2]. Поэтому для монохроматизации энергии протонов и в способе-аналоге и в способе прототипе осуществляется воздействие на выведенный из ускорителя протонный пучок с использованием дополнительных устройств.Accelerating vacuum chamber SC 1 contains dee 2 accelerating protons. Dee 2 is powered by high-frequency high-voltage voltage from RF generator 4. Variators 5 change the resonant frequency of dee 2 according to the law f(t) in accordance with the change in radius R(f) and energy E( f) accelerated protons, [1], pp. 107-124. The protons accelerated by the dee 2 are grouped into a bunch (bunch) 7 with dimensions: width 2ΔR, height 2ΔZ, and angular size Δϕ. A proton bunch 7 is formed at the center of SC 0 during the operation of a Penning-type plasma ion source. For example, for STs-1000 [1], the transverse dimensions of bunch 7 are: radial 2ΔR ≈ 10÷15 cm, vertical 2ΔZ ≈ 4÷6 cm, azimuth Δϕ ≈ 60°. In the process of acceleration by dee 2, bunch 7 moves along a spiral of increasing radius R(f) clockwise. When the bunch 7 reaches the extraction radius ^Rmax , the bunch falls into the coverage area of the extraction system 6, (N.K. Abrosimov, G.A. Ryabov “Efficiency of the regenerative beam extraction from the synchrocyclotron”. Proceedings of the IV All-Union Conference on Charged Particle Accelerators. M., 1975, vol. 1, pp. 250-253) [10], and protons are extracted from the SC in direction 18 for experiments on the p-beam. During the proton extraction Δτ, the RF generator 4 continues to operate and accelerate the protons, which leads to an increase in the energy of the extracted beam by E+ΔE. For example, for the STs-1000, the increase in the energy of the proton beam during its output is ~ 10 MeV, ΔE/E ≈ 1%, [2]. Therefore, to monochromatize the energy of protons, both in the analog method and in the prototype method, the proton beam extracted from the accelerator is affected using additional devices.

Предложенный нами способ монохроматизации энергии протонов принципиально отличается от известных и заключается в воздействии не на выведенный из камеры 2 СЦ пучок протонов, а непосредственно на циркулирующие в ускорительной камере протоны и последующим их выводом из камеры СЦ.The method of proton energy monochromatization proposed by us is fundamentally different from the known ones and consists in the impact not on the proton beam extracted from chamber 2 of the SC, but directly on the protons circulating in the accelerating chamber and their subsequent removal from the SC chamber.

Объясним подробно. Протоны в банче во время его ускорения удерживаются силами магнитной фокусировки и совершают относительно своей осевой линии R (f) свободные (бетатронные) колебания по вертикали с частотой

и по горизонтали (по радиусу) с частотой

где f(R) - частота дуанта в момент нахождения банча 7 на радиусе R(f), n - показатель спада магнитного поля, [1], стр. 100-102. Энергия протонов E(f) при бетатронных колебаниях не меняется. В азимутальном направлении протоны в банче 7 совершают азимутальные синхротронные колебания, при этом их энергия изменяется в пределах δЕ/Е≈10^-4÷10^-5 в соответствии с принципом фазовой фокусировки Векслера-Мак-Миллана [1], стр. 109-113, т.е. протоны в банче обладают высокой степенью монохроматизации энергии.Let's explain in detail. The protons in the bunch during its acceleration are held by the forces of magnetic focusing and perform free (betatron) vertical oscillations relative to their axial line R (f) with a frequency

and horizontally (along the radius) with a frequency

where f(R) is the frequency of the dee at the moment when bunch 7 is at the radius R(f), n is the magnetic field decay index, [1], pp. 100-102. The proton energy E(f) does not change during betatron oscillations. In the azimuthal direction, the protons in bunch 7 perform azimuthal synchrotron oscillations, while their energy varies within δE/E≈10 ^-4 ÷10 ^-5 in accordance with the Wexler-McMillan phase focusing principle [1], pp. 109-113 , i.e. protons in a bunch have a high degree of energy monochromatization.

Сущность предлагаемого способа монохроматизации энергии заключается в сохранение этой высокой степени монохроматизации и в выведенном из СЦ протонном пучке.The essence of the proposed method of energy monochromatization lies in the preservation of this high degree of monochromatization in the proton beam extracted from the SC.

Сущность предлагаемого устройства заключается в реализации способа, для чего вводятся в устройство СЦ дополнительные блоки-устройства: дефлектор 9, генератор радиоимпульсов 10, модулятор частоты и амплитуды генератора радиоимпульса 11, блок управления 12 генератором радиоимпульсов 10 и генератором ВЧ 4, а также цепь синхронизации 15 между дуантом 2 и блоком управления 12.The essence of the proposed device lies in the implementation of the method, for which additional block devices are introduced into the SC device: a deflector 9, a radio pulse generator 10, a frequency and amplitude modulator of the radio pulse generator 11, a control unit 12 for a radio pulse generator 10 and an RF generator 4, as well as a synchronization circuit 15 between dee 2 and control unit 12.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Предварительно до начала вывода протонов из камеры СЦ 1 производится, как и в способе-прототипе, дегруппировка р-пучка. Для этого банч протонов 7 принудительно трансформируется (преобразуется) в кольцевой циркулирующий пучок протонов 8 (тороид). Превращение банча 7 в тороид 8 производится путем выключения ускоряющего напряжения с дуанта 2 в момент окончания ускорения дуантом 2 банча 7, достигшего радиуса R^max. Для этого блок управления 12 по цепи синхронизации 15 «следит» за частотой f(t) на дуанте 2 и при величине f(t), соответствующей нахождению банча 7 на радиусе R^max выключает генератор дуанта 4 [1]. Отключение ВЧ-напряжения с дуанта 2 приводит к «исчезновению» азимутальной фокусировки протонов и протоны за счет разброса энергий в банче 7 и кулоновского отталкивания «разбегаются» друг от друга по азимуту и занимают форму тороида 8 с радиусом кольца тороида R^max, т.е. происходит полная 100% дегруппировка р-пучка. Поперечное сечение «трубы тороида» имеет овальную форму - такую же, как и у банча 7: размер по вертикали 2ΔZ, размер по радиусу 2ΔR. Разброс энергии δЕ/Е≈10^-4÷10^-5 в банче 7 сохраняется и в тороиде 8, то есть протоны в тороиде 8 являются практически монохромными по энергии. Интервал времени превращения банча в тороид много меньше периода цикла ускорения СЦ. Одновременно с отключением ВЧ-напряжения с дуанта 2 включается электрическое поле

16 на дефлектор 9 при помощи генератора радиоимпульсов 10, блока управления 12 и цепи синхронизации 15 между дуантом 2 и блоком управления 12. Вид радиоимпульса U₁₀(t) показан на Фиг. 1б. Частота заполнения радиоимпульса f₁₀ выбирается равной частоте бетатронных радиальных колебаний протонов в тороиде 8 (f₁₀=f_R). Так как частота колебаний f₁₀ электрического поля

выбирается равной частоте f_R горизонтальных бетатронных (радиальных) колебаний протонов в тороиде 8, то воздействие горизонтальной составляющей поля

приводит к резонансному возбуждению колебаний протонов в тороиде 8 и к возрастанию амплитуд колебаний протонов в тороиде 8. Увеличение амплитуд их колебаний приводит к забросу протонов в зону действия системы вывода 6 и протоны выводятся из камеры 1 через окно 17 по направлению 18. Так как разброс энергии протонов в тороиде 8 был обусловлен синхротронными колебаниями протонов δЕ/Е≈10^-4÷10^-5, то таким он и сохраняется в выводном пучке 18. Длительность монохроматизированного по энергии пучка протонов регулируется изменением амплитуды радиоимпульсов U₁₀(t) в генераторе 10.The proposed method is implemented as follows. Prior to the start of the output of protons from the camera SC 1 is, as in the prototype method, the degrouping of the p-beam. To do this, the proton bunch 7 is forcibly transformed (transformed) into an annular circulating proton beam 8 (toroid). The transformation of bunch 7 into toroid 8 is performed by turning off the accelerating voltage from dee 2 at the end of acceleration by dee 2 of bunch 7, which has reached radius R ^max . To do this, the control unit 12 through the synchronization circuit 15 "monitors" the frequency f(t) on the dee 2 and at the value f(t) corresponding to the location of the bunch 7 at a radius R ^max turns off the dee generator 4 [1]. Turning off the RF voltage from dee 2 leads to the “disappearance” of the azimuthal focusing of protons, and due to the energy spread in bunch 7 and Coulomb repulsion, the protons “run away” from each other in azimuth and occupy the shape of a toroid 8 with a radius of the toroid ring R ^max , i.e. . complete 100% degrouping of the p-beam occurs. The cross section of the “toroid pipe” has an oval shape, the same as that of bunch 7: vertical dimension 2ΔZ, radius 2ΔR. The energy spread δE/E≈10 ^-4 ÷10 ^-5 in bunch 7 is also preserved in toroid 8, that is, protons in toroid 8 are almost monochrome in energy. The time interval for the transformation of a bunch into a toroid is much shorter than the period of the SC acceleration cycle. Simultaneously with turning off the RF voltage from dee 2, an electric field is turned on

16 to the deflector 9 using a radio pulse generator 10, a control unit 12 and a synchronization circuit 15 between the dee 2 and the control unit 12. The radio pulse U ₁₀ (t) is shown in FIG. 1b. The filling frequency of the radio pulse f ₁₀ is chosen equal to the frequency of betatron radial oscillations of protons in the toroid 8 (f ₁₀ =f _R ). Since the oscillation frequency f _{10 of} the electric field

is chosen equal to the frequency f _R of horizontal betatron (radial) oscillations of protons in toroid 8, then the effect of the horizontal component of the field

leads to resonant excitation of proton oscillations in toroid 8 and to an increase in the amplitudes of proton oscillations in toroid 8. An increase in the amplitudes of their oscillations leads to the projection of protons into the zone of action of the extraction system 6 and the protons are removed from chamber 1 through window 17 in direction 18. Since the energy spread protons in toroid 8 was due to synchrotron oscillations of protons δЕ/Е≈10 ^-4 ÷10 ^-5 , then it remains so in the output beam 18. The duration of the energy-monochromatized proton beam is controlled by changing the amplitude of the radio pulses U ₁₀ (t) in the generator 10.

Отметим дополнительные особенности предложенного способа. Согласно предложенному способу частота заполнения f₁₀ радиоимпульсов U₁₀ выбирается равной частоте бетатронных радиальных колебаний f_Rпротонов в тороиде f₁₀=f_R. Однако, известно, что бетатронные колебания f_Rв тороиде 8 обладают некоторым разбросом частот Δf_R/f_R ≈ 1÷5%. Этот частотный спектр Δf_R в тороиде 8 может быть экспериментально измерен известным способом: (Е.М. Иванов, Г.Ф. Михеев. «Способ измерения частот поперечных некогерентных колебаний заряженных частиц, ускоряемых в синхроциклотроне». Патент №2687083, 2018) [11]. Поэтому, для эффективного резонансного воздействия электрическим полем

16 на колебания протонов в тороиде 8 необходимо, чтобы частота f₁₀ генератора радиоимпульса U₁₀ имела девиацию частоты Δf₁₀, равную частотному спектру бетатронных радиальных колебаний протонов в тороиде 8, Δf₁₀/f₁₀=Δf_R/f_R. Для этого частота f₁₀ генератора радиоимпульса 10 программно изменяется (модулируется) по линейному закону в пределах спектра частот бетатронных радиальных колебаний протонов в циркулирующем тороиде 8 путем введение блока модулятора 11.We note additional features of the proposed method. According to the proposed method, the filling frequency f _{10 of} radio pulses U ₁₀ is chosen equal to the frequency of betatron radial oscillations f _R of protons in the toroid f ₁₀ =f _R . However, it is known that betatron oscillations f _R in toroid 8 have a certain frequency spread Δf _R /f _R ≈ 1÷5%. This frequency spectrum Δf _R in toroid 8 can be experimentally measured in a known way: (E.M. Ivanov, G.F. Mikheev. "Method for measuring the frequencies of transverse incoherent oscillations of charged particles accelerated in a synchrocyclotron." Patent No. 2687083, 2018) [ eleven]. Therefore, for effective resonant action by an electric field

16 for proton oscillations in toroid 8, it is necessary that the frequency f _{10 of} the radio pulse generator U ₁₀ have a frequency deviation Δf ₁₀ equal to the frequency spectrum of betatron radial oscillations of protons in toroid 8, Δf ₁₀ /f ₁₀ =Δf _R /f _R . To do this, the frequency f _{10 of} the radio pulse generator 10 is programmatically changed (modulated) according to a linear law within the frequency spectrum of betatron radial oscillations of protons in the circulating toroid 8 by introducing a modulator block 11.

Отметим преимущества предложенного способа и устройства монохроматизации энергии протонов пучка СЦ по сравнению с известными:We note the advantages of the proposed method and device for monochromatization of the proton energy of the SC beam in comparison with the known ones:

1. Разброс энергии выводимого пучка протонов равен разбросу энергии в тороиде 8 и составляет ΔЕ/Е≈10^-4÷10^-5, т.е. на несколько порядков выше, чем в известных способах.1. The energy spread of the extracted proton beam is equal to the energy spread in the toroid 8 and is ΔE/E≈10 ^-4 ÷10 ^-5 , i.e. several orders of magnitude higher than in known methods.

2. Монохроматизация энергии происходит без потери флюэнса p-пучка.2. Energy monochromatization occurs without loss of p-beam fluence.

3. В предлагаемом устройстве, в отличие от энергоемких и громоздких устройств, используемых в аналоге и прототипе, используется стандартная радиоаппаратура из набора для контроля и работы любого СЦ [1], находящаяся в системе управления на пульте СЦ: генератор радиоимпульсов 10, модулятор частоты 11, блок управления 12, цепи синхронизации 13,14,15, и стандартный электрод 9.3. In the proposed device, in contrast to the energy-intensive and bulky devices used in the analogue and prototype, standard radio equipment from the kit for monitoring and operating any SC [1] is used, located in the control system on the SC console: radio pulse generator 10, frequency modulator 11 , control unit 12, synchronization circuits 13,14,15, and standard electrode 9.

Способ был промоделирован на СЦ-1000 МэВ НИЦ КИ - ПИЯФ.The method was modeled on the SC-1000 MeV NRC KI - PNPI.

В качестве дефлектора 9 для раскачки амплитуд радиальных колебаний протонов использовались пластины С-электрода от стандартной системы временной растяжки протонного пучка [1] стр. 274-282, рис. 7.1. Для этого С-электрод перемещали по радиусу в зону R>R^max для устранения азимутального воздействия поля С-электрода на циркулирующий тороидальный пучок 8, рис. 1а. В качестве генератора радиоимпульсов 10 использовался стандартный генератор на частоту 10-15 МГц с усилителем амплитуды сигнала до величины U₁₀(t)=1000 в. Частота f₁₀ выбиралась в диапазоне частот радиальных бетатронных колебаний протонов f₁₀=13,3÷13,5 МГц при модуляции частот в пределах 10-100 кГц. Время вывода Δτ протонного пучка из камеры синхроциклотрона 1 зависит от амплитуды U₁₀ (t) генератора 10 и достигало величины периода Т. Интенсивность выведенного монохроматизированного р-пучка составляет 20-30% от числа протонов в тороиде 8, что соответствует стандартной величине коэффициента вывода протонного пучка из синхроциклотрона [10]. Разброс энергии протонов в выведенном пучке 18 оценивается величиной ΔЕ/Е ≈ 10^-4.As a deflector 9 for the buildup of the amplitudes of radial oscillations of protons, plates of the C-electrode from a standard system of temporary stretching of the proton beam were used [1] pp. 274-282, fig. 7.1. To do this, the C-electrode was moved along the radius to the zone R>R ^max to eliminate the azimuthal effect of the C-electrode field on the circulating toroidal beam 8, Fig. 1a. As a radio pulse generator 10, a standard generator was used at a frequency of 10-15 MHz with a signal amplitude amplifier up to U ₁₀ (t)=1000 V. The frequency f ₁₀ was chosen in the frequency range of radial betatron oscillations of protons f ₁₀ =13.3÷13.5 MHz with frequency modulation in the range of 10-100 kHz. The output time Δτ of the proton beam from the synchrocyclotron 1 chamber depends on the amplitude U ₁₀ (t) of the generator 10 and reached the period T. beam from the synchrocyclotron [10]. The proton energy spread in the extracted beam 18 is estimated as ΔE/E ≈ 10 ^-4 .

На основании достигнутых положительных результатов при моделировании предложенного способа и устройства планируется изготовление специального отдельного электрода 9 для радиальной раскачки протонов в тороиде 8 и радиоаппаратуры 10, 11, 12 для организации на СЦ-1000 штатного режима монохроматизации энергии его протонного пучка.Based on the positive results achieved in modeling the proposed method and device, it is planned to manufacture a special separate electrode 9 for the radial buildup of protons in the toroid 8 and radio equipment 10, 11, 12 for organizing the regular mode of monochromatization of the energy of its proton beam on the STs-1000.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫBIBLIOGRAPHY

[1] Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев «Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики», Гатчина, 2012 г.[1] N.K. Abrosimov, G.F. Mikheev "Radio engineering systems of the synchrocyclotron of the St. Petersburg Institute of Nuclear Physics", Gatchina, 2012

[2] Г.Д. Алхазов, Г.М. Амальский, С.Л. Белостоцкий и др. «Энергетический разброс выведенного пучка синхроциклотрона ЛИЯФ АН СССР». Препринт ФТИ-323, Ленинград, 1972 г.[2] G.D. Alkhazov, G.M. Amalsky, S.L. Belostotsky et al. “Energy spread of the extracted beam of the synchrocyclotron at the Leningrad Institute of Nuclear Physics, USSR Academy of Sciences”. Preprint FTI-323, Leningrad, 1972

[3] O.V. Miklucho et. al. "Investigation Nuclear Medium Effect on Characteristics of Proton-Proton Scattering at 1 GeV" SPNPI High Energy Physics Division Main Scientific Activities 2002-2006. 2007, p. 184-191.[3] O.V. Miklucho et. al. "Investigation Nuclear Medium Effect on Characteristics of Proton-Proton Scattering at 1 GeV" SPNPI High Energy Physics Division Main Scientific Activities 2002-2006. 2007, p. 184-191.

[4] O.B. Савченко «40 лет протонной терапии на синхроциклотроне и фазотроне лаборатории ядерных проблем ОИЯИ». Препринт З9-2007-85, Дубна, 2007.[4] O.B. Savchenko "40 Years of Proton Therapy at the Synchrocyclotron and Phasotron of the JINR Laboratory of Nuclear Problems". Preprint З9-2007-85, Dubna, 2007.

[5] Е.М. Иванов, Г.Ф. Михеев, С.А. Артамонов и др. «Устройство для радиационного облучения электроники авиакосмического назначения протонами с использованием синхроциклотрона». Патент №2680151, 2018 г. [6] Аналог. А. Бенфорд «Транспортировка пучков заряженных частиц», Атомиздат, М., 1969, с. 199.[5] E.M. Ivanov, G.F. Mikheev, S.A. Artamonov et al. “A device for radiation exposure of aerospace electronics with protons using a synchrocyclotron”. Patent No. 2680151, 2018 [6] Analog. A. Benford "Transportation of Beams of Charged Particles", Atomizdat, M., 1969, p. 199.

[6] А. Бенфорд «Транспортировка пучков заряженных частиц», Атомиздат, М., 1969. [6] A. Benford “Transportation of Beams of Charged Particles”, Atomizdat, Moscow, 1969.

[7] Прототип. В.В. Петренко, В.В. Калашников, А.А. Никитушкин, Авторское свидетельство №1109032 «Способ монохроматизации энергии пучка высокочастотного ускорителя и устройство для его осуществления» 27.01.1983 г. [7] Prototype. V.V. Petrenko, V.V. Kalashnikov, A.A. Nikitushkin, Copyright certificate No. 1109032 "Method of monochromatization of beam energy of a high-frequency accelerator and a device for its implementation" 01/27/1983

[8] А.Н. Лебедев, А.В. Шальков «Основы физики и техники ускорителей», М., Энергоиздат, 1991.[8] A.N. Lebedev, A.V. Shalkov "Fundamentals of physics and technology of accelerators", M., Energoizdat, 1991.

[9] Добвня А.Н., Петренко В.В. «О возможности монохроматизации пучка линейного ускорителя электронов с энергией 2 Гэв на основе дегруппирующих свойств системы формирования», ЖТФ, 41, 776, 1971.[9] Dobvnya A.N., Petrenko V.V. “On the Possibility of Monochromatization of a 2-GeV Electron Linear Accelerator Beam on the Basis of the Degrouping Properties of the Formation System”, JTF, 41, 776, 1971.

[10] Н.К. Абросимов, Г.А. Рябов. «Эффективность регенеративного вывода пучка из синхроциклотрона» Труды IV Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. М., 1975, т. 1, с. 250-253.[10] N.K. Abrosimov, G.A. Ryabov. "Efficiency of regenerative beam extraction from a synchrocyclotron" Proceedings of the IV All-Union Conference on Charged Particle Accelerators. M., 1975, v. 1, p. 250-253.

[11] Е.М. Иванов, Г.Ф. Михеев «Способ измерения частот поперечных некогерентных колебаний заряженных частиц, ускоряемых в синхроциклотроне». Патент №2687083, 2018.[11] E.M. Ivanov, G.F. Mikheev "A method for measuring the frequencies of transverse incoherent oscillations of charged particles accelerated in a synchrocyclotron". Patent No. 2687083, 2018.

Claims

1. A method for monochromatizing the proton energy of a synchrocyclotron beam by exposing accelerated protons to electric and magnetic fields, characterized in that the effect on the proton beam is carried out inside the accelerating chamber of the synchrocyclotron and consists in preliminary spatial transformation of a proton bunch accelerated to maximum energy into a circulating toroid of rotating protons by stopping their further acceleration by switching off the voltage from the dee and in the subsequent resonant buildup of the amplitudes of the radial oscillations of protons in the toroid for throwing them into the extraction system from the synchrocyclotron chamber by exposing the toroidal beam of protons in the local section of its orbit to a horizontal pulsed electric field, programmatically modulated in frequency filling and in amplitude within the frequency spectrum of betatron radial oscillations of protons in a toroid.

2. A device for implementing a method for monochromatizing the energy of protons and secondary particles of a synchrocyclotron beam, consisting of a synchrocyclotron with a set of devices and radio engineering units for its operation, including a dee and a high-frequency voltage generator, characterized in that a deflector electrode is additionally introduced into the vacuum chamber of the synchrocyclotron horizontal electric field, and the synchrocyclotron radio engineering units additionally include a radio pulse generator for the deflector and an associated unit for modulating its frequency and amplitude, and a control unit connected by communication circuits to the radio pulse generator, to the high-frequency voltage generator on the dee and to the dee is introduced.