RU2794874C1 - Two-frequency resonator for a block of high-frequency transitions in polarized hydrogen and deuterium atoms - Google Patents
Two-frequency resonator for a block of high-frequency transitions in polarized hydrogen and deuterium atoms Download PDFInfo
- Publication number
- RU2794874C1 RU2794874C1 RU2022126464A RU2022126464A RU2794874C1 RU 2794874 C1 RU2794874 C1 RU 2794874C1 RU 2022126464 A RU2022126464 A RU 2022126464A RU 2022126464 A RU2022126464 A RU 2022126464A RU 2794874 C1 RU2794874 C1 RU 2794874C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- vibrators
- resonator
- transitions
- atoms
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к технике ускорителей заряженных частиц и предназначено для применения в источниках поляризованных ионов - протонов и дейтронов и мишенях из поляризованных атомов водорода и дейтерия.The invention relates to the technique of charged particle accelerators and is intended for use in sources of polarized ions - protons and deuterons and targets from polarized hydrogen and deuterium atoms.
Ускоренные пучки поляризованных частиц - протонов и дейтронов и мишени поляризованных атомов используются при проведении исследований фундаментальных свойств материи в экспериментах по изучению спиновой структуры нуклонов, сохранению симметрий в ядерных взаимодействиях, спиновой зависимости ядерных взаимодействий. Эффективность проводимых дорогостоящих экспериментов существенно определяется как степенью поляризации пучка частиц, так и его интенсивностью.Accelerated beams of polarized particles - protons and deuterons and targets of polarized atoms are used to study the fundamental properties of matter in experiments on the study of the spin structure of nucleons, the conservation of symmetries in nuclear interactions, and the spin dependence of nuclear interactions. The efficiency of expensive experiments being carried out is essentially determined both by the degree of polarization of the particle beam and by its intensity.
Пучки поляризованных протонов и дейтронов с высокой степенью поляризации получают методом атомарного пучка, используя пространственное разделение атомов в разных состояниях сверхтонкой структуры при прохождении магнитов с резко неоднородным полем (типа магнитов Штерна-Герлаха) и возбуждая переходы между состояниями сверхтонкой структуры (СТС) атомов при прохождении блоков высокочастотных (ВЧ) переходов [Haeberli W 1967 Ann. Rev. Nucl. Sci. 17 373-426].Beams of polarized protons and deuterons with a high degree of polarization are obtained by the atomic beam method, using the spatial separation of atoms in different states of the hyperfine structure during the passage of magnets with a sharply inhomogeneous field (such as Stern-Gerlach magnets) and exciting transitions between the states of the hyperfine structure (HFS) of atoms during the passage blocks of high-frequency (HF) transitions [Haeberli W 1967 Ann. Rev. Nucl. sci. 17 373-426].
В источниках поляризованных ионов используются блоки ВЧ переходов, работающие по методу адиабатического прохождения Абрагама-Винтера [Abragam A and Winter J М 1958 Phys. Rev. Lett. 1 374].The sources of polarized ions use blocks of RF transitions, working on the method of adiabatic passage Abraham-Winter [Abragam A and Winter J M 1958 Phys. Rev. Lett. 1374].
В этом методе атомы пропускаются через статическое магнитное поле, имеющее градиент вдоль оси пучка атомов. В градиентном статическом магнитном поле размещается резонатор, создающий ВЧ магнитное поле с частотой, соответствующей разности энергий между спиновыми состояниями. ВЧ магнитное поле может быть направлено перпендикулярно или параллельно статическому магнитному полю. В первом случае возбуждаемые переходы называются n -переходами, а во втором случае π - переходами. Эффективность адиабатических ВЧ переходов достигает значений, близких к единице [A. Airapetian, N. Akopov et. al., "The HERMES polarized hydrogen and deuterium gas target in the HERA electron storage ring", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 540 (2005) 68-101].In this method, atoms are passed through a static magnetic field that has a gradient along the axis of the atomic beam. A resonator is placed in a gradient static magnetic field, which creates an RF magnetic field with a frequency corresponding to the energy difference between the spin states. The RF magnetic field can be directed perpendicular or parallel to the static magnetic field. In the first case, the excited transitions are called n-transitions, and in the second case, π-transitions. The efficiency of adiabatic RF transitions reaches values close to unity [A. Airapetian, N. Akopov et. al., "The HERMES polarized hydrogen and deuterium gas target in the HERA electron storage ring", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 540 (2005) 68-101].
Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами.The essence of the invention is illustrated by the attached drawings.
Диаграммы энергии состояний СТС атомов водорода и атомов дейтерия в магнитном поле показаны на фиг.1. Расщепление энергетических уровней обусловлено эффектом Зеемана и происходит благодаря наличию магнитного момента у атомов водорода и дейтерия в основном состоянии 1S1/2. По горизонтальной оси отложено магнитное поле в относительных единицах и , где и По вертикальной оси - энергия состояний в единицах энергии сверхтонкого расщепления в нулевом внешнем магнитном поле. Для атомов водорода энергия сверхтонкого расщепления соответствует частоте ВЧ колебаний 1420,4 МГц, для дейтерия соответствует частоте 328,4 МГц. ВЧ переходы разделяются на переходы в слабом, промежуточном и сильном поле в зависимости от отношения величины статического магнитного поля в блоке ВЧ перехода по отношению к критическому полю для атомов водорода и дейтерия.The energy diagrams of the states of the HFS of hydrogen atoms and deuterium atoms in a magnetic field are shown in Fig.1. The splitting of energy levels is due to the Zeeman effect and occurs due to the presence of a magnetic moment of hydrogen and deuterium atoms in the ground state 1S 1/2 . The horizontal axis shows the magnetic field in relative units And , Where And On the vertical axis - the energy of states in units of energy of hyperfine splitting in a zero external magnetic field. For hydrogen atoms, the hyperfine splitting energy corresponds to the frequency of HF oscillations 1420.4 MHz, for deuterium corresponds to a frequency of 328.4 MHz. RF transitions are divided into transitions in a weak, intermediate, and strong field, depending on the ratio of the static magnetic field in the RF transition block with respect to the critical field for hydrogen and deuterium atoms.
Атомы в состояниях с Ms=+1/2 при прохождении магнитов с резко неоднородным полем (разделительных магнитов) фокусируются, а атомы в состояниях с Ms=-1/2 дефокусируются, так что после прохождения магнитов в пучке остаются в основном атомы в состояниях с Ms=+1/2; для атомов водорода - это состояния сверхтонкой структуры (см. фиг.1), а для атомов дейтерия - состояния В сильном магнитном поле ядерная поляризация атомов в этих состояниях будет близка к нулю, так как, например, для водорода в состоянии проекция спина протона а в состоянии проекция спина протона Atoms in states with Ms=+1/2, when passing through magnets with a sharply inhomogeneous field (separating magnets), are focused, and atoms in states with Ms=-1/2 are defocused, so that after passing through the magnets in the beam, mainly atoms in states with Ms=+1/2; for hydrogen atoms, these are the states of the hyperfine structure (see figure 1), and for deuterium atoms - state In a strong magnetic field the nuclear polarization of atoms in these states will be close to zero, since, for example, for hydrogen in the state proton spin projection but able proton spin projection
Для получения пучков поляризованных протонов и дейтронов поляризованные атомы ионизируют, используя ионизацию атомов различными методами, но в основном в сильном магнитном поле. Поэтому сепарации атомов по спиновым состояниям в магнитах с резко неоднородным полем для получения пучков протонов и дейтронов с высокой степенью поляризации недостаточно. Повышение ядерной поляризации достигается использованием переходов между спиновыми состояниями атомов, прошедших через разделительные магниты.To obtain beams of polarized protons and deuterons, polarized atoms are ionized using the ionization of atoms by various methods, but mainly in a strong magnetic field. Therefore, the separation of atoms by spin states in magnets with a sharply inhomogeneous field is insufficient to obtain beams of protons and deuterons with a high degree of polarization. An increase in nuclear polarization is achieved by using transitions between the spin states of atoms that have passed through separating magnets.
Далее используется упрощенное обозначение ВЧ переходов между состояниями СТС атомов водорода и дейтерия в соответствии с обозначениями СТС на фиг.1 например, переход между состояниями |1> и |3> обозначен как 1-3.Next, a simplified designation of RF transitions between the states of the STS of hydrogen and deuterium atoms is used in accordance with the notation of the STS in Fig.1, for example, the transition between the states |1> and |3> is designated as 1-3.
Для атома водорода используются переходы 1-3 в слабом поле и 2-4 в сильном поле. ВЧ переход 2-4 для атома водорода относится к а переходам, в которых направление ВЧ магнитного поля совпадает с направлением статического магнитного поля. После прохождения разделительного магнита и блока ВЧ перехода 2-4 атомы водорода оказываются в состояниях 1 и 4, что приводит к векторной поляризации протонов +1 после ионизации атомов в сильном магнитном поле, так как в сильном магнитном поле для водорода в состоянии проекция спина протона а в состоянии проекция спина протона MI=+1/2 (см. фиг.1).For the hydrogen atom, transitions 1-3 in a weak field and 2-4 in a strong field are used. The HF transition 2-4 for the hydrogen atom refers to a transitions in which the direction of the HF magnetic field coincides with the direction of the static magnetic field. After passing through the separating magnet and the RF transition block 2-4, the hydrogen atoms find themselves in
Переход возбуждается высокочастотным магнитным полем, частота поля определяется разностью энергий между спиновыми состояниями, между которыми возбуждается переход и, следовательно, значением статического магнитного поля, в котором находятся атомы. Частота ВЧ колебания, соответствующая переходу вычисляется по формуле:The transition is excited by a high-frequency magnetic field, the frequency of the field is determined by the energy difference between the spin states between which the transition is excited and, consequently, by the value of the static magnetic field in which the atoms are located. The frequency of the RF vibration corresponding to the transition is calculated by the formula:
где , а частота выражена в мегагерцах. В статическом поле В=15 mT, которое используется для перехода 2-4 в атомах водорода, F24=1480,148 МГц.Where , and the frequency is expressed in megahertz. In the static field B=15 mT, which is used for the 2-4 transition in hydrogen atoms, F 24 =1480.148 MHz.
Для получения поляризованных дейтронов с предельно высокой степенью тензорной поляризации используют более сложную схему. Вначале, используя разделительные магниты, получают пучок атомов дейтерия в состояниях и Затем пропускают пучок атомов через блок ВЧ перехода 1-4 так что после прохождения этого блока в пучке атомы дейтерия оказываются в состояниях Далее пучок проходит через второй разделительный магнит, после которого в пучке остаются атомы дейтерия в состояниях так как атомы в состояниях при прохождении разделительного магнита дефокусируются и выбывают из пучка. Затем пучок атомов дейтерия пропускается через блок ВЧ перехода 3-5, так что после прохождения этого ВЧ перехода атомы дейтерия в пучке оказываются в состояниях в которых тензорная поляризация атомов дейтерия имеет максимальное теоретическое значение -2. Реально достижимое значение тензорной поляризации определяется эффективностью ВЧ переходов 1-4 и 3-5.To obtain polarized deuterons with an extremely high degree of tensor polarization, a more complex scheme is used. First, using separating magnets, a beam of deuterium atoms is obtained in the states And Then a beam of atoms is passed through the RF transition block 1-4 so that after passing through this block in the beam, the deuterium atoms find themselves in the states Next, the beam passes through the second separating magnet, after which deuterium atoms remain in the beam in the states because the atoms are in states when passing through the separating magnet, they are defocused and drop out of the beam. Then the beam of deuterium atoms is passed through the RF transition block 3-5, so that after passing through this RF transition, the deuterium atoms in the beam find themselves in the states in which the tensor polarization of deuterium atoms has a maximum theoretical value of -2. The actually achievable value of the tensor polarization is determined by the efficiency of RF transitions 1-4 and 3-5.
Переход 2-6 в атомах дейтерия используется для получения векторной поляризации дейтронов, близкой к +1. При этом пучок атомов дейтерия в состояниях (после первого разделительного магнита) пропускают через блок ВЧ перехода с промежуточным полем, в котором возбуждается переход 3-4 так что после перехода в пучке атомы оказываются в состояниях Атомы в состоянии дефокусируются затем при прохождении второго разделительного магнита, так что в пучке остаются атомы в состояниях Пучок затем проходит через блок ВЧ переходов 2-6, так что после блока в пучке атомы оказываются в состояниях в которых в сильном поле векторная поляризация дейтронов равна +1. Переходы 3-5 и 2-6 показаны на фиг.3. Частота ВЧ колебаний для этих переходов выбирается одинаковой для того, чтобы можно было использовать один и тот же ВЧ резонатор для обоих переходов и равна обычно - 380 МГц. Необходимая для обеспечения высокой эффективности ВЧ перехода (близкой к единице) величина составляющей Вх равна (1-2)⋅10-4 Т [A. Airapetian, N. Akopov et. al., "The HERMES polarized hydrogen and deuterium gas target in the HERA electron storage ring", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 540 (2005) 68-101].The 2-6 transition in deuterium atoms is used to obtain a deuteron vector polarization close to +1. In this case, the beam of deuterium atoms in the states (after the first separating magnet) is passed through an RF transition block with an intermediate field, in which the 3-4 transition is excited, so that after the transition in the beam, the atoms are in the states Atoms in the state are then defocused during the passage of the second separating magnet, so that atoms remain in the beam in the states The beam then passes through a block of RF transitions 2-6, so that after the block in the beam, the atoms are in the states in which the vector polarization of deuterons is equal to +1 in a strong field. Transitions 3-5 and 2-6 are shown in Fig.3. The frequency of the RF oscillations for these transitions is chosen the same so that the same RF resonator can be used for both transitions and is usually equal to 380 MHz. The value of the Bx component required to ensure high efficiency of the RF transition (close to unity) is equal to (1-2)⋅10 -4 T [A. Airapetian, N. Akopov et. al., "The HERMES polarized hydrogen and deuterium gas target in the HERA electron storage ring", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 540 (2005) 68-101].
Оба перехода 3-5 и 2-6 для атомов дейтерия относятся к а переходам, в которых ВЧ магнитное поле параллельно внешнему статическому. Следует отметить, что наличие поперечной составляющей ВЧ магнитного поля приводит к возникновению переходов 2-5 и 3-6, которые относятся к % переходам. Одновременное возбуждение переходов 2-6 и 2-5 приводит к снижению векторной поляризации дейтронов, а одновременное возбуждение переходов 3-5 и 3-6 приводит к снижению тензорной поляризации дейтронов.Both transitions 3-5 and 2-6 for deuterium atoms refer to a transitions in which the HF magnetic field is parallel to the external static one. It should be noted that the presence of the transverse component of the HF magnetic field leads to the appearance of transitions 2-5 and 3-6, which are related to % transitions. Simultaneous excitation of transitions 2-6 and 2-5 leads to a decrease in the vector polarization of deuterons, and simultaneous excitation of transitions 3-5 and 3-6 leads to a decrease in the tensor polarization of deuterons.
В источниках поляризованных ионов с атомарным пучком могут поочередно генерироваться пучки поляризованных протонов и дейтронов. Для переключения работы источника с поляризованных протонов на поляризованные дейтроны необходимо, в частности, использовать вместо ВЧ перехода 2-4 в атомах водорода переходы 2-6 и 3-5 в атомах дейтерияPolarized ion sources with an atomic beam can alternately generate beams of polarized protons and deuterons. To switch the source operation from polarized protons to polarized deuterons, it is necessary, in particular, to use transitions 2-6 and 3-5 in deuterium atoms instead of the HF transition 2-4 in hydrogen atoms
Устройство ВЧ перехода в сильном поле для атомов водорода или дейтерия показано схематически на фиг.4.The high-field RF transition device for hydrogen or deuterium atoms is shown schematically in Fig.4.
Статическое магнитное поле имеет вертикальное направление и создается С-образным магнитом, полюса которого профилированы, чтобы обеспечить градиент величины магнитного поля в направлении движения атомов водорода или дейтерия в магните (показано на фиг.4 стрелкой). Высокочастотное магнитное поле генерируется в резонаторе, помещенном между полюсами статического магнита.The static magnetic field has a vertical direction and is created by a C-shaped magnet, the poles of which are profiled to provide a gradient in the magnitude of the magnetic field in the direction of movement of the hydrogen or deuterium atoms in the magnet (shown in Fig.4 by an arrow). A high frequency magnetic field is generated in a resonator placed between the poles of a static magnet.
Решением, позволяющим реализовать резонансную систему в ограниченном объеме и с поперечной составляющей магнитного поля Вх, является использование внутри резонатора отрезка двухпроводной линии, проводники которой, являющиеся вибраторами, одним концом закорочены на теле резонатора и имеют разомкнутые вторые концы. Чтобы обеспечить требуемую частоту колебаний с длиной волны в свободном пространстве λ~92 см при размерах резонатора по любой из координат << λ/4, на разомкнутых концах необходимо обеспечить сильную емкостную нагрузку.A solution that makes it possible to implement a resonant system in a limited volume and with a transverse component of the magnetic field Bx is the use of a two-wire line segment inside the resonator, the conductors of which, being vibrators, are short-circuited at one end on the resonator body and have open second ends. In order to provide the required frequency of oscillations with a wavelength in free space of λ~92 cm with resonator dimensions in any of the coordinates << λ/4, it is necessary to provide a strong capacitive load at the open ends.
Одно из таких устройств используется в источнике поляризованных дейтронов [V.V. Fimushkin, D. Е. Donets, A.D. Kovalenko, L.V. Kutuzova, Yu.V. Prokofichev, V.B. Shutov (JINR), A.S. Belov, V.N. Zubets, A.V. Turbabin (INR RAS), "Polarized Ion Source for the JINR accelerator complex ", report on XVII WORKSHOP ON HIGH ENERGY SPIN PHYSICS DSPIN2017, Dubna, September 15, 2017, IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf.Series 938(2017) 012017], вибраторы в нем выполнены как отрезки плоской полосковой линии. В системе из двух вибраторов существуют два колебания с синфазным или противофазным направлением поверхностных токов. Рабочим является колебание с противофазным распределением токов.One such device is used in the source of polarized deuterons [V.V. Fimushkin, D. E. Donets, A.D. Kovalenko, L.V. Kutuzova, Yu.V. Prokofichev, V.B. Shutov (JINR), A.S. Belov, V.N. Zubets, A.V. Turbabin (INR RAS), "Polarized Ion Source for the JINR accelerator complex", report on XVII WORKSHOP ON HIGH ENERGY SPIN PHYSICS DSPIN2017, Dubna, September 15, 2017, IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf.Series 938(2017) 012017], the vibrators in it are made as segments of a flat strip line. In a system of two vibrators, there are two oscillations with in-phase or anti-phase direction of surface currents. The working one is an oscillation with an antiphase distribution of currents.
Устройство резонатора блока ВЧ перехода в сильном поле показано на фиг.5, где:The resonator device of the high-frequency transition block in a strong field is shown in Fig. 5, where:
1 - входной кабель (ввод ВЧ мощности);1 - input cable (HF power input);
2 - измерительная петля;2 - measuring loop;
3 - полосковый вибратор;3 - strip vibrator;
4 - настроечный (перемещаемый) стержень.4 - tuning (movable) rod.
Ввод высокочастотной мощности осуществляется через гальваническое соединение входного кабеля (1) с одним из двух полосковых вибраторов (3) резонатора. В системе из двух вибраторов возможно существование двух ВЧ колебаний. Рабочим является противофазное ВЧ колебание, для которого магнитное поле ВЧ колебания в рабочей области между вибраторами максимально. Частота первого ВЧ колебания заземленного на одном конце вибратора длиной L приблизительно равна f1 = c/(4L), где с - скорость света и понижается введением емкостной нагрузки на свободном конце вибратора. Величина емкости изменяется изменением величины зазора за счет перемещения настроечного стержня (4). Измерительная петля (2) может быть использована в системе обратной связи для измерения амплитуды колебаний и стабилизации частоты резонатора.The input of high-frequency power is carried out through a galvanic connection of the input cable (1) with one of the two strip vibrators (3) of the resonator. In a system of two vibrators, the existence of two HF oscillations is possible. The worker is an antiphase RF oscillation, for which the magnetic field of the RF oscillation in the working area between the vibrators is maximum. The frequency of the first HF oscillation of a vibrator with length L grounded at one end is approximately equal to f1 = c/(4L), where c is the speed of light and is reduced by introducing a capacitive load at the free end of the vibrator. The capacitance value is changed by changing the gap value by moving the adjusting rod (4). The measuring loop (2) can be used in the feedback system to measure the oscillation amplitude and stabilize the resonator frequency.
В источниках поляризованных ионов, для переключения с работы с поляризованными протонами на режим работы с поляризованными дейтронами необходимо два блока ВЧ перехода в сильном поле: один для работы с поляризованными атомами водорода, а второй для атомов дейтерия. Для повышения интенсивности пучка поляризованных ионов в источнике важно уменьшить общую длину блоков ВЧ переходов. Как правило, используют один и тот же магнит статического поля для ВЧ переходов в атомах водорода (2-4) и атомах дейтерия (2-6 и 3-5), но разные резонаторы, настроенные на разную частоту для атомов водорода (~ 1480 МГц) и атомов дейтерия (~380 МГц). При переходе с работы с поляризованными протонами на работу с поляризованными дейтронами приходится заменять резонаторы, что является достаточно длительной процедурой, так как связано с напуском воздуха в вакуумную установку, затем откачки установки на высокий вакуум, настройкой блока ВЧ перехода для работы с атомами водорода или дейтерия, измерениями поляризации протонов или дейтронов. Эта процедура оказывается также дорогостоящей, если при замене резонаторов происходит простой работающего ускорителя.In polarized ion sources, switching from operation with polarized protons to operation with polarized deuterons requires two high-field RF transition blocks: one for operation with polarized hydrogen atoms, and the second for operation with deuterium atoms. To increase the intensity of the polarized ion beam in the source, it is important to reduce the total length of RF transition blocks. As a rule, the same static field magnet is used for HF transitions in hydrogen atoms (2-4) and deuterium atoms (2-6 and 3-5), but different resonators tuned to different frequencies for hydrogen atoms (~ 1480 MHz ) and deuterium atoms (~380 MHz). When switching from operation with polarized protons to operation with polarized deuterons, it is necessary to replace the resonators, which is a rather lengthy procedure, as it is associated with the admission of air into the vacuum installation, then pumping out the installation to a high vacuum, setting up the RF transition unit for working with hydrogen or deuterium atoms , measurements of the polarization of protons or deuterons. This procedure also turns out to be expensive if the replacement of the cavities results in a downtime of the operating accelerator.
Для упрощения процедуры перехода и сокращения ее длительности разработан резонатор, в котором возможно возбуждений ВЧ колебаний на двух рабочих частотах [V. Carassiti, G. Ciullo, P. Lenisa, A. Nass, Dual H and D cavity for the PAX target polarimeter, Physics of Particles and Nuclei 45, 283-284 (2014)]. Данный резонатор является прототипом предлагаемого изобретения, показан на фиг.6.To simplify the transition procedure and reduce its duration, a resonator has been developed in which it is possible to excite RF oscillations at two operating frequencies [V. Carassiti, G. Ciullo, P. Lenisa, A. Nass, Dual H and D cavity for the PAX target polarimeter, Physics of Particles and
В данном резонаторе вместо одной пары параллельных вибраторов в одночастотном резонаторе (см. фиг.5) имеется две пары параллельных вибраторов в виде стержней, смещенных относительно плоскости симметрии прямоугольного корпуса резонатора и установленных на одной и той же стенке резонатора. Вибраторы для работы на частоте 1480 МГц при работе с атомарным водородом заканчиваются дисками, образующими конденсатор, укорачивающий длину резонатора. Вибраторы для работы на частоте 380 МГц (при работе с атомарным дейтерием) закорачиваются на корпус резонатора двумя сосредоточенными конденсаторами, один из которых - перестраиваемый. Настройка резонатора на требуемую частоту осуществляется изменением емкости перестраиваемого конденсатора. Статическое магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости, в которой находится съемная крышка корпуса резонатора (см. фиг.6). При этом направление ВЧ поля, как следует из геометрии установки вибраторов, не совпадает с направлением статического поля. По отношению к статическому магнитному полю ВЧ поле и на частоте 1480 МГц и на частоте 380 МГц в данном резонаторе имеет и параллельную статическому полю составляющую и поперечную составляющую. Это является принципиальным свойством данного резонатора. Это свойство приводит к одновременному возбуждению переходов 2-6 и 2-5 и 3-5 и 3-6. Причем, если резонансные кривые для соответствующих переходов перекрываются, то это одновременное возбуждение переходов приводит к снижению максимально достижимой поляризации в атомах дейтерия. Для достижения максимальной поляризации дейтронов при использовании переходов 2-6 и 3-5 следует обеспечить параллельность магнитного ВЧ поля статическому магнитному полю.In this resonator, instead of one pair of parallel vibrators in a single-frequency resonator (see Fig.5), there are two pairs of parallel vibrators in the form of rods, offset relative to the plane of symmetry of the rectangular resonator housing and mounted on the same wall of the resonator. Vibrators for operation at a frequency of 1480 MHz when working with atomic hydrogen end with disks that form a capacitor that shortens the length of the resonator. Vibrators for operation at a frequency of 380 MHz (when working with atomic deuterium) are short-circuited to the resonator housing by two lumped capacitors, one of which is tunable. The resonator is tuned to the required frequency by changing the capacitance of the tunable capacitor. The static magnetic field is directed perpendicular to the plane in which the removable cover of the resonator housing is located (see Fig.6). In this case, the direction of the HF field, as follows from the geometry of the installation of the vibrators, does not coincide with the direction of the static field. With respect to the static magnetic field, the HF field both at a frequency of 1480 MHz and at a frequency of 380 MHz in this resonator has both a component parallel to the static field and a transverse component. This is a fundamental property of this resonator. This property leads to the simultaneous excitation of transitions 2-6 and 2-5 and 3-5 and 3-6. Moreover, if the resonance curves for the corresponding transitions overlap, then this simultaneous excitation of transitions leads to a decrease in the maximum achievable polarization in deuterium atoms. To achieve the maximum polarization of deuterons when using transitions 2-6 and 3-5, it is necessary to ensure that the HF magnetic field is parallel to the static magnetic field.
Первый вариант предлагаемого резонатора, в котором обеспечивается получение двух мод возбуждения на частотах, соответствующим переходам в атомах водорода 2-4 и дейтерия 2-6 и 3-5, а также параллельность магнитного ВЧ поля статическому магнитному полю, показан на фиг.7. Двухчастотный резонатор для блока ВЧ перехода 2-4 для атомов водорода, 2-6 и 3-5 для атомов дейтерия с высокой однородностью ВЧ поля и направлением магнитного ВЧ поля вдоль статического магнитного поля:The first version of the proposed resonator, which provides two excitation modes at frequencies corresponding to transitions in hydrogen atoms 2-4 and deuterium 2-6 and 3-5, as well as the parallelism of the RF magnetic field to the static magnetic field, is shown in Fig.7. Dual-frequency resonator for RF transition block 2-4 for hydrogen atoms, 2-6 and 3-5 for deuterium atoms with high RF field uniformity and RF magnetic field direction along the static magnetic field:
1 - корпус резонатора;1 - resonator housing;
2 - полосковые вибраторы низкочастотной системы;2 - strip vibrators of the low-frequency system;
3 - полосковые вибраторы высокочастотной системы.3 - strip vibrators of the high-frequency system.
Резонатор содержит в себе две колебательные системы, каждая из которых состоит из двух симметричных относительно плоскостей YZ и XZ полосковых вибраторов. Атомы проходят резонатор в направлении оси Z. Пары вибраторов каждой системы основаниями закреплены на противоположных стенках резонатора. Для каждой пары вибраторов рабочим является колебание с противофазным распределением поверхностных токов. Симметрия вибраторов обеих пар относительно плоскости YZ обеспечивает единое направление поперечной составляющей магнитного поля для обоих рабочих колебаний. Это направление совпадает с направлением статического магнитного поля в блоке ВЧ перехода, которое направлено вдоль оси X. Этим данный резонатор отличается от прототипа, в котором ВЧ поля для перехода 2-4 в атомах водорода, 2-6 и 3-5 в атомах дейтерия направлены под углом друг к другу, близким к 70°-90°, и поэтому не совпадают с направлением статического магнитного поля. Такое свойство предлагаемого резонатора приводит к повышению эффективности ВЧ переходов 2-6 и 3-5 и является преимуществом рассматриваемой конструкции резонатора.The resonator contains two oscillatory systems, each of which consists of two strip vibrators symmetrical with respect to the YZ and XZ planes. The atoms pass through the resonator in the direction of the Z axis. Pairs of vibrators of each system are fixed with their bases on opposite walls of the resonator. For each pair of vibrators, the working one is an oscillation with an antiphase distribution of surface currents. The symmetry of the vibrators of both pairs relative to the YZ plane provides a single direction of the transverse component of the magnetic field for both working oscillations. This direction coincides with the direction of the static magnetic field in the RF transition block, which is directed along the X axis. This resonator differs from the prototype, in which the RF fields for the 2-4 transition in hydrogen atoms, 2-6 and 3-5 in deuterium atoms are directed at an angle to each other close to 70°-90°, and therefore do not coincide with the direction of the static magnetic field. This property of the proposed resonator leads to an increase in the efficiency of RF transitions 2-6 and 3-5 and is an advantage of the considered resonator design.
Для обеспечения максимальной величины поперечной составляющей магнитного поля электрические длины в каждой паре вибраторов должны быть равны. Для этого в технической конструкции для каждого вибратора будет предусмотрен независимый индивидуальный элемент подстройки. Критерием правильной настройки каждой пары вибраторов является требуемая величина частоты рабочего колебания при минимальной разнице частот рабочего и синфазного колебаний.To ensure the maximum value of the transverse component of the magnetic field, the electrical lengths in each pair of vibrators must be equal. For this purpose, an independent individual adjustment element will be provided in the technical design for each vibrator. The criterion for the correct setting of each pair of vibrators is the required value of the frequency of the working oscillation with a minimum difference in the frequencies of the working and in-phase oscillations.
Электрическая длина вибраторов низкочастотной системы много больше длины вибраторов высокочастотной. Поэтому вибраторы низкочастотной системы выполняются огибающими, а вибраторы высокочастотной с последующими изгибами. Для низкочастотной системы поверхность высокочастотной является заземленной.The electrical length of the low-frequency system vibrators is much greater than the length of the high-frequency vibrators. Therefore, the vibrators of the low-frequency system are made by envelopes, and the vibrators of the high-frequency system with subsequent bends. For a low frequency system, the high frequency surface is grounded.
Необходимая величина Вх ~ 2⋅10-4 Т соответствует низкой максимальной напряженности электрического поля и расстояние ~ (2-3) мм между вибраторами систем достаточно для обеспечения электрической прочности.The required value Vx ~ 2⋅10 -4 T corresponds to a low maximum electric field strength and the distance ~ (2-3) mm between the vibrators of the systems is sufficient to ensure electrical strength.
Максимальная величина составляющей Вх для каждого колебания достигается в районе оснований соответствующей пары вибраторов. Поэтому максимумы распределений Вх для рабочих колебаний систем смещены вдоль оси пучка (продольной оси z).The maximum value of the Bx component for each oscillation is achieved in the region of the bases of the corresponding pair of vibrators. Therefore, the maxima of the Bx distributions for the operating oscillations of the systems are shifted along the beam axis (longitudinal z axis).
Для обеспечения максимальной однородности (минимальной неоднородности) Вх по поперечным направлениям, у оснований полосковые вибраторы обеих систем выполнены в виде цилиндрической поверхности сегментов с углом раскрывания (45+-2) градусов, фиг.8. Поперечное сечение вибраторов с элементами цилиндрических поверхностей в приосевой области с углом раскрывания 45+-2 градуса. Ось пучка направлена перпендикулярно плоскости фигуры.To ensure maximum uniformity (minimum heterogeneity) Vx in transverse directions, at the bases, the strip vibrators of both systems are made in the form of a cylindrical surface of segments with an opening angle of (45+-2) degrees, Fig.8. Cross section of vibrators with elements of cylindrical surfaces in the axial region with an opening angle of 45+-2 degrees. The axis of the beam is directed perpendicular to the plane of the figure.
Распределение ВЧ магнитного поля в резонаторах, определение размеров элементов и определение рабочих частот моделировалось с использованием программного пакета COMSOL.The distribution of the RF magnetic field in the resonators, the determination of the dimensions of the elements, and the determination of the operating frequencies were modeled using the COMSOL software package.
На фиг.9 показано полученное при моделировании распределение амплитуды ВЧ магнитного поля на оси первого варианта резонатора вдоль оси Z. Красным цветом показано распределение для колебаний с частотой 1480 МГц, синим цветом - распределение для колебаний частоты 380 МГц. Распределение амплитуды ВЧ магнитного поля вдоль оси резонатора для двух мод первого варианта резонатора. Красным цветом показано распределение для колебаний с частотой 380 МГц, синим цветом - распределение для колебаний частоты 1480 МГц. По горизонтальной оси отложено расстояние вдоль оси пучка в мм, по вертикальной оси - амплитуда ВЧ магнитного поля в относительных единицах.Figure 9 shows the distribution of the HF magnetic field amplitude obtained by modeling on the axis of the first variant of the resonator along the Z axis. Red color shows the distribution for oscillations with a frequency of 1480 MHz, blue color shows the distribution for oscillations of a frequency of 380 MHz. Distribution of the RF magnetic field amplitude along the resonator axis for two modes of the first version of the resonator. The red color shows the distribution for oscillations with a frequency of 380 MHz, the distribution for oscillations with a frequency of 1480 MHz is shown in blue. The horizontal axis shows the distance along the beam axis in mm, the vertical axis shows the amplitude of the HF magnetic field in relative units.
В предлагаемом резонаторе возможно возбуждение ВЧ магнитного поля как с частотой 1480 МГц, так и с частотой 380 МГц для реализации ВЧ переходов 2-4 в атомах водорода и переходов 2-6 и 3-5 в атомах дейтерия. Направление ВЧ магнитного поля совпадает с направлением статического магнитного поля, что приводит к повышению эффективности вышеуказанных ВЧ переходов.In the proposed resonator, it is possible to excite an HF magnetic field both at a frequency of 1480 MHz and at a frequency of 380 MHz to implement HF transitions 2-4 in hydrogen atoms and transitions 2-6 and 3-5 in deuterium atoms. The direction of the RF magnetic field coincides with the direction of the static magnetic field, which leads to an increase in the efficiency of the above RF transitions.
Для обеспечения малых размеров резонатора необходимо обеспечивать сильную емкостную нагрузку на разомкнутых концах вибраторов низкочастотной системы, что ведет к малым расстояниям между поверхностями вибраторов и резонатора, которые необходимо выдерживать при изготовлении с высокой точностью.To ensure the small dimensions of the resonator, it is necessary to provide a strong capacitive load at the open ends of the vibrators of the low-frequency system, which leads to small distances between the surfaces of the vibrators and the resonator, which must be maintained during manufacture with high accuracy.
Введение пластин из СВЧ диэлектрика, плотно прилегающих к поверхности резонатора и разомкнутых концов вибраторов низкочастотной системы позволяет как увеличить расстояние между вибраторами и поверхностью резонатора, так и сократить длину вибраторов, фиг.9. Размеры пластин диэлектрика и вибраторов выбираются в результате численных расчетов с учетом характеристик диэлектрика. Сформированный таким образом второй вариант двухчастотного резонатора показан на фиг.10. Двухчастотный резонатор для блока ВЧ перехода 2-4 для атомов водорода и 2-6 и 3-5 для атомов дейтерия с высокой однородностью ВЧ поля и направлением магнитного ВЧ поля вдоль статического магнитного поля:The introduction of plates of microwave dielectric, tightly adjacent to the surface of the resonator and open ends of the vibrators of the low-frequency system allows both to increase the distance between the vibrators and the surface of the resonator, and to reduce the length of the vibrators, Fig.9. The dimensions of the dielectric plates and vibrators are selected as a result of numerical calculations, taking into account the characteristics of the dielectric. Thus formed the second version of the two-frequency resonator is shown in Fig.10. Dual-frequency resonator for RF transition block 2-4 for hydrogen atoms and 2-6 and 3-5 for deuterium atoms with high RF field uniformity and RF magnetic field direction along the static magnetic field:
1 - корпус резонатора;1 - resonator housing;
2 - вибраторы низкочастотной системы;2 - vibrators of the low-frequency system;
3 - вибраторы высокочастотной системы;3 - vibrators of the high-frequency system;
4 - прилегающие пластины из диэлектрика;4 - adjacent dielectric plates;
5 - ось пучка.5 - beam axis.
Реализуется двухчастотный резонатор и с одной колебательной системой из двух вибраторов, закрепленных на одной стенке резонатора. Частота второго ВЧ колебания заземленного на одном конце вибратора длиной L приблизительно равна f2=3c/(4L). Необходимые величины рабочих частот f1=380 МГц и f2=1480 МГц обеспечиваются как подбором длины вибраторов, так и введением емкостной нагрузки, вместе с размещением прилегающих пластин из СВЧ диэлектрика, на разомкнутых концах вибраторов. Сформированный таким образом третий вариант резонатора показан на фиг.11. Необходимые размеры пластин диэлектрика и вибраторов выбираются в результате численных расчетов с учетом характеристик диэлектрика. В качестве рабочего колебания с частотой 380 МГц используется первое противофазное ВЧ колебание вибраторов, а в качестве рабочего колебания с частотой 1480 МГц - второе противофазное СВЧ колебание. Двухчастотный резонатор для блока ВЧ перехода 2-4 для атомов водорода и 2-6 и 3-5 для атомов дейтерия с высокой однородностью ВЧ поля и направлением магнитного ВЧ поля вдоль статического магнитного поля.A two-frequency resonator is also implemented with one oscillatory system of two vibrators fixed on one wall of the resonator. The frequency of the second RF oscillation grounded at one end of the vibrator length L is approximately equal to f2=3c/(4L). The required operating frequencies f1=380 MHz and f2=1480 MHz are provided both by selecting the length of the vibrators and by introducing a capacitive load, together with the placement of adjacent microwave dielectric plates, at the open ends of the vibrators. The thus formed third version of the resonator is shown in Fig.11. The required dimensions of the dielectric plates and vibrators are selected as a result of numerical calculations, taking into account the characteristics of the dielectric. As a working oscillation with a frequency of 380 MHz, the first antiphase HF oscillation of the vibrators is used, and as a working oscillation with a frequency of 1480 MHz, the second antiphase microwave oscillation is used. Dual-frequency resonator for RF transition block 2-4 for hydrogen atoms and 2-6 and 3-5 for deuterium atoms with high RF field uniformity and RF magnetic field direction along the static magnetic field.
В данной конструкции, фиг.11, область взаимодействия частиц с полем рабочих ВЧ колебаний расширяется по оси пучка до полной длины резонатора. Расчетные распределения амплитуд ВЧ магнитного поля вдоль оси пучка для двух мод показанного на фиг.11 резонатора приведены на фиг.12, где: 1 - распределение для колебаний с частотой 380 МГц, 2 - распределение для колебаний с частотой 1480 МГц. По горизонтальной оси отложено расстояние вдоль оси пучка в мм, по вертикальной оси - амплитуда ВЧ магнитного поля в относительных единицах.In this design, Fig.11, the area of interaction of particles with the field of working RF oscillations expands along the beam axis to the full length of the resonator. The calculated amplitude distributions of the RF magnetic field along the beam axis for two modes of the resonator shown in Fig. 11 are shown in Fig. 12, where: 1 - distribution for oscillations with a frequency of 380 MHz, 2 - distribution for oscillations with a frequency of 1480 MHz. The horizontal axis shows the distance along the beam axis in mm, the vertical axis shows the amplitude of the HF magnetic field in relative units.
Claims (3)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2794874C1 true RU2794874C1 (en) | 2023-04-25 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2588714A1 (en) * | 1985-10-15 | 1987-04-17 | Inst Yadernoi Fiz Sib | High frequency ion accelerator with drift tubes |
RU2086025C1 (en) * | 1994-06-02 | 1997-07-27 | Петербургский институт ядерной физики им.Б.П.Константинова РАН | Neutron polarizer |
US20120194104A1 (en) * | 2009-10-06 | 2012-08-02 | Oliver Heid | Hf resonator cavity and accelerator |
US9131594B2 (en) * | 2010-02-24 | 2015-09-08 | Siemens Aktiengesellschaft | RF resonator cavity and accelerator |
RU2699760C1 (en) * | 2018-12-13 | 2019-09-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт-ПИЯФ) | Neutron supermirror polariser |
RU2760276C1 (en) * | 2021-05-25 | 2021-11-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" | Method for increasing the cluster ion beam current |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2588714A1 (en) * | 1985-10-15 | 1987-04-17 | Inst Yadernoi Fiz Sib | High frequency ion accelerator with drift tubes |
RU2086025C1 (en) * | 1994-06-02 | 1997-07-27 | Петербургский институт ядерной физики им.Б.П.Константинова РАН | Neutron polarizer |
US20120194104A1 (en) * | 2009-10-06 | 2012-08-02 | Oliver Heid | Hf resonator cavity and accelerator |
US9131594B2 (en) * | 2010-02-24 | 2015-09-08 | Siemens Aktiengesellschaft | RF resonator cavity and accelerator |
RU2699760C1 (en) * | 2018-12-13 | 2019-09-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт-ПИЯФ) | Neutron supermirror polariser |
RU2760276C1 (en) * | 2021-05-25 | 2021-11-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" | Method for increasing the cluster ion beam current |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
A. Airapetian, The HERMES polarized hydrogen and deuterium gas target in the HERA electron storage ring, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Volume 540, Issue 1, 11 March 2005, Pages 68-101. V.V. Fimushkin и др., "Polarized Ion Source for the JINR accelerator complex ", report on XVII WORKSHOP ON HIGH ENERGY SPIN PHYSICS DSPIN2017, Dubna, September 15, 2017, IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf.Series 938(2017) 012017. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Boswell | Very efficient plasma generation by whistler waves near the lower hybrid frequency | |
Moisan et al. | Plasma sources based on the propagation of electromagnetic surface waves | |
Petrich et al. | Laser cooling of stored high-velocity ions by means of the spontaneous force | |
Tkach et al. | A dual-mode microwave resonator for double electron–electron spin resonance spectroscopy at W-band microwave frequencies | |
Vretenar | Linear accelerators | |
Moriya et al. | Experimental study of integer resonance crossing in a nonscaling fixed field alternating gradient accelerator with a Paul ion trap | |
Georgsson et al. | Landau cavities at MAX II | |
RU2794874C1 (en) | Two-frequency resonator for a block of high-frequency transitions in polarized hydrogen and deuterium atoms | |
Bratman et al. | New versions of terahertz radiation sources for dynamic nuclear polarization in nuclear magnetic resonance spectroscopy | |
Azarenkov et al. | The radial structure of a plasma column sustained by a surface wave | |
Ogura et al. | Slow cyclotron instability due to surface modulation of an annular beam | |
Jacquier et al. | A double-ended helicon source to symmetrize RAID plasma | |
Szczerba et al. | A polarized hydrogen/deuterium atomic beam source for internal target experiments | |
Awida et al. | Multiphysics analysis of frequency detuning in superconducting RF cavities for proton particle accelerators | |
Grudiev et al. | Nonstationary behavior of a gyrotron in the presence of reflections | |
Vretenar | Low-beta structures | |
Ogura et al. | Cherenkov instability due to unmagnetized electron beam in periodically corrugated waveguide | |
Plastun et al. | RF design of the Nuclotron-NICA 145.2 MHz RFQ | |
Moisan et al. | Surface‐wave sustained plasmas: Toward a better understanding of RF and microwave discharges | |
Kato et al. | ECR multi-charged ion source directly excited in a circular TE01 mode cavity resonator | |
Sawley et al. | Ion cyclotron modes in a low density plasma cavity | |
Jawla et al. | 527 GHz gyrotron for DNP-NMR spectroscopy | |
Farokhi et al. | Raman free-electron laser with a coaxial wiggler | |
Nonaka | Fundamental Theory for Magnetized Radio-Frequency Dischargesbetween Planar Electrodes and Its Application to the ECR Case | |
US9590383B1 (en) | Beam-driven short wavelength undulator |