(21)3800205/24-21 ( 22)10.10.84 ( 46) 30.11.86. Бюл. № 44 ( 71)МГУ им. М.В.Ломоносова ( 72)Л.А.Саркис н (53) 621.384.6(088.8) (56) А.Т.Василенко. Экспериментальное исследование эффекта расширени , замкнутых орбит в циклотроне с жест кой фокусировкой. Труды IV Всесоюзного совещани по ускорител м зар женных частиц. - М.: Наука, 1975, т. 1 ., с. 205-211 . R.Boartman. Beon optics for a 12 GeVi Sochronous ring cyclotron IEEE Trans on Sci VNS-30, № 4, p. 20102012 , 1983. Г268 fJ/2 Ш/ : (54) (57) СПОСОБ ВЫВОДА ЧАСТЩ ИЗ ИЗОХРОННОГО ЦИКЛОТРОНА, включающий возбуждение целого резонанса по свободным радиальным колебани м путем воздействи на пучок гармоническим по азимуту магнитным полем и отклонение пучка путем воздействи на него электростатическим полем дефлектора , отличающийс тем, что, с целью расширени диапазона энергий выведенных частиц, воздействи на пучок электростатическим полем дефлектора осуществл ют,в интервалах энергий при периодически повтор ющемс максимальном разделении орбит после прохождени целого резонанса . 8 1 Изобретение Относитс к ускорительной технике и может быть использовано при разработке изохронных циклотронов до энергии, превьшшющей кратную энергию поко ускор емых частиц. Целью данного изобретени вл етс расширение диапазона энергией выведенных частиц путем раскачки радиальных колебаний по прохождении целого резонанса и вьшода частиц при периодически следующих при этом максимальных разделени х орбит. На фиг, 1 изображено изменение с ростом энергии протона (радиуса, частоты Q ) соответственно амплитуд вынужденных радиальных колебаний и свободных радиальных колебаний пучка в изохронном кольцевом циклотроне (Н|, 2 кЭ; N 20; Е 1 ; Qz 1,1 ; г,о 1563,72 см), полученное на основе численного моделировани по полным нелинейным уравнени м движени в про цессе прохождени целого резонанса Q, при Е, 1,3-10 ГЬВ/об. Начальна энерги протона составл ет 665 МэВ, а конечна энерги 4355 МэВ. При Q.r,2 Q, 2,2, имеет место нелинейный (квадратичный) резонанс Уолкиншоу, на фиг, 2 - поведение протонного пучка в кольцевом изохронном циклотроне с целыми оборо тами на фиксированном азимуте ср const на радиальной фазовой плоско , 1 dr (по прохождении iie ти I г, - 00 -4 ЛОГО резонанса при ,3-10 МэВ/об. Номеру О соответствует энерги протонов 980 МэВ; на фиг.З поведение протонного пучка в кольце вом изохронном циклотроне с целыми оборотами на фиксированном азимуте C| const на радиальной фазовой плос/ 1 dr ч кости (г, -- ) по прохождении 00 -4 целого резонанса Q,f, 2 при ,310 МэВ/об, Номеру О соответствует энерги протонов 1139 МэВ; на фиг,4 поведение протонного пучка в кольце вом изохронном циклотроне с целыми оборотами на фиксированном азимуте tf const на радиальной фазовой плоскости (г, 3- ) по прохождении г-оо dtp целого резонанса при ,310 МэВ/об. Номеру О соответствует энерги протонов 1250 МэВ-, на фиг.5 6 ольцевой изохронный циклотрон, на отором реализован предложенн,|й спооб вывода частиц с варьируемой энерией . Предложеннь способ вывода частиц з изохронного циклотрона с варьирумой энергией, превьппающей краткую нергию поко частип.ы , где k 1,2,3,,.,, реализуетс следуюпшм бразом. Дл частиц с энергией, несколько ольшей kEp, определ ют радиус и чатоту QP , ф-(Г--) Н г -П-; HO - магнитное поле в де г центре циклотрона (). При (,2,3, , . ,) ,3,4,, . ,, т,е. принимает целые значени . В магнитном поле с пространственной вариацией изменение частоты О.Гд в процессе ускорени опреел етс выражением -)1 N, j где „ Г/Г. Е - относительна амплитуда основной (N-Й) гармоники пол ; N - число спиралей; Л - параметр спирали Архимеда. Б зоне целого резонанса радиальное разделение между соседними орбитами равно йг 1 ,1: где Eg - относительна амплитуда низшей гармоники магнитного пол S N. Увеличение амплитуды вынужденных радиальных колебаний в целом резонансе (при подходе к резонансу) примерно равно а.,,,,) (4) По достижении целого резонанса амплитуда вынужденных радиальных колебаний с ростом энергии протона (радиуса, частоты 0.) уменьшаетс , затем возрастает, снова уменьшаетс и т.д. Амплитуда вынужденных радиальных колебаний по достижении целого резонанса примерно равна .. 18.-чН,)- (3, Разделение между соседними орбитами по достижении целого резонанса меньше, чем в выражении (4), и. больше,чем ir-),18--f|s , (6) Чем больше гармоника пол Е и меньше eV, тем больше искажение зам кнутой орбиты по достижении целого резонанса, Чем больше Е, тем больше радиальный шаг орбиты по прохождении целого резонанса. С учетом эт го при заданной амплитуде свободных радиальных колебаний пучка на основе формул (З) и (6) определ ют значение гармоники пол Е,, котора приводит к необходимому радиальному разделению между соседними оборотами частицы в зоне вывода (по достиж НИИ целого резонанса по Qr). Эту „ о гармонику пол hg создают по радиус в зоне целого резонанса . Зна энергию выводимой частицы, амплитуду свободных радиальных колебаний пучка, радиус равновесной орбиты и радиальное разделение между соседни ми оборотами частицы в возмущенном магнитном поле, определ ют радиус у тановки входа пучка в электростатический дефлектор. Задава необходимый угол отклонени пучка определ ют азимутальное положение дефлектор и величину напр жени на нем, что позвол ет вывести частицы из циклотрона с минимальной энергией, превьпиающей кратную энергию поко kEo . Дл вьшода частиц с большей энер гирй (с большим радиусом, с большим отличием частоты Q,, от целого значе ни - формулы (l) и (2) определ ют необходимый шаг орбиты по формулам {3))и (6) и в случае необходимости :увеличивают гармонику пол Eg, кото рую создают по радиусу в зоне целого резонанса Э. Зна энергию в водимой частицы, радиус равновесной орбиты, амплитуду свободных радиаль ных колебаний пучка и радиальное ра сто ние между соседними орбитами в возмущенном магнитном поле в зоне вывода, определ ют радиус установки входа в электростатический дефлектор . Задава необходимый угол юткло 564 нени пучка, определ ют азимутальное положение дефлектора и величину напр жени на нем, что позвол ет вывести частицы из вакуумной камеры с большей энергией. Таким образом, в зависимости от амплитуды свободных радиальных колебаний пучка и выводимой энергии частиц , увеличива Eg (которую создают по радиусу в зоне целого резонанса Cij,:S), МОЖНО получить достаточное радиальное разделение (в зоне вывода после Ov,S) между соседними оборотао ми пучка. Перемеща начало входа в дефлектор по радиусу в сторону больших радиусов (при нахождении соответствующего азимутального положени дефлектора) и увеличива напр жение на нем, мбжно выводить частицы со все возрастающей энергией, превышающей кратную энергию поко . Способ вывода был проверен численным моделированием по полным (нелинейным по г и г ) уравнени м движени при параметрах кольцевого циклотрона Hj,2 кЭ, , ,Q,2 1,1, ,72 см. В невозмущенном магнитном поле циклотрона резонанс 0 2 имеет место при энергии протона --920 МэВ (радиусv 1351 см). Радиальный шаг орбиты при наборе энергии за оборот 3 ,9 мм в зоне целого резонанса. Введена втора гармоника пол Е,1 ,3- t О (Hj,0,5 Э) , посто нна с ростом радиуса. Начальной энергии протона, равной 665 МэВ, соответствует амплитуда вынужденных радиальных колебаний 1,5 мм (фиг;1, крива 1). С ростом энергии протона, радиуса, частоты 0. искажение замкнутой орбиты возрастает из-за нелинейного сдвига частоты, резонанс наступает при меньшей энергии (на меньшем радиусе). В резонансе ( энерги -9 4 МэВ, радиус -1348 см) искажение замкнутой орбиты максимально и равно 5,5 см. По достижении ре3онанса амплитуда вынужденных радиальных колебаний уменьшаетс до 2,5 см ( МэВ, г 1388 см, ,185), затем возрастает до 5,1 см (У«1235МэВ; г.1411 см; 0,2,34) и снова падает до 1,5 см (W л 1 355 МэВ, гU1427 см; ,45) и т.д. Исходна амплитуда свободных радиальных колебаний пучка 3,5 мм адиабатически затухает в процессе ускорени (фиг.1 крива II). При энергии протона 1100 МэБ ( см, Q, 2,19) ам1 плнтуда свободньпс радиальных колебаний пучка уменьшаетс до 1 мм. При , ,2 ( МэВ, г 1405 см) в циклотроне имеет место нелинейный (квадратичный) резонанс Уолкиншоу, привод щий к увеличению амплитуды свободных радиальных колебаний пучка. Амплитуда возрастает до 11 мм ( МэВ; см; ,41) и затем адиабатически уменьшаетс до 9 мм ( МэВ). При выборе исходной частоты свободных аксиальных колебаний ,8 (вместо 1,1) в циклотроне отсутствует прохождение резонанса Уолкиншоу . и св занное с ним увеличение амплитуды свободных радиальных колебаний пучка. При Ej i,3-10 радиальный шаг орбиты в послерезонансной зоне согласно формуле (З) составл ет 3,3 с Энергии протона 980 МэВ соответ- ствует амплитуда свободных радиальных колебаний пучка 1,5 мм (фиг.2) Е 1 ,3 радиальное разделение между 4-ми и 5-ми оборотами пуч к°а составл ет 13 мм, что позвол ет установить электростатический дефлектор (начальный радиус 1340см и вывести протоны из вакуумной камеры циклотрона с энергией, равной 995 МэВ. Между 8-ми и 12-ми оборота ми пучка радиальный шаг равен -21 мм Устанавлива начало входа в дефлектор на радиусе см, можно вывести протоны с энергией, равной 1116 МэВ. Энергии протона, равной I 1.39 МэВ соответствует амплитуда свободных радиальных колебаний пучка- 2 мм (фиг. 3). При , радиальное разделение между О и 5-ми оборотами пучка составл ет 14 мм, что позвол ет установить электростатический дефлектор (начальный радиус 1397 см и вывести протоны с энергией 11 54 МэВ. Между 5-ми и 10-ми оборотами пучка радиальное разделение равно 30 мм. Пер меща дефлектор на радиус-1400 см, мо но вывести протоны с энергией, равной 1169 МэВ. Энергии протона, равнбй 1250МэВ, ответствует амплитуда свободных ради альных колебаний пучка 7 мм (фиг. 4). При Е, 1,3 1 о радиальное разделение между 5-ми и 6-ми оборотами пучка сос66 авл ет 10 мм. Устанавлива начало вхоа в электростатический дефлектор на радиусе 142,5 см, можно вывести протоны с энергией, равной 1268 МэВ. С ростом выводимой энергии протонов дефлектор перемещаетс в сторону больших радиусов, повышаетс напр жение на нем и измен етс его положение по азимуту. Кольцевой изохронный циклотрон состоит из магнитных секторов с основными обмотками возбуждени ,ускор ющих резонаторов 2, вакуумнойкамеры 3, электростатического инфлектора 4, гармонических катушек 5 и электростатического дефлектора 6. В кольцевом изохронной циклотроне при помощи магнитных секторов с основными обмотками 1 возбуждени формируют магнитное поле с пространственной вариацией, обеспечивающее продольную и поперечную фокусировки частиц от начальной энергии до конечной . Ускорение частиц осуществл ют при помощи резонаторов 2, расположенных в воздушных промежутках между магнитными секторами 1, Движение частиц происходит в вакуумной камере 3 по раскручивающейс спирали. Частицы с начальной энергией инжектируютс в вакуумную камеру 3 при помощи электростатического инфлектора 4. В области конечных рад1;усов необходимое радиальное разделение между соседними оборотами пучка создаетс при помощи гармонических катушек 5, установленньк в зоне целого резонанса , в вертикальных воздуигных зазорах между магнитными секторами 1. Вывод пучка из вакуумной камеры 3 осуществл етс посредством электростатического дефлектора 6. Преимуществом пр.едложенного способа вывода частиц из изохронного циклотрона вл етс возможность вар.ировани энергии выведенньтх частиц без перестройки ведущего магнитного пол с пространственной вариацией, св занной со значительными конструктивными усложнени ми циклотрона и ростом потребл емой электрической мощности ( снижение КПД ускорител ). Предложенный способ вывода частиц с варьируемой энергией может быть реализован в изохронных циклотронах как сплошного, так и кольцевого типа.
13900 1J930 13960 Г3990 rW2g .r,ffM фиг.З