Способ вывода частиц из изохронного циклотрона

(д 1) 4 Н 05 Н 7/10 7/12 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ ПИСАНИЕ ОМУ СВИДЕТЕЛ АВТ лектора, при этом выполнующее условие:(56) Труды 17 всепо ускорителям заМ.; Наука, 1975,Вааггшап К. ег12 Сеч 1 зосЬгопоызТЕЕЕ Ргапз, оп Мц полем дется сл Р 14омоносоваи А.Л. Сарк+ 0,0625 -- ) -Еогде н 15 г Н Ч. 2Бн(г) (еф/ )Б = 2, 3, 4,и - показатель ростаполя Н(г), Тл;И - число секторов усв форме спиралейЬ - параметр спиралисм рад.С - относительнаяации по азимутполя Н(г);г - радиус выводавоздействия на итного 9 4, р. 2010-2012 ител рхимеда;рхимеда ВЫВОДА ЧАСТИЦ ИЗОНА, включающий ускоряющим полем и 0 глубина вариу магнитного стицелого кор6 ужд резонанса радиальн воздействия на ча колеб ии путрмонич им по азимуту в ы частиц и мест них поля деф акже воздеист ефлектора, оя тем, что лектора, см;амплитуда гармоники инд8 возмущающего поля;энергия выводимых частиМэВ; ункциональных в ыожностей способа энергии выводимых вывода одновремен туду гармоники во амплитуду ускоряю радиус места возд ированияпроцессе тем вар частиц,о изменя пл по ущающе же амплитуда ускоряющего поМВ. го поля,ствия на стиць(54) (57) СПОСОБ ХРОННОГО ЦИКЛОТ мущающим полем,на частицы полемл и ч а ю щ и йцелью расширения оюзного совещани яженных частиц,1, с. 205 в 2. а 1, Орг.1 ез Гог а г 1 п ар 1 оггоп 1. 198 3, ВБ - 30 РЕТЕНИЯВУ яд частиц, отнесенныи кяду электрона;зовано в изохронных циклотронах приускорении сильноточных пучков частиц(протонов, ионов, электронов) наэнергию, близкую к энергии покоя иликратную ей.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа путем обеспечения варьирования энергии выводимых частиц вследствие изменения нелинейного сдвига частотысвободных радиальных колебаний ускоряемых частиц,На фиг. 1 дан кольцевой изохронный циклотрон; на фиг. 2 - поведение протонного пучка в кольцевомизохронном циклотроне с целыми оборотами (номерами обозначены целыеобороты) на фиксированном азимуте9 = сопят на радиальной фазовой п1 дгкости (г, -- в процессе прог, сухождения целого резонанса 0 = 2при Е = 1,3 10 и е 1 = 3 МэВ/об,0 соответствует энергия 845 МэВ);на фиг. 3 - то же, при е 7 = 2 МэВ/об(О соответствует энергии 849 МэВ);на фиг. 4 - то же, при Е = б,5 10и е Ъ = 2 МэВ/об, (О соответствуетэнергия 8 15 МэВ).В изохронном циклотроне частотасвободных радиальных колебаний Я,выраженная в единицах частоты обращения частоты, естественным образом возрастает с увеличением кинетической энергии частицы Ъ 7 (радиуса г)в процессе ускорения. В невозмущенном магнитном поле частота ( и энерогия частицы связаны соотношением; де г/)гная амплитудай) гармоники и тносите овной ( исло сп араметр ралеи;спирали Архимедедения низшей гай компонентыа Б = Я, созческими катушкам Ь Вследствие в5 ники вертикальн рмо магнит данной ного поля индекс токовыми гармони возникают вынужценныелебания (искажается заО и возрастает радиальномежду двумя последоваттами пучка (при сохранпучка) в зоне целого рего наступления,Радиальное разделенседними орбитами адиальные ко кнутая орбит разделение льными. оборо лоснии эмита нанса до е между дг=1 де Е - отноель ампл тудпол изшеи гармоники магнитно Нелинейный вободохрониной виг частоты ных радиальных ном циклотроне 5 вариацией маги олебании в пространст ного поля О О причем амплит альных колебан да вынуждй частицы х ради+ /Ео Я.Е. ц Б е 1 где 45 Е,исло оборотов в зоя зонанса Е,еН, тому частота свободных ебаний в возмущенном м адиальныхнитном п Ктное поле в центО) Но - магилотрона (г При Ы = ечастота Ц иклотрона ле онн 1 + Н/Е + Я е 3, 4 чеки п ые з нимае транственстоты 0 г,Чем больше гармоникаменьше набор энергии за ляг и орот е 1 В магнитном поле с прной вариацией изменение 1 1257861 2 Изобретение относится к ускори- в процессе ускорения определяетсятельной технике и может быть исполь- выражением;2578 тем больше нелинейный сдвиг частотыьи тем меньше энергия частицы (меньше радиус), при которой частотадостигает целого значения.Вывод частиц с варьируемой энергией из изохронного циклотрона по данному способу реализуется следующим образом.При заданной амплитуде свободных радиальных колебаний пучка определя ют минимальное значение амплитуды гармоники поля Е, которое приводит к необходимости радиального разделения между соседними оборотами частицы в зоне вывода (в зоне целого резонанса). Используя максимальную величину набора энергии за оборот, определяют амплитуду вынужденных радиальных колебаний частицы. Затем определяют энергию частицы при Я равном целому значению, нелинейный сдвиг частоты Я и энергию частицы приравному целому значению, Вычитая из найденной энергии число полуоборотов, умноженное на набор энергии за оборот, определяют выводимую энергию частицы. Затем определяют радиус равновесной орбиты, Зная амплитуду свободных радиальных колебаний пучка и радиальное разделение между соседними оборотами в возмущенном магнитном поле, определяют радиус установки входа в электростатический дефлектор, Задавая необходимый угол отклонения пучка, определяют азимутальное положение дефлектора и величину напряжения на дефлекторе, Это позволяет вывести частицы из вакуумной камеры циклотрона с максимальной энергией,Для вывода частиц с меньшей энергией увеличивают амплитуду гармоники поля си уменьшают набор энергии за оборот, что приводит к увеличению амплитуды вынужденных радиальных колебаний частицы и, следовательно, к увеличению нелинейного сдвига частоты. Частота 0 достигает целого значения при меньшей энергии частицы (на меньшем радиусе), Вычитая из най 50 денной энергии число полуоборотов, умноженное на набор энергии за оборот, определяют выводимую энергию частицы. Затем определяют радиус равновесной орбиты. Зная амплитуду свободных радиальных колебаний пучка и радиальное разделение между соседними оборотами в возмущенном магнитном поле, определяют радиус установки 614входа в электростатический дефлект р. Задавая необходимый угол отклонения пучка, определяют азимутальное положение электростатического дефлектора и величину напряжения на дефлекторе. Это позволяет вывести из вакуумной камеры циклотрона частицы с меньшей энергией.В качестве примера можно дать оценки по приведенным формулам при параметрах протонного кольцевого изохронного циклотрона: напряженность магнитного поля в центре Н, = 2 кЭ, число спиральных секторов И = 20, относительная амплитуда основной гармоники магнитного поля Е = 1, параметр спирали Архимеда Ь = 36 см, частота свободных аксиальных колебаний- 1,1, частота свободных радиальных колебаний1,09 " Ц (2, энергияоинжекции 80 МэВ, радиус бесконечной энергии г = 1563, 72 см. В невозмущенном магнитном поле циклотрона резонансу Я = 2 соответствует энер"огия 929 МэВ и радиус 1351 см. Радиальный шаг орбиты в зоне вывода при1,2 10равен 3,2 мм. Амплитуда вынужденных радиальных колебаний при е 7 = 3 МэВ/об равна 5,7 см. Ради - альный шаг орбиты за счет набора энергии за оборот равен 0,9 см. Нелинейный сдвиг частоты а= 0,0295. Резонансу Я = 2 в возмущенном поле соответствует энергия 897 МэВ. Выведенная энергия 871 МэВ, а соответствующий радиус орбиты 1337 см. При уменьшении набора энергии за оборот до 2 МэВ энергия выведенных протонов 846 МэВ и соответствующий радиус орбиты 1335 см. При увеличении гармоники поля Е уменьшаются энергия выведенных протонов и соответствующий радиус орбиты. Эти оценки были проверены численным моделированием по полным уравнением движения. Энергия 845 МэВ (фиг,2) соответствует исходная амплитуда свободных радиальных колебаний пучка 5 мм. В невозмущенном магнитном поле пучки перекрываются по радиусу (радиальный шаг орбиты при е 7 = 3 МэВ/об. равен 0,9 мм). Введение второй гармоники магнитного поля Я = 1,3 10(Н = 0,5 э) приводит к тому, что целый резонанс Я = 2 достигается на четырнадцатом обороте (энергия 887 МэВ вместо 929 МэВ в невозмущенном магнитном поле). Радиальное разделение меж5 125786 ду девятым и десятым оборотами пучка равно "1,6 см, что позволяет установить электростатический дефлектор и вывести 1007 пучка с энергией 875 МэВ. Передняя пластина дефлектора устанавливается на радиусе 1337,5 см. От 5 клонение пучка из вакуумной камеры циклотрона осуществляется выбором азимутального положения дефлектора и соответствующего напряжения на нем. 10Энергии протонов 849 МэВ (фиг.3) соответствует исходная амплитуда свободных радиальных колебаний пучка 5 мм. В невозмущенном магнитном поле набору энергии за оборот 2 МэВ соответствует радиальный шаг орбиты 6 мм. При введении второй гармоники магнитного поля Я = 1,3 1.0резонанс2 достигается на 15-ом оборотег(энергия 879 МэВ). Радиальное разделение между девятым и десятым оборотами пучка равно 1;4 см, что позволяет установить электростатический дефлектор и вывести 100 пучка с энергией 869 МэВ. Передняя пластина электростатического дефлектора устанавливается на радиусе1336,5 см. Отклонение пучка из вакуумной камеры циклотрона осуществляется выбором азимутального положения дефлектора 30 и соответствующего напряжения на нем (с уменьшением выводимой энергии протона напряжение на дефлектореуменьшается).Энергии протонов 815 МэВ (фиг,4) соответствует исходная амплитуда свободных радиальных колебаний пучка 2,6 мм. В невозмущенном магнитном поле при еЧ = 2 МэВ/об радиальный шаг орбиты равен 6 мм, При введении второй гармоники магнитного поля50 = 6,5 10(Н = 2 э) резонанс- 2 достигается при меньшей энерггии протона, чем в невозмущенном магнитном поле. Радиальное разделение 45 между тринадцатым и четырнадцатым оборотами пучка равно 2,5 см, что позволяет установить.электростатический дефлектор и вывести 1007 пучка с энергией 843 МэВ. Передняя . пластина электростатического дефлектора устанавливается на радиусе 1321,4 см. Отклонение пучка из вакуумной камеры циклотрона осуществляется выбором азимутального положения дефлектора и соответствующего напряжения на нем (с уменьшением выводимой энергии протона напряжения на дефлекторе уменьшается). 1 6Кольцевой изохронный циклотрон состоит из магнитных секторов 1 с основными обмотками возбуждения, ускоряющих резонаторов 2, вакуумной камеры 3, электростатического инфлектора 4, гармонических катушек 5 и электростатического дефлектора 6.В кольцевом изохронном циклотроне при помощи магнитных секторов 1 с основными обмотками возбуждения Фоомиоуют магнитное поле с поостоанственной ваоиацией, обеспечивающее поодольную и поперечную фокусировку частиц от начальной до конечной энергии. Ускорение частиц осуществляется при помощи ускоряющих резонаторов 2, расположенных в воздушных промежутках между магнитными секторами 1. Движение частиц происходит в вакуумной камере 3 по раскручивающейся спирали. Частицы с начальной энергией инжектируются в вакуумную камеру 3, при помощи электростатического инфпектора 4. В области конечных радиусов необходимое радиальное разделение между соседними оборотами пучка создается посредством гармонических катушек 5, установленных в вертикальных воздушных зазорах между магнитными секторами 1. Вывод пучка из вакуумной камеры 3 осуществляется с помощью электростатического дефлектора 6.Реализация предложенного способа вывода частиц с варьируемой энергией из изохронного циклотрона осуществляется следующим образом.Вывод частиц из циклотрона предварительно настраивают для частиц с максимальной энергией, что обеспечивается минимальным током в гармонических катушках 5, максимальным напряжением на ускоряющих резонаторах 2, установкой начала электростатического дефлектора 6 на радиусе и азимуте, соответствующих максимальной энергии частиц с напряжением на нем для отклонения пучка из вакуумной камеры 3. Переход к выводу частиц с меньшей энергией осуществляется увеличением тока в гармонических катушках 5, уменьшением напряжения на ускоряющих резонаторах 2, перемещением на внутренние радиусы электростатического дефлектора 6 с установкой начала дефлектора на радиусе и азимуте, соответствующих меньшей энергии частиц с соответствующим напряжением на нем для отклонения пучка из вакуумной камеры 3.Таким образом, предлагаемый способ предназначен для вывода любых частиц из изохронного циклотрона с возможностью варьирования энергии выведенных частиц без перестройки ведущего магнитного поля с пространственнойвариацией и может быть реализован визохронных циклотронах как сплош-,ного, таки кольцевого типа.,сГУРОЗ РЮР, 6 фис. Ф Тираж 802 ИИПИ Государственного делам изобретений осква, Ж, Раушскомитета СССР открытий я наб., д. 4/5