RU2166844C1

RU2166844C1 - Charged particles acceleration method

Info

Publication number: RU2166844C1
Application number: RU99123412/06A
Authority: RU
Inventors: Б.Д. Гладков
Original assignee: Гладков Борис Дмитриевич
Priority date: 1999-11-04
Filing date: 1999-11-04
Publication date: 2001-05-10

Abstract

FIELD: acceleration engineering; proton synchrotrons. SUBSTANCE: control of charged-particle beam over circumference with increasing intensity of magnetic field is effected on polygon sides. Each polygon side mounts dipole and locking device made in the form of coils building up longitudinal magnetic field. Accelerator implementing proposed method ensures energy of protons higher than 1000 TeV. EFFECT: reduced accelerator size and power requirement. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к мощным протонным синхротронам. The invention relates to accelerator technology, in particular to powerful proton synchrotrons.

По ускорителям заряженных частиц имеется обширная литература, представленная в Трудах Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, а также в [1, 2, 3, 5, 6]. There is an extensive literature on charged particle accelerators presented in the Proceedings of the All-Union Conference on Charged Particle Accelerators, as well as in [1, 2, 3, 5, 6].

Громадные геометрические размеры и большая инерционность кольцевого электромагнита ускорителя затрудняют управление пучком заряженных частиц, ограничивают перспективные возможности протонного синхротрона по величине достигаемой энергии. Развитие протонного синхротрона произошло с принципиальными отклонениями от общих принципов построения эффективных автоматических систем. Характерные особенности протонных синхротронов имеют обременительный и негативный характер, и в итоге протонный синхротрон как лидер ускорительной техники потерял перспективу своего развития, превратился в одиозный объект с громадным потреблением энергии от промышленной сети. The enormous geometrical dimensions and the large inertia of the ring electromagnet of the accelerator make it difficult to control a beam of charged particles, and limit the promising capabilities of the proton synchrotron in terms of the amount of energy achieved. The development of the proton synchrotron occurred with fundamental deviations from the general principles of constructing effective automatic systems. The characteristic features of proton synchrotrons are burdensome and negative, and as a result, the proton synchrotron as a leader in accelerator technology has lost the prospect of its development, has turned into an odious object with enormous energy consumption from an industrial network.

В [5] предложена для протонного синхротрона автономно-секционированная система электропитания кольцевого электромагнита АССЭКЭУ. АССЭКЭУ состоит из автономных и изолированных секций кольцевого электромагнита, каждая из которых подключена к автономному и полностью управляемому источнику тока на основе эффектов бесконечного усиления (это система-усилитель), причем управляющий вход каждого источника тока подключен к задающему устройству. Структура АССЭКЭУ возвышает протонный синхротрон до идеального уровня по всем показателям при традиционном способе управления пучком заряженных частиц на траектории по окружности с возрастающим магнитным полем. In [5], for the proton synchrotron, an autonomous sectioned power supply system for the ring electromagnet ACSEKEU was proposed. ASCECEU consists of autonomous and isolated sections of a ring electromagnet, each of which is connected to an autonomous and fully controlled current source based on infinite amplification effects (this is an amplifier system), and the control input of each current source is connected to a master device. The structure of the ACSEKEU raises the proton synchrotron to an ideal level in all respects with the traditional method of controlling a beam of charged particles on a circular trajectory with increasing magnetic field.

Рассмотрим как прототип АС N 1499729, содержащий поворотные магниты (диполи) кольцевой структуры, разделенные прямолинейными промежутками для размещения ускоряющей системы, корректирующих магнитных линз и иное вспомогательное оборудование. По своей конструкции указанное АС является синхрофазотроном с жесткой фокусировкой. Consider as a prototype AC N 1499729, containing rotary magnets (dipoles) of the ring structure, separated by rectilinear gaps to accommodate an accelerating system, corrective magnetic lenses and other auxiliary equipment. By design, this speaker is a rigid focus synchrophasotron.

Недостатки прототипа:
1. Задача увеличения энергии - главная в ускорительной технике - практически решается за счет увеличения геометрических размеров ускорителя;
2. С ростом периметра кольцевой структуры ускорителя возрастают:
- инерционность ускорителя,
- пассивное потребление энергии от промышленной сети,
- трудности управления выходными координатами главных технических систем ускорителя.The disadvantages of the prototype:
1. The task of increasing energy - the main one in accelerator technology - is practically solved by increasing the geometric dimensions of the accelerator;
2. With the growth of the perimeter of the annular structure of the accelerator increase:
- inertia of the accelerator,
- passive energy consumption from the industrial network,
- difficulties in controlling the output coordinates of the main technical systems of the accelerator.

3. Прямолинейные промежутки уменьшают эффективный радиус орбиты;
4. Жесткая фокусировка увеличивает перечень недостатков ускорителя, она является результатом недостаточного владения процессами управления в ускорителе.3. Rectilinear gaps reduce the effective radius of the orbit;
4. Rigid focusing increases the list of shortcomings of the accelerator; it is the result of insufficient knowledge of control processes in the accelerator.

5. Синхротронное излучение ограничивает предельные возможности ускорителя по величине достигаемой энергии. 5. Synchrotron radiation limits the ultimate capabilities of the accelerator in terms of the amount of energy achieved.

Структура прототипа построена на принципе рассеяния энергии в пространстве, что обусловливает все недостатки ускорителя. The structure of the prototype is based on the principle of energy dissipation in space, which causes all the disadvantages of the accelerator.

Задача, решаемая в заявленном изобретении, - это создание в компактном объеме ускорителя заряженных частиц с энергией более 10¹⁵ эВ.The problem solved in the claimed invention is the creation in a compact volume of an accelerator of charged particles with an energy of more than 10 ¹⁵ eV.

Этот результат достигается тем, что ускорение и транспортировку пучка заряженных частиц производят по сторонам многоугольника, в каждой из которых устанавливают диполь, фокусирующие устройства и ускоряющее устройство, при этом диполь и фокусирующие устройства выполнены в виде катушек с продольным магнитным полем, при этом замкнутый контур ускорителя представляет собой многоугольник, в каждой стороне которого установлены упомянутые диполь, фокусирующие устройства и ускоряющее устройство, причем диполь и фокусирующие устройства выполнены в виде катушек с продольным магнитным полем. This result is achieved in that the acceleration and transportation of a beam of charged particles is carried out on the sides of the polygon, in each of which a dipole, focusing devices and an accelerating device are installed, while the dipole and focusing devices are made in the form of coils with a longitudinal magnetic field, while the closed loop of the accelerator represents a polygon, in each side of which the mentioned dipole, focusing devices and accelerating device are installed, and the dipole and focusing devices are Nena a coil with a longitudinal magnetic field.

На чертеже показана схема ускорителя заряженных частиц как пример применения предлагаемого способа ускорения заряженных частиц, где
1 - диполь с продольным магнитным полем,
2, 4 - фокусирующие устройства,
3 - ускоряющее устройство,
5, 6, 7 - управляемые источники тока.The drawing shows a diagram of a charged particle accelerator as an example of the application of the proposed method of accelerating charged particles, where
1 - dipole with a longitudinal magnetic field,
2, 4 - focusing devices,
3 - accelerating device,
5, 6, 7 - controlled current sources.

Поз. 1, 2, 4 выполнены в виде катушек с продольным магнитным полем. На схеме стрелками показана центральная орбита ускорителя. Каждый из источников тока обеспечивает точное управление его выходной координатой, при этом подавлены все действующие на него возмущения, включая и параметрические. Pos. 1, 2, 4 are made in the form of coils with a longitudinal magnetic field. In the diagram, the arrows show the central orbit of the accelerator. Each of the current sources provides precise control of its output coordinate, while all disturbances acting on it, including parametric ones, are suppressed.

Катушки 2, 4 обеспечивают:
- требуемую величину плотности пространственного заряда,
- управление размером пучка за счет изменения магнитного поля.Coils 2, 4 provide:
- the required value of the density of the space charge,
- control of the beam size due to changes in the magnetic field.

Идеализация фиксирования размеров пучка осуществляется катушками 2, 4, когда плотность пространственного заряда при равномерном распределении по сечению равна
ρ = 2,65 • 10⁹ γ B² протон/см³,
где B - в теслах.The idealization of beam size fixation is carried out by coils 2, 4, when the space charge density with a uniform distribution over the cross section is
ρ = 2.65 • 10 ⁹ γ B ² proton / cm ³ ,
where B is in tesla.

Как диполь 1, так и фокусирующие устройства 2, 4 могут быть выполнены конструктивно в виде катушек с продольным магнитным полем:
а) с охлаждением или без охлаждения;
б) на сильных импульсных магнитных полях (4);
в) на основе сверхпроводящей конструкции.Both dipole 1 and focusing devices 2, 4 can be made constructively in the form of coils with a longitudinal magnetic field:
a) with or without cooling;
b) in strong pulsed magnetic fields (4);
c) based on a superconducting structure.

Количество устанавливаемых фокусирующих устройств в каждой стороне многоугольника определяется характеристикой диполя и качеством ускоряющего устройства. Варианты а) и в) допускают неограниченное время ускорения. Структура схемы устройства допускает как непрерывный режим ускорения заряженных частиц, так и импульсный. На схеме указано максимальное количество источников тока; их число можно уменьшить за счет последовательного включения устройств магнитной системы. The number of focusing devices to be installed on each side of the polygon is determined by the characteristics of the dipole and the quality of the accelerating device. Options a) and c) allow unlimited acceleration times. The structure of the device circuit allows both continuous mode of acceleration of charged particles, and pulsed. The diagram shows the maximum number of current sources; their number can be reduced by sequentially turning on the devices of the magnetic system.

Диполь 1 изменяет направление орбиты на угол α между вектором скорости заряженной частицы и направлением магнитной индукции B, при этом заряженная частица движется в диполе 1 по винтовой линии с радиусом r и шагом винта h. Dipole 1 changes the direction of the orbit by an angle α between the velocity vector of the charged particle and the direction of magnetic induction B, while the charged particle moves in dipole 1 along a helix with a radius r and screw pitch h.

,
где E₁ и E₀ - полная энергия и энергия покоя заряженной частицы.

,
where E ₁ and E ₀ - total energy and rest energy of a charged particle.

B - магнитная индукция в теслах. B - magnetic induction in tesla.

Из представленной схемы устройства и формулы (1) видно, что заряженные частицы транспортируются по линейным участкам центральной орбиты и только в углах многоугольника они изменяют свое направление на α градусов.

From the presented device diagram and formula (1) it is seen that charged particles are transported along linear sections of the central orbit and only in the corners of the polygon do they change their direction by α degrees.

При движении заряженных частиц по центральной орбите их энергия увеличивается в каждой стороне многоугольника на величину напряжения ускоряющего, устройства 3. Процесс нарастания энергии заряженных частиц теоретически не имеет ограничений. When charged particles move in a central orbit, their energy increases on each side of the polygon by the magnitude of the accelerating voltage of device 3. The process of increasing the energy of charged particles theoretically has no restrictions.

Из формулы (1) видно, что радиус витка вращающейся частицы изменяется от нуля до значения, асимптотически приближающегося к величине

при E _→ ∞.
Цифровые величины в формулах (1), (2), (3) относятся к протонному синхротрону. Ограниченный размер радиуса витка (3) выражает и обеспечивает устойчивость процесса неограниченного увеличения энергии коллектива заряженных частиц, и это свойство способа и структуры предложенной схемы ускорителя заряженных частиц принципиально отличает их от всех известных схем ускорителей.From formula (1) it can be seen that the radius of the coil of a rotating particle varies from zero to a value asymptotically approaching the value

as E _ → ∞.
The digital values in formulas (1), (2), (3) refer to the proton synchrotron. The limited size of the radius of the coil (3) expresses and ensures the stability of the process of an unlimited increase in the energy of the collective of charged particles, and this property of the method and structure of the proposed scheme of the accelerator of charged particles fundamentally distinguishes them from all known schemes of accelerators.

Энергия пучка протонов в предлагаемом изобретении равна

U₁ - величина ускоряющего напряжения в стороне многоугольника, вольт.The energy of the proton beam in the present invention is equal to

U ₁ - the magnitude of the accelerating voltage in the side of the polygon, volts.

T_у - время процесса ускорения в секундах.T _y is the acceleration process time in seconds.

n - число сторон многоугольника. n is the number of sides of the polygon.

П - периметр многоугольника в метрах. P is the perimeter of the polygon in meters.

Из формулы (4) хорошо видны предложения, которые оптимизируют ускоритель. From the formula (4) clearly visible proposals that optimize the accelerator.

Из формулы (4) видно, что величина достигаемой энергии в предложенной конструкции ускорителя заряженных частиц, в отличие от традиционных циклических ускорителей, не зависит непосредственно от величин магнитной индукции диполя 1. Процесс ускорения заряженных частиц идет при постоянном заданном магнитном поле в диполе 1; параметры площадки ускорения - величина индукции магнитного поля, время ускорения - обеспечиваются управляемым источником тока 5, способным точно выдерживать и повторять неограниченное число раз заданное магнитное поле в диполе 1. На формулы (4) видно, что величина энергии, достигаемая в предложенной конструкции ускорителя, обратно пропорциональна периметру П многоугольника. Величина П должна быть минимальной и определяться только размерами устройств в каждой стороне многоугольника. Следовательно, предложенный способ управления пучком заряженных частиц конструктивно обеспечивает теоретически неограниченную величину достигаемой энергии C пучком заряженных частиц при минимальной величине:
- геометрических размерах ускорителя заряженных частиц,
- потребляемой им энергии от промышленной сети.From formula (4) it is seen that the amount of energy achieved in the proposed design of the charged particle accelerator, in contrast to traditional cyclic accelerators, does not depend directly on the magnitude of the magnetic induction of dipole 1. The process of acceleration of charged particles proceeds at a constant given magnetic field in dipole 1; the parameters of the acceleration pad — the magnitude of the magnetic field induction, the acceleration time — are provided by a controllable current source 5 that can accurately withstand and repeat an unlimited number of times the specified magnetic field in dipole 1. It can be seen from formula (4) that the amount of energy achieved in the proposed accelerator design inversely proportional to the perimeter P of the polygon. The value of P should be minimal and determined only by the size of the devices on each side of the polygon. Therefore, the proposed method for controlling a beam of charged particles constructively provides a theoretically unlimited value of the achieved energy C by a beam of charged particles with a minimum value:
- the geometric dimensions of the charged particle accelerator,
- the energy it consumes from the industrial network.

Ускоритель заряженных частиц по предложенному способу обеспечивает получение энергии протонов свыше 1000 ТэВ при небольших геометрических размерах его конструкции и скромном потреблении им энергии от промышленной сети. The charged particle accelerator according to the proposed method provides proton energy of more than 1000 TeV with small geometric dimensions of its structure and its modest energy consumption from an industrial network.

В традиционной схеме ускорителя процесс ускорения по окружности идет в нарастающем магнитном поле. Именно эти две особенности традиционной схемы ускорителя являются главными фигурантами, принципиально ограничивающими дальнейшее развитие протонного синхротрона по величине достигаемой энергии. In the traditional scheme of the accelerator, the process of acceleration around the circumference takes place in an increasing magnetic field. It is these two features of the traditional accelerator circuit that are the main defendants, fundamentally limiting the further development of the proton synchrotron in terms of the amount of energy achieved.

Имеются всего два пути развития традиционного протонного синхротрона, основанных на увеличении радиуса и индукции магнитного поля кольца ускорителя, которые в настоящее время практически достигли предельных величин. Сверхпроводящая система оказалась не способной серьезно улучшить тупиковую ситуацию в традиционном способе ускорения по кольцу. Предложенный способ открывает перспективу для применения сверхпроводимости; магнитные элементы схемы 1, 2, 4 с продольным магнитным полем могут быть выполнены в сверхпроводящем исполнении. Этот вариант исполнения магнитной системы ценен тем, что он также допускает неограниченное время ускорения. There are only two ways of developing a traditional proton synchrotron, based on an increase in the radius and induction of the magnetic field of the accelerator ring, which have now practically reached their limit values. The superconducting system was not able to seriously improve the deadlock in the traditional method of ring acceleration. The proposed method opens up prospects for the use of superconductivity; The magnetic elements of the circuit 1, 2, 4 with a longitudinal magnetic field can be made in a superconducting version. This embodiment of the magnetic system is valuable in that it also allows unlimited acceleration times.

Литература
1. Брехна Г. - Сверхпроводящие магнитные системы. - М.: Мир, 1976.Literature
1. Brekhna G. - Superconducting magnetic systems. - M .: Mir, 1976.

2. Коломенский А.А. Физические основы методов ускорения заряженных частиц. - М.: изд. МГУ, 1980. 2. Kolomensky A.A. The physical basis of the methods of accelerating charged particles. - M .: ed. Moscow State University, 1980.

3. Лебедев А.Н., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей. - М.: Энергоатомиздат, 1991. 3. Lebedev A.N., Shalnov A.V. Fundamentals of physics and technology of accelerators. - M .: Energoatomizdat, 1991.

4. Сильные и сверхстильные магнитные поля и их применение / Дрансфельд К. и др. Под ред. Ф.Херлаха. - М.: Мир, 1988. 4. Strong and superstrong magnetic fields and their application / K. Dransfeld et al. Ed. F.Herlah. - M.: Mir, 1988.

5. Гладков Б.Д. Система импульсного питания электромагнита. Патент РФ N 2013893, H 05 H 7/00. Бюл. 10, 30.05.94. 5. Gladkov B.D. Electromagnet switching power supply system. RF patent N 2013893, H 05 H 7/00. Bull. 10, 05/30/94.

6. Ускорители: пер. с анг., нем. - М.: Гос. изд. лит. по. атомной науке и технике, 1962. 6. Accelerators: Per. with English, German - M .: State. ed. lit. by. atomic science and technology, 1962.

Claims

1. A method of accelerating charged particles, including transporting in the process of accelerating a beam of charged particles in a closed loop containing a series of sections, in each of which a dipole, focusing devices and an accelerating device are installed, characterized in that the transportation is carried out on the sides of the polygon, in each of which said dipole, focusing devices and accelerator are installed, while the dipole and focusing devices are made in the form of coils with a longitudinal magnetic field.

2. A charged particle accelerator comprising a closed loop with a series of sections, in each of which a dipole, focusing devices and an accelerating device are installed, characterized in that the closed loop is a polygon, on each side of which are installed the mentioned dipole, focusing devices and an accelerating device while the dipole and focusing devices are made in the form of coils with a longitudinal magnetic field.