RU136669U1 - FOCUSING DEVICE OF THE SYNCHROCYCLOTRON - Google Patents

Abstract

Фокусирующее устройство синхроциклотрона, включающее дуант, ионный источник типа Пеннинга с системой фокусирующих центрального и бокового электродов и блоками их питания, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введен дефлектор, состоящий из двух пластин в форме полуколец, окружающих пластины бокового фокусирующего электрода, и введен генератор радиоимпульсов с частотой заполнения, равной частоте бетатронных вертикальных колебаний протонов в ускоряемом сгустке, причем разнополярный выход генератора подключен к пластинам дефлектора, а его вход подключен к дуанту, обеспечивая включение радиоимпульса в момент нахождения между пластинами дефлектора только части сгустка протонов с большими амплитудами радиальных колебаний.A synchrocyclotron focusing device, including a duant, a Penning-type ion source with a system of focusing central and side electrodes and their power supply units, characterized in that an additional deflector is introduced into the device, consisting of two half-ring plates surrounding the side focusing electrode plates, and a generator is introduced radio pulses with a filling frequency equal to the frequency of the betatron vertical oscillations of protons in an accelerated bunch, and the generator’s bipolar output is connected to the plates of the reflector, and its input is connected to the dowant, ensuring the inclusion of the radio pulse at the moment when only part of the proton bunch with large amplitudes of radial vibrations is between the deflector plates.

Description

Полезная модель относится к ускорительной технике, непосредственно к фокусирующему устройству синхроциклотрона и предназначена для согласования радиального размера (эмиттанса) ускоряемого сгустка протонов с радиальным размером (аксептансом) выводного канала синхроциклотрона, обеспечивая тем самым вывод протонов из камеры ускорителя без радиационного воздействия их на выводную систему.The utility model relates to accelerator technology, directly to the focusing device of the synchrocyclotron, and is intended to coordinate the radial size (emittance) of the accelerated proton bunch with the radial size (acceptance) of the output channel of the synchrocyclotron, thereby ensuring the proton output from the accelerator chamber without radiation effect on the output system.

В качестве устройства-аналога выбрано фокусирующее устройство синхроциклотрона 680 МэВ в ОИЯИ, Дубна, РФ: «Фокусирующее устройство». Труды международной конференции по ускорителям, Дубна, 1963, М., «Атомиздат», 1964, [1].The focusing device of the 680 MeV synchrocyclotron at JINR, Dubna, RF: “Focusing device” was chosen as an analog device. Proceedings of the international conference on accelerators, Dubna, 1963, M., "Atomizdat", 1964, [1].

Устройство-аналог состоит из дуанта, ионного источника открытого типа Пеннинга и фокусирующего бокового электрода, подключенных к источникам их питания.An analog device consists of a duant, an open source Penning type ion source, and a focusing side electrode connected to their power sources.

Устройство-аналог работает следующим образом. На боковой электрод подается отрицательный потенциал необходимой величины, в результате этого вокруг ионного источника между дуантом и боковым электродом создается электрическое поле, которое фокусирует протоны в вертикальном направлении и определяет вертикальный размер сгустка протонов и плотность протонов в нем, то есть - интенсивность синхроциклотрона.The analog device works as follows. A negative potential of the required magnitude is applied to the side electrode, as a result of this, an electric field is created between the duant and the side electrode around the ion source, which focuses the protons in the vertical direction and determines the vertical size of the proton bunch and the density of protons in it, i.e., the intensity of the synchrocyclotron.

Недостатком аналога является отсутствие возможности влиять на радиальный спектр амплитуд бетатронных колебаний протонов в ускоряемом сгустке и регулировать радиальный размер (эмиттанс) сгустка протонов, что приводит к несогласованности его с радиальным размером (аксептансом) выводного канала, к потере протонов при их выводе из ускорителя и, как следствие, к радиационной активации выводного канала ускоряемым пучком.The disadvantage of the analogue is the inability to influence the radial amplitude spectrum of betatron vibrations of protons in an accelerated bunch and to regulate the radial size (emittance) of a proton bunch, which leads to inconsistency with the radial size (acceptance) of the output channel, to the loss of protons when they are removed from the accelerator and, as a result, to radiation activation of the output channel by the accelerated beam.

В качестве прототипа выбрано фокусирующее устройство самого большого в мире синхроциклотрона на энергию протонов 1000 МэВ Санкт-Петербургского института ядерной физики, А.С. N743243 [2].As a prototype, the focusing device of the world's largest synchrocyclotron for proton energy of 1000 MeV of the St. Petersburg Institute of Nuclear Physics, A.S. N743243 [2].

Фокусирующее устройство состоит из дуанта, открытого источника протонов типа Пеннинга и фокусирующих бокового и центрального электродов, располагаемых в центральной области ускорителя. Дуант, источник и электроды подсоединены к соответствующим источникам их питания.The focusing device consists of a duant, an open source of Penning type protons, and focusing side and central electrodes located in the central region of the accelerator. The duant, source and electrodes are connected to their respective power sources.

Устройство-прототип работает следующим образом. На дуант, ионный источник и фокусирующие электроды подаются соответствующие напряжения, в результате чего в центральной области ускорителя создается электрическое поле, которое фокусирует протоны в вертикальном направлении к медианной плоскости магнитного поля и определяет спектр амплитуд бетатронных колебаний протонов, а так же плотность и поперечные размеры сгустка ускоряемых протонов и тем самым интенсивность протонного пучка синхроциклотрона. (Устройство-прототип, используемое на синхроциклотроне ПИЯФ, приводит к 10-кратному увеличению интенсивности синхроциклотрона. Труды VI Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 11-13 окт., 1978, М., 1979, т.3 [3]).The prototype device operates as follows. Corresponding voltages are applied to the duant, ion source, and focusing electrodes, as a result of which an electric field is created in the central region of the accelerator, which focuses protons in the vertical direction to the median plane of the magnetic field and determines the amplitude spectrum of betatron vibrations of protons, as well as the density and transverse dimensions of the bunch accelerated protons and thereby the intensity of the proton beam of the synchrocyclotron. (The prototype device used at the PNPI synchrocyclotron leads to a 10-fold increase in the intensity of the synchrocyclotron. Proceedings of the VI All-Union Conference on Charged Particle Accelerators, Dubna, October 11–13, 1978, M., 1979, v. 3 [3]) .

Недостатком прототипа является отсутствие возможности изменять спектр амплитуд радиальных бетатронных колебаний протонов в ускоряемом сгустке и регулировать радиальный размер (эмиттанс) ускоряемого сгустка протонов, что приводит к несогласованности его с радиальным аксептансом выводного канала, к потере части протонов при выводе их из ускорителя и, как следствие, к радиационной активации выводного канала ускоренными до высокой энергии протонами. Этот недостаток, в свою очередь, приводит к существенным отрицательным последствиям для работы самого синхроциклотрона.The disadvantage of the prototype is the inability to change the spectrum of amplitudes of radial betatron oscillations of protons in an accelerated bunch and to regulate the radial size (emittance) of an accelerated bunch of protons, which leads to inconsistency with the radial acceptance of the output channel, to the loss of part of the protons when they are removed from the accelerator and, as a result , to radiation activation of the output channel by protons accelerated to high energy. This shortcoming, in turn, leads to significant negative consequences for the operation of the synchrocyclotron itself.

Поясним этот недостаток прототипа подробно. Захват протонов в режим их ускорения дуантом и формирование спектра амплитуд вертикальных и радиальных колебаний протонов и размеров сгустка происходит в центральной области синхроциклотрона. Фокусирующее устройство влияет, в основном, только на вертикальный спектр амплитуд и вертикальный размер сгустка 2A_Z, (где A_Z - максимальная амплитуда в спектре вертикальных бетатронных колебаний), а радиальный спектр амплитуд и радиальный размер сгустка 2A_R, (где A_R - максимальная амплитуда в спектре радиальных бетатронных колебаний) определяется процессом захвата протонов в сепаратрису и практически не зависит от параметров фокусирующего устройства. Сформированный в центре синхроциклотрона сгусток протонов с поперечными размерами 2A_Z×2A_R при дальнейшем его ускорении и увеличении энергии практически не меняет свой спектр амплитуд бетатронных колебаний и с этими же размерами достигает выводного канала. Типичные поперечные размеры сгустка в синхроциклотронах 2A_Z≈2-4 см; 2A_R≈20-40 см. Вывод ускоренного сгустка протонов из камеры синхроциклотрона для его использования осуществляется при помощи регенеративной выводной магнитной системы (выводного канала). Однако известно, что во всех синхроциклотронах с открытым ионным источником типа Пеннинга коэффициент вывода протонов из камеры ускорителя составляет величину всего 5%-30%, остальные 95%-70% протонов гибнут на элементах выводного канала: Труды II Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц М., 11-18 ноября 1970 г.; М., 1972, т.II, [4].Explain this disadvantage of the prototype in detail. The capture of protons in the mode of their acceleration by a dount and the formation of a spectrum of amplitudes of vertical and radial vibrations of protons and the size of a bunch occurs in the central region of the synchrocyclotron. The focusing device mainly affects only the vertical spectrum of amplitudes and the vertical size of the bunch 2A _Z , (where A _Z is the maximum amplitude in the spectrum of vertical betatron vibrations), and the radial spectrum of amplitudes and the radial size of the bunch 2A _R , (where A _R is the maximum the amplitude in the spectrum of radial betatron vibrations) is determined by the process of proton capture in the separatrix and is practically independent of the parameters of the focusing device. A bunch of protons with transverse dimensions 2A _Z × 2A _R formed in the center of the synchrocyclotron with its further acceleration and increase in energy practically does not change its amplitude spectrum of betatron vibrations and reaches the output channel with the same dimensions. Typical transverse clot sizes in synchrocyclotrons 2A _Z ≈ 2-4 cm; 2A _R ≈20-40 cm. The output of an accelerated proton bunch from the synchrocyclotron chamber for its use is carried out using a regenerative output magnetic system (output channel). However, it is known that in all Penning-type open-source synchrocyclotrons, the proton extraction coefficient from the accelerator chamber is only 5% -30%, the remaining 95% -70% of protons die on the elements of the output channel: Proceedings of the II All-Union meeting on charged particle accelerators M ., November 11-18, 1970; M., 1972, vol. II, [4].

Известно так же, что одной из основных причин потерь является слишком широкий спектр радиальных бетатронных колебаний протонов в сгустке. Эти потери могут быть значительно снижены, если сузить спектр радиальных колебаний протонов в ускоряемом сгустке, то есть уменьшить радиальный размер сгустка.It is also known that one of the main causes of losses is a too wide spectrum of radial betatron vibrations of protons in a bunch. These losses can be significantly reduced by narrowing the spectrum of radial vibrations of protons in an accelerated bunch, that is, by reducing the radial size of the bunch.

Таким образом, так как в устройстве-прототипе радиальный размер (эмиттанс) ускоренного сгустка в несколько раз больше радиального размера (аксептанса) выводного канала (условно называемого «окном» выводного канала), то значительная часть ускоренных протонов гибнет на элементах конструкции канала, производя его радиационную активацию: Сб. докладов XV Совещания по ускорителям заряженных частиц. Протвино 22-24 окт. 1996 г. Протвино, 1996, т.II 5]. Из-за этого недостатка уровень наведенной радиоактивности выводного канала синхроциклотрона находится вблизи предельно-допустимых значений, а дозовая нагрузка на обслуживающий персонал и необходимую радиационную защиту самого синхроциклотрона составляет существенную стоимость эксплуатации ускорителя. Важно так же отметить, что этот недостаток прототипа - является ограничивающим фактором для интенсивности синхроциклотрона. При энергии 1000 МэВ предельным с точки зрения эксплуатации ускорителя является интенсивность ~1 мкА, так как при увеличении интенсивности и, следовательно, увеличения радиационной нагрузки пришлось бы переходить на использование дистанционных манипуляторов при обслуживании радиоактивных систем синхроциклотрона.Thus, since in the prototype device the radial size (emittance) of the accelerated bunch is several times larger than the radial size (acceptance) of the output channel (conventionally called the “window” of the output channel), a significant part of the accelerated protons die on the channel structure elements, producing it radiation activation: Sat reports of the XV Conference on charged particle accelerators. Protvino October 22-24. 1996 Protvino, 1996, vol. II 5]. Due to this drawback, the level of induced radioactivity of the output channel of the synchrocyclotron is close to the maximum permissible values, and the dose load on the maintenance personnel and the necessary radiation protection of the synchrocyclotron itself is a significant cost for the operation of the accelerator. It is also important to note that this disadvantage of the prototype is a limiting factor for the intensity of the synchrocyclotron. At an energy of 1000 MeV, the intensity limit of the accelerator is ~ 1 μA, since with an increase in the intensity and, consequently, an increase in the radiation load, it would be necessary to switch to the use of remote manipulators when servicing the radioactive systems of the synchrocyclotron.

Таким образом, в синхроциклотроне при его работе с прототипом радиальный эмиттанс пучка не согласован с радиальным аксептансом выводного канала и значительно больше его, что приводит к потере значительной части протонов на элементах конструкции выводного канала и к радиационной активации выводного канала ускоряемым пучком.Thus, in the synchrocyclotron when working with the prototype, the radial emittance of the beam is not consistent with the radial acceptance of the output channel and is much larger than it, which leads to the loss of a significant part of the protons on the structural elements of the output channel and to radiation activation of the output channel by the accelerated beam.

Задача изобретения - создание нового фокусирующего устройства синхроциклотрона, которое осуществляет не только вертикальную фокусировку протонов как у прототипа, но и одновременно производит формирование и регулировку радиального размера (эмиттанса) сгустка ускоряемых протонов для согласования его с радиальным аксептансом выводного канала синхроциклотрона.The objective of the invention is the creation of a new focusing device of the synchrocyclotron, which not only vertically focuses the protons as in the prototype, but also simultaneously generates and adjusts the radial size (emittance) of the bunch of accelerated protons to match it with the radial acceptance of the output channel of the synchrocyclotron.

Технический эффект заключается в обеспечении вывода протонов из камеры ускорителя без радиационного воздействия их на выводной канал при сохранении числа выведенных протонов из камеры ускорителя, то есть при той же интенсивности пучка синхроциклотрона.The technical effect is to ensure the removal of protons from the accelerator chamber without radiating them to the output channel while maintaining the number of protons extracted from the accelerator chamber, that is, at the same intensity of the synchrocyclotron beam.

Технический эффект достигается тем, что в фокусирующем устройстве синхроциклотрона, включающем дуант, ионный источник типа Пеннинга с системой фокусирующих центрального и бокового электродов и блоками их питания, новым является то, что в устройство дополнительно вводится дефлектор, состоящий из двух пластин в форме полуколец, окружающих пластины бокового фокусирующего электрода, и вводится генератор радиоимпульсов с частотой заполнения, равной частоте бетатронных вертикальных колебаний протонов в ускоряемом сгустке, причем разнополярный выход генератора подключен к пластинам дефлектора, а его вход подключен к дуанту для временной синхронизации и включения радиоимпульса в момент нахождения между пластинами дефлектора только части сгустка протонов, имеющих большие амплитуды радиальных колебаний.The technical effect is achieved by the fact that in the focusing device of the synchrocyclotron, including the duant, a Penning-type ion source with a system of focusing central and side electrodes and their power supply units, it is new that an additional deflector is introduced into the device, consisting of two plates in the form of half rings surrounding plate of the side focusing electrode, and a radio pulse generator is introduced with a filling frequency equal to the frequency of betatron vertical oscillations of protons in an accelerated bunch, moreover, The bright output of the generator is connected to the plates of the deflector, and its input is connected to the dowant for temporary synchronization and the inclusion of a radio pulse at the moment when only part of the bunch of protons having large radial oscillation amplitudes is between the plates of the deflector.

Сущность предлагаемого устройства поясняется фигурой 1а, б, где 1а - схема устройства - вид сбоку, 1б - вид сверху.The essence of the proposed device is illustrated in figure 1a, b, where 1a is a diagram of the device is a side view, 1b is a top view.

1. Вакуумная камера синхроциклотрона.1. The vacuum chamber of the synchrocyclotron.

2. Дуант.2. The Duant.

3. Ионный источник с центральными фокусирующими электродами.3. An ion source with central focusing electrodes.

4. Боковой фокусирующий электрод.4. Side focusing electrode.

5. Пластины дефлектора.5. Deflector plates.

6. Генератор радиоимпульсов.6. The generator of radio pulses.

7. Цепь синхронизации генератора радиоимпульсов 6 с дуантом 2.7. The synchronization circuit of the generator of radio pulses 6 with 2.

8. Разнополярные выходы генератора 6 подключены к пластинам дефлектора 5.8. The bipolar outputs of the generator 6 are connected to the plates of the deflector 5.

9. Положение и размер ускоряемого сгустка протонов в момент подачи радиоимпульса t*. (Заштрихованная часть сгустка - протоны подвергающиеся воздействию дефлектора и выбывающие из ускоряемого сгустка).9. The position and size of the accelerated proton bunch at the moment of supply of the radio pulse t *. (The shaded part of the bunch is the protons exposed to the deflector and dropping from the accelerated bunch).

10. Положение и размер сгустка протонов, продолжающих дальнейшее ускорение.10. The position and size of the proton bunch, continuing further acceleration.

11. Направление выведенных протонов из камеры синхроциклотрона 1.11. The direction of the extracted protons from the chamber of the synchrocyclotron 1.

12. Схематическое изображение радиоимпульса, подаваемого на пластины дефлектора 5, вырабатываемого генератором радиоимпульсов 6.12. A schematic representation of a radio pulse supplied to the plates of the deflector 5 produced by the radio pulse generator 6.

13. Схематическое изображение выводного канала.13. Schematic representation of the output channel.

На Фиг.1 введены следующие обозначения.Figure 1 introduced the following notation.

0 - центр симметрии магнитного поля синхроциклотрона.0 is the center of symmetry of the magnetic field of the synchrocyclotron.

XYZ - система координат.XYZ - coordinate system.

OXY - медианная плоскость магнитного поля ускорителя.OXY is the median plane of the accelerator’s magnetic field.

R - радиус ускорения.R is the acceleration radius.

R_дф - радиус дефлекторных пластин 5.R _df is the radius of the deflector plates 5.

b - ширина пластин дефлектора 5.b is the width of the plates of the deflector 5.

R₀(t) - равновесный радиус сгустка (центр сгустка) в момент времени I его ускорения.R ₀ (t) is the equilibrium radius of the bunch (center of the bunch) at time I of its acceleration.

A_Z - максимальная амплитуда вертикальных бетатронных колебаний протонов в сгустке.A _Z is the maximum amplitude of the vertical betatron vibrations of protons in a bunch.

2A_Z - вертикальный размер сгустка.2A _Z - the vertical size of the bunch.

A_R - максимальная амплитуда радиальных бетатронных колебаний протонов в сгустке.A _R is the maximum amplitude of radial betatron vibrations of protons in a bunch.

2A_R - радиальный размер сгустка.2A _R is the radial size of the bunch.

2a_R - радиальный размер сгустка 10 продолжающего ускорение после подачи на дефлекторные пластины 5 радиоимпульса 12.2a _R is the radial size of the bunch 10 continuing acceleration after applying to the deflector plates 5 of the radio pulse 12.

U_дФ - амплитуда напряжения на пластинах дефлектора 5.U _dF - voltage amplitude on the plates of the deflector 5.

f_дф - частота напряжения радиоимпульса 12, подаваемого на пластины дефлектора 5.f _df is the frequency of the voltage of the radio pulse 12 supplied to the plate of the deflector 5.

f_Z - частота вертикальных колебаний протонов.f _Z - the frequency of vertical oscillations of protons.

t - текущее время ускорения сгусткаt is the current time of acceleration of the bunch

t* - момент времени появления радиоимпульса 12 на пластинах дефлектора 5.t * is the time instant of the appearance of the radio pulse 12 on the plates of the deflector 5.

τ - длительность радиоимпульса 12.τ is the duration of the radio pulse 12.

Предлагаемое фокусирующее устройство (Фиг.1) состоит из находящихся в вакуумной камере 1 дуанта 2, ионного источника 3, и фокусирующих центрального 3 и бокового 4 электродов. (Система их крепления и питания на Фиг.1 не показаны).The proposed focusing device (Figure 1) consists of a deant 2 located in the vacuum chamber 1, an ion source 3, and focusing central 3 and side 4 electrodes. (The system of their fastening and power are not shown in FIG. 1).

В эту фокусирующую систему дополнительно введен дефлектор 5. Дефлектор 5 состоит из двух пластин в виде полуколец, окружающих боковой фокусирующий электрод 4. (Схема его крепления на Фиг.1 не показана).A deflector 5 is additionally introduced into this focusing system. The deflector 5 consists of two plates in the form of half rings surrounding the lateral focusing electrode 4. (The attachment diagram of it in FIG. 1 is not shown).

В фокусирующую систему введен также генератор радиоимпульсов 6, причем, частота заполнения радиоимпульсов равна частоте бетатронных вертикальных колебаний протонов в ускоряемом сгустке. Разнополярные выходы 8 генератора 6 подключены к пластинам дефлектора 5. Вход генератора 6 подключен к дуанту 2 для временной синхронизации работы генератора 6 с циклом работы и частотной ВЧ-программы дуанта 2.A radio pulse generator 6 is also introduced into the focusing system; moreover, the filling frequency of the radio pulses is equal to the frequency of the betatron vertical oscillations of the protons in the accelerated bunch. The bipolar outputs 8 of the generator 6 are connected to the plates of the deflector 5. The input of the generator 6 is connected to the dual 2 to temporarily synchronize the operation of the generator 6 with the cycle and the frequency RF program of the dual 2.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

При каждом ускорительном цикле в вакуумной камере сихроциклотрона 1 формируется ускоряемый сгусток (банч) протонов. Формирование сгустка происходит в центральной области медианной плоскости ОХУ на радиусах 5-15 см в результате действия фокусирующих сил магнитного поля и электростатических полей при работе ионного источника с центральными фокусирующими электродами 3, бокового фокусирующего электрода 4 и ВЧ- поля дуанта 2.At each accelerating cycle, an accelerated bunch (bunch) of protons is formed in the vacuum chamber of the synchrocyclotron 1. The formation of a bunch occurs in the central region of the median plane of OXU at radii of 5-15 cm as a result of the action of the focusing forces of the magnetic field and electrostatic fields when the ion source operates with the central focusing electrodes 3, the lateral focusing electrode 4, and the RF field of the duant 2.

Размеры этого сгустка 2A_Z≈2-4 см, 2A_R≈20-40 см., угловой размер Δφ≈40-60°. В процессе его дальнейшего ускорения дуантом 2 и движения по радиусу R размеры сгустка практически не меняются.The size of this bunch is 2A _Z ≈ 2-4 cm, 2A _R ≈20-40 cm, angular size Δφ≈40-60 °. In the process of its further acceleration by the second 2 and movement along the radius R, the size of the bunch practically does not change.

В некоторый момент времени цикла ускорения t* центр сгустка достигает радиуса R₀(t*) превышающего радиус дефлекторных пластин R_дф и сгусток занимает положение 9, при котором только его левая заштрихованная часть будет находится между пластинами дефлектора 5. В этот момент t* на дефлекторные пластины 5 подается радиоимпульс 12, вырабатываемый генератором радиоимпульсов 6. Форма этого радиоимпульса 12 условно показана на Фиг.1б. Между пластинами дефлектора 5 возникает высокочастотное электрическое поле, которое воздействует на протоны, находящиеся в заштрихованных частях сгустка 9, как слева так и справа от его центра R₀. Так как частота заполнения радиоимпульса f_дф выбрана равной частоте вертикальных бетатронных колебаний протонов в сгустке f_Z, то это воздействие носит резонансный характер, амплитуды вертикальных колебаний протонов в заштрихованных областях сгустка 9 увеличиваются, и протоны попадают на пластины дефлектора 5 и выбывают из процесса дальнейшего ускорения. Сгусток оставшихся протонов 10 с укороченным радиальным размером 2a_R продолжает дальнейшее ускорение, достигает выводного канала 13 и практически без потерь и радиационного воздействия на выводной канал сгусток выводится из камеры ускорителя по направлению 11.At some point in the acceleration cycle t *, the center of the bunch reaches a radius R ₀ (t *) exceeding the radius of the deflector plates R _df and the bunch occupies position 9, in which only its left shaded part will be between the plates of the deflector 5. At this moment t * on the deflector plates 5 are supplied with a radio pulse 12 generated by a radio pulse generator 6. The shape of this radio pulse 12 is conventionally shown in Fig. 1b. Between the plates of the deflector 5, a high-frequency electric field arises, which acts on the protons located in the hatched parts of the bunch 9, both to the left and to the right of its center R ₀ . Since the filling frequency of the radio pulse f _{df is} chosen equal to the frequency of vertical betatron vibrations of protons in the bunch f _Z , this effect is resonant in nature, the amplitudes of the vertical vibrations of protons in the shaded areas of the bunch 9 increase, and the protons fall on the plates of the deflector 5 and drop out of the process of further acceleration . A bunch of the remaining protons 10 with a shortened radial size of 2a _R continues to further accelerate, reaches the output channel 13 and with virtually no loss and radiation exposure to the output channel, the bunch is removed from the accelerator chamber in direction 11.

Поясним работу предлагаемого устройства подробно.Let us explain the operation of the proposed device in detail.

Известно, что ускоряемый в синхроциклотроне сгусток протонов имеет равновесный радиус R₀, положение которого однозначно связано с параметрами магнитного поля ускорителя и частотой ускоряющего поля дуанта f₀(t). Ускоряемый сгусток вращается вокруг центра ускорителя 0 по спирали с частотой обращения, равной частоте дуанта f₀(t), и по мере продвижения по радиусу R увеличивает свою энергию. «Основы физики и техники ускорителей». М., Энергоатомиздат, 1991 г. [6],It is known that a proton bunch accelerated in a synchrocyclotron has an equilibrium radius R ₀ , the position of which is unambiguously related to the parameters of the accelerator’s magnetic field and the frequency of the decelerating accelerating field f ₀ (t). The accelerated bunch rotates around the center of accelerator 0 in a spiral with a revolution frequency equal to the frequency of the douant f ₀ (t), and as it moves along the radius R it increases its energy. "Fundamentals of physics and technology of accelerators." M., Energoatomizdat, 1991 [6],

Протоны в ускоряемом сгустке совершают свободные гармонические колебания около равновесного радиуса (центра сгустка) R₀ как в вертикальном Z, так и горизонтальном R направлениях, которые называются бетатронными колебаниями. В синхроциклотроне эти колебания независимы друг от друга. Частоты этих колебаний связаны с параметрами магнитного поля и частотой дуанта известными соотношениями

,

, где n(R) - показатель спада магнитного поля. Спектр амплитуд бетатронных колебаний формируется в центральной области ускорителя и определяет размеры сгустка 2A_R×2A_Z, где A_R и A_Z - максимальные радиальные и вертикальные амплитуды колебаний протонов в ускоряемом сгустке. В процессе дальнейшего ускорения сгустка эти размеры остаются практически неизменными. Все выше перечисленные величины известны и могут быть определены экспериментально.Protons in an accelerated bunch make free harmonic oscillations near the equilibrium radius (center of the bunch) R ₀ both in the vertical Z and horizontal R directions, which are called betatron vibrations. In the synchrocyclotron, these oscillations are independent of each other. The frequencies of these oscillations are related to the parameters of the magnetic field and the frequency of the douant by the known relations

,

where n (R) is the index of magnetic field decline. The amplitude spectrum of betatron vibrations is formed in the central region of the accelerator and determines the size of the bunch 2A _R × 2A _Z , where A _R and A _Z are the maximum radial and vertical amplitudes of proton vibrations in the accelerated bunch. In the process of further acceleration of the bunch, these sizes remain almost unchanged. All of the above values are known and can be determined experimentally.

Известно, что если весь сгусток в процессе его ускорения и движения по радиусу R полностью попадает в электрическое поле дефлекторных пластин 5, на которые подано напряжение в виде радиоимпульса 12 с частотой заполнения, равной частоте вертикальных колебаний протонов в сгустке f_дф=f_z, то все протоны в сгустке подвергаются резонансной вертикальной раскачке, увеличивают свои амплитуды вертикальных колебаний, попадают на пластины дефлектора и все выбывают из дальнейшего ускорения: Авт. свид. №997593 [7].It is known that if the entire bunch in the process of its acceleration and movement along the radius R completely falls into the electric field of the deflector plates 5, to which a voltage is applied in the form of a radio pulse 12 with a filling frequency equal to the frequency of proton vertical vibrations in the bunch f _df = f _z , then all protons in a bunch undergo resonant vertical buildup, increase their amplitudes of vertical vibrations, fall on the deflector plates and all drop out of further acceleration: Auth. testimonial. No. 997593 [7].

В предлагаемом устройстве не все протоны, а только часть протонов из заштрихованных частей сгустка 9, имеющих большие амплитуды, подвергается резонансному воздействию дефлектором 5 и выбывает из дальнейшего ускорения. Это происходит следующим образом.In the proposed device, not all protons, but only part of the protons from the shaded parts of the bunch 9, having large amplitudes, are subjected to resonance action by the deflector 5 and are eliminated from further acceleration. This happens as follows.

Радиоимпульс 12 подается на пластины дефлектора 5 в тот момент t*, когда центр сгустка R₀(t*) находится за радиусом пластин дефлектора R_дф, а между пластинами в электрическом поле дефлектора 5 будет находиться только заштрихованная левая часть сгустка 9, имеющая амплитуды радиальных колебаний протонов больше амплитуд a_R, необходимых для вывода.The radio pulse 12 is fed to the plates of the deflector 5 at the moment t *, when the center of the bunch R ₀ (t *) is outside the radius of the plates of the deflector R _df , and between the plates in the electric field of the deflector 5 there will be only the shaded left side of the bunch 9, with radial amplitudes The proton vibrations are larger than the amplitudes a _R necessary for the derivation.

Однако, так как протоны в сгустке одновременно с вертикальными Z-колебаниями независимо совершают и радиальные R-колебания относительно центра сгустка 0, то резонансному воздействию подвергаются не только протоны в левой, но и в правой заштрихованной части сгустка 9. В результате такого воздействия дефлектора сгусток укорачивается по радиусу с двух сторон, а протоны, имеющие большие амплитуды R - колебаний попадают на пластины дефлектора и выбывают из дальнейшего ускорения.However, since the protons in the bunch simultaneously with vertical Z-oscillations independently make radial R-oscillations relative to the center of the bunch 0, not only the protons in the left, but also in the right hatched part of bunch 9 are subjected to resonant influence. As a result of such exposure to the deflector, the bunch it is shortened along the radius on both sides, and protons having large amplitudes of R - vibrations fall on the deflector plates and drop out of further acceleration.

Таким образом, сформированный и укороченный по радиусу R от размера 2A_R до размера 2a_R сгусток 10 продолжает дальнейшее ускорение, достигает выводного канала 13 и практически без потерь и радиационного воздействия на канал выводится наружу из камеры ускорителя по направлению 11.Thus, the bunch 10 formed and shortened along the radius R from size 2A _R to size 2a _R continues to accelerate further, reaches output channel 13 and, with almost no loss and radiation exposure, is brought out of the accelerator chamber outward in direction 11.

Момент времени t* подачи радиоимпульса на дефлектор 5 определяется следующим способом. Вход генератора радиоимпульсов 6 подключен к дуанту 2 цепью 7 для временной синхронизации работы генератора 6 с циклами работы и частотой ВЧ-программы дуантов. Так как радиальное положение сгустка однозначно связано с частотой дуанта R₀=R₀(f₀), то генератор 6 «следит» за частотой дуанта f₀(t) и в нужный момент t* «включает» радиоимпульс 12 на пластины дефлектора 5. Этот момент t* зависит от спектра амплитуд радиальных колебаний протонов в сгустке и подбирается экспериментально по минимуму сигнала потерь от выводного канала.The time t * supply of the radio pulse to the deflector 5 is determined in the following way. The input of the radio pulse generator 6 is connected to the dual 2 circuit 7 to temporarily synchronize the operation of the generator 6 with the cycles and frequency of the RF program of the dees. Since the radial position of the bunch is uniquely related to the frequency of the douint R ₀ = R ₀ (f ₀ ), the generator 6 “monitors” the frequency of the douint f ₀ (t) and at the right time t * “turns on” the radio pulse 12 on the plates of the deflector 5. This moment t * depends on the spectrum of amplitudes of the proton radial vibrations in the bunch and is selected experimentally from the minimum loss signal from the output channel.

Таким образом, в предлагаемом фокусирующем устройстве при помощи введенных дефлектора 5 и генератора радиоимпульсов 6 производится «отсечение» лишней части спектра больших амплитуд радиальных колебаний и формируется необходимый радиальный размер сгустка (2a_R), эмиттанс которого соответствует аксептансу выводного канала для вывода его без потерь.Thus, in the proposed focusing device, using the introduced deflector 5 and the radio pulse generator 6, the excess part of the spectrum of large radial oscillation amplitudes is “cut off” and the necessary radial bunch size (2a _R ) is formed, the emittance of which corresponds to the acceptance of the output channel for lossless output.

Преимущества предлагаемого устройства выгодно отличают его от прототипа и всех известных аналогичных ему устройств.The advantages of the proposed device compares it favorably with the prototype and all known devices similar to it.

Предлагаемое фокусирующее устройство прошло макетные испытания в ФГБУ ПИЯФ им. Б.П. Константинова на синхроциклотроне 1000 МэВ.The proposed focusing device passed prototype tests at the FSBI PNPI named after B.P. Konstantinov at the synchrocyclotron 1000 MeV.

Приводим необходимые параметры синхроциклотрона ПИЯФ [7] и расчетные параметры предлагаемого фокусирующего устройства.We give the necessary parameters of the PNPI synchrocyclotron [7] and the calculated parameters of the proposed focusing device.

Диаметр полюса магнита - 685 смThe diameter of the magnet pole is 685 cm

Зазор между полюсами - 50 смThe gap between the poles - 50 cm

Показатель спада n≈0,01Decline indicator n≈0.01

Частота дуанта f₀(t)=30-13 МГц.The frequency of the duant f ₀ (t) = 30-13 MHz.

Интенсивность - 1,8 10¹³ протон/сIntensity - 1.8 10 ¹³ proton / s

Размеры сгустка - по радиусу 2A_R≈32 см, по вертикали 2A_Z≈4 см, по азимуту ~30°-40°.The size of the bunch is along the radius 2A _R ≈32 cm, along the vertical 2A _Z ≈4 cm, along the azimuth ~ 30 ° -40 °.

Частота дуанта на радиусе дефлектора f₀(R_дф)≈28 МГЦDee frequency f deflector at the radius ₀ (R _DB) ≈28 MHz

Радиус дефлектора R_дф≈30 смDeflector radius R _df ≈30 cm

Ширина дефлектора - 6 смDeflector width - 6 cm

Зазор между пластинами дефлектора - 6 смThe gap between the deflector plates - 6 cm

Параметры радиоимпульса:Pulse parameters:

Амплитуда U_дф - до 300 В.Amplitude U _df - up to 300 V.

Частота заполнения радиоимпульса - f_Z=3 МГцRadio pulse filling frequency - f _Z = 3 MHz

Девиация частоты заполнения - 5% f_Z.The filling frequency deviation is 5% f _Z.

Длительность радиоимпульса τ≈0,5 мсDuration of a radio pulse τ≈0.5 ms

В ФГБУ «ПИЯФ» ведутся работы по внедрению предлагаемого устройства в постоянную эксплуатацию.In FSBI PNPI, work is underway to introduce the proposed device into continuous operation.

Источники информацииInformation sources

1. Данилов В.И. и др. «Фокусирующее устройство». Труды международной конференции по ускорителям, Дубна, 1963, М, «Атомиздат», 1964, с.591-594. Аналог.1. Danilov V.I. and others. "Focusing device." Proceedings of the international conference on accelerators, Dubna, 1963, M, Atomizdat, 1964, p. 591-594. The analogue.

2. Абросимов Н.К. и др. «Фокусирующее устройство синхроциклотрона». А.С. 743243. Прототип.2. Abrosimov N.K. and others. "Focusing device synchrocyclotron." A.S. 743243. The prototype.

3. Абросимов Н.К. и др. «Увеличение интенсивности пучка синхроциклотрона ПИЯФ им. Б.П. Константинова АНСССР за счет улучшения электростатической фокусировки в центральной области». Труды VI Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 11-13 окт., 1978, М, 1979, т.1, с.277-280.3. Abrosimov N.K. et al. "An increase in the beam intensity of the PNPI synchrocyclotron B.P. Konstantinova ANSSSR due to the improvement of electrostatic focusing in the central region. " Proceedings of the VI All-Union meeting on charged particle accelerators. Dubna, October 11-13, 1978, M, 1979, v. 1, pp. 277-280.

4. Абросимов Н.К. и др. «Вывод протонного пучка синхроциклотрона ФТИ АН СССР на энергию 1 ГэВ». Труды II Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. М., 11-18 ноября 1970 г., М, 1972, т.II, с.182-184.4. Abrosimov N.K. et al. “Conclusion of the proton beam of the synchrocyclotron of the Physicotechnical Institute of the Academy of Sciences of the USSR to an energy of 1 GeV”. Proceedings of the II All-Union meeting on charged particle accelerators. M., November 11-18, 1970, M, 1972, vol. II, pp. 182-184.

5. Миронов Ю.Т. «Радиационные последствия потерь пучка протонов с энергией 1ГэВ». Сборник докладов XV Совещания по ускорителям заряженных частиц. Протвино, 22-24 окт. 1996 г. Протвино, 1996, т.II, с.275-278.5. Mironov Yu.T. “Radiation consequences of the loss of a proton beam with an energy of 1 GeV.” Collection of reports of the XV Conference on charged particle accelerators. Protvino, October 22-24. 1996 Protvino, 1996, vol. II, p. 275-278.

6. Лебедев А.Н. и др. «Основы физики и техники ускорителей». М., Энергоатомиздат, 1991 г.6. Lebedev A.N. and others. "Fundamentals of physics and technology of accelerators." M., Energoatomizdat, 1991

7. Абросимов Н.К. и др. «Способ формирования импульса вторичных частиц на внутренних мишенях синхроциклотрона». А.С. 997593, опубл. Бюллетень №25, ч.II, с.433, 2000 г.7. Abrosimov N.K. and others. "A method of forming a pulse of secondary particles on the internal targets of the synchrocyclotron." A.S. 997593, publ. Bulletin No. 25, part II, p. 433, 2000

8. Г.Ф. Михеев. «Синхроциклотрон на энергию протонов 1 ГэВ ПИЯФ РАН». Библиография. Гатчина. 2000 г.8. G.F. Mikheev. "Synchrocyclotron on the proton energy of 1 GeV PNPI RAS". Bibliography. Gatchina. 2000 year

Claims (1)

Фокусирующее устройство синхроциклотрона, включающее дуант, ионный источник типа Пеннинга с системой фокусирующих центрального и бокового электродов и блоками их питания, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введен дефлектор, состоящий из двух пластин в форме полуколец, окружающих пластины бокового фокусирующего электрода, и введен генератор радиоимпульсов с частотой заполнения, равной частоте бетатронных вертикальных колебаний протонов в ускоряемом сгустке, причем разнополярный выход генератора подключен к пластинам дефлектора, а его вход подключен к дуанту, обеспечивая включение радиоимпульса в момент нахождения между пластинами дефлектора только части сгустка протонов с большими амплитудами радиальных колебаний.

A synchrocyclotron focusing device including a duant, a Penning type ion source with a system of focusing central and side electrodes and their power supply units, characterized in that an additional deflector is introduced into the device, consisting of two half-ring plates surrounding the side focusing electrode plates, and a generator is introduced radio pulses with a filling frequency equal to the frequency of the betatron vertical oscillations of protons in an accelerated bunch, and the generator’s bipolar output is connected to the plates of the reflector, and its input is connected to the dowant, ensuring the inclusion of the radio pulse at the moment when only part of the proton bunch with large amplitudes of radial vibrations is between the deflector plates.

Images