RU2044421C1 - Process of change of value of velocity of charged particles and device for its realization - Google Patents

Process of change of value of velocity of charged particles and device for its realization Download PDF

Info

Publication number
RU2044421C1
RU2044421C1 SU5017572A RU2044421C1 RU 2044421 C1 RU2044421 C1 RU 2044421C1 SU 5017572 A SU5017572 A SU 5017572A RU 2044421 C1 RU2044421 C1 RU 2044421C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
velocity
charged particles
particle
particles
magnetic field
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Александрович Винокуров
Original Assignee
Валерий Александрович Винокуров
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Валерий Александрович Винокуров filed Critical Валерий Александрович Винокуров
Priority to SU5017572 priority Critical patent/RU2044421C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2044421C1 publication Critical patent/RU2044421C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Particle Accelerators (AREA)

Abstract

FIELD: acceleration equipment. SUBSTANCE: in compliance with proposed process injection of charged particles and change of their velocity are performed under action of permanent magnetic field created by system of current distribution with passing over calculated path determined by solving of system of equations. Device for change of velocity of charged particles realizing proposed process has vacuum chamber in the form of cylinder with butt walls made from material with high magnetic permeability. Channels for input and output of particles are made in center of butt wall of chamber in its side surface. Change of value of velocity of particles is conducted by field generated by solenoid which symmetry axis matches that of cylinder. Its use instead of traditional methods of acceleration with electrical field of permanent makes it possible to reduce linear dimensions and cost of accelerator by factor of 102-103. EFFECT: reduced linear dimensions and cost. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в устройствах, содержащих пучки движущихся заряженных частиц. The invention relates to accelerator technology and can be used in devices containing beams of moving charged particles.

Современная ускорительная техника строится, исходя из того физического принципа, что изменение величины скорости частицы (в данном случае под величиной скорости понимается модуль вектора скорости) производится только электрическим полем, постоянным или переменным; магнитное же поле не может изменять величину вектора скорости, а следовательно, и кинетическую энергию частицы. Поэтому в существующих устройствах используются следующие типы ускорения: высоковольтное ускорение электростатическим полем (электростатические ускорители); индукционное ускорение, когда электрическое поле возникает по закону индукции при изменении магнитного поля (бетатроны, линейные индукционные ускорители); резонансное ускорение электрическим полем (циклотроны, фазотроны, изохронные циклотроны, микротроны, синхротроны, линейные резонансные ускорители). Modern accelerator technology is built on the basis of the physical principle that a change in the particle velocity (in this case, velocity means the modulus of the velocity vector) is made only by an electric field, constant or variable; the magnetic field cannot change the magnitude of the velocity vector, and hence the kinetic energy of the particle. Therefore, the following types of acceleration are used in existing devices: high-voltage acceleration by an electrostatic field (electrostatic accelerators); induction acceleration, when an electric field arises according to the law of induction when the magnetic field changes (betatrons, linear induction accelerators); resonant acceleration by an electric field (cyclotrons, phasotrons, isochronous cyclotrons, microtrons, synchrotrons, linear resonant accelerators).

В существующих устройствах ускорение осуществляется воздействием электромагнитного поля на заряженную частицу. Устройство для ускорения заряженных частиц состоит из следующих основных компонентов: вакуумной камеры, в которой cоздают электромагнитное поле заданной конфигурации, системы ввода заряженных частиц в вакуумную камеру и системы вывода ускоренных частиц из камеры. Заряженные частицы вводят в вакуумную камеру с помощью системы ввода, пропускают через вакуумную камеру, в которой производят их ускорение электромагнитным полем, и ускоренный пучок заряженных частиц выводят с помощью системы вывода. In existing devices, acceleration is carried out by the action of an electromagnetic field on a charged particle. A device for accelerating charged particles consists of the following main components: a vacuum chamber in which an electromagnetic field of a given configuration is created, a system for introducing charged particles into a vacuum chamber, and a system for removing accelerated particles from the chamber. Charged particles are introduced into a vacuum chamber using an input system, passed through a vacuum chamber in which they are accelerated by an electromagnetic field, and an accelerated beam of charged particles is removed using an output system.

Наибольшие значения энергии ускоряемых частиц достигаются в настоящее время на циклических ускорителях типа синхротрона. The highest energies of accelerated particles are currently achieved with cyclic accelerators of the synchrotron type.

В синхротроне ускоряемые заряженные частицы движутся по фиксированной замкнутой траектории, близкой к окружности. Вдоль траектории движения установлены секции с магнитами, служащими для удержания частиц на траектории и частично для их индукционного ускорения, и резонаторы, электрическое поле которых сообщает заряженной частице импульс вдоль траектории. Для получения нужной степени ускорения частица совершает десятки и сотни тысяч оборотов по замкнутой траектории. Радиус орбиты оценивается по формуле
R

Figure 00000001
Figure 00000002
1-
Figure 00000003
(1) где v величина скорости частицы;
с скорость света;
m масса покоя;
e заряд частицы;
B индукция магнитного поля.In a synchrotron, accelerated charged particles move along a fixed closed path close to a circle. Along the motion trajectory, sections with magnets are installed, which serve to hold particles on the trajectory and partially for their induction acceleration, and resonators, the electric field of which gives a charged particle an impulse along the trajectory. To obtain the desired degree of acceleration, the particle makes tens and hundreds of thousands of revolutions along a closed path. The radius of the orbit is estimated by the formula
R
Figure 00000001
Figure 00000002
1-
Figure 00000003
(1) where v is the particle velocity;
with the speed of light;
m rest mass;
e is the particle charge;
B induction of a magnetic field.

Синхротрон АРУС использует на входе электроны с энергией 80 МэВ и дает на выходе электроны с энергией 7 ГэВ. Средний радиус ускорителя 34,49 м, общая масса железа электромагнита 400 Т, масса меди основной обмотки 25 Т, индукция магнитного поля от 6,6˙ 10-3 Тл в начале цикла ускорения и до 0,79 Тл в конце. Используемая мощность постоянного тока 1,4 МВт. На траектории установлено 24 резонатора с частотой 132,79±0,5 МГц. Электрон совершает более 20000 оборотов при ускорении.The ARUS synchrotron uses electrons with an energy of 80 MeV at the input and gives electrons with an energy of 7 GeV at the output. The average accelerator radius is 34.49 m, the total mass of electromagnet iron is 400 T, the mass of copper of the main winding is 25 T, the magnetic field induction is from 6.6 ˙ 10 -3 T at the beginning of the acceleration cycle and up to 0.79 T at the end. Used DC power 1.4 MW. 24 resonators with a frequency of 132.79 ± 0.5 MHz were installed on the trajectory. An electron makes more than 20,000 revolutions during acceleration.

В качестве прототипа выбран синхротрон ИФВЭ, использующий на входе протоны с энергией 100 МэВ и дающий на выходе протоны с энергией 70 ГэВ. Эффективный радиус траектории 194,12 м, общая масса стали электромагнита 20000 Т, масса алюминия в обмотках 700 Т, индукция магнитного поля от 7,6 ˙10-3 до 1,2 Тл. Диапазон изменения частоты 2,5: 6,1 МГц при нестабильности 1˙10-6 в районе критической энергии. Протон совершает 420 тыс.оборотов при ускорении.The IHEP synchrotron was selected as a prototype. It uses protons with an energy of 100 MeV at the input and gives protons with an energy of 70 GeV at the output. The effective radius of the trajectory is 194.12 m, the total mass of the steel of the electromagnet is 20,000 T, the mass of aluminum in the windings is 700 T, the magnetic field induction is from 7.6 ˙ 10 -3 to 1.2 T. The frequency range is 2.5: 6.1 MHz with an instability of 1-10 -6 in the region of critical energy. The proton makes 420 thousand revolutions during acceleration.

Конструкция синхротрона обладает следующими принципиальными недостатками:
1. При фиксированной достижимой в машине величине индукции магнитного поля В радиус траектории неограниченно возрастает согласно формуле (1) при приближении скорости частицы v к скорости света. Поэтому линейные размеры ускорителей АРУС и серпуховского десятки и сотни метров, а у ускорителей следующего поколения километры, что влечет увеличение веса и стоимости машин.The design of the synchrotron has the following fundamental disadvantages:
1. For a fixed magnitude of magnetic field induction B achievable in the machine, the radius of the trajectory increases unlimitedly according to formula (1) as the particle velocity v approaches the speed of light. Therefore, the linear dimensions of the ARUS and Serpukhov accelerators are tens and hundreds of meters, and the next-generation accelerators have kilometers, which entails an increase in the weight and cost of cars.

2. Дискретность подготовки пучков, что снижает выходной ток пучка. 2. Discreteness of preparation of the beams, which reduces the output current of the beam.

3. Резонансный характер ускорения с большим числом оборотов частицы на фиксированной траектории увеличивает длину пути ускорения частицы (порядка 4 тыс.км в АРУС и 623 тыс. км в серпуховском ускорителе) и время ускорения. 3. The resonance nature of acceleration with a large number of particle revolutions on a fixed trajectory increases the length of the particle acceleration path (of the order of 4 thousand km in the ARUS and 623 thousand km in the Serpukhov accelerator) and the acceleration time.

4. Резонансный характер ускорения с многократным прохождением одной замкнутой траектории влечет высокие требования к точности выполнения элементов системы, точности поддержания конфигурации магнитного поля и частоте ускоряющего поля. 4. The resonance nature of acceleration with multiple passage of one closed path entails high requirements for the accuracy of the system elements, the accuracy of maintaining the magnetic field configuration and the frequency of the accelerating field.

5. Синхротрон требует мощной, сложной и точной высокочастотной системы, питающей ускоряющие резонаторы. 5. The synchrotron requires a powerful, complex and accurate high-frequency system that feeds the accelerating resonators.

В результате использования предложенного технического решения появляется возможность значительно уменьшить линейные размеры и массу ускорителя и снизить его стоимость. As a result of using the proposed technical solution, it becomes possible to significantly reduce the linear dimensions and mass of the accelerator and reduce its cost.

В соответствии с предложенным способом изменения скорости заряженных частиц в качестве электромагнитного поля, изменяющего величину скорости заряженных частиц, используют постоянное магнитное поле, создаваемое системой протекающих токов, а траекторию движения частиц определяют путем решения системы уравнений Эйлера для функции Лагранжа вида
L -mc

Figure 00000004
+e
Figure 00000005
,
Figure 00000006
(2)
<
Figure 00000007
,
Figure 00000008
>
Figure 00000009
Figure 00000010
- скалярное произведение векторов
Figure 00000011
,
Figure 00000012

Figure 00000013
A(
Figure 00000014
,
Figure 00000015
)- функция вида
Figure 00000016
(
Figure 00000017
,
Figure 00000018
)
Figure 00000019
∫
Figure 00000020
Figure 00000021
(
Figure 00000022
)
Figure 00000023
dy1dy2dy3 (3) где
Figure 00000024
вектор скорости заряженной частицы;
Figure 00000025
вектор координаты частицы;
Figure 00000026
(
Figure 00000027
) объемная плотность токов, создавших постоянное магнитное поле;
Figure 00000028
= (y1, y2,y3) переменная интегрирования, а интегрирование производится по всей области v3, содержащей токи.In accordance with the proposed method for changing the speed of charged particles, a constant magnetic field created by a system of flowing currents is used as an electromagnetic field that changes the speed of charged particles, and the particle trajectory is determined by solving the system of Euler equations for the Lagrange function of the form
L-mc
Figure 00000004
+ e
Figure 00000005
,
Figure 00000006
(2)
<
Figure 00000007
,
Figure 00000008
>
Figure 00000009
Figure 00000010
- scalar product of vectors
Figure 00000011
,
Figure 00000012

Figure 00000013
A (
Figure 00000014
,
Figure 00000015
) is a function of the form
Figure 00000016
(
Figure 00000017
,
Figure 00000018
)
Figure 00000019
∫
Figure 00000020
Figure 00000021
(
Figure 00000022
)
Figure 00000023
dy 1 dy 2 dy 3 (3) where
Figure 00000024
charged particle velocity vector;
Figure 00000025
particle coordinate vector;
Figure 00000026
(
Figure 00000027
) bulk density of currents that create a constant magnetic field;
Figure 00000028
= (y 1 , y 2, y 3 ) is the integration variable, and integration is performed over the entire region v 3 containing currents.

Одним из частных случаев реализации предложенного способа является устройство для изменения скорости заряженных частиц, содержащее вакуумную камеру в форме цилиндра с торцевыми стенками, изготовленными из материала с высокой магнитной проницаемостью. Каналы ввода и вывода частиц из вакуумной камеры расположены в центре торцевой стенки камеры и на ее боковой стенке. Ускорение частиц производится постоянным магнитным полем, генерируемым соленоидом, установленным таким образом, что ось симметрии соленоида совпадает с осью симметрии цилиндра. One of the special cases of the implementation of the proposed method is a device for changing the speed of charged particles, containing a vacuum chamber in the form of a cylinder with end walls made of a material with high magnetic permeability. Particle entry and exit channels from the vacuum chamber are located in the center of the chamber end wall and on its side wall. Particles are accelerated by a constant magnetic field generated by a solenoid, set in such a way that the axis of symmetry of the solenoid coincides with the axis of symmetry of the cylinder.

Предлагаемый способ изменения величины скорости заряженных частиц основывается на полученном на основе анализа системы уравнений Максвелла новом более точном законе взаимодействия движущихся зарядов. Движение частицы в постоянном магнитном поле, создаваемом распределением токов с плотностью

Figure 00000029
(
Figure 00000030
), описывается следующей функцией Лагранжа в системе СГС:
L -mc
Figure 00000031
+e
Figure 00000032
,
Figure 00000033
где
Figure 00000034
Figure 00000035
Figure 00000036
скорость частицы,
Figure 00000037
Figure 00000038
/c,
Figure 00000039
A(
Figure 00000040
,
Figure 00000041
) функция вида
Figure 00000042
(
Figure 00000043
,
Figure 00000044
)
Figure 00000045
∫
Figure 00000046
Figure 00000047
(
Figure 00000048
)
Figure 00000049
dy1dy2dy3
Уравнения Эйлера для функции Лагранжа (2) есть система трех обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка
Figure 00000050
Figure 00000051
+
Figure 00000052
Aα+
Figure 00000053
Figure 00000054
,
Figure 00000055
Figure 00000056
= e
Figure 00000057
,
Figure 00000058
Figure 00000059
, α ∈
Figure 00000060
(4) где
Figure 00000061
= (x1,x2, x3).The proposed method for changing the velocity of charged particles is based on a new, more accurate law of the interaction of moving charges obtained on the basis of the analysis of the Maxwell system of equations. Particle motion in a constant magnetic field created by the distribution of currents with a density
Figure 00000029
(
Figure 00000030
), is described by the following Lagrange function in the GHS system:
L-mc
Figure 00000031
+ e
Figure 00000032
,
Figure 00000033
Where
Figure 00000034
Figure 00000035
Figure 00000036
particle velocity
Figure 00000037
Figure 00000038
/ c
Figure 00000039
A (
Figure 00000040
,
Figure 00000041
) function of the form
Figure 00000042
(
Figure 00000043
,
Figure 00000044
)
Figure 00000045
∫
Figure 00000046
Figure 00000047
(
Figure 00000048
)
Figure 00000049
dy 1 dy 2 dy 3
The Euler equations for the Lagrange function (2) are a system of three ordinary differential equations of the second order
Figure 00000050
Figure 00000051
+
Figure 00000052
A α +
Figure 00000053
Figure 00000054
,
Figure 00000055
Figure 00000056
= e
Figure 00000057
,
Figure 00000058
Figure 00000059
, α ∈
Figure 00000060
(4) where
Figure 00000061
= (x 1 , x 2 , x 3 ).

Расчет режимов работы устройства для ускорения (замедления) заряженных частиц производится с помощью системы уравнений (4) движения частиц по траектории при заданной плотности постоянного тока

Figure 00000062
(
Figure 00000063
), формирующего постоянное магнитное поле. Используя компьютер, вычисляется функция
Figure 00000064
,(
Figure 00000065
,
Figure 00000066
). Далее задаются положение и скорость частицы в точке ввода, решается задача Коши для системы обыкновенных дифференциальных уравнений (4) и определяется траектория заряженной частицы в пространственном объеме. По пересечению траектории с границей пространственного объема определяется точка вывода, скорость частицы в точке вывода и изменение величины скорости.The calculation of the operating modes of the device for accelerating (decelerating) charged particles is performed using a system of equations (4) of particle motion along a trajectory at a given constant current density
Figure 00000062
(
Figure 00000063
) forming a constant magnetic field. Using a computer, the function is calculated
Figure 00000064
, (
Figure 00000065
,
Figure 00000066
) Next, the position and velocity of the particle at the input point are set, the Cauchy problem for the system of ordinary differential equations (4) is solved, and the trajectory of the charged particle in the spatial volume is determined. By the intersection of the trajectory with the boundary of the spatial volume, the output point, the particle velocity at the output point, and the change in the velocity are determined.

В классической релятивистской теории движение заряженной частицы в постоянном магнитном поле также описывается функцией Лагранжа вида (2), но величина

Figure 00000067
в этой теории
Figure 00000068
Figure 00000069
(
Figure 00000070
,
Figure 00000071
) ≡
Figure 00000072
∫
Figure 00000073
Figure 00000074
(
Figure 00000075
)
Figure 00000076
dy1dy2dy3 (5) является вектор -потенциалом постоянного магнитного поля и не зависит от нормированной скорости частицы
Figure 00000077
Независимость величины
Figure 00000078
от
Figure 00000079
влечет для функции Лагранжа (2) закон сохранения энергии вида
ε
Figure 00000080
const, (6) немедленное следствие которого постоянство величины скорости частицы
Figure 00000081
const на траектории, что означает неизменяемость величины скорости частицы постоянным магнитным полем в классической релятивистской теории.In the classical relativistic theory, the motion of a charged particle in a constant magnetic field is also described by the Lagrange function of the form (2), but the quantity
Figure 00000067
in this theory
Figure 00000068
Figure 00000069
(
Figure 00000070
,
Figure 00000071
) ≡
Figure 00000072
∫
Figure 00000073
Figure 00000074
(
Figure 00000075
)
Figure 00000076
dy 1 dy 2 dy 3 (5) is the vector potential of a constant magnetic field and does not depend on the normalized particle velocity
Figure 00000077
Independence of magnitude
Figure 00000078
from
Figure 00000079
implies for the Lagrange function (2) the law of conservation of energy of the form
ε
Figure 00000080
const, (6) the immediate consequence of which is the constancy of the particle velocity
Figure 00000081
const on the trajectory, which means the immutability of the particle velocity by a constant magnetic field in classical relativistic theory.

Для функции Лагранжа (2) с вектор-функцией

Figure 00000082
вида (3) закон сохранения энергии имеет вид
ε
Figure 00000083
+ e
Figure 00000084
,
Figure 00000085
Figure 00000086
Figure 00000087
const (7) и в отличие от закона сохранения энергии (6) более точный закон сохранения энергии (7) уже содержит зависимость от координат частицы и поэтому содержит возможность изменения величины скорости вдоль траектории, что устанавливается прямым интегрированием системы (4).For the Lagrange function (2) with a vector function
Figure 00000082
of the form (3), the energy conservation law has the form
ε
Figure 00000083
+ e
Figure 00000084
,
Figure 00000085
Figure 00000086
Figure 00000087
const (7) and, unlike the energy conservation law (6), the more accurate energy conservation law (7) already contains a dependence on the particle coordinates and therefore contains the possibility of changing the velocity along the trajectory, which is established by direct integration of system (4).

Таким образом, пропуская частицу через объем, занятый постоянным магнитным полем, и выбирая траекторию так, чтобы в точке входа величина скорости была меньше (больше) величины скорости в точке выхода, мы получим ускорение (замедление) частицы. Так как существуют траектории, на которых частица в постоянном магнитном поле ускоряется до скорости сколь угодно близкой к скорости света на расстоянии порядка длины нерелятивистской ларморовской окружности, то использование таких траекторий позволяет строить ускорители заряженных частиц фиксированного размера, дающие любую конечную скорость частиц. Это позволяет на два-три порядка снизить линейные размеры ускорителей и на три-шесть порядков их стоимость по сравнению с описанным прототипом. Thus, passing a particle through a volume occupied by a constant magnetic field, and choosing a trajectory so that the velocity at the entry point is less than (greater than) the velocity at the exit point, we obtain the acceleration (deceleration) of the particle. Since there are trajectories on which a particle in a constant magnetic field accelerates to a speed arbitrarily close to the speed of light at a distance of the order of the length of the non-relativistic Larmor circle, the use of such trajectories makes it possible to construct accelerators of charged particles of a fixed size that give any final particle velocity. This allows two to three orders of magnitude to reduce the linear dimensions of accelerators and their cost by three to six orders of magnitude compared with the described prototype.

Предлагаемый способ ускорения реализуется в устройстве, изображенном на чертеже. The proposed method of acceleration is implemented in the device shown in the drawing.

Оно состоит из отрезка прямого кругового цилиндра 1 радиуса а и длины l, закрытого с торцов круглыми плоскими стенками 2 и 3 радиусов 2а, перпендикулярными оси цилиндра и с центрами на оси цилиндра, выполненными из материала с высокой магнитной проницаемостью. Вдоль цилиндра 1 намотана проводящая обмотка 4 с постоянной линейной плотностью I кругового тока, пропущенного через обмотку. Линейной плотностью тока I в данном случае называется отношение величины тока, проходящего через сечение обмотки полуплоскостью, проведенной через ось цилиндра, к длине цилиндра l. Обмотка с током 4 и торцевые стенки 2 и 3 служат для создания в объеме цилиндра 1 постоянного однородного магнитного поля, аппроксимирующего поле соответствующего бесконечного соленоида. В центре стенки 2 выполнено отверстие 5 для ввода частиц, а в боковой стенке цилиндра 1 отверстие 6 для вывода частиц. Соответствующий отверстию 6 канал для вывода частиц выполнен в обмотке 4. Внутри цилиндра и на тракте входа и выхода частиц поддерживается вакуум 10-5 Па.It consists of a segment of a straight circular cylinder 1 of radius a and length l, closed at the ends with round flat walls 2 and 3 of radius 2a, perpendicular to the axis of the cylinder and with centers on the axis of the cylinder made of a material with high magnetic permeability. A conductive winding 4 with a constant linear density I of circular current passed through the winding is wound along cylinder 1. In this case, the linear current density I is the ratio of the magnitude of the current passing through the section of the winding by a half-plane drawn through the axis of the cylinder to the length of the cylinder l. A winding with current 4 and end walls 2 and 3 serve to create a constant uniform magnetic field in the volume of cylinder 1, approximating the field of the corresponding infinite solenoid. In the center of the wall 2, an opening 5 is made for introducing particles, and in the side wall of the cylinder 1, an opening 6 for withdrawing particles. A channel corresponding to the opening 6 for the output of particles is made in the winding 4. Inside the cylinder and on the path of entry and exit of particles, a vacuum of 10 -5 Pa is maintained.

Для описания работы устройства введем декартову прямоугольную систему координат с началом в точке 5, осью Z вдоль оси цилиндра слева направо от точки 5 на чертеже, осью х в плоскости чертежа сверху вниз и осью у от точки 5 вниз перпендикулярно плоскости чертежа. Введем соответствующую цилиндрическую систему координат также с координатами точки (r, φ,z), где r расстояние до оси z, φ- полярный угол между осью х и проекцией радиуса-вектора на плоскость х,y. Ток в обмотке 4 положителен, если в верхней части сечения обмотки на чертеже он направлен вверх к зрителю. Точка над символом означает производную соответствующей величины по времени t. To describe the operation of the device, we introduce a Cartesian rectangular coordinate system with a beginning at point 5, the Z axis along the cylinder axis from left to right from point 5 in the drawing, the x axis in the drawing plane from top to bottom and the y axis from point 5 downward perpendicular to the plane of the drawing. We introduce the corresponding cylindrical coordinate system also with the coordinates of the point (r, φ, z), where r is the distance to the z axis, φ is the polar angle between the x axis and the projection of the radius vector onto the x, y plane. The current in the winding 4 is positive if in the upper part of the cross section of the winding in the drawing it is directed upward to the viewer. A dot over the symbol means the derivative of the corresponding quantity with respect to time t.

Работа устройства в режиме ускорения происходит следующим образом. Частица влетает через отверстие 5 с вектором скорости

Figure 00000088
, лежащим в плоскости чертежа. В этот начальный момент t=0 цилиндрические координаты частицы r 0, φ= 0,z=0. Далее частица движется со скоростями
Figure 00000089
>0,
Figure 00000090
>0,
Figure 00000091
>0 и, когда радиус частицы увеличивается до значения r a в момент времени Т выходит из цилиндра со скоростью
Figure 00000092
через отверстие 6. В точке выхода φ<π. Вся длина ускоряющей траектории меньше чем (2 + π)a.The operation of the device in acceleration mode is as follows. Particle flies through hole 5 with velocity vector
Figure 00000088
lying in the plane of the drawing. At this initial moment t = 0, the cylindrical coordinates of the particle are r 0, φ = 0, z = 0. Then the particle moves with speeds
Figure 00000089
> 0,
Figure 00000090
> 0,
Figure 00000091
> 0 and, when the radius of the particle increases to a value of ra at a time instant T leaves the cylinder at a speed
Figure 00000092
through hole 6. At the exit point φ <π. The entire length of the accelerating trajectory is less than (2 + π) a.

Замечание 1. Для работы в режиме замедления используется то свойство, что при замене времени t на T-t и индукции

Figure 00000093
на -
Figure 00000094
траектория пробегается частицей в обратном направлении. Таким образом, изменив направление тока в обмотке на противоположное и вводя частицы через отверстие 6 со скоростью -
Figure 00000095
, мы получим выходной поток частиц из отверстия 5 со скоростью -
Figure 00000096
. Приводятся три варианта выполнения устройства: два варианта для ускорения электронов в разных диапазонах скоростей и один вариант для ускорения протонов.Remark 1. To work in deceleration mode, the property is used that when replacing time t by Tt and induction
Figure 00000093
on the -
Figure 00000094
the trajectory is run by the particle in the opposite direction. Thus, changing the direction of the current in the winding to the opposite and introducing particles through the hole 6 with a speed -
Figure 00000095
, we get the output stream of particles from hole 5 at a speed -
Figure 00000096
. Three versions of the device are given: two options for accelerating electrons in different speed ranges and one option for accelerating protons.

Вариант I. Ускоритель электронов. Option I. Electron Accelerator.

Геометрические параметры а l 15,716 см. Параметры магнитной системы: индукция поля В + 0,015124 Тл, линейная плотность тока в обмотке I + 12035 А/м, полный ток через поперечное сечение обмотки + 1891,4А. Координаты точки выхода 6: φ= 123,02о; z 9,666 см. Скорость в точке входа 5 в декартовой прямоугольной системе координат:

Figure 00000097
= 0,6 с;
Figure 00000098
= 0;
Figure 00000099
= 0,4 c. Величина скорости v1 0,72111 с. Скорость в точке выхода 6 в цилиндрической системе координат:
Figure 00000100
= 0,28171 с; r
Figure 00000101
= 0,69006 с;
Figure 00000102
Figure 00000103
c.Geometrical parameters a l 15.716 cm. Magnetic system parameters: field induction B + 0.015124 T, linear current density in the winding I + 12035 A / m, total current through the cross section of the winding + 1891.4 A. The coordinates of exit point 6: φ = 123.02 about ; z 9.666 cm. Speed at entry point 5 in a Cartesian rectangular coordinate system:
Figure 00000097
= 0.6 s;
Figure 00000098
= 0;
Figure 00000099
= 0.4 s. The value of the velocity v 1 0.72111 s. Speed at exit point 6 in a cylindrical coordinate system:
Figure 00000100
= 0.28171 s; r
Figure 00000101
= 0.69006 s;
Figure 00000102
Figure 00000103
c.

Величина скорости v2 0,8165 с. Кинематическая энергия электрона в точке входа 227 кэВ, а в точке выхода 374 кэВ. Приращение энергии 147 кэВ. Время прохождения частицей траектории от точки 5 к точке 6 равно 0,437663. Тo= 1,0338211˙ 10-9 с.The magnitude of the speed v 2 0.8165 s. The kinematic energy of the electron at the entry point is 227 keV, and at the exit point 374 keV. The energy increment is 147 keV. The transit time of a particle trajectory from point 5 to point 6 is 0.437663. T o = 1,0338211˙ 10 -9 s.

Здесь
To=

Figure 00000104
(8) период, соответствующий нерелятивистской ларморовой частоте электрона νo= 423,345 МГц.Here
T o =
Figure 00000104
(8) the period corresponding to the nonrelativistic Larmor frequency of the electron ν o = 423.345 MHz.

Масса двух железных стенок 2 и 3 толщиной 3 см равна 147 кг. Масса медной обмотки при средней толщине меди в обмотке 0,1 см равна 1,38 кг. Рассеиваемая в обмотке мощность при параллельном соединении витков с током равна 376 Вт. The mass of two iron walls 2 and 3 with a thickness of 3 cm is 147 kg. The mass of the copper winding with an average copper thickness of 0.1 cm is 1.38 kg. The power dissipated in the winding with a parallel connection of the turns with the current is 376 watts.

Вариант 2. Ускоритель электронов. Option 2. Electron accelerator.

Геометрические параметры: а 15,716 см; l 5,2387 см. Параметры магнитной системы: индукция поля В + 0,020451 Тл; линейная плотность тока в обмотке I + 16274 A/м, полный ток через поперечное сечение обмотки + 852,6 А. Координаты точки выхода 6: φ= 30,425о; z 2,6954 см. Скорость в точке входа в декартовой прямоугольной системе координат:

Figure 00000105
= 0,927025 с;
Figure 00000106
0;
Figure 00000107
0,1875 с. Скорость в точке выхода 6 в цилиндрической системе координат:
Figure 00000108
= 0,790569 c; r
Figure 00000109
0,612372 с;
Figure 00000110
= 0. Величина скорости в точке выхода v2 c (1-10-16/8).Geometric parameters: a 15.716 cm; l 5.2387 cm. Parameters of the magnetic system: field induction B + 0.020451 T; linear current density in the winding I + 16274 A / m, total current through the cross section of the winding + 852.6 A. Coordinates of exit point 6: φ = 30.425 о ; z 2,6954 cm. Speed at the entry point in a Cartesian rectangular coordinate system:
Figure 00000105
= 0.927025 s;
Figure 00000106
0;
Figure 00000107
0.1875 s Speed at exit point 6 in a cylindrical coordinate system:
Figure 00000108
= 0.790569 s; r
Figure 00000109
0.612372 s;
Figure 00000110
= 0. The value of the velocity at the exit point is v 2 c (1-10 -16 / 8).

Кинетическая энергия в точке входа 1062,5 кэВ, а в точке выхода 102,201 ТэВ. Время прохождения траектории 0,333607 То 5,8275 х 10-10с, где То 1,74682 ˙10-9 с период (8), соответствующий нерелятивистской ларморовой частоте νo= 572,470 МГц электрона.Kinetic energy at the entry point is 1062.5 keV, and at the exit point is 102,201 TeV. The travel time of the trajectory is 0.333607 T o 5.8275 x 10 -10 s, where T o 1.74682 × 10 -9 s period (8), corresponding to the nonrelativistic Larmor frequency ν o = 572.470 MHz of the electron.

Масса двух железных стенок 2 и 3 толщиной 3 см равна 147 кг. Масса медной обмотки при средней толщине меди в сечении 0,1 см равна 0,462 кг. Рассеиваемая в обмотке мощность при параллельном соединении витков с током равна 229 Вт. The mass of two iron walls 2 and 3 with a thickness of 3 cm is 147 kg. The mass of the copper winding with an average copper thickness in the cross section of 0.1 cm is 0.462 kg. The power dissipated in the winding with a parallel connection of the turns with the current is 229 watts.

Вариант 3. Ускоритель протонов. Option 3. The proton accelerator.

Геометрические параметры: a 2,8857 м; l 0,9619 м. Параметры магнитной системы: индукция поля В 2,0451 Тл; линейная плотность тока в обмотке I -1627,4 кА/м; полный ток через поперечное сечение обмотки 1565,4 кА. Координаты точки выхода 6: φ= 30,425о; z 0,4949 м. Скорость в точке входа 5 в декартовой прямоугольной системе координат:

Figure 00000111
0,927025 с;
Figure 00000112
0;
Figure 00000113
0,1875 с. Величина скорости v1 0,945797 с. Скорость в точке выхода 6 в цилиндрической системе координат:
Figure 00000114
= 0,790569 с;
Figure 00000115
0,612372 с;
Figure 00000116
= 0. Величина скорости в точке выхода v2=
Figure 00000117
1-
Figure 00000118
· 10
Figure 00000119
cКинетическая энергия в точке входа 1,951 ГэВ, а в точке выхода 187656 ТэВ. Время прохождения траектории 0,333607 То 1,07˙ 10-8 с, где То 3,2074 х 10-8 с период (8), соответствующий нерелятивистской ларморовой частоте протона 31,178 МГц.Geometric parameters: a 2.8857 m; l 0.9619 m. Magnetic system parameters: field induction B 2.0451 T; linear current density in the winding I -1627.4 kA / m; total current through the cross section of the winding 1565.4 kA. Coordinates of exit point 6: φ = 30.425 о ; z 0.4949 m. Speed at entry point 5 in a Cartesian rectangular coordinate system:
Figure 00000111
0.927025 s;
Figure 00000112
0;
Figure 00000113
0.1875 s Velocity v 1 0.945797 s. Speed at exit point 6 in a cylindrical coordinate system:
Figure 00000114
= 0.790569 s;
Figure 00000115
0.612372 s;
Figure 00000116
= 0. The value of the velocity at the exit point v 2 =
Figure 00000117
1-
Figure 00000118
· 10
Figure 00000119
cKinetic energy at the entry point of 1.951 GeV, and at the exit point of 187656 TeV. The travel time of the trajectory is 0.333607 T o 1.07 × 10 -8 s, where T o 3.2074 x 10 -8 s period (8), corresponding to the nonrelativistic Larmor frequency of the proton 31.178 MHz.

Масса двух железных плит 2 и 3 толщиной 20 см равна 164,7 т. Масса медной обмотки при средней толщине меди в сечении 20 см равна 31,15 т. Рассеиваемая в обмотке мощность при параллельном соединении витков с током равна 3,86 МВт. The mass of two iron plates 2 and 3 with a thickness of 20 cm is 164.7 tons. The mass of the copper winding with an average copper thickness of 20 cm is 31.15 tons. The power dissipated in the winding when the turns are connected in parallel with the current is 3.86 MW.

Замечание 2. Во всех трех вариантах исполнения мы получим замедлители частиц согласно замечанию 1, если изменим знак тока в обмотке и знак вектора скорости при сохранении остальных параметров. Remark 2. In all three variants of execution, we obtain particle moderators according to Remark 1, if we change the sign of the current in the winding and the sign of the velocity vector while maintaining the remaining parameters.

Предложенный новый способ ускорения лишен недостатков 1-5 синхротрона. Он обладает тем принципиальным преимуществом, что геометрические и электрические параметры системы остаются в фиксированном интервале при приближении выходной скорости ускоряемых частиц к скорости света, в то время как в предшествующих способах ускорения при приближении выходной скорости к скорости света геометрические размеры и электрические параметры ускорителя неограниченно возрастают. The proposed new method of acceleration is devoid of the disadvantages of 1-5 synchrotron. It has the fundamental advantage that the geometric and electrical parameters of the system remain in a fixed interval when the output speed of the accelerated particles approaches the speed of light, while in the previous methods of acceleration, when the output speed approaches the speed of light, the geometric dimensions and electrical parameters of the accelerator unlimitedly increase.

Вариант 2 устройства для ускорения электронов в сравнении с прототипом при меньшей входной скорости электронов и большей выходной в 110 раз меньше в линейных размерах, в 2721 раз меньше по массе железа, в 54112 раз меньше по массе меди, в 6114 раз меньше по потребляемой мощности. При сколь угодно близкой к скорости света выходной скорости частиц геометрические размеры ускорителя (это цилиндр радиусом 31,4 см и толщиной 11,2 см) и потребляемая мощность (229 Вт) делают его экономически и физически доступным для широкого научного и индустриального использования. Option 2 of the device for accelerating electrons in comparison with the prototype with a lower input electron velocity and a larger output is 110 times smaller in linear dimensions, 2721 times less in mass of iron, 54112 times less in mass of copper, 6114 times less in power consumption. At an output speed of particles arbitrarily close to the speed of light, the geometrical dimensions of the accelerator (this is a cylinder with a radius of 31.4 cm and a thickness of 11.2 cm) and power consumption (229 W) make it economically and physically available for wide scientific and industrial use.

Вариант 3 устройства для ускорения протона в сравнении с прототипом имеет в 34 раза меньшие линейные размеры, в 121 раз меньшую массу железа, в 22 раза меньшую массу цветных металлов. Таким образом, учитывая отсутствие высокочастотной системы в варианте 3, общая стоимость его выполнения не менее чем в 100 раз ниже стоимости серпуховского ускорителя и ускорителей следующего поколения на энергии протонов свыше сотни ГэВ. Option 3 of the device for accelerating the proton in comparison with the prototype has 34 times smaller linear dimensions, 121 times less weight of iron, 22 times less weight of non-ferrous metals. Thus, given the absence of a high-frequency system in option 3, the total cost of its implementation is no less than 100 times lower than the cost of the Serpukhov accelerator and next-generation accelerators with proton energies of more than a hundred GeV.

Области применения изобретения в режиме ускорения: научные исследования, создание мощных генераторов электромагнитного и корпускулярного излучения, изготовление шаблонов интегральных схем, реактивные двигатели, в режиме замедления: генераторы электрического тока, защита от проникающего излучения заряженных частиц. Fields of application of the invention in acceleration mode: scientific research, the creation of powerful generators of electromagnetic and particle radiation, the manufacture of integrated circuit templates, jet engines, in deceleration mode: electric current generators, protection against penetrating radiation of charged particles.

Claims (2)

1. Способ изменения величины скорости заряженных частиц, в соответствии с которым осуществляют генерацию электромагнитного поля в пространственном объеме, ввод в объем заряженных частиц, изменение их скорости при прохождении по рассчитанной траектории и вывод заряженных частиц из пространственного объема, отличающийся тем, что в качестве электромагнитного поля, изменяющего величину скорости заряженных частиц, используют постоянное магнитное поле, создаваемое системой распределенных токов, а траекторию прохождения частиц определяют путем решения системы уравнений Эйлера для функции Лагранжа вида
Figure 00000120
где
Figure 00000121
скалярное произведение векторов
Figure 00000122

Figure 00000123
функция вида
Figure 00000124

Figure 00000125
векторное произведение векторов
Figure 00000126

m масса заряженной частицы;
c скорость света;
Figure 00000127
вектор скорости заряженной частицы,
Figure 00000128

e заряд частицы;
Figure 00000129
вектор координаты частицы, в прямоугольной декартовой системе координат;
U3 область интегрирования, содержащая токи, создающие постоянное магнитное поле;
Figure 00000130
переменная интегрирования;
Figure 00000131
объемная плотность токов, создающих постоянное магнитное поле.1. The method of changing the magnitude of the velocity of charged particles, in accordance with which the electromagnetic field is generated in the spatial volume, the charged particles are introduced into the volume, their velocity is changed along the calculated path and the charged particles are withdrawn from the spatial volume, characterized in that as electromagnetic fields that change the magnitude of the velocity of charged particles, use a constant magnetic field created by a system of distributed currents, and the path of the particles is determined by solving the system of Euler equations for the Lagrange function of the form
Figure 00000120
Where
Figure 00000121
scalar product of vectors
Figure 00000122

Figure 00000123
view function
Figure 00000124

Figure 00000125
vector product of vectors
Figure 00000126

m is the mass of a charged particle;
c is the speed of light;
Figure 00000127
charged particle velocity vector,
Figure 00000128

e is the particle charge;
Figure 00000129
particle coordinate vector, in a rectangular Cartesian coordinate system;
U 3 an integration region containing currents generating a constant magnetic field;
Figure 00000130
integration variable;
Figure 00000131
bulk density of currents creating a constant magnetic field. 2. Устройство для изменения величины скорости заряженных частиц, содержащее вакуумную камеру с каналами ввода и вывода из нее заряженных частиц и систему генерации электромагнитного поля, изменяющего величину скорости заряженных частиц, отличающееся тем, что вакуумная камера выполнена в форме цилиндра с торцевыми стенками, изготовленными из материала с высокой магнитной проницаемостью, система генерации электромагнитного поля выполнена в виде соленоида, с помощью которого в вакуумной камере создается постоянное однородное магнитное поле, при этом ось симметрии соленоида совпадает с осью симметрии цилиндра, а каналы ввода и вывода частиц расположены в центре торцевой стенки камеры и на боковой стенке камеры. 2. A device for changing the magnitude of the velocity of charged particles, comprising a vacuum chamber with input and output channels of charged particles and a system for generating an electromagnetic field that changes the magnitude of the velocity of charged particles, characterized in that the vacuum chamber is made in the form of a cylinder with end walls made of material with high magnetic permeability, the electromagnetic field generation system is made in the form of a solenoid, with the help of which a constant uniform magnetic field, while the axis of symmetry of the solenoid coincides with the axis of symmetry of the cylinder, and the particle input and output channels are located in the center of the end wall of the chamber and on the side wall of the chamber.
SU5017572 1991-11-28 1991-11-28 Process of change of value of velocity of charged particles and device for its realization RU2044421C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5017572 RU2044421C1 (en) 1991-11-28 1991-11-28 Process of change of value of velocity of charged particles and device for its realization

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5017572 RU2044421C1 (en) 1991-11-28 1991-11-28 Process of change of value of velocity of charged particles and device for its realization

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2044421C1 true RU2044421C1 (en) 1995-09-20

Family

ID=21592072

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU5017572 RU2044421C1 (en) 1991-11-28 1991-11-28 Process of change of value of velocity of charged particles and device for its realization

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2044421C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2447627C2 (en) * 2007-09-14 2012-04-10 Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. Particle acceleration apparatus and particle acceleration methods

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Коломенский А.А. Физические основы методов ускорения заряженных частиц. М.: Издательство МГУ, 1980 г. *
Лебедев А.Н. и Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей М.: Энергоатомиздат, т.2, Циклические ускорители, 1982, с.17, 211. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2447627C2 (en) * 2007-09-14 2012-04-10 Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. Particle acceleration apparatus and particle acceleration methods
US8610352B2 (en) 2007-09-14 2013-12-17 Schlumberger Technology Corporation Particle acceleration devices and methods thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wille The physics of particle accelerators: an introduction
US3128405A (en) Extractor for high energy charged particles
US6433494B1 (en) Inductional undulative EH-accelerator
Halbach Application of permanent magnets in accelerators and electron storage rings
US2790902A (en) Ion accelerator beam extractor
CN102119584B (en) High-current DC proton accelerator
Takayama et al. Induction acceleration of heavy ions in the KEK digital accelerator: Demonstration of a fast-cycling induction synchrotron
Lawson Collective and coherent methods of particle acceleration
RU2044421C1 (en) Process of change of value of velocity of charged particles and device for its realization
Robertson Collective focusing of an intense ion beam
JP2020107532A (en) Cyclotron and cyclotron acceleration method
Reva et al. High voltage cooler NICA status and ideas
RU2683963C1 (en) Pulsed thermonuclear neutron generator
RU2058676C1 (en) Method for cooling charge-particle beam
Phillips Microwave separator for high energy particle beams
Müller Heavy-ion accelerators for ICF
Ames et al. REXTRAP, an ion buncher for REX-ISOLDE
Yu et al. The stability analysis of the relativity motion of charged particles in electromagnetic fields and the possibility to establish synchrocyclotron without radiation losses
Brüning Energy revolution: From static fields to cavity resonators
Wiedemann Particle Accelerator Physics: Volume I and II (study edition)
Semat et al. Particle Accelerators
Cole et al. Particle accelerators
Wilson et al. Springer: Accelerators, Colliders and Their Application
SU1725410A1 (en) Broad-band undulator
Kulish Hierarchical Methods: Undulative Electrodynamical Systems