Увеличение интенсивности и улучшение качества внутреннего пучка синхроциклотронов.
Общеизвестно, что одним из основных путей увеличения интенсивности пучка заряженных частиц (I) ускорителями и накопителями, первоначально является создание «оптимальных» вертикальной и радиальной фокусировок ускоряемых частиц в «центральной» области захвата, с целью уменьшения расталкивающих сил пространственного заряда и «упорядочивание» их движения таким образом, что бы в дальнейшем улучшить эмиттанс ускоренного пучка частиц.
Рассмотрим такую возможность на примере синхроциклотронов. Понятно, что для фокусировки протонов (р+) малой энергии в центральной области СЦ необходимо использовать электростатическую фокусировку, потому что в данном случае фокусирующие силы электростатического поля значительно превышают силы магнитной фокусировки и поэтому проще управлять фокусировкой, меняя значение потенциалов на фокусирующих электродах [2].
Предлагается трехэлектродная фокусирующая система (ФС) изображенная на рисунке 1. На рисунке 1 представлен вид сверху двухдуантного СЦ и предлагаемой ФС.
Рис. 1. Где: 1-ионный источник (ИИ); 2-верхний центральный фокусирующий электрод (ЦФЭ); 3-дополнительный фокусирующий электрод (ДФЭ).
На рисунке 2 изображена ФС двухдуантного СЦ в разрезе.
Рис. 2. Где: 1-ионные источники; 2-центральные фокусирующие электроды; 3-дополнительный фокусирующий электрод (ДФЭ); 4-медианная плоскость ускорителя.
Для изображенной фокусирующей системы и при указанном положении потенциалов U, в области ДФЭ возникает объемный заряд протонов, величина которого будет определяться разностью потенциалов между пластинами ЦФЭ и ДФЭ и также количеством ионов водорода. В случае ДФЭ выполненного из проводящего (диамагнитного) материала в виде сетки, с определенными размерами ячейки, позволит осциллирующим около ДФЭ протонам, дополнительно ионизировать присутствующие атомы водорода, создавая необходимый, регулируемый объемный заряд. При правильной синхронизации ускоряющего высокочастотного (ВЧ) поля и переключением знаков потенциалов на фокусирующих электродах на противоположные, указанным на рисунке 2, получится искомый результат.
В силу конструкторских особенностей СЦ очевидно, что в ускорении не участвуют протоны, которые находятся в центре ДФЭ (ось Z), и чтобы увеличить возможность захвата ускоряемых частиц , ДФЭ может быть смещен по оси X в ту или иную сторону, в зависимости от направления магнитного поля СЦ, а также иметь любую форму, например окружности или овала, ориентированного как параллельно щели дуанта так и перпендикулярно ей, см. рисунок 3.
Рис. 3. Где 1-ячейка дополнительного фокусирующего электрода; d-расстояние между центрами ДФЭ и геометрическим центром ускоряющей системы (ось Z).
Размеры и форма электродов как ЦФЭ, так и ДФЭ, а также размеры ячейки и расстояние d определяются конструкцией и параметрами конкретного СЦ , а все выше описанное так же относится и к однодуантным конструкциям, как с наличием антидуанта, так и без оного.
Предлагается следующая конструкция фокусирующей системы (ФС) применительно к гатчинскому СЦ-1000 [1].
На рисунке 4 изображена фокусирующая система СЦ-1000 с добавлением ДФЭ, вид сверху.
Рис. 4. Где: 1-ионный источник открытого типа (их два); 2-центральный фокусирующий электрод; 3-боковой фокусирующий электрод; 4-пластины дефлектора; 5-дополнительный фокусирующий электрод.
На рисунке 5 показана предлагаемая ФС в разрезе.
Рис. 5. Где: 1-ионные источники открытого типа; 2-центральные фокусирующие электроды, 3-боковые фокусирующие электроды (БФЭ); 4-пластины дефлектора; 5-дополнительный фокусирующий электрод.
Введение ДФЭ позволяет исключить из конструкции боковой электрод и необходимость подавать напряжение смещения на дуант, а также добиться абсолютной симметрии фокусирующей системы, как относительно оси Z, так и медианной плоскости. При подаче на электроды потенциалов (U-, U+), как показано на рисунке 2, горизонтальная составляющая электрического поля Е будет играть также роль фокусирующей силы направленной к центру симметрии (ось Z), что так же улучшает симметричность системы.
Приведем некоторые статические расчеты, для ДФЭ представляющего сплошную металлическую пластину радиусом 2,5 сантиметра, тогда площадь S =~ 0.002м2 . Известно, что емкость плоского конденсатора
С= є*є0*S/d, а количество заряда на нем Q= С*U, тогда количество протонов на обкладке (Np+) дополнительного центрального электрода
Np+ = Q /e = [ (є*є0*S/d)*U]*2/e. [СИ]
Где є = 1, є0 = 8.85*10-12ф/м, d = 0.009 м, e = 1.6*10-19k и при значении разности потенциалов U = 103V получим Np+ =~ 2.5*109 протонов, и в случае, что все до единого протона будут участвовать в ускорительном цикле, то это будет соответствовать интенсивности пучка, при суммарном заряде Q=(Np+*e)*2=~4*10-10k, помноженном на 40-50 (количество циклов за 1секунду), т. е I=~ 2*10-8A.
Все это говорит о том, что данная фокусирующая система, основанная на емкостном накоплении заряда полезна, когда необходимо создавать «нормированные» внутренние пучки, меняя разность потенциалов и размеры электродов. Другое дело, если в качестве ДФЭ использовать не сплошной электрод, а электрод выполненный в виде сетки, с определенным размером ячеек.
В случае использования ДФЭ в виде сетки, применительно к СЦ-1000, можно использовать сетку, с размером ячейки ДФЭ, определяемой исходя из расчета максимального ларморовского радиуса для протона, имеющего вектор скорости перпендикулярный направлению магнитного поля СЦ, при В=2*104Гс и скорости протона V= 1.4*106м/сек, что соответствует 300В (напряжение зажигания плазмы в ИИ) , плюс горизонтальная составляющая фокусирующего поля, будет ~ (1.3..1.5) мм. Понятно, что число протонов имеющих перпендикулярную составляющую скорости к магнитному потоку незначительна. По известной причине ларморовский радиус электрона будет значительно меньше.
Сетка с ячейкой ~1,5 мм и из диамагнитного материала, допустим из меди, с определенной разностью потенциалов, как показано на рисунке 2, вызовет, практически беспрепятственную осцилляцию протонов вдоль силовых линий магнитного поля, что также приведет, помимо ИИ к дополнительной ионизации атомов водорода, и созданию объемного пространственного заряда симметричного, как по оси Z, так и в медианной плоскости. В случае подачи на сетку положительного потенциала, определенной формы и величины, синхронно с ускоряющим ВЧ полем получим упорядоченный внутренний пучок, причем радиальные бетатронные колебания будут минимальными.
Введение ДФЭ в синхроциклотронах позволяет получить идеальную симметрию и необходимую величину пространственного заряда протонов, для увеличения внутреннего пучка, а также уменьшить радиальные бетатронные колебания до минимума и нормировать вертикальные бетатронные колебания, которые при ускорении пучка за ~ 10(5…6) оборотов , в силу краевых эффектов ускоряющего напряжения минимизируются в медианной плоскости, не говоря уже и про магнитную фокусировку на выводном радиусе, что в конечном итоге улучшает эмиттанс ускоряемого пучка.
Таким образом, введение ДФЭ позволяет, упростить электрическую систему для управления фокусировкой СЦ-1000, убрать напряжение смещения с дуанта и боковых фокусирующих электродов, а также получить более упорядоченный пучок, увеличить его интенсивность, за счет увеличения пространственного заряда, и упростить синхронизацию ФС с ускоряющим полем.
Выбор оптимальной конфигурации, размеров ДФЭ, материала, размеры ячейки электрода, величины смещения ДФЭ в медианной плоскости относительно оси Z, по направлению оси X , а также расчеты пространственного заряда протонов, время восстановления (t) пространственного заряда, амплитуды бетатронных и синхротронных колебаний, интенсивности внутреннего пучка и порядок проведения экспериментов, будет описан в следующей статье.
Интересен эксперимент с предлагаемой фокусирующей системой, но с «заземлением» боковых фокусирующих электродов, синхронно с моментом захвата протонов ускорительным напряжением ВЧ .
В общем и целом применение трехэлектродной фокусирующей системой с применением ДФЭ возможно в других ускорительно-накопительных системах и не только.
Литература:
1.Абросимов Н. К., Михеев Г. Ф. Радиотехнические системы синхро-
циклотрона Петербургского института ядерной физики. Статья напечатана по решению Ученого совета Петербургского института ядерной физики им. Б. П. Константинова от 15.11.2012 г.
2.Коломенский А.А., Лебедев А.Н. Теория циклических ускорителей. Учебное пособие.