Ускоритель переменного градиента с фиксированным полем

Концепция кругового ускорителя частиц

A Ускоритель переменного градиента с фиксированным полем (FFA ) представляет собой концепцию кругового ускорителя частиц, разработка которого началась в начале 50-х годов, и который может быть охарактеризован своими не зависящими от времени магнитными полями (фиксированное поле, как в циклотроне ) и использование сильной фокусировки (переменный градиент, как в синхротроне ). Таким образом, ускорители FFA сочетают в себе преимущество циклотрона, заключающееся в непрерывной безимпульсной работе, с относительно недорогим малым магнитным кольцом синхротрона и узким проходом.

Хотя разработка FFA не велась более десяти лет, начиная с 1967 года, с середины 1980-х годов возродился интерес к их использованию в источниках нейтронного расщепления, в качестве драйвера для мюонных коллайдеров и для ускорения мюонов на нейтринной фабрике с середины 1990-х годов.

Возрождение исследований FFA было особенно сильным в Японии, когда было построено несколько колец. Это возрождение было частично вызвано достижениями в области RF и в конструкции магнита.

Мы отмечаем, что акроним для Ускорителя переменного градиента с фиксированным полем недавно изменился с FFAG на FFA. Таким образом, при поиске более старой литературы чаще можно встретить оригинальную аббревиатуру FFAG.

Содержание

• 1 История
  • 1.1 Первая фаза разработки
  • 1.2 Продолжение разработки
• 2 Масштабируемые и немасштабируемые типы
• 3 Вертикальные FFA
• 4 Приложения
• 5 Статус
• 6 Дополнительная литература
• 7 Ссылки

История

Первая фаза разработки

Ускоритель Michigan Mark I FFA. Этот ускоритель электронов на 400 кэВ был первым действующим ускорителем FFA. Большая прямоугольная часть справа - это сердечник трансформатора бетатрона.

Идея синхротронов переменного градиента с фиксированным полем была независимо разработана в Японии Тихиро Окава в США. Штаты Кейт Саймон, а в России -. Первый прототип, построенный Лоуренсом У. Джонсом и в Мичиганском университете, использовал ускорение бетатрон и был введен в эксплуатацию в начале 1956 года. Той осенью прототип был переехал в лабораторию Ассоциации исследований университетов Среднего Запада (MURA) в Висконсинском университете, где он был преобразован в электронный синхротрон на 500 кэВ. В патенте Саймона, поданном в начале 1956 года, используются термины «ускоритель FFAG» и «синхротрон FFAG». Окава работал с Саймоном и командой MURA в течение нескольких лет, начиная с 1955 года.

Дональд Керст, работая с Саймоном, подал патент на ускоритель FFA со спиральным сектором примерно в то же время, что и Патент Саймона "Радиальный сектор". Очень маленькая машина со спиральным сектором была построена в 1957 году, а машина с радиальным сектором на 50 МэВ работала в 1961 году. Эта последняя машина была основана на патенте Окавы, поданном в 1957 году, на симметричную машину, способную одновременно ускорять идентичные частицы как по часовой стрелке, так и по часовой стрелке. против часовой стрелки. Это был один из первых ускорителей на встречных пучках, хотя эта функция не использовалась, когда его применяли на практике в качестве инжектора для накопительного кольца Tantalus , которое впоследствии стало Центр синхротронного излучения. Устройство на 50 МэВ было окончательно выведено из эксплуатации в начале 1970-х.

Схема MURA FFA

MURA разработала протонные FFA на 10 ГэВ и 12,5 ГэВ, которые не финансировались. Были опубликованы два уменьшенных проекта: один для инжектора на 720 МэВ и один для инжектора на 500 МэВ.

С закрытием MURA, которое началось в 1963 г. и закончилось в 1967 г., концепция FFA не использовалась в существующей конструкции ускорителя и, таким образом, некоторое время активно не обсуждалась.

Постоянная разработка

Кольцо ASPUN (масштабирование FFA). Первая конструкция ANL ASPUN была спиральной машиной, разработанной для увеличения количества движения втрое со скромной спиралью по сравнению с машинами MURA. Пример 16-элементного сверхпроводящего FFA. Энергия: 1,6 ГэВ, средний радиус 26 м.

В начале 1980-х Фил Мидс предположил, что FFA является подходящим и полезным ускорителем протонов для интенсивного источника нейтронов отщепления, начиная с такие проекты, как аргоннский тандемный линейный ускоритель в Аргоннской национальной лаборатории и кулер синхротрон в Исследовательском центре Юлиха.

. 1984. Также было множество ежегодных семинаров, посвященных ускорителям FFA в CERN, KEK, BNL, TRIUMF, Фермилаб и Институт исследований реакторов в Киотском университете. В 1992 году Европейская конференция по ускорителям частиц в ЦЕРНе была посвящена ускорителям FFA.

Первый протонный FFA был успешно построен в 2000 году, положив начало буму деятельности в области FFA в физике высоких энергий и медицина.

В случае сверхпроводящих магнитов необходимая длина магнитов FFA масштабируется примерно как обратный квадрат магнитного поля. В 1994 году была получена форма катушки, которая обеспечивала необходимое поле без железа. Эта конструкция магнита была продолжена S. Martin et al. от Юлих.

В 2010 году, после семинара по ускорителям FFA в Киото, конструирование Электронной машины с множеством приложений (EMMA) было завершено в Лаборатория Дарсбери, UK. Это был первый ускоритель FFA без масштабирования. Не масштабирующиеся FFA часто выгодны для масштабирования FFA, потому что избегаются большие и тяжелые магниты, а луч гораздо лучше контролируется.

Масштабирование по сравнению с немасштабирующими типами

Магнитные поля, необходимые для FFA довольно сложные. Вычисления магнитов, используемых на Мичиганском FFA Mark Ib, машине с радиальным сектором 500 кэВ с 1956 года, были выполнены Фрэнком Коулом из Университета Иллинойса на механическом калькуляторе, построенном Фриден. Это был предел того, что можно было бы разумно сделать без компьютеров; более сложная геометрия магнитов спирального сектора и немасштабируемых FFAs требует сложного компьютерного моделирования.

Машины MURA масштабировали синхротроны FFA, что означает, что орбиты любого импульса являются фотографическими увеличениями орбит любого другого импульса. В таких машинах бетатронные частоты постоянны, поэтому резонансы, которые могут привести к потере луча, не пересекаются. Машина выполняет масштабирование, если магнитное поле средней плоскости удовлетворяет

$B\; r\; =\; 0,\; B\; \theta \; =\; 0,\; B\; z\; =\; arkf\; (\psi )\; \{\backslash \; displaystyle\; B\_\; \{r\}\; =\; 0,\; \backslash \; quad\; B\; \_\; \{\backslash \; theta\}\; =\; 0,\; \backslash \; quad\; B\_\; \{z\}\; =\; ar\; ^\; \{k\}\; ~\; f\; (\backslash \; psi)\}$,

где

• $\psi \; =\; N\; [tan\; \; \zeta \; ln\; \; (r\; /\; r\; 0)\; -\; \theta ]\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; psi\; =\; N\; ~\; [\backslash \; tan\; ~\; \backslash \; zeta\; ~\; \backslash \; ln\; (r\; /\; r\_\; \{0\})\; ~\; -\; ~\; \backslash \; theta]\}$,
• $k\; \{\backslash \; displaystyle\; k\}$- индекс поля,
• $N\; \{\backslash \; displaystyle\; N\}$- периодичность,
• $\zeta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; zeta\}$- угол спирали (который равен нулю для радиальной машины),
• $r\; \{\backslash \; displaystyle\; r\}$средний радиус, а
• $f\; (\psi )\; \{\backslash \; displaystyle\; f\; (\backslash \; psi)\}$- произвольная функция, обеспечивающая стабильную орбиту.

Для $k>>1\; \{\backslash \; displaystyle\; k>>1\}$магнит FFA намного меньше, чем магнит для циклотрона той же энергии. Недостатком является то, что эти машины очень нелинейны. и другие взаимосвязи развиты в статье Фрэнка Коула.

Идея создания немасштабируемого FFA впервые пришла в голову Лоуренсу У. Джонсу в конце 1950-х годов, когда он думал о том, как это сделать. увеличить светимость пучка в областях столкновения двухстороннего встречного пучка FFA, над которым они работали. Эта идея нашла немедленное применение при разработке магнитов с улучшенной фокусировкой для обычных ускорителей, но не применялась в конструкции FFA до нескольких десятилетий спустя.

Если ускорение достаточно быстрое, частицы могут пройти через бетатронные резонансы, прежде чем они успеют разрастаться до разрушительной амплитуды. В этом случае поле диполя может быть линейным с радиусом, что делает магниты меньше и проще в сборке. Подтвержденный принципом линейный FFA без масштабирования под названием (EMMA ) (Электронная машина с множеством применений) успешно эксплуатируется в лаборатории Daresbury, Великобритания,

Вертикальные FFA

FFA с вертикальным выходом орбиты (VFFA) - это особый тип FFA, расположенный так, что орбиты с более высокой энергией располагаются выше (или ниже) орбит с более низкой энергией, а не радиально наружу. Это достигается с помощью полей с перекосом фокусировки, которые выталкивают частицы с более высокой жесткостью пучка вертикально в области с более высоким дипольным полем.

Основное преимущество, предлагаемое конструкцией VFFA по сравнению с конструкцией FFA, заключается в том, что длина пути остается постоянной между частицами с разными энергиями, и поэтому релятивистские частицы перемещаются изохронно. Изохронность периода вращения обеспечивает непрерывную работу пучка, поэтому дает такое же преимущество в мощности, какое имеют изохронные циклотроны перед синхроциклотронами. У изохронных ускорителей нет, но это не является сильным ограничением для ускорителей с высокой скоростью линейного изменения, обычно используемых в конструкциях FFA.

Основные недостатки включают тот факт, что VFFA требует необычных конструкций магнитов, и в настоящее время конструкции VFFA только моделируются, а не тестируются.

Приложения

Ускорители FFA могут иметь потенциальное медицинское применение в протонной терапии рака, в качестве источников протонов для производства нейтронов высокой интенсивности, для неинвазивных проверок безопасности закрытых грузовых контейнеров, для быстрого ускорения мюонов до высоких энергий до того, как они успеют распасться, и в качестве «усилителей энергии» для подкритических реакторов с ускорителем (ADSR) / Докритические реакторы, в которых нейтронный пучок , полученный от FFA, управляет слегка подкритическим реактором деления. Такие ADSR по своей сути были бы безопасными, не имели бы опасности случайного экспоненциального выхода из-под контроля и относительно небольшого образования трансурановых отходов, с их длительным сроком службы и потенциалом распространения ядерного оружия.

из-за их квази- Непрерывный пучок и результирующие минимальные интервалы ускорения для высоких энергий, FFA также вызывают интерес как возможные части будущих установок мюонного коллайдера.

Статус

В 1990-х годах исследователи из лаборатории физики элементарных частиц KEK недалеко от Токио начали разработку концепции FFA, в результате чего в 2003 году была создана машина на 150 МэВ. Машина без масштабирования, получившая название PAMELA, для ускорения как протонов, так и ядер углерода для лечения рака. Между тем, ADSR, работающий на 100 МэВ, был продемонстрирован в Японии в марте 2009 года на Критической ассамблее Киотского университета (KUCA), достигнув «устойчивых ядерных реакций» с помощью управляющих стержней критической сборки, вставленных в активную зону реактора. чтобы заглушить его ниже критичности.

Дополнительная литература

• «Возрождение FFAG». ЦЕРН Курьер. 28 июля 2004 г. Дата обращения 11 апреля 2012 г.

Ссылки