Чередовый ускоритель градиента с фиксированным полем

Аклератор чередующегося градиента с фиксированным полем ( FFA ; также сокращаемый FFAG )-это концепция акселератора круговой частицы , которая может характеризоваться его независимыми от времени магнитными полями (фиксированное ( фиксированное поле, как в циклотроне) и использование чередующегося градиента (фиксированное поле , как в циклотроне) и использование чередующегося градиента (фиксированное поле, как в фиксированное поле, как в циклотроне ) и использование чередующегося градиента поле, как в циклотроне) и использованием чередующегося градиента сильной фокусировки циклотроне) и использование чередующегося градиента ( как в синхротроне ).

Во всех круглых ускорителях магнитные поля используются для сгиба луча частицы. Поскольку магнитная сила, необходимая для сгиба, луча увеличивается с энергией частиц, когда частицы ускоряются, либо их пути будут увеличиваться в размере, либо магнитное поле должно быть увеличено с течением времени, чтобы удерживать частицы на орбите постоянного размера. Машины с фиксированным полем, такие как циклотроны и FFA, используют первый подход и позволяют пути частиц измениться с ускорением.

Чтобы сохранить частицы, ограниченные лучом, требуется некоторый тип фокусировки. Небольшие изменения в форме магнитного поля, сохраняя при этом одно и то же общее направление поля, известны как слабая фокусировка. Сильный, или переменный градиент, включает в себя магнитные поля, которые попеременно указывают в противоположных направлениях. Использование чередующегося градиентного фокусировки позволяет обеспечить более плотно сфокусированные балки и меньшие полости акселератора.

FFA используют фиксированные магнитные поля, которые включают изменения в направлении поля вокруг окружности кольца. Это означает, что луч изменит радиус в течение ускорения, как в циклотроне, но останется более сфокусированным, как в синхротроне. Следовательно, FFA объединяют относительно менее дорогие фиксированные магниты с повышенной фокусировкой балки сильных фокусирующих машин.

Первоначальная концепция FFA была разработана в 1950-х годах, но до середины 1980-х годов не была активно изучена за пределами нескольких тестовых машин для использования в источниках нейтронной шнурки , в качестве драйвера для Muon Colliders и ускорить мюоны на нейтрино-фабрике с середины 1990-х годов.

Возрождение в исследованиях FFA было особенно сильным в Японии со строительством нескольких колец. Это возрождение было частично вызвано достижениями в полостях РЧ и в дизайне магнитов.

История

Первая фаза разработки

Мичиган Марк I FFA ускоритель. Этот электронный ускоритель 400 кеВ был первым оперативным акселератором FFA. Большая прямоугольная часть справа - это ядро ​​трансформатора Betatron .

Идея синхротрон с фиксированным полетом была разработана независимо в Японии Тихиро Окава , в Соединенных Штатах Кит Саймон и в России Андреем Коломенски . Первый прототип, построенный Лоуренсом У. Джонсом и Кентом М. Тервиллигером в Мичиганском университете, использовал ускорение Бетатрона и работал в начале 1956 года. Этой осенью прототип был перенесен в лабораторию исследовательской ассоциации Университетов Среднего Запада (MURA) в Университете штата Висконсин , где он был преобразован в электрон -синхротрон 500 кэВ . Патент Symon, поданный в начале 1956 года, использует термины «FFAG Accelerator» и «FFAG Synchrotron». Окава работал с Symon и командой Mura в течение нескольких лет, начиная с 1955 года.

Дональд Керст , работая с Symon, подал патент на акселератор FFA спирального сектора в то же время, что и патент на радиальный сектор Symon. Очень маленькая машина спирального сектора была построена в 1957 году, а в 1961 году была эксплуатирована машина радиального сектора 50 МэВ. Эта последняя машина была основана на патенте Окавы, поданной в 1957 году, для симметричной машины, способной одновременно ускорить идентичные частицы как по часовой стрелке, так и по часовой стороне и часовой стрел Проницаемость часовой стрелки. Это был один из первых акселераторов балки , хотя эта функция не использовалась, когда она была использована в качестве практического использования в качестве инжектора для кольца хранения тантала в том, что станет центром синхротронного излучения . Машина 50 мВ, наконец, была вышла на пенсию в начале 1970 -х годов.

Макет мура FFA

Мура спроектировала 10 GEV и 12,5 GEV Proton FFA, которые не были профинансированы. Два масштабированных дизайна, один для 720 МэВ и один для инжектора 500 МэВ, были опубликованы.

С закрытием Муры, начавшейся в 1963 году и закончилось в 1967 году, Концепция FFA не использовалась при существующей конструкции ускорителя и, следовательно, не обсуждалась в течение некоторого времени.

Продолжающееся развитие

Кольцо осунов (масштабирование FFA). Первым дизайном ANL Aspun был спиральной машиной, предназначенной для увеличения импульса в три раза с скромной спирали по сравнению с машинами мура.

Пример 16-клеточного сверхпроводящего FFA. Энергия: 1,6 ГЕВ, средний радиус 26 м.

В начале 1980 -х годов Фил Мидс предположил, что FFA был подходящим и выгодным в качестве ускорителя протона для интенсивного источника нейтронного нейтрона , нейтрона , Начиная с таких проектов, как линейный ускоритель Argonne Tandem в национальной лаборатории аргонов и прохладный синхротрон в исследовательском центре Юлиха .

Конференции по изучению этой возможности были проведены в исследовательском центре Юлих, начиная с 1984 года. Также было множество ежегодных семинаров, посвященных акселераторам FFA В CERN , KEK , BNL , TRIUMF , FERMILAB и Институте исследований реакторов в Университете Киото . В 1992 году европейская конференция акселератора частиц в CERN была о ускорителях FFA.

Первый Proton FFA был успешно строится в 2000 году, Инициирование бум активности FFA в области высокой энергии физики и медицины .

С сверхпроводящими магнитами необходимая длина магнитов FFA масштабируется примерно как обратный квадрат магнитного поля. В 1994 году была получена форма катушки, которая обеспечивала необходимое поле без железа. Этот дизайн магнита был продолжен S. Martin et al. от Юлиха .

В 2010 году, после семинара по акселераторам FFA в Киото , строительство электронного машины со многими приложениями (EMMA) было завершено в Лаборатории Дадбери , Великобритания . Это был первый немасштабительный акселератор FFA. Не масштабирующие FFA часто выгодны для масштабирования FFA, потому что избегают больших и тяжелых магнитов, а луч намного лучше контролируется.

Масштабирование по сравнению с типами без шкалера

Магнитные поля, необходимые для FFA, довольно сложны. Вычисление для магнитов, используемых на Michigan FFA Mark IB, машине радиального сектора 500 кэВ с 1956 года, были сделаны Фрэнк Коул из Университета Иллинойса на механическом калькуляторе, построенном Friden . Это было на пределе того, что можно было разумно сделать без компьютеров; Более сложная геометрия магнитов спирального сектора и некачественных FFA требует сложного компьютерного моделирования.

Машины мура масштабировали синхротроны FFA, что означает, что орбиты любого импульса являются фотографическими увеличениями любого другого импульса. В таких машинах частоты бетатрона постоянны, поэтому нет резонансов, которые могут привести к потере луча, пересекаются. Машина масштабируется, если среднее магнитное поле плоскости удовлетворяет

$B_{r}=0,\quad B_{\theta }=0,\quad B_{z}=ar^{k}~f(\psi )$,

где

• $\psi =N~[\tan ~\zeta ~\ln(r/r_{0})~-~\theta ]$,
• $k$ Полевой индекс,
• $N$это периодичность,
• $\zeta$ это угол спирали (который равняется нулю для радиальной машины),
• $r$ средний радиус и
• $f(\psi )$ является произвольной функцией, которая обеспечивает стабильную орбиту.

Для $k>>1$ Магнит FFA намного меньше, чем для циклотрона той же энергии. Недостатком является то, что эти машины очень нелинейные. Эти и другие отношения развиваются в статье Фрэнк Коул.

Идея построения немасштабного FFA впервые произошла с Кентом Тервиллигером и Лоуренсом В. Джонсом в конце 1950-х годов, думая о том, как повысить светимость луча в областях столкновения 2-й столбной балки FFA, над которым они работали. Эта идея имела немедленные применения в разработке лучших фокусирующих магнитов для обычных ускорителей, но не был применен к дизайну FFA до нескольких десятилетий спустя.

Если ускорение достаточно быстро, частицы могут проходить через резонансы Бетатрона, прежде чем у них будет время нарастать до разрушительной амплитуды. В этом случае дипольное поле может быть линейным с радиусом, что делает магниты меньше и проще для строительства. являющийся PRICE PRISCIPLE , не Линейный немасштабирующий FFA , под названием ( EMMA ) (электронная машина со многими приложениями) успешно эксплуатируется в Лаборатории Daresbury, Великобритания.

Вертикальная ваза

Экскурсия по вертикальной орбите (VFFA) представляет собой особый тип FFA, расположенный так, чтобы орбиты с более высокой энергией происходили выше (или ниже) более низкими орбитами энергии, а не радиально наружу. Это достигается с помощью перекоса, фокусирующих поля, которые толкают частицы с более высокой жесткостью луча в области с более высоким дипольным полем.

Основное преимущество, предлагаемое конструкцией VFFA по сравнению с дизайном FFA, заключается в том, что длина пути постоянно поддерживается между частицами с различными энергиями и, следовательно, релятивистские частицы перемещаются изохронно . Изохронность периода революции обеспечивает непрерывную работу пучка, поэтому предлагает такое же преимущество в силе, что изохронные циклотроны имеют над синхроциклонами . Изохронные ускорители не имеют фокусировки продольного луча , но это не является сильным ограничением у ускорителей с быстрыми скоростями рампы, обычно используемыми в конструкциях FFA.

Основные недостатки включают в себя тот факт, что VFFA требуют необычных конструкций магнитов, и в настоящее время конструкции VFFA были смоделированы , а не протестированы.

Приложения

Ускорители FFA имеют потенциальное медицинское применение при протонной терапии рака, так как протоны источники для производства нейтронов с высокой интенсивностью, для неинвазивных инспекций безопасности в закрытых грузовых контейнерах, для быстрого ускорения мюонов до высокой энергии, прежде чем у них будет время для разрушения, и как как «Энергетические усилители», для подкритических реакторов, управляемых акселератором (ADSR) / субкритических реакторов , в которых нейтронный луч, полученный из FFA, движет слегка субкритическим реактором деления . Такие ADSR были бы по своей природе безопасны, не имея опасности случайного экспоненциального сбегающего и относительно небольшого производства отходов трансараниума , с его долгой жизнью и потенциалом для распространения ядерного оружия .

Из-за их квази-непрерывного луча и полученных минимальных интервалов ускорения для высоких энергий, FFA также приобрели интерес в качестве возможных частей будущих средств Muon Collider .

Статус

В 1990-х годах исследователи из лаборатории физики частиц Кек, недалеко от Токио, начали разрабатывать концепцию FFA, кульминационную в машине 150 МэВ в 2003 году. Необеспеченная машина, получившая название Pamela, для ускорения протонов и углеродных ядер для раковой терапии была разработана Полем Между тем, ADSR, работающий при 100 МэВ, был продемонстрирован в Японии в марте 2009 года на критической сборке Киотво Университета (KUCA), что достигло «устойчивых ядерных реакций» с контрольными стержнями критической сборки , вставленными в сердечнику реактора, чтобы укрепить его ниже критичности.

Смотрите также

• Энергетический усилитель субкритический ядерный реактор , который может использовать FFA в качестве источника нейтронов

Дальнейшее чтение

• «Возрождение FFAG» . Церн Курьер . 28 июля 2004 г. Получено 11 апреля 2012 года .