Сильная фокусировка
В физике ускорителей сильная фокусировка или фокусировка с переменным градиентом — это принцип, согласно которому, используя наборы из нескольких электромагнитов , можно заставить пучок частиц одновременно сходиться в обоих направлениях, перпендикулярных направлению движения. Напротив, слабая фокусировка — это принцип, согласно которому близлежащие круги, описываемые заряженными частицами, движущимися в однородном магнитном поле, пересекаются только один раз за оборот.
Теорема Ирншоу показывает, что одновременная фокусировка сразу в двух поперечных к оси пучка направлениях одним магнитом невозможна — магнит, фокусирующийся в одном направлении, будет дефокусироваться в перпендикулярном направлении. Однако железные «полюса» циклотрона или два или более разнесенных квадрупольных магнита (расположенных в квадратуре ) могут попеременно фокусироваться по горизонтали и по вертикали, и конечный общий эффект их комбинации можно регулировать для фокусировки луча в обоих направлениях. [1] [2]
Сильная фокусировка была впервые предложена Николасом Христофилосом в 1949 году, но не опубликована (вместо этого Христофилос решил запатентовать свою идею). [3] В 1952 году принцип сильной фокусировки был независимо разработан Эрнестом Курантом , М. Стэнли Ливингстоном , Хартландом Снайдером и Дж. Блюеттом в Брукхейвенской национальной лаборатории . [4] [5] который позже признал приоритет идеи Христофила. [6] Затем преимущества сильной фокусировки были быстро осознаны и использованы в синхротроне переменного градиента .
Курант и Снайдер обнаружили, что конечный эффект изменения градиента поля заключался в том, что можно было одновременно усилить как вертикальную, так и горизонтальную фокусировку протонов, что позволило жестко контролировать траектории протонов в машине. Это увеличило интенсивность пучка и одновременно снизило общую стоимость строительства более мощного ускорителя. Эта теория произвела революцию в конструкции циклотронов и позволила использовать очень высокую напряженность поля, одновременно значительно уменьшив размер необходимых магнитов за счет минимизации размера луча. Большинство ускорителей частиц сегодня используют принцип сильной фокусировки.
Многополюсные магниты
[ редактировать ]
В современных системах часто используются многополюсные магниты, такие как квадрупольные и секступольные магниты , для фокусировки луча вниз, поскольку магниты дают более мощный эффект отклонения, чем более ранние электростатические системы при высоких кинетических энергиях луча. Мультипольные магниты перефокусируют луч после каждой секции отклонения, поскольку секции отклонения оказывают эффект дефокусировки, которому можно противодействовать с помощью сходящейся магнитной «линзы».
Схематически это можно изобразить как последовательность рассеивающих и собирающих линз. Квадруполи часто располагаются в так называемых паттернах FODO (где F фокусируется вертикально и дефокусируется горизонтально, D фокусируется горизонтально и дефокусируется вертикально, а O представляет собой пространственный или отклоняющий магнит). Следуя за частицами пучка по их траекториям через фокусирующее устройство, будет наблюдаться колебательная картина.
Математическое моделирование
[ редактировать ]Воздействие набора линейных магнитов на набор заряженных частиц (т.е. только диполи, квадруполи и области бесполевого дрейфа между ними) можно выразить в виде матриц, которые можно умножить вместе, чтобы получить их конечный эффект, используя матрицу переноса лучей анализ . [7] Члены высшего порядка, такие как секступоли, октуполи и т. д., можно рассматривать различными методами, в зависимости от интересующих явлений.
См. также
[ редактировать ]- Электронная пушка - использует цилиндрические симметричные поля, такие как цилиндр Венельта, для фокусировки электронного луча.
- Маглев - также предлагалось использовать сильную фокусировку.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Курант, ЭД ; Снайдер, HS (январь 1958 г.). «Теория синхротрона переменного градиента» (PDF) . Анналы физики . 3 (1): 360–408. Бибкод : 2000AnPhy.281..360C . дои : 10.1006/aphy.2000.6012 .
- ^ Концепция переменного градиента
- ^ Христофилос, Северная Каролина (1950). «Фокусирующая система для ионов и электронов». Патент США № 2736799 .
- ^ Курант, ЭД ; Ливингстон, Массачусетс ; Снайдер, HS (1952). «Синхротрон с сильной фокусировкой — новый ускоритель высоких энергий». Физический обзор . 88 (5): 1190–1196. Бибкод : 1952PhRv...88.1190C . дои : 10.1103/PhysRev.88.1190 . hdl : 2027/mdp.39015086454124 .
- ^ Блюетт, JP (1952). «Радиальная фокусировка в линейном ускорителе». Физический обзор . 88 (5): 1197–1199. Бибкод : 1952PhRv...88.1197B . дои : 10.1103/PhysRev.88.1197 .
- ^ Курант, ЭД ; Ливингстон, Массачусетс ; Снайдер, HS ; Блюетт, Дж. (1953). «Происхождение принципа «сильной фокусировки». Физический обзор . 91 (1): 202–203. Бибкод : 1953PhRv...91..202C . дои : 10.1103/PhysRev.91.202.2 .
- ^ Фокусировка луча
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Национальная лаборатория Лоуренса Беркли: Мир балок. Архивировано 2 марта 2005 г. в Wayback Machine.