Jump to content

Ускоритель переменного градиента с фиксированным полем

(Перенаправлено с ускорителя FFAG )

Ускоритель переменного градиента с фиксированным полем ( FFA ; также сокращенно FFAG ) представляет собой концепцию кругового ускорителя частиц , которую можно охарактеризовать независимыми от времени магнитными полями ( фиксированное поле , как в циклотроне ) и использованием сильной фокусировки переменного градиента ( как в синхротроне ). [1] [2]

Во всех круговых ускорителях для изгиба пучка частиц используются магнитные поля. Поскольку магнитная сила, необходимая для изгиба луча, увеличивается с увеличением энергии частиц, по мере ускорения частиц либо их пути будут увеличиваться в размерах, либо магнитное поле должно увеличиваться с течением времени, чтобы удерживать частицы на орбите постоянного размера. Машины с фиксированным полем, такие как циклотроны и FFA, используют первый подход и позволяют траектории частиц изменяться с ускорением.

Чтобы удерживать частицы в луче, требуется некоторый тип фокусировки. Небольшие изменения формы магнитного поля при сохранении общего направления поля известны как слабая фокусировка. Сильная или переменно-градиентная фокусировка предполагает использование магнитных полей, которые поочередно направлены в противоположные стороны. Использование попеременной градиентной фокусировки позволяет получить более точно сфокусированные лучи и меньшие резонаторы ускорителя.

В FFA используются фиксированные магнитные поля, которые включают изменения направления поля по окружности кольца. Это означает, что луч будет менять радиус в процессе ускорения, как в циклотроне, но останется более сфокусированным, как в синхротроне. Таким образом, FFA сочетают в себе относительно менее дорогие фиксированные магниты с повышенной фокусировкой луча, используемой в машинах с сильной фокусировкой. [3]

Первоначальная концепция FFA была разработана в 1950-х годах, но активно не исследовалась, за исключением нескольких испытательных машин, до середины 1980-х годов для использования в источниках нейтронного расщепления в качестве двигателя для мюонных коллайдеров. [1] и ускорение мюонов на нейтринной фабрике с середины 1990-х годов.

Возрождение исследований FFA было особенно сильным в Японии, где было построено несколько колец. Частично это возрождение было вызвано достижениями в области радиочастотных резонаторов и конструкции магнитов. [4]

Первый этап разработки

[ редактировать ]
Ускоритель Michigan Mark I FFA. Этот ускоритель электронов на 400 кэВ был первым действующим ускорителем FFA. Большая прямоугольная часть справа — это сердечник бетатронного трансформатора.

Идея синхротронов переменного градиента с фиксированным полем была независимо развита в Японии Тихиро Окавой , в США Китом Саймоном и в России Андреем Коломенским . Первый прототип, построенный Лоуренсом В. Джонсом и Кентом М. Тервиллигером в Мичиганском университете, использовал бетатронное ускорение и был введен в эксплуатацию в начале 1956 года. [5] Той осенью прототип был перевезен в лабораторию Исследовательской ассоциации университетов Среднего Запада (MURA) в Университете Висконсина , где он был преобразован в электронный синхротрон на 500 кэВ . [6] В патенте Саймона, поданном в начале 1956 года, используются термины «ускоритель FFAG» и «синхротрон FFAG». [7] Окава работал с Саймоном и командой MURA несколько лет, начиная с 1955 года. [8]

Дональд Керст , работая с Саймоном, подал патент на ускоритель FFA со спиральным сектором примерно в то же время, что и патент Саймона на радиальный сектор. [9] 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. лучи против часовой стрелки. [10] Это был один из первых ускорителей встречных пучков , хотя эта особенность не была использована, когда он был использован в качестве инжектора для накопительного кольца Тантал в том месте, которое впоследствии стало Центром синхротронного излучения . [11] Установка на 50 МэВ была окончательно снята с эксплуатации в начале 1970-х годов. [12]

Планировка MURA FFA

MURA разработала протонные FFA с энергией 10 ГэВ и 12,5 ГэВ, которые не получили финансирования. [13] Две уменьшенные конструкции, одна на 720 МэВ. [14] и один для инжектора на 500 МэВ, [15] были опубликованы.

После закрытия MURA, которое началось в 1963 году и закончилось в 1967 году, [16] Концепция FFA не использовалась в существующей конструкции ускорителя и поэтому какое-то время активно не обсуждалась.

Постоянное развитие

[ редактировать ]
Кольцо АСПУН (скалинг FFA). Первая конструкция ASPUN от ANL представляла собой спиральную машину, предназначенную для трехкратного увеличения импульса с помощью скромной спирали по сравнению с машинами MURA. [17]
Пример 16-ячеечного сверхпроводящего FFA. Энергия: 1,6 ГэВ, средний радиус 26 м.

В начале 1980-х годов Фил Мидс предположил, что FFA подходит и выгоден в качестве ускорителя протонов для интенсивного источника нейтронов расщепления . [18] запуск таких проектов, как Аргоннский тандемный линейный ускоритель в Аргоннской национальной лаборатории. [19] и Cooler Synchrotron в Исследовательском центре Юлиха . [20]

Конференции, исследующие эту возможность, проводились в Исследовательском центре Юлиха, начиная с 1984 года. [21] Также проводилось множество ежегодных семинаров, посвященных ускорителям FFA. [22] в CERN , KEK , BNL , TRIUMF , Fermilab и Институте реакторных исследований Киотского университета . [23] В 1992 году Европейская конференция по ускорителям частиц в ЦЕРН была посвящена ускорителям FFA. [24] [25]

Первый протонный FFA был успешно построен в 2000 году. [26] инициируя бум деятельности ФФА в высоких энергий физике и медицине .

В случае сверхпроводящих магнитов необходимая длина магнитов FFA масштабируется примерно как обратный квадрат магнитного поля. [27] В 1994 году была разработана форма катушки, обеспечивающая необходимое поле без использования железа. [28] Эту конструкцию магнита продолжили С. Мартин и др. из Юлиха . [24] [29]

В 2010 году после семинара по ускорителям FFA в Киото строительство Электронной машины с множеством приложений , завершилось в лаборатории Дарсбери , Великобритания (ЕММА) . Это был первый немасштабируемый ускоритель FFA. Немасштабируемые FFA часто предпочтительнее масштабируемых FFA, поскольку позволяют избежать использования больших и тяжелых магнитов и намного лучше контролировать луч. [30]

Масштабируемые и немасштабируемые типы

[ редактировать ]

Магнитные поля, необходимые для FFA, довольно сложны. Расчеты для магнитов, используемых в Мичиганском FFA Mark Ib, машине с радиальным сектором на 500 кэВ 1956 года, были выполнены Фрэнком Коулом из Университета Иллинойса на механическом калькуляторе, построенном Фриденом . [6] Это был предел того, что можно было сделать без компьютеров; более сложная геометрия магнитов спирального сектора и немасштабируемых FFA требует сложного компьютерного моделирования.

Машины MURA масштабировали синхротроны FFA, а это означает, что орбиты любого импульса являются фотографическим увеличением орбит любого другого импульса. В таких машинах бетатронные частоты постоянны, поэтому отсутствуют резонансы, которые могли бы привести к потере луча. [31] пересекаются. Машина масштабируется, если магнитное поле срединной плоскости удовлетворяет условиям

,

где

  • ,
  • индекс поля,
  • периодичность,
  • - угол спирали (который равен нулю для радиальной машины),
  • средний радиус и
  • — произвольная функция, обеспечивающая стабильную орбиту.

Для Магнит FFA намного меньше, чем у циклотрона той же энергии. Недостатком является то, что эти машины очень нелинейны. Эти и другие связи развиты в статье Фрэнка Коула. [32]

Идея создания немасштабируемого FFA впервые пришла в голову Кенту Тервиллигеру и Лоуренсу У. Джонсу в конце 1950-х годов, когда они думали о том, как увеличить яркость луча в областях столкновения двухстороннего встречного луча FFA, над которым они работали. Эта идея нашла немедленное применение при разработке более совершенных фокусирующих магнитов для обычных ускорителей. [6] но не был применен к дизайну FFA лишь несколько десятилетий спустя.

Если ускорение достаточно быстрое, частицы смогут пройти через бетатронные резонансы прежде, чем успеют достичь разрушительной амплитуды. В этом случае дипольное поле может быть линейным в зависимости от радиуса, что делает магниты меньше и проще в изготовлении. FFA, подтверждающий принцип работы Линейный, немасштабируемый под названием ( EMMA ) (электронная машина с множеством приложений), успешно работает в лаборатории Дарсбери, Великобритания. [33] [34]

Вертикальные FFA

[ редактировать ]

Вертикальные орбитальные FFA (VFFA) представляют собой особый тип FFA, устроенный таким образом, что орбиты с более высокой энергией располагаются над (или под) орбитами с более низкой энергией, а не радиально наружу. Это достигается с помощью полей перекоса фокусировки, которые толкают частицы с более высокой жесткостью пучка вертикально в области с более высоким дипольным полем. [35]

Основное преимущество конструкции VFFA перед конструкцией FFA заключается в том, что длина пути между частицами с разными энергиями остается постоянной, и, следовательно, релятивистские частицы движутся изохронно . Изохронность периода вращения обеспечивает непрерывную работу луча, обеспечивая тем самым то же преимущество по мощности, что и изохронные циклотроны по сравнению с синхроциклотронами . Изохронные ускорители не имеют продольной фокусировки луча , но это не является серьезным ограничением для ускорителей с высокой скоростью линейного изменения, обычно используемых в конструкциях FFA.

К основным недостаткам относится тот факт, что VFFA требует необычной конструкции магнитов, и в настоящее время конструкции VFFA только моделируются, а не тестируются.

Приложения

[ редактировать ]

Ускорители FFA имеют потенциальное медицинское применение в протонной терапии рака, в качестве источников протонов для производства нейтронов высокой интенсивности, для неинвазивного досмотра закрытых грузовых контейнеров, для быстрого ускорения мюонов до высоких энергий до того, как они успеют распасться, и в качестве «Усилители энергии» для подкритических реакторов с ускорителем (ADSR) / подкритических реакторов , в которых нейтронный пучок, полученный из FFA, приводит в действие слегка подкритический реактор деления . Такие ADSR были бы по своей сути безопасными, не имели бы опасности случайного экспоненциального выхода из-под контроля и имели бы относительно небольшое производство трансурановых отходов, с их длительным сроком службы и потенциалом распространения ядерного оружия .

Из-за квазинепрерывного пучка и, как следствие, минимальных интервалов ускорения для высоких энергий, FFA также вызвали интерес как возможные части будущих мюонных коллайдеров .

В 1990-х годах исследователи из лаборатории физики элементарных частиц KEK недалеко от Токио начали разработку концепции FFA, кульминацией которой в 2003 году стала установка на 150 МэВ. Была разработана немасштабируемая машина, получившая название PAMELA, для ускорения как протонов, так и ядер углерода для лечения рака. . [36] Между тем, ADSR, работающий при энергии 100 МэВ, был продемонстрирован в Японии в марте 2009 года на Критической сборке Киотского университета (KUCA), где были достигнуты «устойчивые ядерные реакции» с помощью управляющих стержней критической сборки, вставленных в активную зону реактора, чтобы погасить ее критичность ниже уровня критичности.

См. также

[ редактировать ]

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
  • «Возрождение ФФАГ» . ЦЕРН Курьер . 28 июля 2004 г. Проверено 11 апреля 2012 г.
  1. ^ Jump up to: а б Руджеро, AG (март 2006 г.). «Краткая история ускорителей FFA» (PDF) . БНЛ-75635-2006-Сп .
  2. ^ Дэниел Клери (4 января 2010 г.). «Следующий большой луч?». Наука . 327 (5962): 142–143. Бибкод : 2010Sci...327..142C . дои : 10.1126/science.327.5962.142 . ПМИД   20056871 .
  3. ^ Шихи, С.Л. (18 апреля 2016 г.). «Ускорители переменного градиента с фиксированным полем». arXiv : 1604.05221 [ physical.acc-ph ].
  4. ^ Мори, Ю. (2004). «Разработки акселератора FFA» (PDF) . Материалы FFAG04/ . Архивировано из оригинала (PDF) 20 декабря 2016 г. Проверено 4 мая 2016 г.
  5. ^ Лоуренс В. Джонс, Кент М. Тервиллигер, Небольшая модель ускорителя радиального сектора с переменным градиентом фиксированного поля , Технический отчет MURA-LWJ/KMT-5 (MURA-104), 3 апреля 1956 г.; содержит фотографии, масштабные чертежи и конструктивные расчеты.
  6. ^ Jump up to: а б с Джонс, Л.В. (1991). «Кент М. Тервиллигер; аспирантура в Беркли и первые годы в Мичигане, 1949–1959». Мемориальный симпозиум Кента М. Тервиллигера, 13–14 октября 1989 г. Материалы конференции AIP . Том. 237. стр. 1–21. дои : 10.1063/1.41146 . hdl : 2027.42/87537 .
  7. ^ Патент США 2932797 , Кейт Р. Саймон , « Придание энергии заряженным частицам », выдан 12 апреля 1960 г.  
  8. ^ Джонс, LW ; Сесслер, AM; Саймон, КР (2007). «Краткая история ускорителя FFAG». Наука . 316 (5831): 1567. doi : 10.1126/science.316.5831.1567 . ПМИД   17569845 . S2CID   5201822 .
  9. ^ Патент США 2932798 , Дональд Уильям Керст и Кейт Р. Саймон , « Передача энергии заряженным частицам », выдан 12 апреля 1960 г.  
  10. ^ Патент США 2890348 , Тихиро Окава, « Ускоритель частиц », выдан 9 июня 1959 г.  
  11. ^ Шоппер, Хервиг Ф. (1993). Достижения в физике ускорителей . Всемирная научная. п. 529. ИСБН  9789810209582 .
  12. ^ Э. М. Роу и Ф. Е. Миллс, Тантал I: специальный источник синхротронного излучения с накопительным кольцом, ускорители частиц , Vol. 4 (1973); страницы 211-227.
  13. ^ ФК Коул, редактор, ускоритель FFA на 12,5 ГэВ, отчет MURA (1964)
  14. ^ Коул, FT; Парзен, Г.; Роу, EM; Сноудон, Южная Каролина; Маккензи, КР; Райт, БТ (1963). «Проектирование протонного ускорителя FFA на энергию 720 МэВ» (PDF) . Учеб. Международная конференция по секторно-ориентированным циклотронам и мезонным фабрикам . 25 : 189–196. Бибкод : 1964NucIM..25..189C . дои : 10.1016/0029-554X(63)90185-X .
  15. ^ Сноудон, С.; Кристиан, Р.; Роу, Э.; Кертис, К.; Мейер, Х. (1985). «Проектирование инжектора FFA на 500 МэВ». Учеб. 5-я Международная конференция по ускорителям высоких энергий . ОСТИ   4453496 .
  16. ^ Джонс, Л.; Миллс, Ф.; Сесслер, А.; Саймон, К.; Янг, Д. (2010). Инноваций было недостаточно: история Исследовательской ассоциации университетов Среднего Запада (MURA) . Всемирная научная. Бибкод : 2010ine..book.....J . ISBN  9789812832832 .
  17. ^ Хо, ТК; Кустом, Р.Л. (август 1983 г.). «ASPUN, Проект аргоннского сверхинтенсивного импульсного источника нейтронов» . Транзакции IEEE по ядерной науке . 30 (4): 2086–2088. Бибкод : 1983ИТНС...30.2086К . CiteSeerX   10.1.1.609.1789 . дои : 10.1109/tns.1983.4332724 . ISSN   0891-9356 . S2CID   31021790 .
  18. ^ Мидс, П.; Вюстефельд, Г. (октябрь 1985 г.). «Кольцо компрессора и ускорителя FFA, исследованное для немецкого источника расщепительных нейтронов». Транзакции IEEE по ядерной науке . 32 (5 (часть II)): 2697–2699. Бибкод : 1985ИТНС...32.2697М . дои : 10.1109/TNS.1985.4334153 . S2CID   41784649 .
  19. ^ «История Аргонны: понимание физической Вселенной» . Аргоннская национальная лаборатория. Архивировано из оригинала 9 сентября 2004 года.
  20. ^ «COSY — Фундаментальные исследования в области адронной, элементарной и ядерной физики» . Институт ядерной физики . Проверено 12 февраля 2017 г.
  21. ^ Вюстефельд, Г. (14 мая 1984 г.). «2-й Юлихский семинар по ускорителям с переменным градиентом фиксированного поля (FFA)» . Юлих . Проверено 12 февраля 2017 г.
  22. ^ Крэддок, МК (2005). «Новые концепции проектирования FFAG для объектов вторичной балки и других применений» (PDF) . 21-я конференция по ускорителям частиц (Pac 05) : 261. Бибкод : 2005pac..conf..261C . Проверено 12 февраля 2012 г.
  23. ^ «Предыдущие семинары» . БНЛ . Проверено 12 февраля 2017 г.
  24. ^ Jump up to: а б Мартин, С.; Мидс, П.; Вюстефельд, Г.; Заплатин Е.; Зиглер, К. (13 октября 1992 г.). «Исследование вариантов FFAG для европейского импульсного источника нейтронов (ESS)» (PDF) . Учеб. XIII Национальная ускорительная конференция, Дубна, Россия .
  25. ^ Заплатин, Э. (24 марта 1992 г.). «Четвертая встреча акселератора EPNS». Европейская конференция по ускорителям частиц .
  26. ^ М. Айба; и др. (2000). «Разработка протонного синхротрона FFAG». Европейская конференция по ускорителям частиц .
  27. ^ Мидс, ПФ; Вюстефельд, Г. (1985). «Кольцо компрессора и ускорителя FFAG исследовано для немецкого источника расщепительных нейтронов» (PDF) . Транзакции IEEE по ядерной науке . 32 (5): 2697–2699. Бибкод : 1985ИТНС...32.2697М . дои : 10.1109/TNS.1985.4334153 . S2CID   41784649 .
  28. ^ Абдельсалам, М.; Кустом, Р. (июль 1994 г.). «Конструкция сверхпроводящего магнита для ускорителя переменного градиента фиксированного поля (FFAG)» . Транзакции IEEE по магнетизму . 30 (4): 2620–2623. Бибкод : 1994ITM....30.2620A . дои : 10.1109/20.305816 .
  29. ^ С.А. Мартин; и др. (24 мая 1993 г.). «Исследования FFAG для источника нейтронов мощностью 5 МВт». Международное сотрудничество по перспективным источникам нейтронов (ICANS) .
  30. ^ Д. Трбоевич, Э. Кейл, А. Сесслер. «Проект немасштабируемого ускорителя с фиксированным градиентом поля (FFAG) для протонной и углеродной терапии» (PDF) . Проверено 12 февраля 2017 г. {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  31. ^ Ливингстон, Массачусетс ; Блюетт, Дж. (1962). Ускорители частиц . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл . ISBN  978-1114443846 .
  32. ^ Типичные конструкции ускорителей высокой энергии FFA, Международная конференция по ускорителям высокой энергии, CERN-1959, стр. 82-88.
  33. ^ Эджкок, Р.; и др. (2008). «ЭММА, первый в мире FFAG без масштабирования» (PDF) . Учеб. Европейская конференция по ускорителям частиц, 2008 г .: 2624. Bibcode : 2007pac..conf.2624E .
  34. ^ С. Мачида и др., Nature Physics, том 8, выпуск 3, стр. 243-247.
  35. ^ Брукс, С. (2013). «Ускорители переменного градиента с фиксированным полем и возвратом на вертикальную орбиту» . Специальные темы физического обзора: ускорители и пучки . 16 (8): 084001. Бибкод : 2013PhRvS..16h4001B . doi : 10.1103/PhysRevSTAB.16.084001 .
  36. ^ Пич, К. (11 марта 2013 г.). «Концептуальный проект немасштабируемого ускорителя переменного градиента с фиксированным полем для протонов и ионов углерода для терапии заряженными частицами» . Специальные темы Physical Review — Ускорители и пучки . 16 (3): 030101. Бибкод : 2013PhRvS..16c0101P . doi : 10.1103/PhysRevSTAB.16.030101 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 600751cc9034f889d1d1a12bb99293e8__1720351800
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/60/e8/600751cc9034f889d1d1a12bb99293e8.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Fixed-field alternating gradient accelerator - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)