Ускоритель переменного градиента с фиксированным полем
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]
История
[ редактировать ]Первый этап разработки
[ редактировать ]
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]

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 ]

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 .
Статус
[ редактировать ]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 ]- Усилитель энергии - подкритический ядерный реактор , который может использовать FFA в качестве источника нейтронов.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- «Возрождение ФФАГ» . ЦЕРН Курьер . 28 июля 2004 г. Проверено 11 апреля 2012 г.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Руджеро, AG (март 2006 г.). «Краткая история ускорителей FFA» (PDF) . БНЛ-75635-2006-Сп .
- ^ 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 .
- ^ Шихи, С.Л. (18 апреля 2016 г.). «Ускорители переменного градиента с фиксированным полем». arXiv : 1604.05221 [ physical.acc-ph ].
- ^ Мори, Ю. (2004). «Разработки акселератора FFA» (PDF) . Материалы FFAG04/ . Архивировано из оригинала (PDF) 20 декабря 2016 г. Проверено 4 мая 2016 г.
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ Патент США 2932797 , Кейт Р. Саймон , « Придание энергии заряженным частицам », выдан 12 апреля 1960 г.
- ^ 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 .
- ^ Патент США 2932798 , Дональд Уильям Керст и Кейт Р. Саймон , « Передача энергии заряженным частицам », выдан 12 апреля 1960 г.
- ^ Патент США 2890348 , Тихиро Окава, « Ускоритель частиц », выдан 9 июня 1959 г.
- ^ Шоппер, Хервиг Ф. (1993). Достижения в физике ускорителей . Всемирная научная. п. 529. ИСБН 9789810209582 .
- ^ Э. М. Роу и Ф. Е. Миллс, Тантал I: специальный источник синхротронного излучения с накопительным кольцом, ускорители частиц , Vol. 4 (1973); страницы 211-227.
- ^ ФК Коул, редактор, ускоритель FFA на 12,5 ГэВ, отчет MURA (1964)
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ «История Аргонны: понимание физической Вселенной» . Аргоннская национальная лаборатория. Архивировано из оригинала 9 сентября 2004 года.
- ^ «COSY — Фундаментальные исследования в области адронной, элементарной и ядерной физики» . Институт ядерной физики . Проверено 12 февраля 2017 г.
- ^ Вюстефельд, Г. (14 мая 1984 г.). «2-й Юлихский семинар по ускорителям с переменным градиентом фиксированного поля (FFA)» . Юлих . Проверено 12 февраля 2017 г.
- ^ 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.
- ^ «Предыдущие семинары» . БНЛ . Проверено 12 февраля 2017 г.
- ^ 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 .
- ^ Заплатин, Э. (24 марта 1992 г.). «Четвертая встреча акселератора EPNS». Европейская конференция по ускорителям частиц .
- ^ М. Айба; и др. (2000). «Разработка протонного синхротрона FFAG». Европейская конференция по ускорителям частиц .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ С.А. Мартин; и др. (24 мая 1993 г.). «Исследования FFAG для источника нейтронов мощностью 5 МВт». Международное сотрудничество по перспективным источникам нейтронов (ICANS) .
- ^ 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 ) - ^ Ливингстон, Массачусетс ; Блюетт, Дж. (1962). Ускорители частиц . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл . ISBN 978-1114443846 .
- ^ Типичные конструкции ускорителей высокой энергии FFA, Международная конференция по ускорителям высокой энергии, CERN-1959, стр. 82-88.
- ^ 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 .
- ^ С. Мачида и др., Nature Physics, том 8, выпуск 3, стр. 243-247.
- ^ 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 .
- ^ 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 .