Циклотрон с азимутальной вариацией магнитного поля (изохронный циклотрон)

Циклотрон является простой и удобной машиной, ускоряющей протоны и ионы различных веществ при большой интенсивности пучка. К сожалению, из-за релятивистского увеличения массы частиц предельная энергия циклотрона ограничена величиной 15…20 Мэв для протонов. Для сохранения постоянства частоты вращения частицы при всех значениях ее энергии необходимо, чтобы напряженность магнитного поля возрастала с увеличением радиуса орбиты. В действительности же, как известно, напряженность магнитного поля даже несколько падает для того, чтобы обеспечить вертикальную фокусировку частиц. Условие постоянства частоты вращения требует, чтобы напряженность магнитного поля изменялась по закону

Здесь h₀ — напряженность магнитного поля в центре сечения зазора.

При такой зависимости магнитного поля от энергии частицы, характеризующей рост напряженности с увеличением радиуса, резонансные условия соблюдаются при любых значениях энергии и циклотрон может быть построен на значительно большие энергии, чем 15…20 Мэв. Такой циклотрон называется изохронным, что характеризует сохранение постоянства частоты вращения частицы при всех энергиях. Однако, как уже отмечалось выше, магнитное поле, нарастающее с увеличением радиуса, не обеспечивает верти­кальной фокусировки частиц. Уже в самом начале развития циклотронной техники делались попытки найти такую конфигурацию магнитного поля, которая при соблюдении нашего условия обеспечила бы вертикальную фоку­сировку. Первая попытка подобного рода была сделана Томасом в 1938 г. Он теоретически показал, что магнитное поле, изменяю­щееся по закону

H = H_o(1-Arcosnθ + Br²),

обладает нужным свойством. В этой формуле значение напряжен­ности магнитного поля в зазоре машины задано в полярных коор­динатах в зависимости от радиуса r и угла θ.Как видно из формулы, среднее значение напряженности поля растет с увеличением радиуса и при соответствующем подборе коэффициентов A и В может изменяться по закону, близкому к нашему закону. Это обеспечивает компенсацию релятивистского эффекта и сохранение резонансных условий при всех энергиях частиц. Азимутальная вариация поля, обусловленная составляющей Arcosnθ в формуле, дает возможность получить вертикальную фокусировку частиц.

должна осуществляться за счет изменения величины зазора между полюсами машины. Конфигурация поверхности полюсов для полу­чения такой вариации должна быть близкой к изображенной на рис. 50.

Рис. 50. Полюс циклотрона по предложению Томаса

Она очень сложна. Теоретические исследования пока­зали, что допуски на отклонение величины Н от заданных значений очень жестки. Практическое осуществление предложения Томаса оказалось весьма сложным.

В 1944 г. Векслер, а позже и независимо от него Макмиллан (1945 г.) открыли так называемый эффект автофазировки, дающий возможность найти другой путь построения ускорителей на большие энергии. Интерес к предложению Томаса пропал , и лишь в 50-х годах кон­структоры циклотронов вновь вернулись к идеям Томаса. В 1953…1956 гг. ряд иссле­дователей (Окава, Мороз, Ра­бинович, Петухов, Симон и др.) разработали теорию ма­шин с азимутальной вариа­цией поля, и нашли более простые способы осуществления нужных полей, чем это было предложено Томасом. В 1960 г. интерес к азимутальной вариации поля еще более усилился.

Основное преимущество изохронного циклотрона с азимуталь­ной вариацией поля перед ускорителями других типов на энергию выше 15…20 МэВ заключается в большей (иногда на 2…3 порядка) интенсивности пучка частиц.

Были разработаны более простые, чем показанная на рис. 50, формы полюсов изохронных циклотронов, которые дают эффект вер­тикальной фокусировки. Нарастание среднего поля происходит за счет уменьшения зазора и увеличения относительной азимуталь­ной протяженности зон выступов. Некоторые из этих конфигу­раций полюсов схематически представлены на рис. 51.

Рис. 51. Различные варианты полюсных накладок, обеспечивающих вертикальную устойчивость движения частицы при ее изо­хронности

В верхней части рисунка показан вид на полюс при одном из вариантов ази­мутальной вариации поля. В нижней части рисунка показаны дру­гие варианты полюсных накладок, обеспечивающих вертикаль­ную фокусировку частиц.

Механизм вертикальной фокусировки в циклотронах с азимутальной вариацией поля легко выяснить при рассмотрении простейшего случая вариации, схематически представленного на рис. 52.

Рис. 52. Пояснение механизма вертикаль­ной фокусировки в изохронном циклотро­не с простыми сектор­ными накладками

Здесь в верхней части рисунка показан вид на полюс с тремя секторными накладками (по типу полюса, показанного на рис. 51 вверху). Сплошной линией изображена траектория движения частицы, а пунктирной — окружность среднего радиуса, проведённая из центра через точки А и В траектории в местах пересечения с ребрами секторных накладок. Причина искажения траектории и отклонения ее от круговой связана с тем, что в зазоре между выступами частица движется в сильном магнитном поле, а в районе впадин — в слабом. Так как радиус траектории частицы обратно пропорционален напряженности магнитного поля, то радиус траектории в районе выступов будет меньше радиуса в районе впадин во столько раз, во сколько поле Н в первом случае больше, чем во втором.

Вследствие этого эффекта при переходе из зоны слабого поля в зону сильного в точке частица пересекает ребро выступа под некоторым углом α: по тем же причинам второе ребро выступа в точке В частица пересечет под углом β к нормали. Сечение зазора и характер силовых линий магнитного поля в точках А и В показаны в нижней части рис. 52. Так как углы α и β отличны от нуля, то вектор скорости частицы в точках А и В будет иметь составляющие, параллельные ребрам выступа. Параллельные составляющие приводят к появлению вертикальных фокусирующих сил. Эти силы тем больше, чем больше углы α и β. На рисунках 53 и 54 приведено схематическое изображение полюсных накладок, компенсирующих обмоток и варианты резонансной ускоряющей системы изохронного циклотрона.

При работе с малыми энергиями частиц релятивистское изме­нение массы практически отсутствует и нарастание напряженности поля с увеличением радиуса не требуется или требуется в значи­тельно меньшей степени, чем при максимальной энергии. Поэтому характер напряженности поля в зависимости от радиуса при пере­ходе от больших конечных энергий частиц к малым и обратно дол­жен существенно изменяться.

Практически неприемлемо изменять закон зависимости поля от радиуса заменой секторных накладок и другими операциями, свя­занными с разборкой и сборкой машины. Переход от одного режима к другому должен осуществляться манипуляциями на пульте управления без монтажных и сборочно-разборочных операций. Это возможно только в том случае, если в зазоре электромагнита будут размещены специальные катушки корректирующих обмоток. Изменяя величину тока в них, можно в нужных пределах изменять характер зависимости среднего магнитного поля от радиуса и ва­риацию поля, необходимую для вертикальной фокусировки. Поэ­тому все изохронные циклотроны с регулируемой энергией снабжены сложной системой корректирующих обмоток, заключенных в специальную вакуумно-плотную оболочку и закладываемых внутрь камеры вблизи полюсных крышек.

Имеются два основных типа обмоток — концентрические и секторные; иногда применяются так называемые гармонические обмотки. Концентрические обмотки размещаются в виде кольцевых катушек с центром в центре сечения зазора электромагнита. Они служат для изменения характера зависимости среднего магнитного поля от радиуса. При переходе от легких ионов к тяжелым с помощью этих обмоток уменьшают величину нарастания поля с увеличением радиуса. Вторая группа обмоток — секторных — располагается обычно внутри впадин. Изменение тока в этих обмотках увеличивает или уменьшает величину вариации магнитного поля. Гармонические обмотки применяются для компенсации высших гармонических составляющих магнитного поля. Обмотки схематически показаны на рис. 53.

Рис. 53. Схематическое изображение полюсных накладок (внизу) и компенсирующих обмоток изохронного циклотрона.

Существенное значение имеет выбор конструкции дуантной системы. Корректирующие обмотки затрудняют размещение дуантов в зазоре. Возможно применение однодуантной и двухдуантной систем. Протяженность дуанта по азимуту иногда меньше 180°. Часто дуант размещается внутри впадин между секторными накладками. Это дает возможность увеличить расстояние между дуантами и повысить электрическую прочность дуанта по отноше- нию к земле.

На рис. 54 приведены схемы нескольких вариантов ускоряющей системы, встречающихся в современных циклотронах с азимутальной вариацией поля. Создание подобных машин связано с большими практическими трудностями. Для таких значений энергии требуется очень сильная азимутальная вариация поля при жестких допусках на законы ее изменения.

Рис. 54. Варианты резонансной ускоряющей системы изохронного циклотрона

По-видимому, при этих предельных энергиях трудно осуществить регулирование энергии и работу с различными ионами в широком к диапазоне энергий и масс частиц.