Ускоритель переменного градиента с фиксированным полем

Эта статья может быть дополнена текстом, переведенным из соответствующей статьи на русском языке . (Май 2012 г.) Щелкните [показать] для получения важных инструкций по переводу. Посмотреть машинный перевод статьи на русский язык. Машинный перевод, такой как DeepL или Google Translate, является полезной отправной точкой для переводов, но переводчики должны исправлять ошибки по мере необходимости и подтверждать точность перевода, а не просто копировать и вставлять переведенный машинный текст в английскую Википедию. Не переводите текст, который кажется ненадежным или некачественным. Если возможно, сверьте текст со ссылками, приведенными в статье на иностранном языке. Вы должны указать авторские права в сводке редактирования, прилагаемой к вашему переводу, предоставив межъязыковую ссылку на источник вашего перевода. Сводка редактирования атрибуции моделиContent in this edit is translated from the existing Russian Wikipedia article at [[:ru:FFAG]]; see its history for attribution. Вам также следует добавить шаблон {{Translated|ru|FFAG}}на страницу обсуждения . Для получения дополнительной информации см. Википедия: Перевод .

Fixed-поле переменного градиента Ускоритель ( СЖК ) является круговой ускоритель частиц концепция , на которой развитие было начато в начале 50 - х годов, и что может быть охарактеризована ее не зависящей от времени магнитных полей ( фиксированной области , как в циклотроне ) и использование сильной фокусировки ( переменный градиент , как в синхротроне ). ^{[1] [2]} Таким образом, ускорители FFA сочетают в себе преимущество циклотрона, заключающееся в непрерывной безимпульсной работе, с относительно недорогим малым магнитным кольцом синхротрона и узким проходом.

Хотя разработка FFA не велась более десяти лет, начиная с 1967 года, с середины 1980-х годов возродился интерес к использованию в источниках нейтронного расщепления , в качестве драйвера для мюонных коллайдеров ^[1] и для ускорения мюонов на нейтринной фабрике. с середины 1990-х гг.

Возрождение исследований FFA было особенно сильным в Японии, когда было построено несколько колец. Это возрождение отчасти было вызвано достижениями в области ВЧ- резонаторов и конструкции магнитов. ^[3]

Отметим, что аббревиатура от «Ускоритель переменного градиента с фиксированным полем» недавно изменилась с FFAG на FFA. Таким образом, при поиске более старой литературы можно чаще найти оригинальную аббревиатуру FFAG.

История [ править ]

Первая фаза разработки [ править ]

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 с переменным градиентом с фиксированным полем была независимо развита в Японии Тихиро Окава , в США - Китом Саймоном и в России - Андреем Коломенским . Первый прототип, построенный Лоуренсом У. Джоунсом и Кентом М. Тервиллигером в Мичиганском университете, использовал ускорение бетатрона и был запущен в эксплуатацию в начале 1956 года. ^[4] Той осенью прототип был перемещен в лабораторию Ассоциации исследований университетов Среднего Запада (MURA). в Университете Висконсина , где он был преобразован в электронный синхротрон на 500 кэВ . ^[5] В патенте Саймона, поданном в начале 1956 года, используются термины «ускоритель FFAG» и «синхротрон FFAG». ^[6] Окава работал с Саймоном и командой MURA несколько лет, начиная с 1955 года. ^[7]

Дональд Керст , работая с Symon, подал патент на ускоритель FFA со спиральным сектором примерно в то же время, что и патент Symon Radial Sector. ^[8] 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 в лучи как по часовой, так и против часовой стрелки. ^[9] Это был один из первых ускорителей на встречных пучках , хотя эта особенность не использовалась, когда его применяли на практике в качестве инжектора для накопительного кольца Тантал в месте, которое впоследствии стало Центром синхротронного излучения . ^[10] Аппарат на 50 МэВ был окончательно выведен из эксплуатации в начале 1970-х годов. ^[11]

MURA разработала протонные FFA на 10 ГэВ и 12,5 ГэВ, которые не финансировались. ^{[12 ]} Были опубликованы два уменьшенных проекта, один для 720 МэВ ^[13] и один для инжектора на 500 МэВ ^[14] .

После закрытия MURA, которое началось в 1963 г. и закончилось в 1967 г. ^[15], концепция FFA не использовалась в существующей конструкции ускорителя и, таким образом, не обсуждалась активно в течение некоторого времени.

Продолжение разработки [ править ]

В начале 1980-х годов было предложено Фил Мидс , что FFA был подходящим и выгодным как ускорителя протонов с интенсивным источником скалывания нейтронов , ^[17] , начиная от проектов , таких как Аргон Тандем линейного ускорителя в Арагонской национальной лаборатории ^[18] а Охлаждающий синхротрон в Юлихском исследовательском центре . ^[19]

Конференции, изучающие эту возможность, проводились в Исследовательском центре Юлиха, начиная с 1984 года. ^[20] Также проводились многочисленные ежегодные семинары, посвященные ускорителям FFA ^[21] в ЦЕРН , KEK , BNL , TRIUMF , Fermilab и в Институте исследований реакторов в Киото. Университет . ^[22] В 1992 году Европейская конференция по ускорителям частиц в ЦЕРНе была посвящена ускорителям FFA. ^{[23] [24]}

Первый протонный FFA был успешно построен в 2000 году ^{[25], что} положило начало буму активности в области FFA в физике высоких энергий и медицине .

В случае сверхпроводящих магнитов требуемая длина магнитов FFA масштабируется примерно как обратный квадрат магнитного поля. ^[26] В 1994 году была получена форма катушки, которая обеспечивала необходимое поле без железа. ^[27] Эта конструкция магнита была продолжена S. Martin et al. из Юлиха . ^{[23] [28]}

В 2010 году, после семинара по ускорителям FFA в Киото , в лаборатории Дарсбери , Великобритания, было завершено создание многоцелевой электронной машины (EMMA) . Это был первый ускоритель FFA без масштабирования. Не масштабирующиеся FFA часто выгодны для масштабирования FFA, потому что избегаются большие и тяжелые магниты, а луч гораздо лучше контролируется. ^[29]

Масштабируемые и немасштабируемые типы [ править ]

Магнитные поля, необходимые для FFA, довольно сложны. Вычисления магнитов, используемых в Michigan FFA Mark Ib, машине с радиальным сектором на 500 кэВ с 1956 года, были выполнены Фрэнком Коулом из Университета Иллинойса на механическом калькуляторе, построенном Фриденом . ^[5] Это был предел того, что можно было бы разумно сделать без компьютеров; более сложная геометрия магнитов спирального сектора и немасштабируемых FFA требует сложного компьютерного моделирования.

Машины MURA масштабировали синхротроны FFA, что означало, что орбиты любого импульса являются фотографическими увеличениями орбит любого другого импульса. В таких машинах бетатронные частоты постоянны, поэтому резонансы, которые могут привести к потере луча, не пересекаются ^[30] . Машина масштабируется, если магнитное поле средней плоскости удовлетворяет

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

где

• ${\displaystyle \psi =N~[\tan ~\zeta ~\ln(r/r_{0})~-~\theta ]}$,
• ${\displaystyle k}$ это индекс поля,
• ${\displaystyle N}$- периодичность,
• ${\displaystyle \zeta }$ - угол спирали (для радиальной машины равен нулю),
• ${\displaystyle r}$ средний радиус, и
• ${\displaystyle f(\psi )}$ - произвольная функция, обеспечивающая стабильную орбиту.

Для FFA магнит намного меньше, чем для циклотрона той же энергии. Недостаток в том, что эти машины сильно нелинейны. Эти и другие отношения развиты в статье Фрэнка Коула. ^[31]${\displaystyle k>>1}$

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 светимость пучка в областях столкновения двухстороннего встречного пучка FFA, над которым они работали. Эта идея нашла немедленное применение при разработке магнитов с улучшенной фокусировкой для обычных ускорителей ^[5], но не применялась к конструкции FFA лишь несколько десятилетий спустя.

Если ускорение достаточно быстрое, частицы могут пройти через бетатронные резонансы прежде, чем они успеют разрастаться до разрушительной амплитуды. В этом случае поле диполя может быть линейным с радиусом, что делает магниты меньше и проще в сборке. Проверенная принципами линейная безмасштабируемая FFA под названием ( EMMA ) (Электронная машина с множеством приложений) успешно эксплуатируется в лаборатории Дарсбери, Великобритания. ^{[32] [33]}

Вертикальные FFA [ править ]

FFA с вертикальным перемещением по орбите (VFFA) - это особый тип FFA, расположенный так, что орбиты с более высокой энергией располагаются выше (или ниже) орбит с более низкой энергией, а не радиально наружу. Это достигается с помощью полей с перекосом фокусировки, которые выталкивают частицы с более высокой жесткостью пучка по вертикали в области с более высоким дипольным полем. ^[34]

Основное преимущество, предлагаемое конструкцией VFFA по сравнению с конструкцией FFA, состоит в том, что длина пути остается постоянной между частицами с разной энергией, и, следовательно, релятивистские частицы перемещаются изохронно . Изохронность периода вращения обеспечивает непрерывную работу пучка, поэтому дает такое же преимущество в мощности, какое имеют изохронные циклотроны перед синхроциклотронами . В изохронных ускорителях нет продольной фокусировки пучка , но это не является сильным ограничением для ускорителей с высокой скоростью нарастания, обычно используемых в конструкциях FFA.

Основные недостатки включают тот факт, что VFFA требует необычной конструкции магнитов, и в настоящее время конструкции VFFA только моделируются, а не тестируются.

Приложения [ править ]

Ускорители FFA имеют потенциальное медицинское применение в протонной терапии рака, в качестве источников протонов для производства нейтронов высокой интенсивности, для неинвазивных проверок безопасности 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 реактор деления с небольшим подкритическим режимом . Такие ADSR будут по своей природе безопасными, не будут иметь опасности случайного экспоненциального разгона и будут производить относительно небольшое количество трансурана.отходы с их долгим сроком службы и потенциалом распространения ядерного оружия .

Из-за их квазинепрерывного пучка и результирующих минимальных интервалов ускорения для высоких энергий, FFA также вызывают интерес как возможные части будущих установок мюонного коллайдера .

Статус [ править ]

В 1990-х годах исследователи из лаборатории физики элементарных частиц KEK недалеко от Токио начали разработку концепции FFA, кульминацией которой стала установка на 150 МэВ в 2003 году. Была разработана немасштабирующая машина, получившая название PAMELA, для ускорения как протонов, так и ядер углерода для лечения рака. . ^[35] Между тем, ADSR, работающий на 100 МэВ, был продемонстрирован в Японии в марте 2009 года на Критической ассамблее Киотского университета (KUCA), достигнув «устойчивых ядерных реакций» с управляющими стержнями критической сборки, вставленными в активную зону реактора для его гашения. ниже критичности.

Дальнейшее чтение [ править ]

• «Возрождение FFAG» . ЦЕРН Курьер . 28 июля 2004 . Проверено 11 апреля 2012 года .

Ссылки [ править ]