CC BY
12
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
1969
Том 156
О СОКРАЩЕНИИ ВРЕМЕНИ УСКОРЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В СИНХРОТРОНЕ НА 1500 Мэв
В. В. ИВАШИН, Г. П. ФОМЕНКО
В электронных циклических ускорителях при больших энергия \ ускоряемых электронов основная часть мощности ускоряющей системы затрачивается на покрытие радиационных потерь. Квантовый характер излучения приводит к раскачке фазовых и бетатронных колебаний и по-терё части ускоряемых электронов. Для уменьшения потерь электронов и мощности ускоряющей системы можно увеличить скорость роста магнитного поля в конце цикла ускорения. В настоящей работе рассмотрен один из вариантов увеличения скорости нарастания магнитного поля в конце цикла в ускорителе «Сириус» на 1,5 Гэв, и вычисляется потеря электронов из-за возбуждения фазовых колебаний квантовыми флуктуа циями излучения.
Г г
Схема возбуждения управляющего поля ускорителя с сокращенным
временем ускорения
Магнитное поле электромагнита ускорителя «Сириус» на 1,5 Гэв создается путем разряда через коммутирующие приборы (тиратроны ТР1 -85/15) мощной конденсаторной батареи Сг на обмотку возбуждения электромагнита ¿1 [1]. При этом магнитное поле имеет во времени форму синусоидальной кривой,, а ускорение до 1,5 Гэв должно происходить за время 37,3 • • 10 ~3 сек, что соответствует углу 80° кривой поля и а возбуждения электромагнита. Расчеты показывают, что за последние 0,3 времени ускорения энергия электронов возрастает только
на 16%. За эту же часть Рис. 1
времени ускорения интенсивность пучка ускоренных частиц уменьшается на 80% при конечном значении ускоряющего поля 180 кв.
¿а
llCi= <;l:'slTl(at + %), (2)
На рис. 1 приведена схема, позволяющая существенно уменьшить время ускорения при высоких энергиях электронов.
Основная накопительная емкость Сх разряжается на электромагнит Lx через тиратроны Тг. Для тока и напряжения в цепи можно записать:
lx -----Sin Ш f, (1)
t oL1
Ucx-e-bt
(о 1/ГХС\
где со — угловая частота контура CXLX с учетом затухания,
i ш f г Фо = arc tg — , b ---
b 2 Lx
При угле ~ 60° открывается от схемы управления тиратрон Т2> и ток быстро, под действием напряжения перехватывается из Тх
в Т2. Введение в контур LXCX предварительно заряженной емкости С2,
*
напряжение которой согласно по направлению с напряжением Uc\ , увеличивает скорость роста тока (и поля) в электромагните Lx.
Ток в индуктивности Lx после введения в контур емкости С2 описывается уравнением
1г - /к e~bt I cos со, t - — sin со21) -UcA + ÜC2 e~bt sin g>, t, (3) \ to2 } со 2LX
где
Iк, U*c\, Uc2 — ток в цепи и напряжения на емкостях Сх и С% в конце перевода тока из вентиля Тх в Т>.
Учитывая, что затухание мало влияет на ток ix, поскольку добротность систем питания ускорителей сравнительно высока, можно положить Ь— 0 и несколько упростить выражение для тока:
г . U с\ + V г; 2 . 1 j /44
11 = /к COS co2í----- sin Oy;t, (4)
(Ú2LX
где
co2 ^ — угловая частота колеоании образовавшегося
контура ЦСуС*.
После изменения знака напряжения на емкости С2 или даже при ее перезаряде до величины напряжения — V С2 тиратрон Тх вновь может быть открыт и перехватить ток вентиля 7\>. Таким оЗразом, после ускорения частиц контур ЬХСХ вновь восстанавливается, и энергия из электромагнита на спадающей части синусоидальной кривой тока переходит в накопительную емкость Сг. Следует заметить, что если вентиль Тх открывается при изменении знака напряжения на емкости С2, когда абсолютная величина напряжения невелика, в электромагнит оказывается дополнительно введенной энергия — С2и2(2.
2
Расчеты по формулам (1) и (4) показывают, что при вполне приемлемой величине конденсаторной батареи С2, составляющей примерно 0,1 от величины основной батареи С,, достигнуть номинальной энергии в 15С0 Мэв можно не при угле в 80е, а при угле 70° частоты со. Время ускорения сокращается при этом на 5• 10~3 сек, а введение в контур емкости С2 необходимо делать при угле 60°. 94
Время ускорения, соответствующее углам 60-ь80°, когда происходят основные потери электронов, таким образом, сокращается примерно в два раза.
На рис. 2 приведены кривые тока возбуждения электромагнита, которые можно построить по формулам (1) и (4).
Рис. 2.
Кривая 1 соответствует изменению тока возбуждения электромагнита без увеличения скорости роста поля, а кривая 2 — с увеличением скорости роста поля в области углов 60 — 70° частоты о. Расчет доли потерянных частиц производился по формуле Крамерса [2]. При расчете среднеквадратичной амплитуды фазовых колебаний, возбуждаемых квантовыми флуктуациями излучения, предполагалось, что амплитуда ускоряющего напряжения изменяется в течение цикла по закону, изображенному на рис. 3.
Скачок скорости роста амплитуды высокочастотного поля происходит в момент изменения скорости роста магнитного поля. В первой половине цикла ускоряющее напряжение будет изменяться не так, как изображено на рис. 3, но так как в это время квантовые флуктуации излучения не влияют на потери электронов, то действительная доля потерянных электронов незначительно будет отличаться от вычисленной.
На рис. 4 показано изменение количества частиц по циклу ускорения в относительных единицах для конечных значений амплитуды ускоряющего напряжения 220 кв (кривые 1) и 180 кв (кривые 2) при уменьшенном (пунктирные кривые) и полном времени ускорения. Зависимость доли оставшихся в камере частиц к концу ускорения от величины амплитуды высокочастотного поля показана на рис. 5. Кривая 1 показывает зависимость доли оставшихся в камере частиц при полном времени ускорения, а кривая 2 — при уменьшенном времени ускорения.
Рис. 3
96 Рис. 5
Из рис. 5 следует, что при конечном ускоряющем напряжении 180 кв уменьшение времени ускорения позволит достигнуть конечной энергии 50% частиц от общего числа ускоряемых частиц. Без уменьшения времени ускорения эту возможность имеют только 20% частиц.
При напряжении 220 кв соответственно будет ускоренно 90% частиц вместо 75%.
Таким образом, уменьшение времени ускорения на 5*10 —3 сек за счет конечной части дает возможность или уменьшить ускоряющее напряжение без уменьшения числа ускоренных частиц, или при прежнем напряжении существенно увеличить число ускоренных частиц.
ЛИТЕРАТУРА
1. В. М. Кузнецов. Возбуждение электромагнита синхротрона с энергией ускоренных электронов 1 500 Мэв. Диссертация, г. Томск, НИИ ЯФ, 1963.
2. Н. A. Kramers. Physica 7, 285 (1940).
7. Заказ 4594
