Akcelerator gradientu zmiennego o stałym polu - Fixed-field alternating gradient accelerator

Stałej zmienne pole gradientu przyspieszacza ( FFA ) jest kołowy akcelerator cząstek koncepcji, na której został rozpoczęty rozwoju we wczesnych latach 50-tych, i które mogą być charakteryzuje się niezależna od czasu pól magnetycznych ( stałym zakresie , jak w cyklotronie ) i zastosowanie silnego ogniskowania ( naprzemienny gradient , jak w synchrotronie ). Tak więc akceleratory FFA łączą zalety cyklotronu polegające na ciągłej, bezimpulsowej pracy ze stosunkowo niedrogim małym pierścieniem magnetycznym synchrotronu o wąskim otworze.

Chociaż rozwój FFA nie był realizowany przez ponad dekadę, począwszy od 1967 roku, odsetki została reaktywowana od połowy 1980 roku do użytku w neutron kruszenia źródeł, jako siły napędowej mionów zderzaczy i przyspieszyć miony w A fabryki neutrin od połowy Lata 90.

Ożywienie w badaniach FFA było szczególnie silne w Japonii dzięki budowie kilku pierścieni. To odrodzenie zostało częściowo spowodowane postępami w zakresie wnęk RF i konstrukcji magnesów.

Zwracamy uwagę, że akronim słowa Fixed-Field Alternating Gradient Accelerator zmienił się ostatnio z FFAG na FFA. Tak więc, przeszukując dawniejszą literaturę, częściej można znaleźć oryginalny akronim FFAG.

Historia

Pierwsza faza rozwoju

Akcelerator Michigan Mark I FFA. Ten akcelerator elektronów o energii 400 keV był pierwszym działającym akceleratorem FFA. Duża prostokątna część po prawej stronie to rdzeń transformatora betatronowego .

Pomysł synchrotronów przemiennych gradientów stałopolowych został opracowany niezależnie w Japonii przez Tihiro Ohkawę , w Stanach Zjednoczonych przez Keitha Symona , aw Rosji przez Andrieja Kołomienskiego . Pierwszy prototyp, zbudowany przez Lawrence'a W. Jonesa i Kenta M. Terwilligera z University of Michigan, wykorzystywał akcelerację betatronową i działał na początku 1956 roku. Tej jesieni prototyp został przeniesiony do laboratorium Midwestern Universities Research Association (MURA) na Uniwersytecie Wisconsin , gdzie został przekształcony w synchrotron elektronowy o energii 500 keV . Patent Symona, zgłoszony na początku 1956, używa terminów „akcelerator FFAG” i „synchrotron FFAG”. Ohkawa współpracowała z Symonem i zespołem MURA przez kilka lat, począwszy od 1955 roku.

Donald Kerst , współpracujący z Symonem, złożył patent na akcelerator FFA z sektorem spiralnym mniej więcej w tym samym czasie, co patent Symon's Radial Sector. Bardzo mała maszyna z sektorem spiralnym została zbudowana w 1957 roku, a maszyna z sektorem promieniowym 50 MeV działała w 1961. Ta ostatnia maszyna była oparta na patencie Ohkawy, zgłoszonym w 1957, dotyczącym maszyny symetrycznej zdolnej do jednoczesnego przyspieszania identycznych cząstek zarówno w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, jak i belki w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Był to jeden z pierwszych akceleratorów wiązek zderzających , chociaż tej funkcji nie wykorzystano, gdy zastosowano ją w praktyce jako wtryskiwacz do pierścienia akumulacyjnego Tantal w miejscu, które miało stać się Centrum Promieniowania Synchrotronowego . Maszyna 50MeV została ostatecznie wycofana na emeryturę na początku lat 70-tych.

Układ MURA FFA

MURA zaprojektowała FFA protonów 10 GeV i 12,5 GeV, które nie były finansowane. Opublikowano dwa projekty o mniejszej skali, jeden na 720 MeV i jeden na wtryskiwacz 500 MeV.

Wraz z zamknięciem MURA, które rozpoczęło się 1963 i zakończyło 1967, koncepcja FFA nie była używana w istniejącym projekcie akceleratora i dlatego przez pewien czas nie była aktywnie dyskutowana.

Ciągły rozwój

Pierścień ASPUN (skalowanie FFA). Pierwsza konstrukcja ANL ASPUN była maszyną spiralną zaprojektowaną w celu trzykrotnego zwiększenia pędu przy skromnej spirali w porównaniu z maszynami MURA.

Przykład 16-ogniwowego nadprzewodzącego FFA. Energia: 1,6 GeV, średni promień 26 m.

Na początku lat 80. Phil Meads zasugerował, że FFA jest odpowiedni i korzystny jako akcelerator protonów dla źródła neutronów o intensywnej spalacji , rozpoczynając projekty takie jak Argonne Tandem Linear Accelerator w Argonne National Laboratory i Cooler Synchrotron w Jülich Research Center .

Konferencje badające tę możliwość odbywały się w Jülich Research Centre, począwszy od 1984 roku. Odbywają się również liczne coroczne warsztaty poświęcone akceleratorom FFA w CERN , KEK , BNL , TRIUMF , Fermilab i Instytucie Badań Reaktorów na Uniwersytecie w Kioto . W 1992 roku konferencja European Particle Accelerator Conference w CERN była poświęcona akceleratorom FFA.

Pierwsza protonowa FFA została pomyślnie zbudowana w 2000 roku, zapoczątkowując boom działań FFA w fizyce wysokich energii i medycynie .

W przypadku magnesów nadprzewodzących wymagana długość magnesów FFA jest z grubsza skalowana jako odwrotny kwadrat pola magnetycznego. W 1994 roku uzyskano kształt cewki, który zapewniał wymagane pole bez żelaza. Ten projekt magnesu był kontynuowany przez S. Martina i in. z Jülich .

W 2010 roku, po warsztatach poświęconych akceleratorom FFA w Kioto , w Daresbury Laboratory w Wielkiej Brytanii zakończono budowę maszyny elektronowej z wieloma aplikacjami (EMMA) . Był to pierwszy nieskalujący akcelerator FFA. Nieskalujące FFA są często korzystne dla skalowanych FFA, ponieważ unika się dużych i ciężkich magnesów, a wiązka jest znacznie lepiej kontrolowana.

Skalowanie a typy nieskalujące

Pola magnetyczne potrzebne do FFA są dość złożone. Obliczenia dla magnesów używanych w Michigan FFA Mark Ib, maszynie o promieniowym sektorze 500 keV z 1956 roku, zostały wykonane przez Franka Cole'a z University of Illinois na mechanicznym kalkulatorze zbudowanym przez Friden . To było na granicy tego, co można było rozsądnie zrobić bez komputerów; bardziej złożone geometrie magnesów sektora spiralnego i nieskalujących FFA wymagają zaawansowanego modelowania komputerowego.

Maszyny MURA skalowały synchrotrony FFA, co oznacza, że ​​orbity o dowolnym pędzie są fotograficznym powiększeniem orbit o dowolnym innym pędzie. W takich maszynach częstotliwości betatronu są stałe, dzięki czemu nie dochodzi do krzyżowania rezonansów, które mogłyby prowadzić do utraty wiązki. Maszyna skaluje się, jeśli pole magnetyczne w płaszczyźnie środkowej spełnia wymagania

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

gdzie

• ${\ Displaystyle \ psi = N ~ [\ tan ~ \ zeta ~ \ ln (r / r_ {0}) ~ ~ ~ \ theta ]}$,
• ${\displaystyle k}$ jest indeksem pola,
• ${\ Displaystyle N}$jest okresowość,
• ${\ Displaystyle \ zeta}$ to kąt spirali (równy zero dla maszyny promieniowej),
• ${\ Displaystyle r}$ średni promień, i
• ${\displaystyle f(\psi)}$ to arbitralna funkcja, która umożliwia stabilną orbitę.

Dla magnesu FFA jest znacznie mniejszy niż dla cyklotronu o tej samej energii. Wadą jest to, że maszyny te są wysoce nieliniowe. Te i inne relacje zostały rozwinięte w artykule Franka Cole'a. ${\displaystyle k>>1}$

Pomysł zbudowania nieskalującej FFA po raz pierwszy wpadł na Kent Terwilliger i Lawrence W. Jones pod koniec lat pięćdziesiątych, zastanawiając się, jak zwiększyć jasność wiązki w obszarach kolizji dwukierunkowej wiązki FFA, nad którą pracowali. Pomysł ten miał natychmiastowe zastosowanie w projektowaniu lepiej skupiających magnesów dla konwencjonalnych akceleratorów, ale został zastosowany w projektowaniu FFA dopiero kilkadziesiąt lat później.

Jeśli przyspieszenie jest wystarczająco szybkie, cząstki mogą przejść przez rezonanse betatronowe, zanim zdążą osiągnąć niszczącą amplitudę. W takim przypadku pole dipolowe może być liniowe z promieniem, dzięki czemu magnesy są mniejsze i prostsze w konstrukcji. W laboratorium Daresbury w Wielkiej Brytanii z powodzeniem zastosowano liniową, nieskalującą FFA o nazwie ( EMMA ) (maszyna elektronowa z wieloma aplikacjami).

Pionowe FFA

Vertical Orbit Excursion FFA (VFFAs) to specjalny rodzaj FFA ułożony w taki sposób, że orbity o wyższej energii występują powyżej (lub poniżej) orbit o niższej energii, a nie promieniowo na zewnątrz. Odbywa się to za pomocą pól ogniskujących ukośnie, które wypychają cząstki o większej sztywności wiązki pionowo w regiony o wyższym polu dipolowym.

Główną zaletą projektu VFFA w porównaniu z projektem FFA jest to, że długość ścieżki jest utrzymywana na stałym poziomie między cząstkami o różnych energiach, a zatem cząstki relatywistyczne przemieszczają się izochronicznie . Izochroniczność okresu obrotu umożliwia ciągłą pracę wiązki, dzięki czemu oferuje taką samą przewagę mocy, jaką mają izochroniczne cyklotrony nad synchrocyklotronami . Akceleratory izochroniczne nie mają podłużnego ogniskowania wiązki , ale nie stanowi to silnego ograniczenia w akceleratorach o szybkim narastaniu, zwykle stosowanych w projektach FFA.

Główne wady obejmują fakt, że VFFA wymagają nietypowych konstrukcji magnesów, a obecnie projekty VFFA są jedynie symulowane, a nie testowane.

Aplikacje

Akceleratory FFA mają potencjalne zastosowania medyczne w terapii protonowej raka, jako źródła protonów do produkcji neutronów o wysokiej intensywności, do nieinwazyjnych inspekcji bezpieczeństwa zamkniętych kontenerów ładunkowych, do szybkiego przyspieszania mionów do wysokich energii, zanim zdążą się rozpaść, oraz jako „wzmacniacze energii” dla reaktorów podkrytycznych napędzanych akceleratorem (ADSR) / reaktorów podkrytycznych, w których wiązka neutronów pochodząca z FFA napędza nieco podkrytyczny reaktor rozszczepienia . Takie ADSR byłyby z natury bezpieczne, nie stwarzałyby niebezpieczeństwa przypadkowego gwałtownego ucieczki i stosunkowo mało produkowałyby odpady transuranu , z ich długą żywotnością i potencjałem proliferacji broni jądrowej .

Ze względu na swoją quasi-ciągłą wiązkę i wynikające z niej minimalne odstępy przyspieszenia dla wysokich energii, FFA zyskały również zainteresowanie jako możliwe części przyszłych obiektów zderzaczy mionów .

Status

W latach 90. naukowcy z laboratorium fizyki cząstek elementarnych KEK w pobliżu Tokio rozpoczęli opracowywanie koncepcji FFA, której kulminacją była maszyna o energii 150 MeV w 2003 roku. Zaprojektowano nieskalującą maszynę, nazwaną PAMELA, do przyspieszania zarówno protonów, jak i jąder węgla w leczeniu raka. . Tymczasem ADSR działający przy 100 MeV został zademonstrowany w Japonii w marcu 2009 r. na Zgromadzeniu Krytycznym Uniwersytetu w Kioto (KUCA), osiągając „zrównoważone reakcje jądrowe” z prętami kontrolnymi zespołu krytycznego włożonymi do rdzenia reaktora, aby wytłumić go poniżej krytyczności.

Dalsza lektura

• „Odrodzenie FFAG” . Kurier CERN-u . 28 lipca 2004 . Źródło 11 kwietnia 2012 .

Bibliografia