Устройство для одновременного вывода и деления пучков заряженных частиц изогнутыми монокристаллами
Описывается устройство для деления пучка заряженных частиц с помощью нескольких изогнутых монокристаллов кремния и одного изгибающего устройства. Для деления пучка обычно применяются электростатические или магнитные сплиттеры, требующие для реализации схемы деления значительного пространства. Использование изогнутых кристаллов, благодаря высоким значениям напряженности поля в кристаллической решетке, позволяет производить вывод и деление пучка в различных направлениях на небольшой пролетной базе. В данной заявке описывается устройство вывода и деления пучка с помощью нескольких монокристаллов с различными радиусами изгиба, установленных в одном изгибающем устройстве. На ускорителе У-70 ГНЦ ИФВЭ получены одновременно два пучка протонов, выведенных из вакуумной камеры ускорителя и разделенных на угол 4,2 мрад.
Настоящая полезная модель относится к устройствам управления пучками заряженных частиц с помощью изогнутых кристаллов и может быть преимущественно использована в физических экспериментах при выводе и делении пучков заряженных частиц.
В ускорителях для вывода частиц высоких энергий известны магнитные способы отклонения частиц. Для деления пучка применяются как электростатические так и магнитные сплиттеры / В.П.Карташев, В.И.Котов, "Методы формирования пучков частиц на ускорителях высоких энергий", Энергоатмиздат, 1989, стр.50. Недостатком таких устройств является сложность их реализации и необходимость значительного пространства для установки оборудования, так как углы отклонения пучка обычным сплиттером весьма ограничены. Эти устройства не могут обеспечить одновременный вывод заряженных частиц в двух различных направлениях. Вместе с тем на протонных синхротронах все большее применение в системах вывода находят изогнутые кристаллы благодаря высоким значениям напряженности электрического поля внутри кристалла. Межплоскостные электрические поля в кристаллах составляют ~109 В/см и такие поля эквивалентны магнитным полям в сотни Тл. Изогнутые кристаллы могут быть использованы также и в качестве сплиттеров.
При выводе протонов из ускорителя разработаны кристаллы различных конструкций. Наиболее близким прототипом данной полезной модели являются кристаллические дефлекторы, конструкция которых представлена в работах / В.М.Бирюков, В.И.Котов, Ю.А.Чесноков "Управление пучками заряженных частиц высоких энергий при помощи изогнутых кристаллов", УФН, т.164, 
10, с.1017-1040, 1994, стр.1027, А.Г.Афонин, В.Т.Баранов, В.М.Бирюков и др., "Вывод пучка протонов из ускорителя ИФВЭ с помощью коротких кристаллов кремния" ЭЧАЯ, т.36, в.1, с.43-97, 2005, стр.62. При использовании многократного прохождения частиц через тонкие кристаллы, имеющие длину несколько миллиметров по пучку, с помощью специальных систем наведения пучка эффективность вывода может достигать ~85%.
Вместе с тем, в экспериментальных исследованиях находят применение и кристаллы с большой длиной рабочей области (несколько сантиметров) для создания пучков частиц умеренной интенсивности. Задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является разработка устройства одновременного вывода и деления пучка в различных направлениях для физических установок с помощью одной кристаллической станции, установленной на циркулирующем пучке. Применение кристаллического устройства позволяет просто решить задачу вывода и деления пучка, где обычными средствами это сделать невозможно. В основе разработки предлагаемого устройства лежит использование нескольких кристаллов в одном изгибающем устройстве. Техническим результатом реализации такого устройства является одновременный вывод и деление пучков в различных направлениях.
Этот технический результат обеспечивается тем, что в устройстве для вывода и деления пучка установлены несколько кристаллических пластин с разными изгиба кристаллов в одном держателе. Сущность полезной модели поясняется чертежами и фотографиями. На фиг.1 показана схема разработанного устройства для вывода и деления пучка, основанная на двух кристаллах, изогнутых на разные углы с помощью специального металлического держателя. Здесь 1, 2 - изогутые кремниевые пластины, 3 - треугольная прокладка, 4 - изгибающее устройство (держатель).
В данном случае два кристалла крепятся в одном держателе. Разность углов отклонения пучка в кристаллах достигается за счет изменения радиусов изгиба путем установки прокладки треугольного сечения между кремниевыми пластинами.
В ГНЦ ИФВЭ было разработано и применено на ускорителе У-70 такое устройство. Заявляемое устройство установлено на кристаллической станции в вакуумной камере ускорителя. Перемещение кристаллов осуществляется с помощью приводов для радиального и углового перемещения. Вначале производится установка кристалла на определенную радиальную координату вблизи циркулирующего пучка. Затем выполняется наведение частиц с помощью бамп-магнитов, предназначенных для локального искажения орбиты пучка. Угловое перемещение кристаллов предназначено для обеспечения режима каналирования. Длительность фронтов этих дополнительных магнитов значительно больше периода обращения заряженных частиц в ускорителе и определяет длительность взаимодействия пучка с кристаллом и время вывода. При проведении экспериментов использовались кристаллы размерами 50×3×0,3 мм, где длина по пучку составляет 50 мм, а поперечная толщина 0,3 мм. Средний угол изгиба кристаллов составлял 90 мрад. Управление станцией осуществлялось дистанционно с удаленного пульта. Наведение пучка на кристалл при энергии протонов 50ГэВ и режим многократного прохождения пучка через кристалл осуществлялись системой локального искажения орбиты в режиме обратной связи по пучку.
Отклоненные кристаллическим устройством протоны регистрировались вне вакуумной камеры ускорителя на входе в магнитооптический канал на расстоянии 7,2 м от кристаллов сцинтилляторами CsJ(Tl), перекрывающими 200 мм горизонтальной апертуры. Возникающее световое излучение регистрировалось телевизионной камерой. Установленное оборудование для наблюдения протонных пучков показано на фиг.2.
В ходе эксперимента, проведенного на протонном синхротроне У-70, были зарегистрированы два пучка, что иллюстрируется изображением на фиг.3. На телевизионном мониторе было зафиксировано расстояние между пучками ~30 мм, что и определяет разницу в углах отклонения ~4,2 мрад для этих кристаллов при пролетной базе 7,2 м.
Использование заявляемой полезной модели в сравнении с известными аналогами позволяет обеспечить одновременный вывод пучков заряженных частиц в различных направлениях. Полученный результат обеспечивает увеличение коэффициента использования ускорителя при проведении физических экспериментов.
Устройство для одновременного вывода и деления пучков заряженных частиц с помощью изогнутых кристаллов, состоящее из держателя и кремниевых пластин, установленных на циркулирующем пучке, отличающееся тем, что вывод и пространственное разделение пучков достигается путем установки кристаллов с разными углами изгиба в одном держателе.
