專利名稱：邊緣聚焦非線性阻尼儲存環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于帶電粒子加速器領(lǐng)域，具體涉及一種帶電粒子束流儲存環(huán)。
儲存環(huán)是利用電磁場把帶電粒子約束在口徑幾個厘米或者更大的環(huán)形真空管道內(nèi)，使其不斷做循環(huán)運動，從而可以保持幾個小時甚至更長時間。在環(huán)形真空管道外面，周期排列有四極和二極磁鐵，每個周期單元稱作Lattice[1]。前者產(chǎn)生垂直方向或水平方向的聚焦力，以克服帶電粒子之間的庫侖斥力，使其不致撞擊到真空管道壁上而丟失。二極鐵的主要作用是使束流偏轉(zhuǎn)，因之也稱為導向磁鐵，使粒子束不斷沿環(huán)形軌道旋轉(zhuǎn)。當二極鐵邊界的法線與束流光軸之間的夾角不為零時，會產(chǎn)生一定附加聚焦或散焦作用，稱做邊緣聚焦，可以用來補充四極鐵的聚焦作用。
儲存環(huán)的上作原理，是建立在Courant和Snyder的交變梯度強聚焦理論基礎(chǔ)上的[2]。粒子束最大張角與束徑半寬度的乘積稱做束流發(fā)射度。按照上述理論，在運動過程中束流發(fā)射度始終保持為一個常數(shù)，即稱發(fā)射度守恒。二維發(fā)射度可以表示為一個橢圓，沿儲存環(huán)一周的不同位置上，這個橢圓的長短軸及傾角在不斷發(fā)生變化；但橢圓的面積始終保持不變，是這一守恒定理的形象表述。特別是在恒靜電磁場中，粒子能量保持不變的條件下，象文[1]中所述的各種周期單元，均不能使束流發(fā)射度縮小。也就是說，現(xiàn)有儲存環(huán)本身不據(jù)有任何一種阻尼或冷卻作用。
發(fā)射度守恒，是實現(xiàn)束流連續(xù)注入的一個不可跨越的嚴重障礙。要把注入器產(chǎn)生的粒子束，注入到儲存環(huán)的真空管道內(nèi)，必須經(jīng)過一個產(chǎn)生電磁場的裝置，把束流推向管道內(nèi)部[1]。這個裝置一般由偏轉(zhuǎn)器和切割器兩部分組成。處于注入束與主管道循環(huán)束流之間的稱做切割器，主要起分離兩者的作用。在運動過程中，發(fā)射度得不到收縮時，束流必然會再次撞擊到切割器上而丟失。通常只能實現(xiàn)單次注入，嚴重阻礙了儲存環(huán)總流強的提高。
發(fā)射度守恒是對束流亮度提高的嚴重制約。單位立體角內(nèi)的束流強度稱做亮度。它與總流強成正比與發(fā)射度成反比。由于單次注入限制了總流強進一步提高。那么在發(fā)射度守恒的條件下，亮度也無法提高。高亮度是建造儲存環(huán)追求的一個主要指標[1]。
為了提高流強和亮度，需要多次注入使束流在儲存環(huán)中得到積累。如文[1]中描述的過程那樣，必須使新注入的束流經(jīng)過多次阻尼，使其與主管道中的儲存束完全融合到一起之后，才能開始另一次新的注入循環(huán)。由于儲存環(huán)本身不據(jù)有任何一種阻尼或冷卻作用，必須借助于另外附加的冷卻作用，才能使新注入的束流得到有效阻尼。現(xiàn)有各種冷卻方法的速率與粒子的旋轉(zhuǎn)周期相比，要低得多，一般需要經(jīng)過上萬圈之后，才能開始另一次新的注入循環(huán)。這就使得束流在儲存環(huán)中的積累效率大為降低。如何提高冷卻速率，實現(xiàn)束流的連續(xù)注入，是人類至今尚且未能解決的一個重大難題。
使束流發(fā)射度縮小稱做阻尼或束流冷卻。目前常用的束流冷卻方法有以下幾種；一、絕熱冷卻，也稱絕熱阻尼[3]。當粒子受到高頻電場同步加速時，粒子能量隨之不斷增加，按照相對論理論，粒子質(zhì)量隨之增大，束流發(fā)射度也隨之收縮。
二、同步輻射冷卻。主要發(fā)生在正負電子儲存環(huán)中。由于正負電子在經(jīng)歷二極鐵的場區(qū)時，受到羅侖磁力作用而使軌道發(fā)生彎曲，同時產(chǎn)生韌致輻射，使發(fā)射度收縮[3]。
三、電子束冷卻。在正負質(zhì)子及重離子儲存環(huán)中，外加一電子束。當電子與離子平均速度相同時，在以這一速度前進的慣性座標系中觀察時，電子和離子相當于兩種溫度不相同的氣體。當電子束的能散度和發(fā)射度小于離子束相應量時，兩者發(fā)生熱交換而趨向于平衡，離子束得到冷卻[3]。
四、隨機冷卻。其基本原理類似于自動控制。即在儲存環(huán)某一方位角上安置-個探測器，檢測訊號控制相距一定方位角處安置的電磁場發(fā)生器，不斷把粒子校正到平衡軌道上，長時間的統(tǒng)計結(jié)果表明，粒子發(fā)射度可以收縮，能散度也可以減小[3]。
所有上述方法冷卻效率不高，至今無法實現(xiàn)束流的連續(xù)注入[3]。到目前為止，人類建造了許多儲存環(huán)，一個根本缺點，就是發(fā)射度不能收縮。特別是在恒靜電磁場中，粒子能量保持不變的條件下，盡管四極鐵和二極鐵有各種不同組合設(shè)計[1]，人們尚且不懂得如何用二極鐵使發(fā)射度收縮。當磁場隨著粒子受到高頻電場同步加速而上升時，會出現(xiàn)上述絕熱冷卻；但它與二極鐵的結(jié)構(gòu)無關(guān)，是粒子能量增加而出現(xiàn)的附加作用。也就是說，人類至今尚且未能發(fā)現(xiàn)二極鐵具有任何一種阻尼作用，或稱束流自動冷卻。
本發(fā)明的目的在于，提供一種利用邊緣聚焦的非線性阻尼使發(fā)射度收縮的儲存環(huán)。
本發(fā)明的理論依據(jù)是，在于我們發(fā)現(xiàn)的邊緣聚焦的非線性阻尼。
在討論非線性邊緣聚焦時，B.Autin說“水平方向運動矩陣的項列式不嚴格等于1，眾所周知，微攏處理不可能在所有近似級都遵守守恒定理?！?P.319[4])他得到的行列式可以小于1，束流發(fā)射度可以收縮。就是非線性阻尼或冷卻。但是，作者認為這似乎是由于近似方法引起的假象。
要想弄清這一問題，必須消除近似方法帶來的不確定性。我們根據(jù)正則空間相體積守恒的劉維定理，利用正則變量與發(fā)射度之間的函數(shù)關(guān)系，得到由正則空間變換到發(fā)射度的相應亞哥畢行列式。結(jié)果表明，在線性運動的情況下，發(fā)射度守恒，同文[2]中結(jié)果一致。在自由空間，發(fā)射度守恒。在電磁場區(qū)，發(fā)射度并不守恒。接著，求得了運動方程的解析解，從而得到非線性邊緣聚焦的亞可畢行列式的精確解析表達，徹底排除了微擾處理方法誤差的干擾。結(jié)果表明，發(fā)射度確實不守恒。一般情況下，發(fā)射度全平面分成兩個區(qū)域，一個是發(fā)射度收縮區(qū)；另一個是發(fā)射度擴大區(qū)域。只有在兩者的交界處，發(fā)射度才守恒。隨著邊緣聚焦角增大時，發(fā)射度收縮區(qū)的范圍擴大；并出現(xiàn)一個最佳值，即在這一特定邊緣聚焦角的條件下，發(fā)射度擴大區(qū)域的范圍完全消失，全平面均為阻尼狀態(tài)。在這一最佳阻尼的特定條件下，二級磁鐵不僅可以做為導向磁鐵使用；并可做為阻尼器或稱做冷卻器使用，使發(fā)射度得到迅速收縮。隨后，利用導向磁鐵兼做冷卻器，完成了一個邊緣聚焦非線性阻尼儲存環(huán)的物理設(shè)計，通過計算機仿真，做了粒子運動的追蹤計算，得到了發(fā)射度快速收縮的阻尼相圖。結(jié)果表明冷卻速率極快，以至于可以實現(xiàn)束流的連續(xù)注入，解決了人類至今尚且未能解決的這一重大難題，為束流連續(xù)注入積累儲存環(huán)奠定了理論基礎(chǔ)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是利用二極導向磁鐵的邊緣聚焦角大于零，或者在它滿足最掛阻尼的條件下，使二極導向磁鐵兼?zhèn)淅鋮s器的作用。同時與四極鐵等其它聚焦元件合理組合，在恒定電磁場中，使儲存環(huán)的工作不僅是穩(wěn)定的；并且，束流發(fā)射度可以得到迅速收縮，提高亮度。也可以做成束流連續(xù)注入積累儲存環(huán)，顯著提高束流在儲存環(huán)中的積累效率。
本發(fā)明有如下附圖。


圖1、為邊緣聚焦非線性阻尼最佳條件圖解。
圖2、為邊緣聚焦非線性阻尼儲存環(huán)一個結(jié)構(gòu)周期。
圖3、為阻尼相圖。
圖4、為連續(xù)注入相圖。
圖5、為氫硼聚變儲存環(huán)示意圖。
圖1為邊緣聚焦非線性阻尼最佳條件圖解。當二極鐵的入口邊與出口邊平行時，并且平衡軌道中心處在出口邊同一條直線上時，發(fā)射度全平面均受到阻尼作用。在這一特定條件下，二極鐵除了導向作用外，也可同時發(fā)揮最大阻尼作用。
圖2為邊緣聚焦非線阻尼儲存環(huán)一個結(jié)構(gòu)周期。1表示二極鐵；2,3,4分別表示三個自由漂移區(qū)長度，L1,L2和L3。5,6分別表示兩個四極鐵；7表示入口邊緣焦角。二極鐵滿足圖1所述的最佳阻尼條件，相應參數(shù)表如下N=6:φ=π/3； Kb=0.05； L1=L2=10cmL3=35cm； Le=6cm； β1=π/3； β2=0K1=0.13077；K2=0.10196； μx=1.2939: μy=1.6624上述參數(shù)符號與常用的意義相同。N表示結(jié)構(gòu)周期數(shù)，6個結(jié)構(gòu)周期組成一個儲存環(huán)；φ表示每塊二極鐵使束流偏轉(zhuǎn)60度；L1,L2是兩個自由漂移區(qū)長度；L3是四極鐵與二極鐵之問的距離Le是四極鐵長度β1是入口邊緣聚焦角；β2是出口邊緣聚焦角，滿足最佳阻尼條；Kb是二極鐵的曲率；K1,K2是兩個四極鐵的梯度參數(shù)；在上述條件下，線性運動的本征值為μx,μy；一個結(jié)構(gòu)周期的長度為81cm環(huán)的周長共486cm。
圖3為上述條件下所得到的阻尼相圖。在四極鐵區(qū)，仍然使用文[2]中的矩陣變換計算；在二極鐵區(qū)，采用六級龍格庫塔方法計算，保持六位有效數(shù)字可靠。由圖可知，發(fā)射度相軌跡不再像文[2]中所述的一個橢圓；而是由外迅速向座標原點移動，說明發(fā)射度得到迅速收縮。計算機仿真模擬結(jié)果證實，這一理論預言是完全正確的。
圖4為連續(xù)注入相圖。在上述參數(shù)下，束流初始發(fā)射度選為40cm mrad。成一矩形，位于圖中的上端。第一個周期未，矩形發(fā)生歧變，隨后歧變加快，很快就難于區(qū)分了。但是，以后再同不到起始位置，說明入射束與主管道束分離較遠，不會撞擊到真空管道壁上而丟失，可以實現(xiàn)速流連續(xù)注入積累儲存環(huán)。
本發(fā)明的效果是即使在恒靜電磁場中，發(fā)射度也可得到迅速收縮，又可稱做束流超快速自動冷卻儲存環(huán)，在特定條件下，冷卻率很高，以至于可以實現(xiàn)束流的連續(xù)注入，解決了人類至今尚且未能解決的束流連續(xù)注入這一重大難題，做成束流連續(xù)注入積累儲存環(huán)。
它簡單經(jīng)濟易行，只需在設(shè)計儲存環(huán)時，選擇恰當參數(shù)，使儲存環(huán)本身具有冷卻功能。因此不需附加額外設(shè)備和附加投資。
在非恒靜電磁場的條件下，上述自身冷卻功能仍保持不變，早己發(fā)現(xiàn)的絕熱冷卻或同步輻射冷卻效應，會同時疊加，取得更好效果。當然，也可根據(jù)需要，再附加上電子冷卻或隨機冷卻，效果均是疊加的，因此具有兼容性和疊加效果。
離子束以接近光速的速度在儲存環(huán)中旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)頻率很高，通常每秒在兆周以上。解決了人類至今尚且未能解決的束流連續(xù)注入這一重大難題，這就使得束流在儲存環(huán)中的積累效率提高上萬倍，由注入器中的弱流連續(xù)束，迅速轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)注入積累儲存環(huán)中的脈沖強流束。這將是繼激光之后，為人類尋求到一條獲得高亮度脈沖強流束的新途徑。并且電功轉(zhuǎn)換效率更高，可以解決激光至今尚且未能解決的一些重大問題。
本發(fā)明的一個應用例，是氫硼聚變連續(xù)注入積累儲存環(huán)。
圖5是氫硼聚變連續(xù)注入積累儲存環(huán)的示意圖。1表示袖珍儲存環(huán)；2,3分別表示兩組RFQ加速器；4表示反應器。這一設(shè)想是由美國布魯克海文實驗室A.G.Ruggiero首先提出來的[5]。主體是由兩個袖珍環(huán)1組成，周長僅3.3米。注入器是兩組高頻四極透鏡聚焦RFQ加速器2,3。一組加速硼一11離子到619Kev，注入到一個環(huán)中；另一組加述質(zhì)子到56Kev，注入到另一個環(huán)中。兩個環(huán)中的束流旋轉(zhuǎn)方向相同，在兩個環(huán)的交叉處，即反應容器4中，以相反方向?qū)崿F(xiàn)對頭相撞，撞擊能量為675Kev，恰好維持在反應機率最大的0.9巴。氫硼聚合后，立即裂變?yōu)槿齻€氦核，同時釋放出8.7Mev的能量。
氫硼聚變的釋能載體是帶電離子，經(jīng)反應容器收集，可直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔芑蚪涣麟娔?；而不必象裂變核電站需?jīng)過汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，省去熱電轉(zhuǎn)變功耗，功效更高，更簡單經(jīng)濟。
氫硼聚變的主要優(yōu)勢，在于它是一個潔凈核能源。它既不產(chǎn)生中子，又不產(chǎn)生裂變核電站核廢料的放射性污染；并且不產(chǎn)生硫化物，氮化物和二氧化碳，是礦物燃料煤和石油的理想替代品。
目前，實現(xiàn)氫硼聚變的主要障礙，在于束流連續(xù)注入。文[5]中提到用電子冷卻和隨機冷卻，由于它們的冷卻率太低，不能實現(xiàn)束流連續(xù)注入，阻礙了Ruggiero設(shè)想的實現(xiàn)。本發(fā)明正好比及時雨，恰好能克服這一嚴重困難。當然，激光尚且不能解決這一重大問題。
參考文件[1]H.Wiedemann,Nucl.Instr.&Meth.In Phys.Res.A246(1986)4[2]E.D.Courant,H.S.Snyder,Ann.Phys.3(1958)1[3]V.V.Parkhomchuk,A.N.Skrinsky,Reports on Preg.In Phys.Vol.54,No.7(1991)919[4]B.Autin,AIP Conf.Proc.,153(1987)288[5]A.G.Ruggiero,Proc.of Tranc.IEEE(1993)700
權(quán)利要求
1.一種邊緣聚焦非線性阻尼儲存環(huán)。其特征在于利用邊緣聚焦角大于零，或者在其非線性阻尼的最佳條件下，使二極鐵兼?zhèn)淇焖僮枘峄蚩焖倮鋮s作用。與四極鐵或其它聚焦元件合理組成的儲存環(huán)，束流發(fā)射度可以得到迅速收縮，提高亮度，以至于可以實現(xiàn)束流連續(xù)注入。
2.如權(quán)利要求1所述的儲存環(huán)，其特征在于二極鐵的邊緣聚焦角大于零，或者入口邊與出口邊接近平行。
3.如權(quán)利要求1、2所述，其平衡軌道中心處在出口邊的同一條直線上或者附近。
4.如權(quán)刮要求1所述，其特征在于利用二極鐵使發(fā)射度收縮。亮度提高。其中包括把這一效果附加在其它絕熱冷卻，同步輻射冷卻，電子束冷卻及隨機冷卻等效果之上。
5.如權(quán)利要求1、4所述，其特征在于利用二極鐵使發(fā)射度收縮。用于抵消非線性共振引起的發(fā)射度擴張。
6.如權(quán)利要求1所述，其牲特征在于利用二極鐵使發(fā)射度快速收縮，實現(xiàn)束流的多次或連續(xù)注入。
7.如權(quán)利要求1所述，其牲特在于選擇滿足逆共振的相應參數(shù)。
8.如權(quán)利要求1、4所述，其特征在于恒靜電磁場的條件下，仍然具有自動冷卻作用，既可單獨應用；在非恒靜電磁場的條件下，又可與其它絕熱冷卻，同步輻射冷卻，電子冷卻或隨機冷卻等疊加應用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種邊緣聚焦非線性阻尼儲存環(huán)。它是在邊緣聚焦角大于零,尤其是在達到最佳阻尼的特定條件下,使二極鐵兼?zhèn)淇焖僮枘峄蛘呖焖倮鋮s作用。與四極鐵合理組合,構(gòu)成邊緣聚焦非線性阻儲存環(huán),使發(fā)射度得到快速收縮,提高亮度,以至于可以實現(xiàn)束流連續(xù)注入,解決了人類至今尚且未能解決的柬流連續(xù)注入這一重大難題。是繼激光之后,為人類開劈了義一條獲得強流高亮度能量通量的簡單,經(jīng)濟,易行的新途徑。
文檔編號H05H7/08GK1325261SQ00107730
公開日2001年12月5日 申請日期2000年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月24日
發(fā)明者高叔陽, 錢光宇, 高曉達 申請人:高叔陽, 錢光宇, 高曉達