Accelerator FFAG (Fixed-Field Alternating Gradient Accelerator) er en type resonanscyklisk accelerator , som kombinerer funktionerne fra en cyklotron (konstant magnetfelt) og en moderne synkrotron (brug af alternerende, hård fokusering). Et andet navn for FFAG er en ringfasotron [1] .
Efter opdagelsen af stærk fokusering blev ideen om en synkrotron med et konstant magnetfelt foreslået i 1952 samtidigt i Japan (Chihiro Okawa), USA (Keith Simon) og USSR ( Andrey Kolomensky ) [2] .
I 1954 blev MURA-gruppen dannet, baseret i Madison , Wisconsin , med det mål at bygge multi-gev acceleratorer. En lovende retning var udviklingen af FFAG-acceleratoren. Den første prototype blev skabt i 1956 [3] , det var en elektronisk maskine med en radius på 54 cm, som accelererede strålen fra 20 til 400 keV. Til acceleration blev betatronprincippet brugt - et elektrisk hvirvelfelt skabt af en magnetisk kerne. Ringen bestod af 8 superperioder, der hver bestod af to magneter med omvendt polaritet, med et magnetfelt stigende ulineært med radius B ( r ) ~ rk , hvor k = 3,36.
I 1957 kom Donald Kerst med en spiralsektor FFAG, hvor der ikke var magneter med et omvendt felt (hvilket gjorde det muligt at reducere ringens dimensioner kraftigt), men magneternes kanter var snoet i en spiral, og partiklerne blev fokuseret på grund af stærk kantfokusering . I 1961 bygger MURA en 50 MeV elektronisk sektor FFAG. Dette var dog afslutningen på skabelsen af acceleratorer af denne type. Hovedproblemet med FFAG var strålens ikke-lineære dynamik: i accelerationsprocessen krydsede betatronfrekvenserne mange stærke resonanser, som uundgåeligt blev genereret af det ikke-lineære felt, der var indlejret i magneternes design. Samtidig blev synkrotroner, som hurtigt vandt popularitet, frataget denne mangel.
FFAG'er blev næste gang nævnt i midten af 1980'erne i forbindelse med neutronkildeprojekter baseret på protonacceleratorer, såsom Spallation Neutron Source-projektet ( SNS ) ved Oak Ridge [4] . Hurtigt cyklende synkrotroner og superledende linacs viste sig imidlertid at være enklere og billigere end FFAG'er.
En ny bølge af interesse for acceleratorer af FFAG-typen kom i 90'erne som en del af diskussionen om projekter for neutrinofabrikker og myonkolliderer. Det var nødvendigt at accelerere muoner til en energi på 20 GeV, og at gøre dette meget hurtigt, da muonens levetid er ekstremt kort. Hurtigt cyklende synkrotroner var ikke egnede, fordi deres acceleration er for langsom. Superledende linacs producerede en for høj stråleemittans . I 2000 blev den første 1 MeV proton FFAG, KEK-POP (Proof-Of-Principle) [5] , bygget i KEK -laboratoriet , Japan .
I øjeblikket er der flere protonacceleratorer af FFAG-typen, der opererer i Japan [6] : KEK-POP (1 MeV); KEK (150 MeV); CURRI-ADSR (2,5 MeV, 20 MeV 150 MeV); CURRI-ERIT (11 MeV). Derudover er der PRISM-undersøgelse (α-partikler, 0,8 MeV/nukleon), PRISM ( myoner , 20 MeV), NHV [7] (elektroner, 0,5 MeV). Et dusin mere er ved at blive designet, det er sådanne acceleratorer som EMMA [8] (elektroner, 20 MeV); NIRS (C6 + -ioner , 400 MeV/nukleon); myonaccelerator til J-PARC ved 20 GeV; og mange andre [6] .
Hovedinteressen for FFAG'er er, udover de nævnte myonkollidere og neutrinokilder, relativt kompakte ionacceleratorer til kræftbehandling.
For at undgå en meget kraftig ændring i fokus (og betatronfrekvenser ) under acceleration var de første FFAG-acceleratorer skalerbare, dvs. kredsløbet for en partikel med afbøjet energi ligner en ligevægtsbane. Ved acceleration forskydes partiklerne langs hele omkredsen gradvist til den ydre radius. Magnetfeltet er samtidig stærkt ikke-lineært, vokser med radius, og ved en højere energi befinder strålen sig i et større magnetfelt, og ved at vælge afhængigheden B ( r ) kan man opnå konstansen af optik. Men en sådan struktur kræver naturligvis en stor åbning i vandret plan, og da interpolspalten i magneterne er variabel, er dimensionerne på magneten også store. Derudover genererer et meget ikke-lineært felt, i nærvær af ufuldkommenheder i fremstillingen af magneter, såvel som i nærvær af kantfelter, stærke højordensresonanser, hvilket fører til en lille dynamisk blænde . Ikke desto mindre er alle FFAG-acceleratorer, der kører i øjeblikket, og de fleste af dem, der er designet, skalerbare.
For nylig er det blevet indset, at med en meget hurtig accelerationshastighed (som ikke var tilgængelig ved begyndelsen af FFAG for et halvt århundrede siden), er resonanser ikke så farlige. Computersimulering viser, at under hurtig acceleration (i snesevis af omdrejninger) er skæringspunktet mellem de stærkeste betatronresonanser (inklusive halvheltal og heltal) muligt uden tab af strålen. Samtidig gør brugen af kun magnetiske elementer med et lineært felt ( dipol- og quadrupolmagneter ) det muligt at undgå problemer med dynamisk blænde og væsentligt reducere dimensionerne (samt vægt og omkostninger) af elementerne [9] . Derudover ændres stråleomdrejningsfrekvensen i en ikke-skalerbar FFAG ikke så meget med stigende energi, og selv accelerationsmuligheder overvejes ved en konstant frekvens af RF-generatoren - den såkaldte. "serpentinacceleration" (uden for separatrixet af stabile synkrotronoscillationer ) [8] [9] .
| partikelacceleratorer | ||
|---|---|---|
| Af design |
| |
| Efter aftale | ||