專利名稱：非哈密頓力學(xué)系反劉維定理強阻尼帶電粒子儲存環(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(dǎo)向磁鐵，使粒子束不斷沿環(huán)形軌道旋轉(zhuǎn)。
儲存環(huán)的工作原理，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)本身不其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)本身不具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?，F(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(yīng)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)某一方位角上安置一個探測器，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]。
五、邊緣聚焦的非線性阻尼。中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局公開了我們的前一發(fā)明，專利號為
的″邊緣聚焦非線性阻尼儲存環(huán)″，是利用二極導(dǎo)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(dǎo)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。
除了我們發(fā)明的邊緣聚焦非線性阻尼儲存環(huán)之外，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。在專利號為
的″邊緣聚焦非線性阻尼儲存環(huán)″中，我們首次發(fā)現(xiàn)二極鐵邊緣聚焦在非線性條件下具有一種阻尼作用，或稱束流自動冷卻。但是，它的橫向自由振蕩仍然遵守哈密頓力學(xué)系正則相空間相體積守恒的劉維定理，限制了邊緣聚焦非線性阻尼作用，因此它不能獨立使用，必須與四極鐵等其它聚焦元件合理組合，才能在恒定電磁場中，使儲存環(huán)的工作是穩(wěn)定的。由于受到四極鐵等其它聚焦元件引起發(fā)射度擴展的干擾，給實現(xiàn)束流連續(xù)注入帶來技術(shù)上重重困難。
本發(fā)明的目的在于，提供一種非哈密頓力學(xué)系反劉維定理強阻尼儲存環(huán)。
本發(fā)明的理論依據(jù)是非哈密頓力學(xué)系反劉維定理。
在介紹束流冷卻時，A.N.Skrinsky說“利用不依賴于束中特定粒子運動的任何外電磁場，不可能使束流相密度得到增加。在這種情況下，通常所說的束流相密度是常量并且由初條件確定(的劉維定理)是成立的?！盵3]這也就是說在恒定電磁場中運動的束流的相件積是不可能收縮的。這已為二十世紀離子加速器大量的科學(xué)實踐所證實，加速器實驗中至今尚未發(fā)現(xiàn)例外。但是，必須指出，劉維定理成立是有條件的，在哈密頓力學(xué)系中是成立的，人們至今尚未對非哈密頓力學(xué)系作過研究，也未能考察反劉維定理。
D.T.Greenwood在講解劉維定理時說劉維定理成立的必要條件是”相點相應(yīng)變換的Jacobian行列式?jīng)]有零點，也就意昧著相點的變換是一一對應(yīng)的，并且隱含著運動方程解的唯一性。″[4]。Greenwood的上述論述，恰好說明人們早已證明劉維定理成立的必要條件，正是區(qū)分哈密頓力學(xué)系與非哈密頓力學(xué)系的判據(jù)。非哈密頓力學(xué)系相空間相體積縮小的反劉維定理成立的必要條件一是運動方程某組特解具有一條漸近綫，也就是説運動方程解的唯一性定理不成立；二是必須把該組特解中的某一條曲綫選作參考軌道或者平常所說的平衡軌道；在這種情況下，由于漸近綫至少在一點有二級接觸的特性，可以證明相點變換的相應(yīng)Jacobian行列式有一個零點，也就意味著相點的變換一一對應(yīng)的關(guān)系不成立，也就是説D.T.Greenwood以上陳述的三要點可以得到嚴格證明。結(jié)果表明，相應(yīng)哈密頓方程是相依的，橫向運動的相空間某一區(qū)域的相體積是收縮的，稱為相空間相體積縮小的非哈密頓力學(xué)系反劉維定理。由此可見，哈密頓力學(xué)系劉維定理成立的必要條件與非哈密頓力學(xué)系反劉維定理成立的必要條件正好相反，正如D.T.Greenwood所言，在劉維定理成立的條件下，反劉維定理不成立；反之亦然，在反劉維定理成立的條件下，劉維定理不成立。劉維僅僅只完成整個工作的一半，另一個更重要的一半，是我們完成的，這是對1838年建立的劉維定理的必要補充和發(fā)展。
為了檢驗非哈密頓力學(xué)系反劉維定理的正確性和普遍性，我們討論了磁鐵中心平面上磁場分布是單向均勻的情況下的粒子運動。在笛卡爾坐標系中，中心平面上磁場分布沿垂直方向是均勻的，沿水平方向而周期變化，為了簡單其間，假定場沿水平方向分布依照正弦函數(shù)而周期變化，並要求從水平方向平行入射束有一條漸近綫，並把該組特解中的一條曲綫選作參考軌道或者平常所説的平衡軌道，為了方便其間，把從原點并且平行于水平軸線入射的粒子軌跡選作平衡軌道，相應(yīng)的自然坐標系的橫向坐標及相應(yīng)正則動量組成一個正則相平面。從水平方向入射的平行束最初的無窮小變換的相應(yīng)Jacobian行列式等于一；而到漸近綫相應(yīng)相點變換的相應(yīng)Jacobian行列式是一個零點，這樣一來，沿相軌跡相當大的范圍相點變換的相應(yīng)Jacobian行列式小于一，説明相體積收縮的非哈密頓力學(xué)系反劉維定理是成立的。非哈密頓力學(xué)系反劉維定理成立是有條件的，正象哈密頓力學(xué)系劉維定理成立是有條件一樣，但各自均有各自的普遍意義。
本發(fā)明的技術(shù)方案是實際應(yīng)用中只需要在上述相空間相體積縮小的非哈密頓力學(xué)系反劉維定理成立的二極鐵中，截取一段相點變換的相應(yīng)Jacobian行列式下降較快那部分，就可達到最佳阻尼效果，這樣的二級磁鐵不僅可以做為導(dǎo)向磁鐵使用；并可做為強阻尼器或稱做強冷卻器使用，使發(fā)射度得到迅速收縮。幾塊相同的這種導(dǎo)向磁鐵可以按照一定周期排列成儲存環(huán)，其最小周期數(shù)是五，而不象等時性回旋加速器中的三；也可與四極鐵或其它聚焦元件合理組成儲存環(huán)，束流發(fā)射度可以得到迅速收縮，提高亮度，容易實現(xiàn)束流百分之百連續(xù)注入。
隨后，利用幾塊相同的這種導(dǎo)向磁鐵兼做冷卻器，完成了一個強阻尼儲存環(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，不到離子旋轉(zhuǎn)的一個周期，容易實現(xiàn)束流百分之百的連續(xù)注入，徹底解決了人類至今尚且未能解決的這一重大難題，又小巧經(jīng)濟，並可在其中有效實現(xiàn)各種帶電離子核反應(yīng)。
本發(fā)明有如下附圖。


圖1、為非哈密頓力學(xué)系反劉維定理強阻尼儲存環(huán)磁鐵極面形狀圖解。
圖1為非哈密頓力學(xué)系反劉維定理強阻尼儲存環(huán)磁鐵極面形狀圖解。在相空間相體積縮小的非哈密頓力學(xué)系反劉維定理成立的二極鐵中，截取一段相點變換的相應(yīng)Jacobian行列式下降較快那部分，其中相應(yīng)平衡軌道偏轉(zhuǎn)角為2π/5，磁鐵出口邊與相應(yīng)平衡軌道垂直。二極鐵的入口邊與出口邊平行，五塊相同的這種導(dǎo)向磁鐵兼做冷卻器，組成五單元周期結(jié)構(gòu)，圖1是五單元周期結(jié)構(gòu)上下磁鐵極面形狀，真空室放置在上下磁鐵極面之間，帶電粒子束從箭頭所示方向連續(xù)不斷注入並被約束在真空室內(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。
對在這一結(jié)構(gòu)下的粒子運動作了計算機仿真計算。起始條件xi＝8Cm，xi’＝0.0，相當于離子從平衡軌道外8Cm處平行于平衡軌道入射，用龍格庫塔方法，在十六位計算機上作雙精度軌道追蹤計算，計算精度可達1微米，每隔1個磁場結(jié)構(gòu)周期紀錄一個相點。前六個點分佈很不規(guī)則，說明大振幅時自由振動周期變化很快，但振幅收縮也很快，1圈后粒子再次回到起始方位角時，振幅收縮到3.641Cm，說明相體積收縮遠超過一半，冷卻速率遠不到一圈，這是電子束冷卻或者是隨機冷卻都無法相比的。此外，圈間距超過4Cm，不但可以作到100％注入，并且技術(shù)上更易實現(xiàn)。五圈之后振幅收縮到一毫米以下，說明極限趨向于零。
本發(fā)明的效果是非哈密頓力學(xué)系反劉維定理強阻尼儲存環(huán)，即使在恒靜電磁場中，發(fā)射度也可得到迅速收縮，與我們專利號為
的前一發(fā)明相比較，束流冷卻速率不到離子旋轉(zhuǎn)的一個周期，更容易實現(xiàn)束流百分之百的連續(xù)注入，徹底解決了人類至今尚且未能解決的這一重大難題，更容易做成束流連續(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)本身具有強阻尼功能。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，上述自身強阻尼功能仍保持不變，早已發(fā)現(xiàn)的絕熱冷卻或同步輻射冷卻效應(yīng)，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。
粒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(yīng)用例，是帶電離子反應(yīng)器。
如圖1所示，在兩塊二極鐵之間不插入四極鐵等其它聚焦元件，設(shè)備緊湊，這種小型非哈密頓力學(xué)系反劉維定理強阻尼儲存環(huán)，更適合在其中實現(xiàn)各種帶電離子核反應(yīng)，可稱為帶電離子反應(yīng)器，能有效實現(xiàn)熱核聚變。
它的工作原理如下，由加速器產(chǎn)生的帶電離子束，譬如由平衡軌道外某處箭頭所示位置注入，旋轉(zhuǎn)一圈之后，再次到達同一方位角時，收縮到離平衡軌道更近處，振幅減小了多一半，這樣一來，帶電離子束就可由外部連續(xù)注入到平衡軌道附近。譬如把氘束注入，並在真空室中充以稀薄氚氣，氚電離形成等離子體，氘束在旋轉(zhuǎn)過程不斷與等離子體氚核碰撞，相當氘打氚等離子體靶。它可以使電離能耗減低五個量級，每圈束流張角和振幅收縮很多，可以有效抵消散射引起的擴展，從而可以使反應(yīng)產(chǎn)率提高五，六個量級，可以有效實現(xiàn)各種帶電離子核反應(yīng)，是實現(xiàn)氘氚、氘氦-3、氘氘、氫硼等各種熱核聚變的簡單經(jīng)濟有效的新途徑。
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]D.T.Greenwood，Classical Dynamics，(1977)P18權(quán)利要求
1.一種非哈密頓力學(xué)系反劉維定理強阻尼帶電粒子儲存環(huán)。其特征在于利用特定導(dǎo)向磁鐵，在其中運動的帶電粒子，相應(yīng)拉格朗日方程解的亞格比行列式有一個零點，其臨域的解不是唯一的，相點變換不是一一對應(yīng)的，相應(yīng)哈密頓方程是相依的，也就是沒有定義的，相空間相體積遵守不斷縮小的反劉維定理，粒子運動的某組橫向自由振蕩振幅及相應(yīng)正則動量兩者都不斷趨向于零，使導(dǎo)向磁鐵兼?zhèn)鋸娮枘峄蚩焖倮鋮s作用，幾塊相同的這種導(dǎo)向磁鐵可以按照一定周期排列成儲存環(huán)，也可與四極鐵或其它聚焦元件合理組成儲存環(huán)，束流發(fā)射度可以得到迅速收縮，提高亮度，實現(xiàn)束流連續(xù)注入，並可在其中有效實現(xiàn)各種帶電離子核反應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述的儲存環(huán)，其特征在于二極鐵中運動的帶電粒子，橫向自由振蕩不遵守相空間相體積守恒的劉維定理，而遵守相空間相體積不斷縮小的非哈密頓力學(xué)系反劉維定理。
3.如權(quán)利要求1、2所述，在這—特定導(dǎo)向磁鐵中，某組粒子運動軌道必須有一條漸近綫，一定要把其中之一選作平衡軌道，以便保證相應(yīng)拉格朗日方程解的亞格比行列式有一個零點，相應(yīng)橫向自由振蕩振幅及相應(yīng)正則動量兩者都不斷趨向于零。
4.如權(quán)利要求1所述，其特征在于幾塊相同的這種導(dǎo)向磁鐵可以按照一定周期排列成儲存環(huán)，專門用于在其中有效實現(xiàn)各種帶電離子核反應(yīng)，這種專用設(shè)備也叫作帶電離子反應(yīng)器，可以有效實現(xiàn)熱核聚變。
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?？捎糜诘窒⑸浜头蔷€性共振等引起的發(fā)射度擴張。
6.如權(quán)利要求1、4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、4所述，其特征在于利用二極鐵使發(fā)射度收縮，提高束流亮度，獲得強流低發(fā)射度束。
8.如權(quán)利要求1所述，其特征在于在恒靜或者交變電磁場的條件下，均具有強阻尼作用，既可單獨應(yīng)用；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(yīng)用。
全文摘要
非哈密頓力學(xué)系反劉維定理強阻尼帶電粒子儲存環(huán)中，在二極鐵中運動的帶電粒子，橫向自由振蕩不遵守相空間相體積守恒的劉維定理，而遵守相空間相體積不斷縮小的反劉維定理。這種導(dǎo)向磁鐵兼?zhèn)鋸娮枘峄蚩焖倮鋮s作用，可以單獨按照一定周期排列成儲存環(huán)，也可與四極鐵或其它聚焦元件合理組成儲存環(huán)，束流發(fā)射度可以得到迅速收縮，提高亮度，實現(xiàn)束流連續(xù)注入，並可在其中有效實現(xiàn)各種帶電離子核反應(yīng)和熱核聚變。
文檔編號H05H7/00GK1507310SQ0215396
公開日2004年6月23日 申請日期2002年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月6日
發(fā)明者高曉達 申請人:高曉達