非哈密顿力学系反刘维定理强阻尼带电粒子储存环制造技术

一种非哈密顿力学系反刘维定理强阻尼带电粒子储存环。其特征在于利用特定导向磁铁，在其中运动的带电粒子，相应拉格朗日方程解的亚格比行列式有一个零点，其临域的解不是唯一的，相点变换不是一一对应的，相应哈密顿方程是相依的，也就是没有定义的，相空间相体积遵守不断缩小的反刘维定理，粒子运动的某组横向自由振荡振幅及相应正则动量两者都不断趋向于零，使导向磁铁兼备强阻尼或快速冷却作用，几块相同的这种导向磁铁可以按照一定周期排列成储存环，也可与四极铁或其它聚焦元件合理组成储存环，束流发射度可以得到迅速收缩，提高亮度，实现束流连续注入，並可在其中有效实现各种带电离子核反应。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于带电粒子加速器领域，具体涉及一种带电粒子束流储存环。储存环是利用电磁场把带电粒子约束在口径几个厘米或者更大的环形真空管道内，使其不断做循环运动，从而可以保持几个小时甚至更长时间。在环形真空管道外面，周期排列有四极和二极磁铁，每个周期单元称作Lattice。前者产生垂直方向或水平方向的聚焦力，以克服带电粒子之间的库仑斥力，使其不致撞击到真空管道壁上而丢失。二极铁的主要作用是使束流偏转，因之也称为导向磁铁，使粒子束不断沿环形轨道旋转。储存环的工作原理，是建立在Courant和Snyder的交变梯度强聚焦理论基础上的。粒子束最大张角与束径半宽度的乘积称做束流发射度。按照上述理论，在运动过程中束流发射度始终保持为一个常数，即称发射度守恒。二维发射度可以表示为一个椭圆，沿储存环一周的不同位置上，这个椭圆的长短轴及倾角在不断发生变化；但椭圆的面积始终保持不变，是这一守恒定理的形象表述。特别是在恒静电磁场中，粒子能量保持不变的条件下，象文中所述的各种周期单元，均不能使束流发射度缩小。也就是说，现有储存环本身不其有任何一种阻尼或冷却作用。发射度守恒，是实现束流连续注入的一个不可跨越的严重障碍。要把注入器产生的粒子束，注入到储存环的真空管道内，必须经过一个产生电磁场的装置，把束流推向管道内部。这个装置一般由偏转器和切割器两部分组成。处于注入束与主管道循环束流之间的称做切割器，主要起分离两者的作用。在运动过程中，发射度得不到收缩时，束流必然会再次撞击到切割器上而丢失。通常只能实现单次注入，严重阻碍了储存环总流强的提高。发射度守恒是对束流亮度提高的严重制约。单位立体角内的束流强度称做亮度。它与总流强成正比，与发射度成反比。由于单次注入限制了总流强进一步提高。那么在发射度守恒的条件下，亮度也无法提高。高亮度是建造储存环追求的一个主要指标。为了提高流强和亮度，需要多次注入使束流在储存环中得到积累。如文中描述的过程那样，必须使新注入的束流经过多次阻尼，使其与主管道中的储存束完全融合到一起之后，才能开始另一次新的注入循环。由于储存环本身不具有任何一种阻尼或冷却作用，必须借助于另外附加的冷却作用，才能使新注入的束流得到有效阻尼。现有各种冷却方法的速率与粒子的旋转周期相比，要低得多，一般需要经过上万圈之后，才能开始另一次新的注入循环。这就使得束流在储存环中的积累效率大为降低。如何提高冷却速率，实现束流的连续注入，是人类至今尚且未能解决的一个重大难题。使束流发射度缩小称做阻尼或束流冷却。目前常用的束流冷却方法有以下几种；一、绝热冷却，也称绝热阻尼。当粒子受到高频电场同步加速时，粒子能量随之不断增加，按照相对论理论，粒子质量随之增大，束流发射度也随之收缩。二、同步辐射冷却。主要发生在正负电子储存环中。由于正负电子在经历二极铁的场区时，受到罗仑磁力作用而使轨道发生弯曲，同时产生韧致辐射，使发射度收缩。三、电子束冷却。在正负质子及重离子储存环中，外加一电子束。当电子与离子平均速度相同时，在以这一速度前进的惯性座标系中观察时，电子和离子相当于两种温度不相同的气体。当电子束的能散度和发射度小于离子束相应量时，两者发生热交换而趋向于平衡，离子束得到冷却。四、随机冷却。其基本原理类似于自动控制。即在储存环某一方位角上安置一个探测器，检测讯号控制相距一定方位角处安置的电磁场发生器，不断把粒子校正到平衡轨道上，长时间的统计结果表明，粒子发射度可以收缩，能散度也可以减小。五、边缘聚焦的非线性阻尼。中华人民共和国国家知识产权局公开了我们的前一专利技术，专利号为的″边缘聚焦非线性阻尼储存环″，是利用二极导向磁铁的边缘聚焦角大于零，或者在它满足最挂阻尼的条件下，使二极导向磁铁兼备冷却器的作用。同时与四极铁等其它聚焦元件合理组合，在恒定电磁场中，使储存环的工作不仅是稳定的；并且束流发射度可以得到迅速收缩，提高亮度。除了我们發明的边缘聚焦非线性阻尼储存环之外，所有上述方法冷却效率不高，至今无法实现束流的连续注入。到目前为止，人类建造了许多储存环，一个根本缺点，就是发射度不能收缩。特别是在恒静电磁场中，粒子能量保持不变的条件下，尽管四极铁和二极铁有各种不同组合设计，人们尚且不懂得如何用二极铁使发射度收缩。当磁场随着粒子受到高频电场同步加速而上升时，会出现上述绝热冷却；但它与二极铁的结构无关，是粒子能量增加而出现的附加作用。在专利号为的″边缘聚焦非线性阻尼储存环″中，我们首次发现二极铁边缘聚焦在非线性条件下具有一种阻尼作用，或称束流自动冷却。但是，它的横向自由振荡仍然遵守哈密顿力学系正则相空间相体积守恒的刘维定理，限制了边缘聚焦非线性阻尼作用，因此它不能独立使用，必须与四极铁等其它聚焦元件合理组合，才能在恒定电磁场中，使储存环的工作是稳定的。由于受到四极铁等其它聚焦元件引起发射度扩展的干扰，给实现束流连续注入带来技术上重重困难。本专利技术的目的在于，提供一种非哈密顿力学系反刘维定理强阻尼储存环。本专利技术的理论依据是非哈密顿力学系反刘维定理。在介绍束流冷却时，A.N.Skrinsky说“利用不依赖于束中特定粒子运动的任何外电磁场，不可能使束流相密度得到增加。在这种情况下，通常所說的束流相密度是常量并且由初条件确定(的刘维定理)是成立的。”这也就是说在恒定电磁场中运动的束流的相件积是不可能收缩的。这已为二十世纪離子加速器大量的科学实践所证实，加速器实验中至今尚未发现例外。但是，必须指出，刘维定理成立是有条件的，在哈密顿力学系中是成立的，人们至今尚未对非哈密顿力学系作过研究，也未能考察反刘维定理。D.T.Greenwood在讲解刘维定理时說刘维定理成立的必要条件是”相点相应变换的Jacobian行列式没有零点，也就意昧着相点的变换是一一对应的，并且隐含着运动方程解的唯一性。″。Greenwood的上述论述，恰好说明人们早已證明刘维定理成立的必要条件，正是区分哈密顿力学系与非哈密顿力学系的判据。非哈密顿力学系相空间相体积缩小的反刘维定理成立的必要条件一是运动方程某组特解具有一条渐近綫，也就是説运动方程解的唯一性定理不成立；二是必须把该组特解中的某一条曲綫选作参考轨道或者平常所說的平衡轨道；在这种情况下，由于渐近綫至少在一点有二级接触的特性，可以证明相点变换的相应Jacobian行列式有一个零点，也就意味着相点的变换一一对应的关系不成立，也就是説D.T.Greenwood以上陈述的三要点可以得到严格证明。结果表明，相应哈密顿方程是相依的，横向运动的相空间某一区域的相体积是收缩的，称为相空间相体积缩小的非哈密顿力学系反刘维定理。由此可见，哈密顿力学系刘维定理成立的必要条件与非哈密顿力学系反刘维定理成立的必要条件正好相反，正如D.T.Greenwood所言，在刘维定理成立的条件下，反刘维定理不成立；反之亦然，在反刘维定理成立的条件下，刘维定理不成立。刘维仅仅只完成整个工作的一半，另一个更重要的一半，是我们完成的，这是对1838年建立的刘维定理的必要补充和发展。为了检验非哈密顿力学系反刘维定理的正确性和普遍性，我们讨论了磁铁中心平面上磁场分布是单向均匀的情况下的粒子运动。在笛卡尔坐标系中，中心平面上磁场分布沿垂直方向是均匀的，沿水平方向而周期变化，为了简单其間，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高晓达，
申请(专利权)人：高晓达，
类型：发明
国别省市：