Order-of-magnitude beam current improvement in compact cyclotrons
Order-of-magnitude beam current improvement in compact cyclotrons
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紧凑型回旋加速器中束流的数量级改进
DOI：
10.1088/1367-2630/ac5001
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发表时间：
2022
影响因子：
3.3
通讯作者：
Muralikrishnan, Sriramkrishnan
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Winklehner, Daniel;Conrad, Janet M.;Schoen, Devin;Yampolskaya, Maria;Adelmann, Andreas;Mayani, Sonali;Muralikrishnan, Sriramkrishnan
在粒子物理、医用同位素生产、材料和能源研究等领域，都迫切需要由小型粒子加速器产生的高强度质子束。为了满足这一需求，我们提出了，第一次，一个紧凑的等离子体回旋加速器，将能够提供10毫安的60兆电子伏的质子，一个数量级高于市场上的紧凑型回旋加速器和四个因素高于研究机器的设计。一个关键的突破是，涡流运动被纳入设计的回旋加速器，导致清洁提取。静电引出通道的隔板上的束流损失保持在120 W以下（低于所需安全限值的40%），同时保持良好的束流质量。我们提出了一组高度精确的粒子模拟，并使用机器学习选择光束输入参数的不确定性量化，显示了设计的鲁棒性。这种设计可用于粒子和核物理，材料科学和医学物理实验以及工业应用中的光束。
There is great need for high intensity proton beams from compact particle accelerators in particle physics, medical isotope production, and materials-and energy-research. To address this need, we present, for the first time, a design for a compact isochronous cyclotron that will be able to deliver 10 mA of 60 MeV protons—an order of magnitude higher than on-market compact cyclotrons and a factor four higher than research machines. A key breakthrough is that vortex motion is incorporated in the design of a cyclotron, leading to clean extraction. Beam losses on the septa of the electrostatic extraction channels stay below 120 W (40% below the required safety limit), while maintaining good beam quality. We present a set of highly accurate particle-in-cell simulations, and an uncertainty quantification of select beam input parameters using machine learning, showing the robustness of the design. This design can be utilized for beams for experiments in particle and nuclear physics, materials science and medical physics as well as for industrial applications.
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