МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН MINISTRY OF EDUCATION AND SCIENCE OF THE REPUBLIC OF KAZAKHSTAN
Л.Н. ГУМИЛЕВ АТЫНАҒЫ ЕУРАЗИЯ ҰЛТТЫҚ
УНИВЕРСИТЕТI
ЕВРАЗИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Л.Н. ГУМИЛЕВА L.N. GUMILYOV EURASIAN
NATIONAL UNIVERSITY
ХАБАРШЫ
1995 жылдың қантарынан жылына 6 рет шығады
I бөлiм
№ 6 (97) · 2013
ВЕСТНИК
выходит 6 раз в год с января 1995г.
I часть
HERALD
Since 1995
I part
Астана
УДК 621.384.6; 621.384.647
1,2М.В. Здоровец, 1,2И.А. Иванов, 1В.В. Александренко, 1С.Г. Козин,
1,2Б.К. Абышев
Отработка режима ускорения ионов 132Xe22+ с энергией 1,75 МэВ/нуклон на циклотроне ДЦ-60
( 1Астанинский филиал Института Ядерной Физики, г.Астана, Казахстан) ( 2Евразийский национальный университет им. Л.Н.Гумилева, г.Астана, Казахстан)
Для промышленного производства трековых мембран на ускорителе ДЦ-60 необходимо получить оптимальные параметры ионно-оптических систем циклотрона. В данной статье предоставлены результаты по отроботке и оптимизации режима ускорения ионов ксенона. В деталях описана процедура настройки и необходимые параметры ускорения для получения стабильного режима ускорения.
Ключевые слова:ускоритель, ион, oблучение, мембраны, пучок, нуклон, ксенон, магнитное поле
Введение
При проектировании ускорителя тяжелых ионов ДЦ-60 закладывалась максимально возможная универсальность, как по спектру ускоренных ионов, так и по их энергии и режимам облучения. Тем не менее, для конкретных запланированных научных и технологических работ потребовалась доработка штатных режимов под требования, предъявляемые каждой задачей.
Качество облучения материала на радиационно-технологических установках играет решающую роль в общем цикле производства трековых мембран и предъявляет особые требования к режимам работы и стабильности параметров самих установок. Одним из важнейших параметров при облучении ПЭТФ-пленки с заданными параметрами является стабильность тока пучка. В связи с этим, приоритетными на сегодняшний день считаются режимы с энергией 1.4 - 1.75 МэВ/нуклон для ионов ксенона 132Xe22+. Поэтому для получения стабильного пучка таких ионов был проведен ряд работ по снятию различных характеристических кривых, позволяющих отследить динамику и стабильность тока пучка и добиться оптимальных результатов.
Ускоритель тяжелых ионов ДЦ-60
Ускоритель ДЦ-60 [1,2] представляет собой дуальный циклотрон, который способен ускорять заряженные частицы до кинетической энергии рассчитанной в МэВ/нуклон, выраженной следующим соотношением:
E= 60(ZAi)2, (1)
где Zi - зарядность иона, который ускоряется, А - атомный вес иона.
Соотношение (Zi/A) в формуле 1 должно лежать в следующих пределах:
(ZAi) = (16 ÷121 ),
что накладывает зарядовые ограничения для ускоряемых частиц.
Схема ускорительного комплекса приведена на рисунке 1. Ускорительный комплекс включает:
• - источник ионов ЭЦР типа с системой аксиальной инжекции пучка в циклотрон;
• - циклотрон ДЦ-60;
• - четыре канала транспортировки пучка;
• - система управления;
• - три мишенных и одна технологическая камера.
Рисунок 1.- Схема ускорительного комплекса
Для транспортировки пучка от ЭЦР - источника до циклотрона создана эффективная система аксиальной инжекции пучка, состоящая из:
• фокусирующих элементов;
• анализирующего магнита;
• диагностирующих элементов;
• банчера;
• вакуумных насосов;
• электростатического инфлектора
Вариация энергии ионов в диапазоне от 0.42 до 1.75 МэВ/нуклон обеспечивается за счет изменения заряда ускоряемых частиц и магнитного поля циклотрона. Высокочастотная система имеет вариацию частоты в диапазоне 12 - 18 МГц и обеспечивает ускорение ионов на 4 и 6 гармониках. Циклотрон позволяет ускорять ионы в диапазоне масс от 6Li до 132Xe.
Расчет основных параметров ускорения 132Xe22+ с энергией 1.75 МэВ/A
Для получения режима ускорения ионов ксенона проведен расчет параметров производимых при помощи программы DC-60ion.culc
В таблице 1 приведены основные рабочие параметры режима ускорения иона 132Xe22+ с энергией 1.75 МэВ/А. Данная энергия выбрана как наиболее оптимальная для обеспечения запланированных научно-технологических работ на ускорителе ДЦ-60, в первую очередь в выполнении задач по облучению полиэтелентерефталатной пленки с толщиной до 24 мкм.[3]
Таблица 1.- Расчет параметров рабочего режима циклотрона ДЦ-60
Атомная масса иона 132
Заряд иона 22
Ион A/Z 6
ПолеB0, Тл 1.624
ПолеBe, Тл 1.6274
Энергия иона, МэВ/нуклон 1.7516 Ток основного магнита, А 301.8 Частота ВЧ-генератора, RF, МГц 16.626
Гармоника RF 4
Напряжение инжекции, кВ 17.8
Тип инфлетора "A"
E инфлектора, кВ ±7.31
На рисунках 2 и 3 представлены соответственно диаграмма среднего магнитного поля ускорителя и вклад корректирующих катушек по радиусу поля.
Рисунок 2.- Диаграмма среднего магнитного поля
Рисунок 3.- Вклад корректирующих катушек в магнитное поле
Характеристические кривые режима ускорения ионов 132Xe22+
Измерены характеристические кривые распределения поля основного магнита по радиусу и графики пространственной вариации орбит с помощью азимутальных катушек СА1/СА2 для режима ускорения ионов ксенона 132Xe22+.Данные зависимости позволяют оценить степень варьирования пространственным положением ионного пучка, что в свою очередь создаёт некий необходимый запас по радиусу вывода для наиболее эффективной проводки пучка через электростатический дефлектор. Только обеспечив максимальное согласование геометрического положения дефлектора с радиусом вывода ускоренного пучка можно добиться наименьших токовых потерь на дефлекторе и, следовательно, и максимального коэффициента трансмиссии.
На рисунках 4 и 5 показаны полученные характеристические кривые, из которых видно, что диапазон варьирования пространственного положения ионного пучка составляет порядка 10 мм.
Рисунок 4.- Характеристические кривые для режима ускорения ионов ксенона 132Xe22+ в абсолютных единицах
Рисунок 5.- Характеристические кривые для режима ускорения ионов ксенона 132Xe22+ в относительных единицах
Резонансные кривые тока пучка ионов на различных радиусах ускорения дают полезную информацию как о качественных показателях формирования магнитного поля основного магнита ускорителя, так и о форме и размерах орбит в процессе ускорения. Повторяемость данных кривых во времени свидетельствует о стабильности магнитного поля, а следовательно и постоянстве пространственного нахождения пучка ионов.
На рисунках 6 и 7 показаны измеренные резонансные кривые. Видно, что с увеличением радиуса ускорения происходит уплотнение орбит, и они имеют чётко выраженный пик.
Совпадение максимумов тока пучка при различных положениях пробника свидетельствует о требуемой конфигурации магнитного поля, которое имеет однородную структуру, и до данного радиуса в ней не наблюдается наличие паразитных гармоник.
Рисунок 6.- Резонансные кривые для режима ускорения ионов ксенона
Рисунок 7.-Резонансные кривые для режима ускорения ионов ксенона 132Xe22+ с азимутальными катушками
Для оценки некоторых характеристик системы экстракции пучка ионов из ускорителя DC−60, таких как зазор между септумной и потенциальной пластинами дефлектора, радиус орбиты захвата пучка и его последующего вывода из зоны ускорения, служат радиальные профили пучка. Для построения кривых профилей пучка были задействованы радиальный пробник тока RP1 и пробник вывода тока PE1, расположенный сразу после дефлектора.
Последовательно изменяя радиальное положение RP1 и одновременно фиксируя интенсивности тока ионного пучка с обоих пробников, мы получили требуемые характеристики.Из отображенных на рисунках 8 и 9 графиков видно, что вывод пучка ионов 132Xe22+ из области ускорения в ионопровод начинается с 698 мм радиуса и захватывает все остальные радиусы вплоть до 707 мм. Из этого следует, что аксептанс дефлекторной щели составляет 9 мм, что соответствует механически установленному зазору 10 мм. Затянутый спад характеристики, так называемый "хвост", связан со спадом у края полюсов основного магнитного поля. Этими потерями, ввиду их незначительности, можно пренебречь.
Рисунок 8.- Радиальные профили пучка ионов ксенона 132Xe22+ в абсолютных единицах
Для получения оптимальной настройки дефлектора и соответственно максимального коэффициента трансмисии производилось измерение тока с пробника PE1, установленного после электростатического дефлектора. Было определено оптимальное напряжение, соответствующее максимальному коэффициенту трансмиссии через дефлектор, следовательно максимальному току выведенного пучка. После этого, последовательно фиксировав входную щель дефлектора на разных радиусах выводах пучка, были получены зависимости Ктранс.
от радиального положения дефлектора в камере ускорителя. На рисунках 10 и 11 приведены графики, соответствующие полученным данным.
Рисунок 9.- Дифференциальные профили тока пучка ионов ксенона 132Xe22+
Рисунок 10.- Зависимость коэффициента трансмиссии от напряжения на электростатическом дефлекторе для режима ускорения ионов ксенона 132Xe22+
Рисунок 11.- Зависимость коэффициента трансмиссии от радиального положения дефлектора для режима ускорения ионов ксенона 132Xe22+
Таблица 2.- Параметры рабочих режимов ускорения ионов ксенона
№ Irp1,мкА Rp1,мкА Inf+,кВ Inf-,кВ Cinf CM, A CR1, A CR3, A CA1, A CA2,A FMC1 FMC2 Udef,кВ
1 0.058 690 7.51 7.26 4.84 296.4 +15 -0.35 +12.0 -12.0 4.78 7.05 60.8
2 0.061 690 7.50 7.31 4.84 296.5 +15 -0.29 +10.2 -10.7 4.70 7.00 59.9
3 0.066 690 7.56 7.24 4.86 296.4 +15 -0.42 +12.5 -12.8 4.78 7.03 61.0
В завершение работ по оптимизации режима ускорения ионов ксенона 132Xe22+ были определены коэффициенты вывода пучка из вакуумной камеры ускорителя, обеспечивающие наименьшие потери и наиболее выгодное пространственное положение пучка относительно центральной оси канала Т0. В таблице 2 приведены рабочие параметры режимов ускорения, позволяющие воспроизвести весь режим в целом. Данный режим ускорения ионов обладает высокой степенью повторяемости, об этом можно судить по значениям основных элементов
ускорителя в таблице 2. Используя встроенную в пакете QNX программу трэнда, удалось проследить временную стабильность тока пучка ионов.
По полученным данным были рассчитаны коэффициенты трансмиссии пучка ионов ксенона на каждом этапе ускорения:
IACC
IIN J = 2.43%; IIRP I
ACC = 68%; IT1F C1I
RP1 = 61%,
где IIN J - ток пучка ионов в канале инжекции; IACC - интенсивность тока ускоренного пучка; IRP1 - ток пучка на 690-м радиусе; IEXT - ток выведенного пучка.
Рисунок 12.- Настройка магнитных элементов канала Т0 для режима ускорения ионов 132Xe22+ и пространственное распределение пучка на профилометре Т1РМ2
Выводы
Получение характеристических зависимостей тока пучка по радиусу даёт полезную информацию о формировании магнитного поля и позволяет оценить потери пучка по радиусу. Данный параметр необходим, чтобы максимально эффективно скорректировать магнитное поле для транспортировки пучка от первой орбиты ускорения до радиуса вывода с наименьшими потерями. Для исследования временной стабильности поля основного магнита использовались снимаемые периодически резонансные кривые. Совпадение этих кривых, полученных в различные временные интервалы, свидетельствует о постоянстве магнитного поля и, как следствие, однозначном пространственном распределении ионного пучка. А это значит, что нет необходимости в постоянной подстройке оборудования оператором - параметры ионного пучка сохраняются.
После достижения ускоренными частицами максимальной энергии, необходимо обеспечить наилучшее согласование эмиттанса ионного пучка и аксептанса системы экстракции.
Полученные радиальные и дифференциальные профили пучка, позволили оценить параметры обоих элементов: пучка и дефлектора. Имея наименьший зазор между потенциальной и септумной пластинами с одной стороны, требуется и менее высокое напряжение и, как следствие, уменьшение вероятности электрического пробоя, но уменьшается и геометрическая область экстракции пучка, т. е. интенсивность пучка по току падает. С другой стороны, увеличив зазор воздушной щели и подняв напряжение на дефлекторе, увеличивается и число орбит, "извлекаемых"из ускорителя. Варьируя зазор и напряжение на дефлекторе было определено наиболее эффективное соотношение между ними.
В завершение работ по настройке и определению оптимальных режимов ускорения ионов ксенона, были изучены временная стабильность ионного тока и воспроизводимость режимов.
Временной тренд имел небольшой дрейф тока с определенной периодичностью.
ЛИТЕРАТУРА
1 Школьник В.С, Жолдасбеков М.Ж, Кадыржанов К.К. Иткис М.Г, Дмитриев С.Н.//
Создание междисциплинарного научно-исследовательского комплекса в ЕНУ им. Л.Н.
Гумилева - шаг к современным наукоемким технологиям., 2003г.-С.125.
2 Hagiwara M. Radiation chemistry research at JAERI. Present and future possibilities // Nu- clear Tracks Radiation Meashurement - 1991.vol.19.-P.899-902
3 Машенцева А.А, Здоровец М.В, Иванов И.А. // Основы мембранных технологий,2013.- С.78-87.
REFERENCE
1 Shkol’nik V. S, Zholdasbekov M. Zh, Kadyrzhanov K. K, Itkis M. G, Dmitriev S. N. //
Sozdanie mezhdisciplinarnogo nauchno-issledovatel’skogo kompleksa v ENU im. L. N. Gumileva - shag k sovremennym naukoemkim tehnologijam., 2003g.-s.125
2 Hagiwara M. Radiation chemistry research at JAERI. Present and future possibilities // Nu- clear Tracks Radiation Meashurement - 1991.vol.19.-P.899-902
3 Mashenceva A. A, Zdorovec M. V, Ivanov I. A. // Osnovy membrannyh tehnologij., 2013g.- S.78-87.
Здоровец М.В., Иванов И.А., Александренко В.В., Козин С.Г., Абышев Б.К.
ДЦ-60 циклотрондағы энергиясы 1,75 МэВ/нуклон болатын 132Xe22+ ионын үдету режимiн өтеу ДЦ-60 үдеткiшiнде тректi мембрананың өңдiрiс көлемiнде өнiм алу үшiн, циклотронның ион-оптикалық жүйесi ең ыңғайлы мәндерге ие болу керек. Бұл мақалада ксенон иондарының үдету режимiнiң өңдеу мен ыңғайластыру бойынша нәтижелерi көрсетiлген. Тұрақты үдетiлу режимiн алу үшiн қажеттi үдету мәндерi және реттеу жұмыстары түпкiлiктi жазылған.
Түйiн сөздер:үдеткiш, ион, сәулелендiру, мембрана, шоқ, нуклон, ксенон, магнит өрiсi Zdorovec M. V., Ivanov I. A., Aleksandrenko V. V., Kozin S. G., Abyshev B. K.
Processing mode acceleration of ions 132Xe22+ with energy 1,75 MeV/nucleon in cyclotrone DC-60 For industrial production track membranes in the acceleration DC-60 it is necessary to get optimal parameters for ion- optical systems of cyclotron. There are results for selection and optimization regimes of acceleration ions of xenon in this article.
The procedure of installation and necessary parameters of acceleration for getting stable regime of acceleration is described particulary.
Keywords:accelerator, ion, radiation, membrane, beam, nucleon, xenon, magnetic field
Поступила в редакцию 15.10.13 Рекомендована к печати 30.10.13
Об авторах:
Здоровец М.В.- к.ф.- м.н, начальник Астанинского филиала Института Ядерной Физики
Иванов И.А.- докторант PhD 2 года обучения международной кафедры ядерной физики, новых материалов и технологий Евразийского национального университета им. Л.Н. Гумилева
Александренко В.В.- начальник технологической службы ускорителя Астанинского филиала института ядерной физики
Козин С.Г.- инженер службы ВЧ систем ЭЦР источника Астанинского филиала института ядерной физики Абышев Б.К. - магистрант 2 года обучения международной кафедры ядерной физики, новых материалов и технологий Евразийского национального университета им. Л.Н. Гумилева