Содержание
Введение ........................................................................1
Глава I Формирование магнитного поля изохронного циклотрона ДЦ-60................6
1 Метод формирования магнитного поля циклотрона ДЦ-60...............6
2 Рабочая диаграмма циклотрона ДЦ-60.........................................9
3 Выбор номинальной рабочей точки...........................................11
4 Требования на точность формирования магнитного ноля циклотрона ДЦ-60......14
5 Параметры радиальных и азимутальных корректирующих катушек
циклотрона ДЦ-60...........................................................15
6 Использование расчетов для формирования магнитного поля
циклотрона ДЦ-60......................................................... 18
7 Динамические характеристики сформированного магнитного поля...............34
Глава II Электромагнит изохронного циклотрона ДЦ-60,
параметры и производство...............................................44
1 Параметры электромагнита циклотрона ДЦ-60.................................44
2 Магнитные и химические свойства стали магнитопровода циклотрона ДЦ-60 ... 47
3 Допуски при изготовлении магнитопровода циклотрона ДЦ-60..................50
4 Деформация магнитопровода под действием магнитного поля
циклотрона ДЦ-60...........................................................51
Глава III Результаты измерений и финального формирования магнитного поля
изохронного циклотрона ДЦ-60...........................................54
1 Система магнитных измерений циклотрона ДЦ-60..............................54
2. Измерения магнітного поля циклотрона ДЦ-60................................64
3. Коррекция первой гармоники магнитного поля циклотрона ДЦ-60...............77
Глава IV Результаты пуско - наладочных работ на изохронном циклотроне ДЦ-60... 87
1. Тестовый режим №1. Ускорение ионов криптона 84Кг*12 до энергии
1 МэВ/нуклон...............................................................90
іі
Iі
2. Тестовый режим №2. Ускорение ионов азота 14>?2" до энергии
1 МэВ/нуклон................................................................92
3. Тестовый режим ЖЗ. Ускорение ионов азота 14Ї42' до энергии
1.32 МэВ/нуклон.............................................................94
4. Тестовый режим №4. Ускорение ионов аргона 40Аг5' до энергии
0.58 МэВ/нуклон.............................................................97
5. Тестовый режим №5. Ускорение ионов азота 40Аг7* до энергии
1.14 МэВ/нуклон............................................................100
6. Тестовый режим №6. Ускорение ионов азота 40Аг4* до энергии
0.65 МэВ/нуклон............................................................103
Заключение.......................................................................106
Литерагура.......................................................................108
Введение
В настоящее время ускорители заряженных частиц широко используются во многих странах мира. Одно из наиболее динамично развивающихся направлений в ускорительной технике - разработка и создание ускорителей циклотронного типа, позволяющих проводить исследования на высокоинтенсивных пучках тяжелых ионов в широком диапазоне атомных масс и энергий. Область использования пучков тяжелых ионов представляет большие возможности в решении как фундаментальных научных проблем так и важнейших прикладных задач.
Использование пучков ускоренных тяжелых ионов низких и средних энергий является одним из основных методов исследований в области ядернон физики. Ядерные реакции с тяжелыми ионами позволяют исследовать взаимодействие сложных систем, состоящих из большого числа нуклонов, в которых проявляются коллективные эффекты, связанные со свойствами ядерной материи - кулоновскнми и поверхностными силами, сжимаемостью и вязкостью ядерного вещества, свойствами ядернон поверхности и плотности. Тяжелые ионы представляют также уникальные возможности для исследований в области атомной физики, квантовой электродинамики, для проверки идей о существовании сверхтяжелых атомов, сверхплотных ядер и др.
Большие перспективы в развитии циклотронов связаны с использованием тяжелых ионов в целом ряде научно-технических и прикладных областей. Одним из быстро развивающихся направлений применения тяжелых ионов является получение с их помощью трековых мембран, используемых в настоящее время в различных областях науки, техники и производства [1-6]. Это направление появилось в результате развития техники твердотельных детекторов, применяемых в ядерно-физических исследованиях. Трековые мембраны получаются путем облучения тяжелыми ионами полимерных пленок с последующим травлением участков полимера вдоль следов ионов. Изменяя условия облучения и травления, можно варьировать размеры пор в широких пределах (от 0,05 до 5 мкм), а также изменять число пор на единичной площади ядерной мембраны (от 105 до Ю10 на см2). Уникальные свойства трековых мембран, а именно высокая селективность, однородная форма пор и др., позволяют использовать их в процессах ультра- и микрофильтрации при очистке газовых и жидких сред с эффективностью, не доступной
для других фильтрованных материалов. Особенно перспективны трековые мембраны при разделении бактериальных и вирусных суспензии, применяемом в биомедицинских исследованиях, при очистке технологических сред, при производстве изделий микроэлектроники, при холодной пастеризации жидких продуктов, при удалении микрофлоры из питьевой воды и др.
В Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ создан изохронный циклотрон тяжелых ионов ДЦ-60, предназначенный для проведения прикладных и научных исследований на пучках ускоренных ионов от ІЛ до Хе до энергий от 0.35 до 1.77 МэВ/нуклон. Одним из направлений использования циклотрона является производство трековых мембран. Циклотрон спроектирован и построен для междисциплинарного научно-исследовательского комплекса, г. Астана, Казахстан. Одним из составных элементов циклотрона, во многом определяющим его параметры, является электромагнит, создающий магнитное поле, ведущее и фокусирующее ускоряемый пучок ионов. Электромагнит циклотрона ДЦ-60 должен обеспечивать плавную регулировку энергии пучка за счет изменения уровня поля. Кроме того, электромагнит должен отвечать современным требованиям, предъявляемым к уровню энергопотребления, размерам маппггонровода, а также уровню сложности настройки рабочих режимов.
Диссертация является обобщением работ, выполненных в соответствии с научно-техническими планами ЛЯР ОИЯИ.
Цель работы
• Выбор и создание магнитной структуры изохронного циклотрона тяжелых ионов ДЦ-60 для ускорения пучков тяжелых ионов от Ьі до Хе до энергий от 0.35 до 1.77 МэВ/нуклон. Магнитная структура циклотрона должна обеспечивать плавную регулировку энергии ускоренных пучков в пределах ± 25% от номинальной за счет изменения уровня среднего магнитного поля от 1.25 Тл до 1.65 'Гл, обеспечивая при этом фокусировку и эффективность ускорения пучков ионов.
• Разработка и использование технологических решений, упрощающих технологию изготовления магнита, обеспечивающих его оптимальную компоновку и энергопотребление.
2
• Формирование магнитного поля циклотрона ДЦ-60 на основе аналитического, численного и экспериментального методов. Проверка результатов формирования поля в ходе экспериментов по ускорению пуков заряженных частиц.
Научная новизна и практическая ценность
1. Разработана магнитная структура изохронного циклотрона тяжелых ионов ДЦ-60 для ускорения пучков тяжелых ионов от Ьі до Хе до энергий от 0.35 до 1.77 МэВ/нуклон. Магнитная структура создает распределение среднего поля с необходимо малым радиальным ростом при плавной регулировке уровня поля от 1.25 Тл до 1.65 Тл, что позволяет регулировать энергию ускоренных пучков в пределах ± 25% от номинальной.
2. Магнитная структура создана на основе нового технологического решения заключающегося в использовании плоских секторов с прямыми боковыми границами, радиально смещенных относительно центра полюса магнита, что создало структуру с изменяющейся азимутальной протяженностью секторов и обеспечило:
2.1 формирование изохронной формы магнитного поля на уровне 1.43 Тл только за счет выбранной формы секторов,
2.2 необходимо малое (в пределах 70Гс) изменение радиального роста среднего поля по радиусу при варьировании поля от 1.25 Тл до 1.65 Тл,
2.3 возможность использования маломощной системы корректирующих катушек. Предложенное решение значительно упростило технологию изготовления магнита и снизило его стоимость.
3. Разработана новая конструкция корректирующих катушек. В предложенной конструкции применены многовитковые катушки с малой плотностью и величиной (не более 15А) тока в проводнике. Это позволяет обеспечить компактную конструкцию вводов катушек с малыми потерями и использовать маломощные источники питания. В ходе экспериментов по ускорению пучков ионов показано, что при оптимизации магнитного поля корректирующими катушками, максимальная мощность, выделяемая катушками на полюс, не превышает 400Вт. Это позволило проводить эксплуатацию системы корректирующих катушек без использования водяного охлаждения, теплопередача на полюс магнита обеспечивает нормальный температурный режим корректирующих катушек.
3
4. Малая угловая протяженность сектора в центре циклотрона (от 36°) позволила создать ускоряющую систему с увеличенной угловой протяженностью дуантов в центре, что обеспечивает эффективный темп ускорения пучков ионов на первых оборотах.
5. Разработана методика коррекции искажений магнитного поля циклотрона возникающих как вследствие неточностей производства и монтажа магнита так и при установке пассивного магнитного канала. Методика позволила на основе расчетного и экспериментального подходов скорректировать амплитуду первой гармоники до уровня 21 с + 4Гс, что является достаточным для нормальной работы ускорителя.
6. Сформировано магнитное поле изохронного циклотрона ДЦ-60 с необходимой точностью. В ходе пуско — наладочных работ на циклотроне ДЦ-60 осуществлено ускорение пучков ионов внутри циклотрона с эффективностью транспортировки пучка до 95% (l4NtJ, В=1.43Тл).
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались на семинарах ЛЯР ОИЯИ, Дубна и были представлены на международных конференциях:
• "The 8' European Particle Accelerator Conference "(Paris, France 2002);
• "The 19th Russian Particle Accelerator Conference " (Dubna, Russia 2004);
• "The 17"' International Conference on Cyclotrons and Their Applications" (Tokyo, Japan, 2004); "The 11"1 International Conference on Charged Particle Accelerators Applied in Medicine and Industry" (St.-Petersburg, Russia, 2004);
• "The 38th PNP1 Winter Schools on Nuclear and Particle Physics, (St.-Petersburg,
Russia 2004);
• "The 40th PNPI Winter Schools on Nuclear and Particle Physics, (St.-Petersburg,
Russia 2006);
• "The 18/л International Conference on Cyclotrons and Their Applications" (Catania, Italy, 2007);
Основное содержание диссертации и результаты испытаний опубликованы в 10 работах.
4
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения четырех глав и заключения
В Главе I представлен комплексный метод формирования магнитного поля изохронного циклотрона ДЦ-60, сочетающий в себе предварительный анализ и выбор основных размеров магнитной структуры, проведение оптимизации и формирования магнитного поля при помощи трехмерных расчетов, проведения измерений и формирования поля на электромагните циклотрона.
В Главе II представлены основные технические характеристики электромагнита циклотрона ДЦ-60. Даны основные геометрические размеры магнитопровода, обмотки возбуждения и корректирующих катушек. Рассмотрены конструктивные особенности электромагнита и его составных элементов. Приведены основные электрические параметры обмотки возбуждения и корректирующих катушек.
Глава III посвящена экспериментальному исследованию магнитного поля циклотрона ДЦ-60. Рассмотрены методика проведения измерений и результаты формирования магнитного поля. Представлены результаты формирования радиального распределения среднего магнитного ноля и коррекции первой гармоники поля, возникающей как вследствие неточностей производства и монтажа магнитопровода, так и в результате установки магнитного канала системы вывода пучков. Проведены сравнения полученных результатов измерений с данными трехмерных расчетов. Описана автоматическая система измерения магнитного поля циклотрона ДЦ-60.
В Главе IV представлены результаты пуско - наладочных работ, проведенные на циклотроне ДЦ-60 после его окончательной сборки в г. Астана, республика Казахстан. Приведены результаты экспериментальные работы по ускорению пучков ионов азота, аргона, криптона (иЫ2+, 40 Аг4*, 40Ат3*, 40Аг7‘, *4Кг12*) на различных уровнях магнитного поля 1.25Тл - 1.б5Тл в режимах работы на четвертой и шестой гармониках ускоряющего ВЧ напряжения. Представлены характеристики исследованных режимов ускорения, графики радиальной зависимости интенсивности ускоренных пучков ионов, резонансные зависимости интенсивности пучков от уровня магнитного поля.
Диссертация представлена на 111 страницах, включая 104 рисунок и 16 таблиц. В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.
5
Глава I Формирование магнитного поля изохронного циклотрона ДЦ-60
1. Метод формирования магнитного поля циклотрона ДЦ-60
Методы расчета магнитных структур и технология их изготовления постоянно совершенствуется. В процессе работы над проектом циклотрона ДЦ-60 применен метод, сочетающий аналитический, численный и экспериментальный подходы к моделированию и формированию магнитной структуры изохронного циклотрона [7,8]. Предложенный метод базируется, прежде всего, на анализе большого количества расчетных и экспериментальных данных, накопленных в ЛЯР ОИЯИ, а также на широком использовании возможностей современных вычислительных комплексов и программного обеспечения.
Процесс создания изохронного циклотрона от стадии проектирования до ввода в эксплуатацию условно делится на несколько взаимосвязанных этапов.
На первом этапе проведена комплексная компоновка и оптимизация основных узлов циклотрона, определены их характеристики, размеры, конструктивные особенности. Оптимизация осуществлялась на основе закономерностей магнитных структур циклотронов компактного типа, полученных расчетным и экспериментальным путем при работе с модельными электромагнитами и при создании электромагнитов циклотронов, таких как У200, У400, МЦ400, ИЦ100, ДЦ-72, У400Р [9-21]. Полученные закономерности объединены в аналитический программный блок, позволяющий на начальном этапе формирования магнитной структуры циклотрона проводить оценку размеров магнитопровода, параметров обмотки возбуждения и корректирующих обмоток, геометрии элементов рабочего зазора. Данные компоновки и оптимизации являются исходными параметрами магнитной структуры для последующего моделирования па основе трехмерных компьютерных расчетов. На рисунке 1 и в таблице 1 представлены общий вид циклотрона ДЦ-60 и основные параметры электромагнита.
6
- Київ+380960830922