Методика и результаты оптимизации вакуумных систем циклотронных комплексов

Оглавление
Введение.....................................................................4
ГЛАВА 1.....................................................................13
Методика численного моделирования потерь ионов вследствие
перезарядки на остаточном газе..............................................13
ГЛАВА 2.....................................................................34
Методика численного моделирования распределения давления остаточного газа в вакуумных камерах циклотронных комплексов..................................................................34
2.1 Радиальное распределение давления в вакуумных камерах
циклотронов............................................................36
2.2 Распределение давления вдоль протяженных вакуумных камер ионопроводов и экспериментальных установок........................41
ГЛАВА 3.....................................................................52
Практическое применение моделирования потерь ионов
вследствие перезарядки па остаточном газе для проектирования вакуумных систем............................................................52
3.1 Моделирование потерь ионов для циклотронов У-400 и У-400М..........54
3.1.1 Численное моделирование и эксперименты по ускорению ионов кальция 40Ca4S на циклотроне У-400 с
использованием внутреннего PIG-источника............................54
3.1.2 Потери ионов 48Са5' вследствие перезарядки па остаточном газе в канале аксиальной инжекции и в вакуумной камере циклотрона У-400....58
3.1.3 Сравнение расчетных эффективностей прохождения ускоряемых пучков в вакуумных камерах циклотронов У-400 и У-400М
с экспериментом.....................................................62
3.2 Моделирование потерь ионов для проектирования вакуумной системы циклотронного комплекса DC-72.....................................64
3.2.1 Потери ионов в канале аксиальной инжекции DC-72...............65
3.2.2 Потери ускоряемых ионов вследствие перезарядки на остаточном
газе в вакуумной камере никло фона DC-72............................70
3.2.3 11отери ускоренных и выведенных из ускорителя ионов в каналах внешних пучков DC-72................................................74
3.3 Моделирование потерь ионов для проектирования вакуумной
системы циклотрона тяжелых ионов ИЦ-100................................79
3.3.1 Сравнение результатов численного моделирования и эксперимента но ускорению ионов.....................................80
3.4 Моделирование потерь ионов для проектирования вакуумной системы ускорительного комплекса DRIBs....................................82
3.5 Оптимизация параметров проектируемой вакуумной системы канала масс-сепаратора MASHA.............................................86
3.5.1 Оценка требований к уровню вакуума в магнитс-ссиараторе
MASIIA..............................................................86
3.5.2 Распределение давления в вакуумной камере
канала масс-сенаратора MAS1IA.......................................91
2
3.6 Моделирование потерь ускоряемых ионов для проектирования
вакуумной системы циклотрона БС-60................................96
3.6.1 Расчет потерь пучка ионов на остаточном газе в вакуумной
камере циклотрона............................................. 99
3.6.2 Расчет потерь пучка при транспортировке по каналу аксиальной инжскции и каналу пучков ионов низкой энергии..................100
3.6.3 Транспортировка ионов в канале ускоренных пучков.........101
3.6.4 Сравнение расчетных эффективностей прохождения ускоряемых пучков с экспериментальными результатами.......................105
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................108
Основные результаты диссертационной работы:...........................108
Признательности.......................................................109
Литература............................................................110
Введение
Актуальность работы
Развитие атомной и ядерной физики, а также прикладных областей науки и техники, требует постоянной разработки и совершенствования методов и техники получения высокоинтенсивных пучков ускоренных ионов.
В настоящее время ускорительная база Лаборатории ядерных реакций им. Флерова ОИЯИ представлена четырьмя действующими циклотронными комплексами на основе изохронных циклотронов тяжелых ионов У-200, У-400, У-400М [1] и ИЦ-100 [2].
Ускорители У-400, У-400М и ИЦ-100 оборудованы современными источниками ионов электронно-циклотронного резонанса (ECR) [3] и системами аксиальной инжекции пучка, У-200 имеет внутренний источник ионов типа PIG.
Циклотроны ЛЯР ускоряют ионы с отношением заряда к массе иона q/A 0.03 4- 0.5 до энергии от 0,5 до 100 МэВ/нуклон. Зарядовые состояния ионов, получаемые в источниках ионов для ускорения пучков ионов в циклотронных комплексах ЛЯР, лежат в интервале от 14-2 для легких ионов до 20ч-25 для тяжелых ионов, например, ксенона.
Реализован проект ускорения радиоактивных пучков DRIBs (Dubna Radioactive Ton Beams) [4,5] на основе циклотронного комплекса У-400 и У-400М. Развитая сеть действующих каналов транспортировки пучков на экспериментально-физические установки ЛЯР продолжает увеличиваться с созданием новых установок, таких как масс-сепаратор MASHA (Mass Analyzer of Super Heavy Atoms).
4
Для получения максимальной интенсивности пучка на мишени физических установок среди наиболее актуальных задач стоит задача снижения потерь ускоряемых пучков в каналах инжекции, вакуумных камерах циклотронов и в линиях транспортировки ускоренных ионов. Это позволяет снизить время экспозиции физической мишени, а также уменьшить радиационный фон ог активации оборудования ускорительных установок.
Особую актуальность задача снижения потерь ускоряемых пучков приобретает при ускорении ионов редких и дорогих изотопов, например,
I о
изотопа Са, который используется в ЛЯР для исследования ядерных реакций синтеза новых элементов с числом протонов в ядре Ъ=\ 10+118.
Одной из основных составляющих потерь пучков ионов, инжектируемых, ускоряемых и транспортируемых на мишени физического эксперимента, является потеря ионов вследствие их перезарядки на молекулах остаточного газа в вакуумных камерах ускорительных установок. Оптимальные вакуумные системы циклотронного комплекса должны обеспечить необходимую эффективность прохождения пучков ионов через вакуумные камеры в процессе инжекции ионов, ускорения и транспортировки ускоренных пучков на экспериментально-физические установки. Для этого вакуумные системы должны иметь достаточную быстроту действия средств вакуумной откачки при их рациональном размещении с учетом различных газовых нагрузок. Скорости откачки вакуумных насосов должны быть достаточными с разумным «запасом прочности» при минимальной стоимости оборудования вакуумных систем.
Цель работы
1. Проведение экспериментальных исследований процесса взаимодействия ионов пучка с молекулами остаточного газа в
5
циклотронах У-400, У-400М, ИЦ-100, ЭС-бО, измерение сечений перезарядки ионов на молекулах остаточного газа. Анализ и сравнение полученных данных с результатами, полученными на ускорителях других научных центров.
2. На базе экспериментальных данных разработка методики расчета вакуумных систем и численного моделирования вакуумных потерь пучка ионов в процессе инжекции, ускорения и транспортировки пучка на физические установки.
3. Применение разработанной методики для оптимизации вакуумных систем при модернизации существующих и создании новых циклотронных комплексов. І Іроведение сравнительного анализа результатов расчета и экспериментальных данных, полученных на созданных ускорителях.
Научная новизна и практическая ценность работы
1. Экспериментально исследованы процессы взаимодействия ионов с молекулами остаточного газа в циклотронах У-400, У-400М, ИЦ-100, ОС-60. Измерены значения сечений перезарядки ионов на молекулах остаточного газа.
2. На базе результатов экспериментальных исследований на циклотронах Л ЯР и анализа опубликованных данных, полученных па ускорителях других научных центров, разработана методика и соответствующие программы для численного моделирования вакуумных потерь ионов в процессе инжекции пучка в циклотрон, ускорения и транспортировки пучка ионов на физические установки.
6
Методика описывает процесе перезарядки ионов от водорода до урана с энергией от 1 кэВ/нуклон до 100 МэВ/нуклон.
3. Разработаны методика и соответствующие программы для численного моделирования распределения давления в азимутальносимметричных вакуумных камерах, а также в протяженных вакуумных камерах произвольного поперечного сечения с произвольным расположением неограниченного количества различных по скорости откачки вакуумных насосов при произвольных газовых нагрузках (сосредоточенных и распределенных).
4. Результаты исследований и разработанная методика численного моделирования потерь пучка ионов нашли практическое применение при модернизации вакуумных систем циклотронных комплексов У-400, У-400М и ИЦ-100.
5. Разработанная методика и программы численного моделирования потерь пучка ионов применены для оптимизации вакуумных систем при создании
> циклотронных комплексов
• ЦИТРЕК (г. Дубна),
• ОС-72 (Словацкая циклотронная лаборатория, г.Братислава, Словацкая Республика) и
• ОС-60 (Междисциплинарный научно-исследовательский комплекс, г. Астана, Казахстан);
> инжектора линейного ускорителя Словацкого технического университета (г. Братислава);
7
> тракта транспортировки радиоактивных пучков ускорительного комплекса DRIBs на основе циклотронов У-400 и У-400М;
> экспериментально-физической установки масс-сепаратора MASHA (Mass Analyzer of Super Heavy Atoms).
Выполненный цикл исследований и разработанная методика расчета позволяет оптимально конструировать вакуумные системы циклотронных комплексов и физических установок.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались на Международных и Национальных конференциях, в том числе:
• XXXI European Cyclotron Progress Meeting, Groningen, Netherlands, September 18-20, 1997;
• VI European Particle Accelerator Conference 98, Stockholm, Sweden, June 22-26, 1998;
• III International School and Workshop on Cyclotron and Applications, Cairo, Egypt, February 6-11, 1999;
• First Vacuum and Surface Sciences Conference of Asia and Australia, Tokyo, Japan, September 8-10, 1999;
• Int. Workshop on Ion Sources for DRIBs project, JINR, FLNR, Dubna, December 7-11, 1999;
• V Int. Conference on Radioactive Nuclear Beams, Divonne, France, April 3-8, 2000;
• VI Int. Computational Accelerator Physics Conference, Darmstadt, Germany, September 11-14,2000;
8
• IV International School and Workshop on Cyclotron and Applications, Cairo, Egypt, February 17-21, 2001;
• VII European Vacuum Conference, Madrid, Spain, September 17-20, 2001;
• VIII European Vacuum Congress, Berlin, June 23-26, 2003;
• Scientific seminar in the National Superconducting Cyclotron Laboratory, Michigan State University, East Lansing, MI, USA, October 24, 2003;
• IVC-16/ICSS-12/NANO-8 International Vacuum Congress, Venice, Italy, June 28- July 2, 2004;
• 19th Russian Particle Accelerator Conference (RuPAC'04), Dubna, Russia, October 4-8, 2004;
• XXXIV European Cyclotron Progress Meeting, Belgrade, Serbia and Montenegro, October 6-8, 2005;
• XL PNPI Winter School, Repino, St.-Petersburg, Russia, February 15-19, 2006;
• VI Iberian Vacuum Meeting IVM-6, Salamanca, Spain, June 26-28, 2006;
• XIV Russian Scientific and Technical Conference with participation of foreign specialists “Vacuum Science and Technique”, Sochi, Russia, October 9-14, 2007;
• X European Vacuum Conference, Balatonalmadi, Hungary, September 21-26, 2008.
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 26 работах [5,39*64], в том числе в 7 реферируемых российских [60,62,64] и иностранных [5, 47, 48, 53] журналах.
9