СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕІШЕммямшміім.................................................... ми...inwhwhhmiiwS
Цель работы..............................................................................5
Научная новизна работы .................................................................5
Практическая ценность работы...................................................«................................................6
Апробация работы................................................................................................................6
Публикации............................................................................. 7
Структура и объем диссертации...................................................................................................7
ГЛАВА I МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ__________________________________________7
Интегральные характеристики поля.........................................................8
Mermaid...................................................................................9
Радиально-секторная структура.................................................................................................9
Спирально-секторная структура................................................................................................12
Комрот...................................................................................14
Радиально-секторная структура................................................................................................14
Tosca....................................................................................15
Радиально-секторная структура................................................................................................15
Спирально-секторная структура................................................................................................16
CBDA.....................................................................................18
Связанные проблемы......................................................................19
Математическое моделирование............................................................19
Выводы..................................................................................20
ГЛАВА U МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЦИКЛОТРОНА VINCY---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------20
Введение................................................................................20
ВЧ система.....................................................................................................................................................21
Системы инжекции и вывода......................................................................................................................................22
Магнитная система..............................................................................................................................................23
Система измерения поля.........................................................................................................25
Компьютерные модели магнитного поля..........................................................................................................26
Шиммигование поля ферромагнитными элементами...................................................................................................................27
Пондеромоторные силы...........................................................................................................................................32
Гармоники поля низшего порядка.................................................................................................................................35
Причины возникновения гармоник ошибок........................................................................................................................35
Позиірюнирование датчика Холла...............................................................................................38
Измерение и коррекция 1-й гармоники магнитного поля ....................................................................40
Вклады концентрических корректирующих обмоток..................................................................................................................43
Изохронизация магнитного поля..................................................................................................................................49
Электрическое поле «...........................................................................................................................................54
Динамические характеристики электромагнитных полей.............................................................................................................60
Рабочая диаграмма..............................................................................................................................................62
Выводы..................................................................................64
ГЛАВА III МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТАМОЖЕННОГО ЦИКЛОТРОНА___________________________________________________________________________________________________________________64
Введение................................................................................64
Циклотрон...............................................................................65
Магнитная система..............................................................................................................................................66
Поле в магнитопроводе........................................................................................................................................70
Поле в медианной плоскости...................................................................................................................................72
Практические вопросы проектирования магнита....................................................................................................................74
Динамические характеристики электромагнитных полей.............................................................................................................75
Свойства замкнутых равновесных орбит.........................................................................................75
Ускоренные орбиты............................................................................................................................................77
Выводы.........................................................................................................................................................80
ГЛАВА IV МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ДЕТЕКТОРА ATLAS (LHC, CERN)_______________________________________________________________________________________________________________80
Введение................................................................................80
Расчеты магнитного поля детектора..............................................................................................................................81
2
Формулировка проблемы....................................................................82
Секторы 12-14............................................................................83
Несущая конструкция (НБ).................................................................87
Влияние шкафов с электроникой и другие локальные возмущения..............................88
Торцевые области....................................................................... 89
Пондеромоторные силы ...................................................................92
Включение соленоида.........................................................................94
Включение центрального тороида..............................................................96
Р-сЬаіп............................................................................ 96
НБ структура.............................................................................98
Выводы......................................................................................99
ЗАКЛЮЧЕНИЕ____________________________________________________________________________________99
Введение
Циклотрон - один из первых ускорителей зараженных частиц, который благодаря своим качествам (простота, надежность, низкая стоимость и т.д.) сохранил свое положение до сих пор во многих областях применения. В настоящее время насчитывается большое количество работающих установок этого типа во многих областях промышленности и науки, в широком диапазоне энергий и интенсивности ускоренных частиц. Естественно, сложно обсуждать в подробностях все такие применения и мы ограничимся лишь рассмотрением случаев, близких к теме данной работы.
В частности, в последнее время очень большое значение получило применение циклотронов в медицинских целях, производство медицинских радиоизотопов и (протонная) терапия. В нижеприведенной Таб. 1 перечислены лишь некоторые действующие или строящиеся машины этого типа.
Таб. 1 Мед я пинские циклотроны
Фирма
ACCEL
Instruments, Bcrgisch Gladbach
Ion Beam Applications (IBA), Louvain-la-Neuve
Ion Beam Applications (IBA), Louvain-la-Neuve
Циклотрон
ACCEL
superconducting
cyclotron
Cyclone 30
Ускоряемая
частица
H“
Cyclone 18/9, P.d
Конечная энергия, МэВ
250
30
18MeV proton /9MeV deuteron 10/5, 3
Интенсивность Применение пучка, рА
Proton beam therapy
venions with intensities of 700 or 1500 pA
Ссылка [!♦!. Рис. 1
350 цА can be Production of radioisotopes for [2*], Рис. 2
upgraded to diagnostic imaging in SPECT
(single photo emission computer tomography)
PET (positron emission tomograph)) radioisotope productions
Рис. 3
Ion Beam Applications (IBA), Louvain-la> Neuve
Cyclone 230
230
Proton beam therapy
Рис. 4
Для производства медицинских изотопов широкое применение получили компактные специализированные циклотроны, ориентированные на ускорение одного типа частиц. Типичными представителями таких машин являются установки фирмы ІВА (Бельгия), где ускоряются, как правило, отрицательные ионы водорода с последующей их перезарядкой на обдирочной фольге при 100% выпуске пучка протонов для дальнейшего использования вне ускорителя. Фирма выпускает циклотроны с различными максимальными энергиями пучка в диапазоне от нескольких МэВ до сотен МэВ и интенсивностями от десятков наноампер до сотен микроампер.
3
Однако в последнее время вновь вернулись к идее построения многоцелевых циклотронов для ускорения различных типов частиц с варьируемой конечной энергией, что позволяет более оперативно реагировать на быстроизменяющиеся требования к производству наиболее оптимальных и востребованных в данный период времени изотопов (М. Qaim :‘Low energy cyclotron is not always adéquate for production purposes. A medium-sized multiparticle machine may bc more useflil for production of new and emerging radionuclides’) [Зф]. Примером такой машины может служить циклотрон VINCY (Белград, Сербия) [4*].
Отдельная область применения циклотронов связана с вопросами обнаружения взрывчатых веществ при проверке грузов в аэропортах и других общественных местах в рамках борьбы с терроризмом. Этой тематике посвящаются отдельные международные форумы, типа недавно состоявшейся в Швейцарии Гордоновской конференции [5*]. Примером такой машины может служить Таможенный циклотрон, разрабатываемый в ЛЯП им В.П.Джелепова, ОИЯИ по заказу Лос Аламоской лаборатории (США) [6*].
Естественно, что и традиционные исследования в области ядерной Физики также продолжают проводиться с применением циклотронных установок [7*].
В диссертационной работе рассматриваются вопросы создания компактных циклотронов, и, в частности, разработка магнитных систем этого типа ускорителей на основе современных компьютерных моделей, а также при помощи эксперимент&тьного формирования магнитного поля на полномасштабном магните циклотрона. Рассмотрены уже упоминавшиеся выше 2 циклотронные установки: циклотрон ВИНСУ и Таможенный циклотрон.
Рис. 1. ACCEL сверхпроводящий циклотрон
Рис. 2. IBA Cyclone 30 cyclotron
4
Рис. 3. IBA Cyclone 18/9 и Cyclone 10/5
Рис. 4. IBA C230 циклотрон
Цель работы
Состоит в разработке магнитных систем компактных циклотронов на основе современных компьютерных моделей, а также при помощи экспериментального формирования магнитного поля на магните циклотрона.
Для эксперимента АТЛАС (LHC, CERN) была поставлена задача определения воздействия различных конструкций на основное магнитное поле установки.
Научная новизна работы
1. Впервые сформировано магнитное поле циклотрона VINCY исключительно на основе численного моделирования пространственных магнитных полей, включая наиболее сложную для формирования центральную область установки (отсутствие секторов, универсальность магнитной пробки при перестройке ноля, ограниченное пространство для размещения магнитной структуры, системы внешней инжекции и измерения магнитного поля). Изохронизация магнитных полей при различных уровнях тока основной обмотки циклотрона при помощи концентрических обмоток также базировалась только на расчетных вкладах полей этих обмоток.
2. Создание магнитной структуры циклотрона VINCY на базе имевшегося к началу работ магнита.
3. Впервые была разработана магнитная структура уникального по параметрам таможенного циклотрона на энергию ионов Н” 1.75 МэВ, используемого в установке для обнаружения взрывчатых веществ.
5
4. Численное моделирование магнитного поля уникальной магнитной структуры эксперимента АТЛАС, LHC, CERN, состоящей из 3-х тороидальных и одной соленоидальной сверхпроводящих обмоток, а также магнитопровода возвратного потока, являющегося частью тайл калориметра с его особой формой анизотропии активной зоны, определяемой множеством отверстий для сцинтилляторов, расположенных в шахматном порядке (ферромагнитная среда ~8* 12 м2, отверстия =4 мм, воздушные зазоры ~ 50 мкм). Получены распределения как основного магнитного поле детектора, так и вклада конструктивных ферромагнитных элементов установки.
Практическая ценность работы
Результаты исследований, проведенных в диссертационной работе, нашли практическое
применение при разработке и испытаниях различных физических установок:
1. Базовая установка многоцелевого комплекса TESLA (Винча институт ядерных наук, Белград, Сербия) - изохронный циклотрон VINCY. Циклотрон предназначен для ускорения и вывода пучков ионов в диапазоне Z/A=0.15+I.
2. Таможенный циклотрон - источник 1.75 МэВ протонов (Н' ионов), используемый в установке для обнаружения взрывчатых веществ.
3. Циклотроны для протонной терапии, физические обоснования которых разработаны в НЭОНУ ЛЯП ОИЯИ. В одном из них ускоряются Н“ионы до энергии 190 МэВ, в другом - протоны до энергии 230 МэВ.
4. Циклотрон R1KEN/CNS AVF (Япония), реконструируемый для производства изотопов.
5. Многоцелевой эксперимент АТЛАС, сооружаемый для исследования протон-протонных взаимодействий при сверхвысоких энергиях (до 14 ТэВ) Большого адронного коллайдера (LHC), в том числе детального изучения физики топ-кварка, поиска бозонов Хипгса, суперсимметричных частиц и новых физических явлений.
Апробация работы
Результаты диссертации докладывались на следующих форумах:
1. International Conferences on Cyclotrons and Their Applications: CYCLOTRONS 2001, East Lansing, Michigan,USA;May 12th-17th,2001; CYCLOTRONS2004,Tokyo,Japan,October 17-22,2004.
2. XLVIETRAN Conference, Banja Vru6ica - TesliC, June 4-7,2002, Serbia and Montenegro.
3. European Cyclotron Progress Meetings: ECPM-2002, Poland, September 17-21,2002; ECPM-2005, October 6-8,2005. Belgrade; ECPM 2006, November 2-4,2006, Nice, France.
4. Scientific seminars in memory of V.P.Sarantsev: 26-28 сентября 2001; г 23-24 September 2003; Dubna.
5. Russian Accelerator Conferences: RuPac-2004, October 4-9,2004, Dubna; RuPAC-2006,
Novosibirsk, Russia, September 10-14,2006.
6. PNPI Winter Schools on Nuclear and Particle Physics, St.-Petersburg, Repino: March 2-6,2003; February 14-19,2005.
7. XI Международное совещание по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине. Санкт-Петербург, 10-14 октября 2005.
8. XIX International Workshop on Charged Particle Accelerators. September 12-18,2005, Ukraine, Alushta, the Crimea.
9. Technical Workshops on the Development a High-Explosives Screening System Based on Nuclear Resonance Absorption (NRA) of 9.17-MeV Gamma Rays in Nitrogen: 2004, Dubna; August 3-5, 2005, Moscow, Russia.
10. ATLAS Magnetic Field Workshops: March 31 - April 1,2005; November 2-3,2005; March 7,2006; CERN. Geneva, Switzerland.
11. Information Meetings on the TESLA Accelerator Installation, Belgrade, Serbia and Montenegro, 2003,2004.
6
12. Meetings of the TESLA Advisory Committee, Belgrade, Serbia and Montenegro, 2003,2004.
13. Научные семинары ЛЯП и ЛЯР ОИЯИ, циклотронного центра RIKEN (Япония), циклотронного отдела ИЯФ (Краков), на совещаниях сотрудничества ATLAS (ЦЕРН).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 30 работ; основные результаты содержатся в 25 печатных работах, приведенных в списке литературы (в том числе, в реферируемых журналах).
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
Во введении рассматриваются перспективы развития универсальных изохронных циклотронов с пространственной вариацией магнитного поля, обзор действующих и проектируемых машин.
В первой главе дан обзор моделей и программ, применяемых для расчета электромагнитных полей, методов формирования магнитных полей, а также рассматривается значение вычислительного эксперимента при разработке и создании ускорителей подобного типа.
Вторая глава посвящена формированию магнитного поля циклотрона VINCY при помощи шиммирующих элементов и корректирующих катушек, сравнению расчета с экспериментальными данными, расчету пондеромоторных сил, выбору параметров ВЧ системы, а также анализу динамических характеристик циклотрона.
В третьей главе описывается расчетное формирование магнитного поля таможенного циклотрона.
В четвертой главе приводится анализ воздействия на магнитное поле конструкций детектора ATLAS/LHC
В заключении кратко суммируются основные результаты, полученные в работе.
Глава I Методы формирования электромагнитных полей
Основное направление исследований в данной диссертации посвящено созданию магнитных систем циклотронов. Поэтому возникает необходимость описания проблем, возникающих при формировании магнитного поля, существующих методов для моделирования этих полей, используемых программ, а также особенностей различных компьютерных моделей, применяемых для решения рассматриваемого класса задач.
Основной частью циклотрона является магнитная система, от которой в значительной мере зависит требуемое функционирование установки. Распределение магнитного поля в рабочей зоне машины должно удовлетворять определенным условиям, таким как требуемый уровень азимутально-среднего магнитного поля, изохронизм, обеспечение поперечной фокусировки частиц, допустимый уровень амплитуд низших гармоник в разложении распределения поля в медианной плоскости установки и т.д.
Для формирования таких полей используются различные подходы, такие как предварительный выбор параметров структуры в соответствии с заданными характеристиками ускоренного пучка частиц, цикл приближенных расчетов выбранной структуры, сопровождаемый обычно моделированием системы при помощи натурных моделей с определенным коэффициентом масштабирования и, наконец, сооружение полномасштабного магнита с доведением на нем характеристик распределения поля до требуемых при помощи цикла измерений и переделок шиммируюших поле элементов структуры.
Однако, широко применяемая ранее процедура последовательного приближения к требуемым характеристикам магнитного поля за счет неоднократного изготовления шиммов постепенно уходит в прошлое [8*]. Дело заключается в том, что большая стоимость проектируемых физических установок выдвигает в последнее время на первый план процедуру их численного
7
моделирования. Прогресс в развитии вычислительной техники дает возможность существенно удешевить решение этой задачи, а сама процедура численного моделирования позволяет заранее предсказать основные свойства и характеристики проектируемого объекта. Кроме того, такой подход приводит к возможности изготовления необходимого "железа" лишь на последнем этапе строительства, что существенно сокращает стоимость установки, а также время на ее ввод в эксплуатацию. Поэтому задача компьютерного моделирования трехмерного поля ускорительных установок представляется своевременной и актуальной.
В настоящей работе было предложено формирование поля, опираясь целиком на численное моделирование на основе набора профессиональных пакетов программ для расчета пространственных распределений магнитных полей. Измерения на полномасштабном магните при этом служили лишь для окончательного подтверждения предлагаемых конфигураций шиммирующих элементов. Эта методика была использована при создании циклотрона VTNCY (Белград, Сербия) и других установок.
Для расчета полей были использованы такие программы как Mermaid [9*], Opera3D-Tosca [10*], которые также применялись и для нахождения пространственного распределения электрических полей в конфигурации электродов ускоряющей системы циклотрона. Известно также, что для 3-мерного расчета ряда циклотронных магнитов получила широкое распространение система программ КОМРОТ [11*], [12*].
Анализ динамических характеристик полученных распределений полей производился при помощи известной программы CYCLOPS (MSU) и разработанного недавно для циклотронных применений комплекса программ CBDA (Cyclotron Beam Dynamics Analysis) [13*].
Интегральные характеристики поля
Первоначальный анализ расчетного поля проводится на основании его интегральных характеристик, определяемых по полученной расчетной карте поля. Эго процедура позволяет установить те или иные свойства изучаемой магнитной структуры, а также наметить пути, улучшающие эти свойства или устраняющие их недостатки. В частности, сравнивается с экспериментом среднее поля В(г), флаттер F, показатель роста магнитного поля к, абсолютные
AN(r) и относительные ArN{r) амплитуды вариации магнитного поля и другие параметры рассчитанного поля.
Радиальное распределение среднего по азимуту магнитного поля В (г) в медианной плоскости определяется, как известно, выражением:
B(r) = y\Bz{r,g>fi)d<p
2л о
Оно является первым и достаточно хорошим приближением к необходимому изохронному полю.
На вертикальную устойчивость ускоряемых в циклотроне частиц существенное влияние оказывает глубина вариации поля, так называемый флаттер F , который вычисляется по формуле:
г_в2У)-в\г)
В\г) '
где
~ jBl(r,p,0)dp.
Кроме того, на вертикальную устойчивость оказывает не менее важное влияние и показатель роста магнитного поля:
В2(г)
8
- Київ+380960830922