Разработка метода коррекции оптических свойств магнитных призм тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

РГ6 од 1 1 НОЯ 199В

не правах рукописи

РАНЕВСКАЯ МАРИНА АЛЕКСАНДРОВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОРРЕКЦИИ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАГНИТНЫХ ПРИЗМ

Специальность 01.04.13 - Электрофизика

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

Работа выполнена на кафедре Общей физики и Ядерного синтезе' Московского энергетического института (технического университета)

Научный руководитель - доктор физ.-мат. наук, профессор Н.Н.Семашко

Официальные оппоненты - доктор физ.-мат. наук,

профессор В.Г.Тельковский

канд. техн. наук,

доцент Л.Г. Ткачев

Ведущее предприятие- МИРЭА (ТУ)

Защита диссертации состоится "13" ноября 1УЭбг в 14.00 в аудитории Р-307 на заседании диссертационного Совета К.053.16.10 Московского энергетического института (технического университета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ)

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу: Ш250, Москва, Красноказарменная ул.. дом 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан "_"_1996г

Ученый секретарь диссертационного Совета к.т.н..доцент

-э-

Лктуальность теш

Одной из основных задач ионной оптики является создание высокодисперсионных бе з аберрационных и светосильных- систем для диспергирования в фокусировки потоков заряженных частиц по массам и энергиям. Одним из путей решения этой задачи мотет быть коррекция движения частиц в уже существующих системах. Наиболее распространенным путем улучшения рабочих параметров сепарационных систем стало их усложнение , создание мультипольных систем. Например, спектрограф КегпГув1кв Уегв1те11ег ТпвНи^о, состоит из квадруполя и сектутгаля, за которыми установлены два диполя.В тандемном масс-спектрометре Л501, ЮС 11 о/нх 110 после второго магнита установлено дополнительно пара квадруполей и октуполь.

За рубежом был создан ряд электромагнитных корректирующих систем для масс-спектрографов на полиамидных пленках, к примеру, в Германии (Яо11п1К Н.) и во Франции (корректирующие витки синхротрона "Сатурн"). Устанавливаются эти системы непосредственно на полюсах магнита.

Электромагнитные системы имеют ряд значительных преимуществ перед распространенными магнито- и электростатическими. Самым серьезным преимуществом их является возможность динамического управления корректирующими полями путем изменения токов катушек. Как следствие, отпадает необходимость физической замены коррек-тирупцей системы при изменении типа аберраций. Анализ разработок систем коррекции показал, что в настоящее время в нашей стране для масо-сепараторов электромагнитные системы нэ нашли пока широхого применения. В упомянутых западных разработках магнитный зазор мал по абсолютной величине, а токи - порядка десятков ампер-витков. Создаваемая система для масс-сепаратора требует сильных корректирующих полей, и, следовательно, иных конструктивных решений.

В связи с усложнением сепарационных систем оказывается, что принятые способы расчета систем , основанные прежде всего на аналитическом методе расчета, становятся очень сложными и трудоемкими, а зачастую с их помощью невозможно достичь результата. В то же время расчет этих систем численными методами с применением компьютеров оказывается достаточно простым и позволяет быстро перебрать большое количество вариантов конструкции системн и решить оптимизационную задачу.

Дель работы- создание методики расчота электромагнитных корректирующих катушек для сложных мультипольных магнитных систем разделения ионов.

Предает исследования- системы масс-сепарации пучков ионов в сильных магнитных неоднородных полях, методы и способы расчета траекторий частиц в магнитном поле, аберрации магнитных призм, возможности и способы их корректировки, моделирование электромагнитных систем с учетом присутствия ферромагнетиков.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Выведены формулы расчета систем электромагнитной корректировки параметров пучка для витков разной конфигурации, расположенных на ферромагнитных полюсах. Созданная расчетная модель реализована в программе расчета.

2. Разработанная расчетная модель системы коррекции дополнена расчетом траекторий ионов в магнитных полях с использованием решения уравнений движения в форма Ньютона численными методами. Создана программа расчета.

3. Предложен принцип построения электромагнитной корректирующей системы для минимизации аберраций магнитных призм. Рассчитаны зависимости индукции магнитного поля от вариаций конструктивных параметров и токов витков.

4. Создана методика расчета корректирующей системы масс-сепа-ратора с использованием разработанных расчетных моделей, а также методика коррекции аберраций.

Практическая ценность результатов работы:

1. Разработанная расчетная модель ионно-оптической системы с электромагнитными корректирующими элементами используется при расчетах модернизированных сепарационных камер установки N5 института ядерного синтеза российского научного центра (ИЯС РНЦ) "Курчатовский институт". Возможно использование расчетной модели для решения широкого класса задач ионной оптики.

2. Методика расчета корректирующих систем масс-сепараторов использована для расчета системы корректирующих катушек сепаратора С-2 ИЯС РНЦ "Курчатовский институт".

3. Даны практические рекомендации по использованию систем электромагнитной коррекции в мощных масс-свпараторах. Предлагается разделить функции установки фокуса ггри помощи мощной квадруполъной линзы на выходе из сепаратора и сглаживания аберраций изменением

-ъ-

токов витков на полюсе магнита.

Апробация работы: Основные положения и результаты работы докладывались на семинарах кафедры общей физики и ядерного синтеза МЭИ, семинарах отделения физики плазмы ИЯС РНЦ "Курчатовский институт" и на семинаре кафедры молекулярной физики МИФИ в 1996г.

Публикации: По результатам выполненных исследований опубликованы 3 печатные работы.

Структура в объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 48 наименования и содержит ПО страниц машинописного текста и 22 рисунквк и приложения на 20 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении сформулирована цель работы и перечислены задачи, которые необходимо решить для ее достижения , дана краткая характеристика состояния проблемы на сегодняшний день. Сформулированы защищаемые научные положения.

В первой главе на основе большого изученного материала дан обзор ныне существующих корректирувдих систем и методов их расчета, указаны границы применимости этих методов. Рассмотрены существующие расчетные методы и программы расчета масс-сепарационных установок.

В нашей стране разработкой сепарационных систем и методов их расчета занимались коллективы института ядерного синтеза РЩ "Курчатовский институт", МИФИ, ЛГУ. Большой вклад в развитие расчетных методов и самих сепарационных систем внесли работы А.Ф.Малова, Е.П.Федосеева, в которых рассчитан новый класс полей - поля с Н =но(го/г> )"".' Настоящая работа является продолжением разработки высокодисперсионных. сепарационных систем с малыми аберрациями, которой занимается коллектив отделения физики плазмы ИЯС РНЦ "Курчатовский институт".

В настоящее время при расчетах статических масс-анализаторов применяется обычно некоторая комбинация аналитических и численных методов расчета. К примеру, т. Matsuo, T.sakurai, P. Derrick, н. Matsuda предлагают метод матрицы переноса. Матрица переноса связывает характеристики положения иона на входе и выходе электромагнитного поля. Элемента этсй матрицы рассчитаны для однородного магнитного поля с нормальными к средней траектории

границами, а также для неоднородного поля с учетом вертикальной компоненты в третьей аппроксимации. Влияние краевых эффектов в неоднородном магнитном поле с нормальными границами на траектории ионов было такке рассчитано в работах т.Мапвио и н. у/о11п1к и выражено через матрицу переноса.

В данной методике уже при расчетах траекторий в однородных полях приняты допущения, такие как:

1. взаимные влияния и столкновения частиц отсутствуют;

2. пучок параксиальный;

3. поле резко обрывается до нуля на краю магнита.

Распределение поля в средней плоскости задается только

аналитически, например, в виде ряда. Рассеянное поле в упомянутой и аналогичных методиках учитывают, вводя эффективную границу поля взамен реальной конфигурации края магнита. Однако расчет эффективной граиицы оказался достаточно сложен уже для систем с нормальной к оси пучка входной границей. Главным же недостатком метода является необходимость в каждом конкретном случае для поиска коэффициентов матрицы предварительно выводить уравнения движения частиц и проводить большое количество предварительных расчетов.

Из обзора существующих методов расчета сепарациокных систем был сделан вывод о нецелесообразности попыток решить поставленную задачу аналитически.Результатом подобной попытки будет расчетная модель с очень узкими границами применимости, скорее всего лишь для одной конкретной установки. Но существенной частью поставленной задачи было как раз уяснить возможности и ограничения для применения систем электромагнитной коррекции, для чего потребуется значительно варьировать исходные данные. А если учесть, что аналитически рассчитать влияние на траектории корректирующей системы оказалось достаточно сложным уже для системы с прямым краем, то не исключено, что для всех необходимых случаев такой расчет окажется невозможным либо неоправданно трудоемким.

Таким образом, автором было принято решение осуществлять расчет сепаратора с учетом влияния корректирующих систем только численно. Это позволит составить программу по блочному принципу, т.е. существенно расширит спектр применения методики.

Во второй главе рассматривается расчетная модель масс-сопаратора с корректирующей системой.

Уравнение движения зарякенной частицу в векторной форме будет иметь вид

тХГ/йЬ = еХ +в(т«В), (I)

где т- масса частицы , т- вектор скорости,В- вектор напряженности электрического по ля. В- вектор индукции магнитного поля.

Проецируя векторное уравнение на оси координатной системы, получим эквивалентную ему систему скалярных уравнений, вид которых зависит от выбора координатной системы. Если поле обладает какой-либо симметрией, уравнения удобно записывать и решать в соответствующей атому виду симметрии системе координат, например, в цилиндрических координатах для осесимметричных полей, в наиболее общем случав, при наличии нескольких магнитных элементов с различным типом симметрии, удобнее интегрировать по промони систему уравнений движения в форме Ньютона в декартовой системе координат.

Используя закон сохранения энергии для частицы, движущейся в стационарных электрическом и магнитном полях, можно получить следующее выражение

гтг2/2= |еи|, т.е. у-\/2 1»и1 .

ш

Для численных расчетов обычно вводят величины: К'= -еи , выраженное в Мегаэлектронвольтах, га'= я0 в атомных единицах массы,

т'= V в мэтрах в микросекунду.

Расчет проводился для не релятивистского случая, т.к. в рассматриваемых установках частицы имеют анергии до 0.03 Мэв и соответственно, обладают скоростями до 0.2 -0.3 м/мкс и увеличением массы можно пренебречь.

Подставив значения постоянных

▼ ' =13.89133 Ук«/т£

(3)

При постоянной индукции в частица движется по кругу с постоянным радиусом р, или

т,

в?= ТйвТ

■о

для численных расчетов

В * р' =0.14397467/г I /¡^7/^7 По этим формулам в программе расчета вычисляются составляющие скорости частиц, которые являются наряду с координатами влета частицы в магнитное поло начальными условиями для системы обыкновенных дифференциальных уравнений

При расчетах траекторий частиц были приняты с ли душив допущения:

- столкновения и взаимодейств/я частиц отсутствуют;

- заряды частиц одиникош;

- рассматривается движение нерелятивистских частиц.

Поле может быть задано в общем случае как аналитической функцией, так и таблицей значений магнитной индукции .

Запишем исходную систему уравнений в безразмерном виде

Г ау'

= 0 [ «П

* дт.

V "ж

ч

(5)

йгу г аг' , ах1

"¿чг 0 1 аТ* " ЗЦ-

лЧ

и ъ • р &Х • , и^ , -1

Т7г= 0 [ ВУ - а^ вх ]

0=

Понижая порядок уравнений,дополним систему еще тремя уравнениями для скоростей и получим систему 6 дифференциальных уравнений первого порядка, которая решается далее с применением метода Рунге- Кутта 2-го порядка.

В этой работе автор оперировала классом полей, уже достаточно хорошо описанных и изученных, и не учитывала краевые эффекты и рассеяное поле. В расчетах имели значение относительные величины отклонения траекторий под влиянием корректирующей

системы. а не абсолютные их значения. Поэтому в расчетах магнитное поле сепаратора задано просто формулой его распределения в медианной плоскости, что вполне приемлемо в рамках поставленной задачи.

С целью проверки достоверности результатов расчетов при помощи разработанной программы для ПЭВМ был проведен сравнительный анализ системы, рассчитанной ранее проф. Маловым А.Ф. для ИЯС им. Курчатова аналитическим методом (а), и сепаратора, разработанного в Австрии ?.Р.71епЬоок (б). Для сепаратора э.с.л.е. имеются такисе данные, полученные экспериментально на сконструированной установке.

По результатам расчетов и модельных измерений выявлены присущие этому сепаратору гру!гпы аберраций:

1.Хроматическая аберрация первого порядка Ау„=±0,4 мм;

2.Смешанные аберрации первого порядка Дуагр=±0,05 мм;

3.Астигматизм Лу(№Э= ±0,13 мм

4.Кривизна изображения Аусг=-0,39 мм.

Сравнение данных, полученных при расчете численными методами на ПЭВМ с аналитическими расчетами и экспериментальными данными показывает хорошее совпадение результатов расчета.

Таблица I

исх. а С

данные

« 180 гр 170 гр

К> 0 мм(вх) 816мм(вх)

ГО 700мм 1000мм

а ±11.5* »15* * 5'

розульт. расчета аналитич. метод численный метод эксперим. результаты численный метод

Кг 1400мм (вых) 1396 мм нет данных 740мм(вых

0«ах 402мм | 525мм 407мм|531мм 350мм 359мм

дисперс. 19,5мм 21мм 8,3 мм 8,1мм

где Ф- угол сектора, входное фокусное расстояние, Хг выходное фокусное расстояние, го- радиус средней траектории, а-угол растра, Ото*- максимальная ширина пучка.

-10В следующих разделах главы решается проблема расчета системы витков, лежащих на поверхности магнита. Выведены формулы для расчета полей витков круговой и эллиптической формы. Показано, что предпочтительной является дугообразная форма проводников с сонаправленными токами в них.

Сначала найдем индукцию магнитного поля, создаваемую в пространстве одним витком с током I. Расчет поля, созданного током витка, проводится в цилиндрических координатах. Вид дугообразных рамок представлен на рис. 1.а. Для участка дуги получена следующая формула

И.Н1 |ф/2 [И-роов(ф-ф,) Зйф, (7)

В*~ ** -Дф/2 [Р2 + н2- гриоов«?.- (р0)+(г-2.)г]3/г

Анализ полученного выражения показывает, что неопределенный интеграл от этой функции невозможно представить в конечном виде, то есть выразить через влементарные функции. Однако он может быть вычислен приближенно численными методами.

Для замыкающих участков рамки можно отыскать Вг в любой точке с координатами (р,<р).

м н*Ая ар.

П - ---рн1п(ф Чр) Г -- „-—----------------------~Г-

ъ 4* рг+(г-г.)г-2ррооо8(ф- ф.)]э/г

м

В,(р,<р) - - х

Е 4*

рв!п(ф±Аф/2) [ (К+ДЮ-роов (ф±Дф/2)

((а-г. )г+р2в1Л2 «ргДО) ]/(к+Дй ,г+р2+(а_а> )Н_2 (н+дн )роов (ф±Дф/2,

ре 1л (ф* Дф/2) [И-роов (ф±Дф/2) ]

(в-*. )г+ргВ1п2 «р.Лф/2) )г-2ирооа(ф*Дф/2)

Нужно также учесть, что корректирующие катушки с током будут располагаться на поверхности полюса магнита, т. е. в присутствии

РисЛ.а. Форма корректирующих витков,

лежащих на поверхности магнита.

РисЛ.б. К расчету влияния ферромагнетика на распределейие шля.

ферромагнетика в непосредственной близости от токов. В отсутствие насыщения ферромагнетика его можно рассматривать как идеальное зеркало, многократно отражающее проводник с током. Тогда, например, для участка дуги индукция магнитного поля В2 проводника с током, расположенного на расстоянии ¿1 от ферромагнетика .будет равна

+0° гф/2 ^ н-рсов (ч>-<рв) ]йф„

ВД^» ш _д|)/2 [р2 + и2- гркоов«?,,- «р.Жг'-г+й-гпг >г]3/г

(9)

t^.RI |ф/2 [R-POOB«|MP.)]<UP. 1=-« [рг + r2_ 2pRoos (фо - {pJMz'+Z-d+Sna )?'J3/2

Для расчета поля системы витков была создана компьютерная программа C0R2. Программа сформирована как пакет программных единиц, в значительной степени независимых. Ядро программы составляет подпрограмма KUH, рассчитывающая поля отдельных участков дугообразной рамки, но при необходимости ее можно заменить подпрограммой COIL, рассчитывающей поля круговых и эллиптических витков. Тексты программ приведены в приложениях к диссертации.

В третьей главе исследуется полученная математическая модель сепаратора с корректирующей системой.

В первой части рассмотрены виды аберраций магнитных призм. Показано, что секторным магнитам присущи апертурные аберрации второго порядка, приводящие к несимметрии пучка относительно оптической оси, и десять погрешностей третьего порядка; четыре погрешности, аналогичные дисторсии, сферической аберрации, искривлению поля, коме, и шесть погрешностей, вызванных наличием начальных скоростей электронов по оси х. Сферическая и хроматическая аберрации не могут быть полностью устранены, но могут быть частично скомпенсированы при помощи мультипольных элементов.

Сформулированы требования к корректирующей системе, разрабатываемой для сепаратора С-2 ИЯС РНЦ "Курчатовский институт."

1. Создаваемая система должна обеспечивать тонкую коррекцию. Смещение луча под действием добавочного поля витков должно быть равным ± 10 мм при ширине камеры 250 мм.

2. Корректирующая система должна обеспечивать управление

фокусом сепаратора в пределах ±75 мм при выходном плече 2 м.

В последу гадах разделах главы рассчитаны зависимости индукции магнитного поля корректирующих витков от протяженности витков и тока виткоп, распределение поля п зависимости от различного зыкоин изменения тока от витка к витку.

Отмечено, что все кривые В2(<р) однотипны, и могут быть легко ашфоксимироншш. Наиболоо подходящий представляется шшроксимацин Глазера

Вт (10)

[1 ----------- ;

2 1+ (ср/<1Г

где Вт-максимальиая индукция магнитного поля,

л- полуширина кривой В (<р). далее будет показано что она не

зависит от тока витка. Распределение В(р) для "круговых" токов также имеет колоколо-образную форму. Для сонаправленных токов кривая В(Ю хорошо аппроксимируется зависимость» вида

Вя (р)= а (р - К )3- 0.1а (р - И );

где р- текущий радиус,

И - радиус, на котором находится проводник с током, а - функция тока проводника, которая зависит от конструкции корректирующей системы.

Распределение поля, создаваемого корректирующей системой в пространстве, показано на рис. 2.а. Нужно отметить, что поле корректирующих систем не изменяет как величину индукции магнитного поля на средней траектории, так и суммарную индукцию. Они влияют, как и в случае использования профилированных пластин-шиммов (ферромагнитных накладок на полюса магнита), только на распределение поля, усиливая его в одной области и ослабляя в другой.

Используя аппроксимации, можно получить более простые расчетные формулы, что позволит существенно сократить время счета.Каждый из проводников создает в точке с радиусом р (при фиксированном угле Ч»

п

Рнс. 2. Простравственное распределение поля корректирующих витков с равными сонаправленныхн токами

Для n фиксированных точек можно записать систему уравнений п

Z 1

(13)

п

i.fe

где а^.-а^- функции токов рамок, зависят от конструктивных параметров систомы.

Записывая эту систему уравнений для Ф=0 (для центра рамок) получим значения Вт для систомы аппроксимирующих уравнений по углу , Из (1.9 )можно вывести, что отклонение луча зависит от интеграла от индукции вдоль пути. Считая приближенно путь концентричным с средней траекторией, возьмем интеграл

*t»— У''0-" сектора, занимаемого корректирующими катушками.

Тогда при траекторном анализе можно заменить Вд, действующую на ионы на каждом шаге счота, интегральной величиной эквивалентного однородного поля.

Имея из эксперимента значения требуемых смещений каждого луча, можно отыскать значения левых частей уравнения (12) по предложенным формулам. Например, для секторного магнита с прямим краем зависимость Ali (ДХ)

Получив требуемые значения изменений поля в каждой точке, решаем систему линейных уравнений относительно токов рамок находя требуемое распределение токов корректирующей системы. При этом удастся избежать необходимости подбора и изготовления пластин-шиммов. Также появляется возможность установки фокуса в нужном месте и динамического управления пучком.

В четвертой главе дан пример расчета корректирующей системы для

Г 4>

Bmd(arotg -д );

AI

(14)

Ah =

ТХТТТПф

сепаратора С-2. Проведен эксперимент по определению пространственных характеристик пучка при помощи парциальной диафрагмы нониусного типа. При этом пучок делится на выходе из сепаратора на 13 отдельных групп и определяется область попадания каждой из этих групп на коллекторе и отклонение ее от фокуса. Предложен метод коррекции аберраций сепаратора при помощи электромагнитной корректирующей системы. На основе данных эксперимента по определению пространственного распределения пучка можно точно просчитать, какие группы траекторий нуждаются в корректировке. При корректировке традиционным методом шиммов подбирался профиль накладки. При электромагнитной коррекции необходимо определить требуемое распределение токов катушек. Задача сводится к решению системы п линейных уравнений с п неизвестными.

В процессе измерения смещений траекторий на мишени при помощи парциальной диафрагмы нониусного типа были получены следующие результаты (без каких-либо корректирующих элементов)(см. табл. 2).

Таблица 2.

N -3.5 -3 -2.5 -2 1-1.5! 1 -I -0.51 1 о 1 1 0.51 1 I 1 I.5I 2 1 1 2.5 3

П -10 -8 -6 -6 -7 -8 -4 0 6 12 19 22 23 20

3 10 9 7 2 - I -4 -е -ь -I 1 3 4 2 0

Здесь: и- номер луча, отрицительные номера соответствуют

радиусам меньшим чем радиус средней траектории, отверстия диафрагмы расположены через каждые 35 мм; П- координаты замерены в переднем положении приемника ионои, ройном X чь мм;

3- при заднем положении хода приемника на расстоянии от края магнита равном Х+75 мм. Величины смещений траекторий даны в миллиметрах.

В рассматриваемом примере продвиритолышЯ расчет проводился решением системы уравнений 14 на 14 и последующей проверкой результатов расчета при помощи траекторного анализа системы витков с использованием разработанной компьютерной программы.

В результате предварительных расчетов получено, что оптимальная корректировка достигается при следующем распределении токов по

виткам (см. табл. 3). -17- Таблица 3

г, : 1 | 1 \ 1 1 Ч ! •

-16.75 31 .30 -237-01 245.89 -717-28 430.30 -12 65

! • ( х9 I 1 х ! Х11 1 ! 1,2 Ьэ ; 1 1,4

-156.76 91 .02 -252.74 70.63 -427.44 322.00 -54 69

Затем, подставив найденное распределение токов в качестве исходных данных программы расчета траекторий ионов под действием корректирующих витков, находим отклонения траекторий на мишени (на расстоянии X от корректирующей системы). Расчет проводился только для корректирующей системы, то есть в качестве начальной координаты иона взята рассчитанная по результатам эксперимента координата на выходе из сепаратора. Нужно отметить , что поскольку при этом расчете не учитывалось расширение пучка ионов в свободной от полей области под действием его пространственного заряда, координаты эти несколько отличны от реальных. Полученное минимальное сечение пучка равно 3 мм.

По результатам эксперимента по коррекции ионного пучка при переходе на новый изотоп были рассчитаны параметры электромагнитной корректирующей системы. Расчет был проведен для сепаратора со следующими параметрами; г0= 1000 мм, В = 2500 Гс (0.25 Тл), \ = 2000 мм, Ууск= 30 КВ, гвнуг= 875 мм, гвнеш= 1125 мм. г0= 90 мм. Поле сепаратора изменяется по закону 1/г, полюсные накладки имеют коническую форму, края полюсов выполнены как сегменты окружностей.

В отличие от западных аналогов, в случае мощных сепарационных установок необходимо разделить системы коррекции, исполняющие различные функции. Квадруполь для изменения положения фокуса системы лучше установить на выходе сепаратора. Место расположения корректирующих витков выбирается , исходя из конструктивных соображений (возможности вывести возвратные проводники таким

образом, чтобы максимально исключить их влияние на распределение поля).

Расчеты, проведенные двумя способами - аналитической оценки и числеиного расчета на ПЭВМ - показали, что для отклонения луча на I мм необходимо создать локальное изменение напряженности магнитного поля в зазоре порядка 0.5% Н0. Тогда для магнитного поля с индукцией

0.25 Тл, чтобы отклонить луч на ГО мм, необходимо корректирующею пол" порядка 1,25 < Ю-^ Тл, что соответствует 100 ампер -витков при протяженности проводника 500 мм.

Поскольку межполюсный зазор достаточно велик, а требуемое отклонение пучка составляет десятки миллиметров, необходимы весьма объемные корректирующие системы, содержащие порядка нескольких сотен ампер-витков. Для систем с меньшим зазором возможно создание своеобразного "токового полотна" из К проводников с N независимыми источниками тока, расположенного непосредственно на полюсе магнита. В данном случае предпочтительнее использование катушки с током, схема построения которой показана на рис. 3. Высота катушки должна превышать 1.5 высоты зазора, так как нужно максимально уменьшить воздействие на пучок ее внешней части. Сердечник ее должен быть выполнен из диамагнетика, а примыкающая к вакуумной камере часть экранирована кожухом из магнитомягкого материала. Располагать ее лучше на выходе из сепаратора.

В заключении рассмотрены итоги проделанной работы, сделаны вывода по работе и даны рекомендации о применении результатов.

В приложении приведены программы расчета поля корректирующих витков различной формы, расчета траекторий частиц в сепараторе. Программы написаны на языке Фортран.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДИ

1. Выведены расчетные формулы для систем витков разной конфигурации с магнитным экраном, предлагаемых к использованию для коррекции аберраций пучка частиц. Созданная расчетная модель реализована в программе для персонального компьютера.

2. Исследован тип корректирующей системы в зависимости от распределения токов по виткам. Установлено, что при равных токах витков получается квадрупольный эффект, при линейно нарастающих-сектупольный, при квадратично нарастающих- октулольный.

Рнс. 3.

Принцип построения корректирующей системы

3. Разработанная расчетная модель корректирующей системы дополнена анализом траекторий ионов в сепараторе. Создана программа расчета траекторий частиц.

4. Предложена мпгодикп коррекции аберраций мягнитооптической системы сепаратора по изморенным смещениям парциальных пучков на коллок торе и способ нахождения нужного распределения токов корректирующей системы.

5. Проведен расчет электромагнитной корректирующей системы сепаратора С-2 с использованием экспериментально- полученных смещений парциальных пучков на коллекторе. Рассчитаны параметры и токи квад-руполя, позволяющего сдвигать фокус системы на 150 мм.

6. Но результатам раочотон даны практические рекомендации но использованию систем электромагнитной коррекции в мощных масс-сеппраторпх. Предлагается разделить функции установки фокуса и коррекции аберраций при помощи двух систом корректирующих ьиткоь, которые могут быть установлены как на полюсе, так и в зоне, свободной от полей на выходе сепаратора.

7. Предложен принцип построения корректирующей системы при размещении ее на выходе сепаратора и рассчитаны основные параметры конструкции.

8. Показано, что электромагнитные корректирующие системы обладают рядом существенных преимуществ перед магнито-и электростатическими. При их применении отпадает необходимость в физической замене корректирующей системы при изменении характера аберрации, а также появляется возможность устанавливать фокус системы в нужном месте, что значительно упростит конструкцию приемника ионов.

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:

1. Братчук С.Д., Седов А.Н., Рашевская М.А. Методика траекторного анализа электронно-оптических систем электроннолучевых сварочных пушек//Вопросы атомной науки и техники.,-1987г.-вып.3.-С.42-48.

2. Седов А.Н.,Рашевская М.А. Методы расчета траекторий частиц в сепарационных установках с большой дисперсией//Вестник МЭИ.-1995. NI.-C.7-II.

3. Рашевская М.А. Разработка метода коррекции оптических свойств магнитных призм//Вестник МЭИ.-1996.-ИЗ.-С.103-106.

Типография МЭИ. Красноказарменная, 13.