Динамика частиц в сильноточных циклотронах с пространственной вариацией поля тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА1 СИЛЬНОТОЧНЫЕ ЦИКЛОТРОНЫ (ОБЗОР).

И Действующие и проектируемье сильноточные циклотроны.

12 Аналитические оценки эффектов пространственного заряда.

1.2.1 Поперечный пространственный заряд.

1.2.2 Силы продольного пространственного заряда.

1.2.3 Целочисленный резонанс при наличии пространственного заряда

L3 Численные расчёты эффектов пространственного заряда.

1.3.1 Дисковая модель.

1.3.2 Сферическая модель.

1.3.3 «Needle» модель.

ГЛАВАН МЕТОДИКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ ЧАСТИЦ.

II. 1 База данных CYCLOTRONS.

11.2 ЦИКЛОТРОН -Электронная Книга MATHCAD.

113 ORBITA.

11.4 DINCIC.

11.5 NAJO[20].

ГЛАВАШ ЦИКЛОТРОН DC-72 ДЛЯ CYLAB.

III. 1 Выбор параметров циклотрона.

III.2 Ускорение тяжелых ионов.

Ш.З Потери H ~ -ионов на диссоциацию в магнитном поле.

III.4 Оптимизация размеров ярма магнита.

ГЛАВА1У УСКОРИТЕЛИ ТИПА TRITRON

IV. 1 TRICYC.

IV.1.1 Структура комплекса.

IV.1.2 Обоснование выбора параметров.

IV. 1.3 Эффекты пространственного заряда.

IV. 1.4 Апертура ускорителя.

IV. 1.5 Продольное движение частый.

IV. 1.6 Поперечное движение частиц.

IV.2 Трёхкаскадный комплекс ускорителей типа TRITRON.

IV. 2.1 Методика расчёта структуры ускорителя.

IV.2.2 Анализ структуры комплекса.

IV. 2.3 Продольное движение частиц.

Г ЛАВА V РАСЧЕТ ДИНАМИКИ ЧАСТИЦ В СИЛЬНОТОЧНОМ ЦИКЛОТРОНЕ.

V.1 Дейтроны ый вариант.

VI.1 Одночастичная теория.

VI.2 Эффекты пространственного заряда - аналитические оценки

VI.3 Численное моделирование.

V.2 Протонный вариант.

V.2.1 Аналитические оценки.

V.2.2 Численное моделирование. :.

V.3 Сравнение полученных результатов с расчётами и экспериментальными данными PSI INJECTOR II.

Г ЛАВА VI ИНЖЕКТОР В ФАЗОТРОН НИ-5.

VI. 1 Структура системы инжекции.

VI.2 Динамика пучка циклотрона-инжектора.

VI.3 Аналитические оценки.

VI.4 Численное моделирование.

VI. 4.1 Центр.

VI.4.2 Зона вывода.ПО

Актуальность темы

В настоящее время наиболее пригодными для многих ядерно-физических исследований и выполнения различных прикладных работ являются ускорители циклотронного типа, позволяющие получать различные ионы в области низких и средних энергий. Развитие современных циклотронов идёт в направлении повышения интенсивности, энергии и расширения ассортимента ускоряемых частиц. Вопросы теории движения частиц в современных циклотронах с пространственной вариацией поля изучены недостаточно глубоко, в частности не всё ясно с влиянием пространственного заряда пучка частиц на его движение.

В то же время наблюдается растущий интерес к использованию сильноточных пучков ускоренных частиц для получения энергии в подкритических сборках делящихся элементов (Ри, и, ТЬ) так называемых "усилителях энергии" и для трансмутации радиоактивных отходов атомных электростанций (АОТТ). Проблемы ядерной безопасности приобрели глобальную актуальность для планеты при сохранении задачи энергоснабжения её населения. Поэтому наработка новых технологий, основанных на использовании ядерной энергии, остаётся одним из главных направлений прикладной ядерной физики. Интересна возможность использования сильноточных пучков для термоядерного синтеза (1пегйа1 й^юп). Важной задачей является получение пучков радиоактивных изотопов с широким диапазоном масс, энергиями на несколько сот МэВ/нуклон и интенсивностями предельно высокого уровня.

Для энергетического усилителя средний ток пучка должен составлять не менее 5-И0мА, для трансмутации радиоактивных отходов - ЮОмА.'11 Циклотрон, как более простой, дешёвый и экономичный ускоритель по сравнению с линейным, наилучшим образом подходит для генерации пучков высокой интенсивности.

Основные проблемы, которые возникают при разработке циклотронов и линейных ускорителей на такие токи, связаны с эффектами пространственного заряда пучка, которые возникают из-за кулоновского расталкивания, усиливающегося при увеличении плотности заряда.

В связи с вышесказанным настоящая работа, представляющая исследования в области проектирования и динамических расчётов циклотронов с учётом эффектов пространственного заряда, является полезной и актуальной. Цель работы

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов моделирования динамики частиц в циклотронах с пространственной вариацией магнитного поля, выбора параметров и в исследовании динамических характеристик циклотронов, влияния пространственного заряда на движение частиц.

Научная новизна заключается в том, что впервые: -создан комплекс программ, включающий в себя весь набор необходимых для расчётов инструментов, а именно: базу данных для хранения и обработки информации о различных циклотронах, Электронную книгу «Циклотрон» пакета Mathcad для аналитических расчётов параметров циклотронов и программы, предназначенные для численного моделирования динамики пучка;

-произведён сравнительный анализ и изучено влияние эффектов пространственного заряда различных типов сильноточных циклотронов;

-продемонстрировано существование режима ускорения, приводящего к формированию круглого пучка под действием сил пространственного заряда в численных расчётах по программе NAJO. а также в нетрадиционности и новизне рассматриваемых ускорителей.

Практическая ценность работы

Результаты расчётов по циклотрону DC-72, разрабатываемому в ЛЯР ОИЯИ для "CyLab" (Словакия) вошли в Техническое задание.

В результате произведённых исследований продемонстрирована возможность ускорения в изохронных секторных циклотронах пучков протонов с интенсивностью до 30 мА (рабочая интенсивность ЮмА). Рассчитана динамика частиц в проектируемом сильноточном инжекторе в Фазотрон ОИЯИ. Показана принципиальная возможность создания таких машин на базе ускорителей типа TRITRON.

Созданный для расчётов комплекс компьютерных программ может быть использован при разработке и исследовании сильноточных циклотронов с пространственной вариацией поля. На защиту выносятся:

1. Параметры базовой установки CyLab (Словакия) циклотрона DC-72, а именно: среднее поле, вариация, радиус магнита, полученные исходя из требований к ускорителю и ограничений, вызываемых потерями на диссоциацию Н- ионов в электромагнитном поле.

2. Обоснование возможности создания сильноточных машин на базе ускорителей типа TRITRON.

3. Обоснование возможности ускорения в секторных циклотронах пучков протонов с рабочей интенсивностью ЮмА.

4. Комплекс программ, предназначенных для расчётов динамики пучка в циклотронах с пространственной вариацией поля, состоящий из:

Базы данных «Cyclotrons» для хранения и обработки информации о различных циклотронах.

Электронной Книги Mathcad для аналитических расчётов параметров циклотронов.

Программ, предназначенных для численных расчётов динамики частиц.

Апробация работы

Основные результаты диссертации доложены на XI, XVII Совещаниях по ускорителям заряженных частиц, конференции Beam Dynamics & Optimization (Петербург, 1995г.), Seventh European Particle Accelerator Conference (EPAC 2000), обсуждались на семинарах НЭОНУ ОИЯИ.

Публикации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения с основными выводами и результатами исследований, приложения и списка литературы из 50 наименований. Общий объём 144 страниц.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Борисов О.Н., Карамышева Г. А., и др. Система программ для исследования динамики частиц в циклических ускорителях, Труды XI Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1989, т. 1, с.495.

2. Ворожцов С.Б., Дмитриевский В.П., Карамышева Г.А. Расчёт параметров трёх-каскадного ускорителя типа TRITRON, Сообщения ОИЯИ, Р9-94-261, Дубна, 1994.

3. Vorozhtsov S.B., Dmitrievsky V.P., Karamysheva G.A., TRICYC. TRI tron - Based Analog of CYClone (Proposal), Сообщения ОИЯИ, E9-94933, Дубна, 1994.

4. Борисов О.Н, Ворожцов С.Б., Гульбекян Г.Г., Карамышева Г.А. и др., Циклотронная лаборатория (CyLab) при Словацком Метрологическом Институте, Сообщения ОИЯИ, Р9-97-86, Дубна, 1997.

5. Самсонов Е.В., Карамышева Г.А., Ворожцов С.Б., Расчёт динамики частиц в циклотроне ЦИ-10

6. Ворожцов С.Б., Глазов A.A., Карамышева Г.А., Динамика частиц с учётом пространственного заряда в сильноточном циклотроне. (Протонный вариант), Сообщения ОИЯИ Р9-2000-239.

7. Ворожцов С.Б., Глазов A.A., Карамышева Г.А., Самсонов Е.В., Динамика частиц с учётом пространственного заряда в сильноточном циклотроне. (Дейтронный вариант), Сообщения ОИЯИ Р9-2000-274.

8. Karamysheva G.A., Onischenko L.M., Vorozhtsov S.B., Space Charge effects in a high-current Injector Cyclotron, EPAC 2000, Vienna, 2000, p.548.

9. Ворожцов С.Б., Глазов A.A., Карамышева Г.А., Онищенко Л.М., Эффекты пространственного заряда в циклотронах, Труды XVII Совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 2000, с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проводились исследования динамики частиц в циклотронах с пространственной вариацией поля с учётом эффектов пространственного заряда. Основные результаты работы:

1. Произведён выбор параметров базовой установки проекта "Cylab", а именно: среднего поля, вариации, радиуса магнита, исходя из требований к ускорителю и ограничений, вызываемых потерями на диссоциацию Н~ ионов в электромагнитном поле; рассчитаны оптимальные размеры магнита. Результаты расчётов по CyLab вошли в Техническое задание.

2. Показана принципиальная возможность создания сильноточных машин на базе ускорителей типа TRITRON. Существенно большее, чем в TRITRON, разделение орбит позволяет сделать вывод о том, что предлагаемые установки лишены недостатка TRITRON (малое разделение орбит, малая апертура), являющегося основной причиной проблем, возникших при его реализации.

3. Продемонстрирована возможность создания сильноточных секторных циклотронов, способных ускорять пучки с интенсивностью до 30 мА. Рабочей интенсивностью следует считать интенсивность 1 ОмА.

4. Создан комплекс программ, состоящий из:

Базы данных Cyclotrons, содержащей информацию об основных параметрах циклотронов, позволяющей быстро найти нужные сведения о необходимой установке.

Электронной Книги «Циклотрон» в пакете Mathcad. предназначенной для выбора параметров циклотрона с пространственной вариацией поля, включающей в себя аналитическую оценку частот, энергии, оптимизацию параметров магнита для компактного циклотрона, расстановки магнитов для ускорителя типа TRITRON, оценки степени электромагнитной диссоциации КГ ионов, оценки эффектов пространственного заряда.

Программ ORBITA. DINCIK. NAJO, предназначенных для проведения численных расчётов динамики пучка в циклотронах с учётом действия сил пространственного заряда.

Циклотроны прекрасно подходят для получения пучков большой мощности. Преимущество перед другими ускорителями заключается в низких потерях пучка, а также в возможно лучшем подавлении halo пучка, если радиально продольная связь вместе с пространственным зарядом будет использоваться полностью. Наиболее важный фактор в проектировании циклотронов - максимально возможное ускоряющее напряжение. Подходящее решение для получения мощных пучков -использование много пучковых установок, основанных на нескольких 10МВт циклотронах.f5o]

Изучение динамики различного типа циклотронов позволило сделать вывод о том, что для получения интенсивных пучков наилучшим образом подходит секторный циклотрон с использованием аксиальной инжекции. Создание ускорителей типа TRITRON перспективно, однако на данном этапе сталкивается с некоторыми технологическими проблемами. Компактные циклотроны имеют существенно более низкую аксиальную частоту в центре, тем самым, ограничивая предельный ток по поперечному заряду до ЮмА, при этом не обеспечивают необходимый для эффективного вывода набор энергии.

В заключение автор выражает благодарность С.Б.Ворожцову за научное руководство настоящей работой, В.П.Дмитриевскому за постоянное внимание и поддержку при работе над диссертацией, А.А.Глазову и В.В.Калиниченко за ряд полезных замечаний.

1. В.П.Дмитриевский, Электроядерный метод получения энергии, Труды Международной школы молодых учёных по проблемам ускорителей заряженных частиц,Дубна,1997,с.267.

2. U. Schryber, S. Adam et al. High power operation of the PSI-accelerators, Proc 14th Int. Conf. on Cyclotrons and their Applications, Cape Town, (1995), p.32.

3. A.Goto et al. The Superconducting Ring Cyclotrons for RIKEN RI Beam Factory.

4. И.А.Шелаев, Сверхпроводящий циклотрон с разделёнными орбитами для электроядерного реактора, Краткие сообщения ОИЯИ, Дубна, 1993, с. 16.

5. N.Fietier, P.Mandrillon Beam Dynamics and Space Charge Aspects inththe Design of the Accelerators for the Energy Amplifier, Proc 14 Int. Conf. on Cyclotrons and their Applications, Cape Town, (1995),p.462.

6. N.Fietier и P.Mandrillon, High Intensity Cyclotrons for driving Hybrid Nuclear Systems, Proc 15th Int. Conf. on Cyclotrons and their Applications, Caen,(1998), p.389.

7. L.J.Laslett and L.Resegotti, Proc.Int.Conf. H.E.Acc., Cambridge, USA, 1967, p.150

8. A.Baartman , Intensity limitations in Compact H" Cyclotrons Proc 14th Int. Conf. on Cyclotrons and their Applications, Cape Town, 1995.

9. W.Joho, "Space Charge Effects in Cyclotrons", Труды Международной школы молодых учёных по проблемам ускорителей заряженных частиц, с.94, Дубна, 1989.

10. I.M.Kapchinskij, V. V. Vladimir skij, Int. Conf. on High-Enrgy Accelerators and Instrumentation, CERN,Geneva, 1959, p.274.

11. M.Reiser, Periodic Focusing of Intense Beams, Part. Accel. 8, 1978, p.167.

12. E.D.Courant, Ref.3, ERDA Summer Study of Heavy Ions for Inertial Fusion, LBL-5543, 1976, p.72.

13. T.A Welton, Nucl. Sci. Ser Report 26, NAS-NRC-656, 192 (Washington 1959).

14. M.Gordon, Longitudinal Space Charge Effect and Energy Resolution, Proc 5th Int. Cycl. Conf., Oxford, 1969

15. S.Adam, Calculation of space charge effects in isochronous cyclotrons, IEEE NS-32, 2507, 1985.

16. W.Joho, Proc 9th Int. Conf. on Cyclotrons and their Applications, Caen, 1981, p.337.

17. H.G.Blosser, Proc 5Ш Int. Conf.on Cyclotrons and their Applications,1. Oxford, 1969.

18. I.Homann, R.Beckert Resonance crossing in the presence of space charge, IEEE Trnsactions on Nuclear Science, Vol.NS-32, No.5,1985.

19. А.А.Глазов, В.П.Джелепов, В.П.Дмитриевский и др. «О сдвигечастоты вертикальных колебаний под действием пространственного зарядапучка, Сообщения ОИЯИ Р9-6214, Дубна, 1972.th

20. S.Adam, Proc 14ш Int. Conf.on Cyclotrons and their Applications, Cape1. Town, (1995), p.446

21. Chabert A., Prome M., In Proc. of the Conf. on Accel. Design and Oper., Berlin, 1984,p.l64.

22. Борисов O.H., Карамышева Г. А., и др. Система программ для исследования динамики частиц в циклических ускорителях, Труды XI Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1989, т.1, с.495.

23. G.Gulbekyan "Proposed Version of Cyclotron". Report at the First International Workshop on the National Cyclotron Center of Slovak Republik. Casta-Papiernicka, March 31- April 1, 1996.

24. R.T.Lee Calculation on the Electro-magnetic Dissociation of Vancouver,B.C., Canada, TRI-DN-89-32

25. Гульбекян Г.Г., Ворожцов С.Б., Карамышева Г.А. и др., Циклотрон DC-72 для CyLab, Техническое задание на разработку., 1998.

26. U.Trinks. The Superconducting Separated-Orbit Cyclotron Tritron. 13th International Conference on Cyclotrons and their Applications, July 6-10, 1992, Vancouver, Canada.

27. Vorozhtsov S.B., Dmitrievsky V.P., Karamysheva G.A., TRICYC. TRI tron Based Analog of CYClone (Proposal), Сообщения ОИЯИ, E9-94933, Дубна, 1994.

28. J.-L.Bol et al, В кн: Труды XI Всес.совещ. по ускор.заряж.частиц, Дубна, 1988, Д7-89-52, т.2, с.155 "Cyclone-30".

29. B.F.Milton et al., "First Beam in a New Compact Intense 30 MeV H-Cyclotron for Isotope Production", In: Proc. of 2-nd European Particle Accelerator Conference, Nice, France, 1990, Editions Frontieres, v.II, p. 1812.

30. C.D.Reiss. Strahldynamik im Tritron. Dissertation. 3.07.90.

31. U.Trinks. Longitudinal particle dynamics in the Tritron. Nucl.Instr. Meth. Phys. A306 (1991) 27-35. ( Revised from 20 March 1991)

32. M.Arnold et al., The TRITRON Development. Status report, 1991.

33. Grote H., Iselin F.C. The MAD Program (methodical accelerator design): version 8.4; User's Reference Manual. CERN SL 90-13 AP rev 2, CERN, 27 Aug. 1991.

34. G.Hinderer, C.D.Reiss, U.Trinks. Transversal Beam Dynamics and Coupling Effects in the Tritron". Nucl. Instr. and Meth

35. Ворожцов С.Б., Дмитриевский В.П., Карамышева Г.А. Расчёт параметров трёх-каскадного ускорителя типа TRITRON, Сообщения ОИЯИ, Р9-94-261, Дубна, 1994.

36. A.Cazan, P.Schutz, U.Trinks, Comissioning of the first separated orbit cyclotron TRITRON, Technishe Universität München.

37. U.Schryber et al., "Status report on the new injector at SIN", Ninth Intern. Conf. on Cyclotrons and their Appl., Caen, France, 1981, p.43.

38. ЦИКЛОТРОН-ИНЖЕКТОР (ЦИ-10), тема 05-2-1023-97/9, Техническое предложение, ЛЯП ОИЯИ, 1997 г.

39. Н.А.Морозов. "Расчеты магнитного поля секторного циклотрона-инжектора ДЦ-1" (внутренний отчет), Дубна, 1997 г.

40. Ю.Г.Аленицкий и др. "Секторный циклотрон инжектор ДЦ-1", Международное совещание по циклотронам и их применению, с.96, Дубна, 1989.

41. W.Joho, "Space Charge Effects in Cyclotrons", Труды Международной школы молодых учёных по проблемам ускорителей заряженных частиц, с.94, Дубна, 1989.

42. Stammbach Th., High Intensity Problems, revised or Cyclotron Operation beyond Limits, In Proc. Cyclotrons and their Applications, Caen, 1998, p.369.

43. P.Cohilis, Y.Jongen,High beam intensities for cyclotron-based radioisotope production, in Proc. Of Cyclotron's conf,Cape town,1995.

44. E.Baron et al. High Intensity and Space Charge Problems at GANIL, Proc 11th Int. Conf. on Cyclotrons and their Applications, Tokio, 1987,p.234.

45. S. Adam, Space charge effects in cyclotrons from simulations to insights, In Proc. Cyclotrons and their Applications, Caen,1998, p.446.

46. О.В.Савченко "Предложения по новому варианту внешней инжекции фазотрона ОИЯИ и возможностям его реализации". Дубна, 26 ноября 1999.

47. L. Onischenko, O.Borisov "External Injection into JINR Phasotron-Computer Simulation 2". Abstract. EPAC 2000, 26-30 June 2000.

48. О.В.Савченко. "Предложение по новому варианту внешней инжекцией фазотрона ОИЯИ и возможностям его реализации". Дубна, 26 ноября 1999.

49. О.Н.Борисов, Л.М.Онищенко, "Внешняя инжекция в Фазотрон", Сообщения ОИЯИ Р9-97-282, Дубна, 1997.

50. T.H.Stammbach, Proc 15th Int. Conf. on Cyclotrons and their Applications, Caen,(1998),p.369