Методика и результаты оптимизации вакуумных систем циклотронных комплексов

Тихомиров, Александр Васильевич

Методика и результаты оптимизации вакуумных систем циклотронных комплексов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Тихомиров, Александр Васильевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Дубна МЕСТО ЗАЩИТЫ

2008 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.20 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Методика и результаты оптимизации вакуумных систем циклотронных комплексов»

Автореферат диссертации на тему "Методика и результаты оптимизации вакуумных систем циклотронных комплексов"

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

9-2008-171

На правах рукописи УДК 533.5+537.563.3

ТИХОМИРОВ Александр Васильевич

МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ОПТИМИЗАЦИИ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ ЦИКЛОТРОННЫХ КОМПЛЕКСОВ

Специальность: 01.04.20 — физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ии44Ь8219

Дубна 2008

003458219

Работа выполнена в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н.Флерова Объединенного института ядерных исследований.

Научный руководитель:

кандидат технических наук

Б. Н. Гикал (ЛЯР ОИЯИ)

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

Л. М. Онищенко (ЛЯП ОИЯИ) Н. К. Абросимов (ПИЯФ, Гатчина)

Ведущая организация:

Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры (НИИЭФА), С.-Петербург

Защита состоится "_"_2008 г. в "_" на заседании

диссертационного совета Д-720.001.03 в Объединенном институте ядерных исследований, г. Дубна Московской области.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Объединенного института ядерных исследований

Автореферат разослан"

2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук /

Ю. А. Батусов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

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 ОШШ представлена четырьмя действующими циклотронными комплексами на основе изохронных циклотронов тяжелых ионов У-200, У-400, У-400М1 и ИЦ-1002.

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 JLHP ускоряют ионы с отношением заряда к массе иона q/A 0.03 -г 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 JLHP, лежат в интервале от 1-г2 для легких ионов до 20^-25 для тяжелых ионов, например, ксенона.

Реализован проект ускорения радиоактивных пучков DRIBs (Dubna Radioactive Ion 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-сепарагор MASHA (Mass Analyzer of Super Heavy Atoms).

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

' B.Gikal, G.Gulbekyan, V.Kutner. Recent developments at Dubna U400 and U400M. Proc. of the 15th Inter. Conf. on Cyclotrons and Their Application, Caen, France, 1998, p. 587.

2 B.N. Gikal, G.G. Gulbekyan et. al. Upgrading of IC-100 Cycle Implantator. Communication of JINR, P9-2003-121, Dubna, Russia, 2003.

3 A.Efremov et al., Rev. Sci. Inst., Vol. 65 (4), 1994, p. 1084.

4 R.Oganessian, G.Gulbekyan et al. Radioactive ion beam project with the U400-U400M cyclotron complex. Proc. of the 14th Inter. Conf. on Cyclotrons and Their Application, Cape Town, South Africa, 1995, p. 659.

s V.V.Bashevoy, M.N.El-Shazly, G.G.Gulbekian, M.V.Khabarov, I.V.Kolesov, V.N.Melnikov, R.Ts.Oganessian, A.V.Tikhomirov. The study of the transmission efficiency of the DRIBs transport lines. Nuclear Physics A 701 (2002), pp. 592-596.

экспозиции физической мишени, а также уменьшить радиационный фон от активации оборудования ускорительных установок.

Особую актуальность задача снижения потерь ускоряемых пучков приобретает при ускорении ионов редких и дорогих изотопов, например, изотопа 48Са, который используется в ЛЯР для исследования ядерных реакций синтеза новых элементов с числом протонов в ядре 2= 110-^ 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 производительность средств вакуумной откачки при их рациональном размещении с учетом различных газовых нагрузок. Мощности 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 циклотронах У-400, У-400М, ИЦ-100, ОС-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, ускорении и транспортировки пучка на физические установки.

3. Применение разработанной методики для оптимизации вакуумных систем при модернизации существующих и создании новых циклотронных комплексов. Проведение 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, БС-бО. Измерены значения сечений перезарядки ионов на молекулах остаточного газа.

2. На базе результатов экспериментальных исследований на циклотронах ЛЯР и анализа опубликованных данных, полученных на 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.

Методика описывает процесс перезарядки ионов от водорода до урана с энергией от 1 кэВ/нуклон до 100 МэВ/нуклон.

2. Разработаны методика и соответствующие программы для численного моделирования распределения давления в азимутально-симметричных вакуумных камерах, а также в протяженных вакуумных камерах произвольного поперечного сечения с произвольным расположением неограниченного количества различных по производительности средств вакуумной откачки при произвольных газовых нагрузках (сосредоточенных и распределенных).

3. 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.

4. Разработанная методика и программы численного моделирования потерь пучка ионов применены для оптимизации вакуумных систем при создании

циклотронных комплексов ЦИТРЕК (г. Дубна),

DC-72 (Словацкая циклотронная лаборатория, Г.Братислава, Словацкая Республика) и

DC-60 (Междисциплинарный научно-исследовательский комплекс, г. Астана, Казахстан);

инжектора линейного ускорителя Словацкого технического университета (г. Братислава);

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;

• IV International School and Workshop on Cyclotron and Applications, Cairo, Egypt, Februaiy 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 1VM-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, в том числе в 7 реферируемых российских и иностранных журналах.

На защиту выносятся следующие положения, результаты и разработки:

1. Результаты экспериментальных исследований процессов перезарядки ионов на остаточном газе, выполненных на ускорителях ЛЯР, сравнение полученных данных с результатами исследований на ускорителях других научных центров.

2. Разработанная на базе экспериментальных данных методика численного моделирования вакуумных потерь ионов при их инжекции в циклотрон, ускорении и транспортировке на экспериментально-физическую установку.

Методика охватывает диапазон масс ионов от протона до урана с энергией от 1 кэВ/нуклондо 100 МэВ/нуклон.

3. Методика численного моделирования распределения давления в азимутально-симметричных вакуумных камерах, а также в протяженных вакуумных камерах произвольного поперечного сечения с произвольным расположением неограниченного количества различных вакуумных насосов в расчетной схеме.

4. Разработанная методика расчета распределения давления в вакуумных камерах ускорителей и моделирование потерь пучка ионов вследствие перезарядки ионов на молекулах остаточного газа были применены для оптимизации вакуумных систем при модернизации циклотронов У-400, У-400М и ИЦ-100.

5. Разработанная методика численного моделирования использована для оптимизации вакуумных систем циклотронов, каналов инжекции и транспортировки ускоренных пучков циклотронных комплексов

- DC-72 (Словацкая циклотронная лаборатория, г.Братислава, Словацкая Республика) и

- DC-60 (Междисциплинарный научно-исследовательский комплекс, г. Астана, Казахстан).

6. Разработанная методика моделирования была использована при проектировании вакуумных систем

- канала транспортировки радиоактивных пучков ускорительного комплекса DRIBs, созданного в ЛЯР на базе циклотронов У-400 и У-400М,

- экспериментально-физической установки масс-сепаратора MASHA (Mass Analyzer of Super Heavy Atoms).

СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.

Во введении показана актуальность проводимых исследований потерь пучков ионов, обусловленных перезарядкой на остаточном газе, для создания методики оптимизации вакуумных систем циклотронных комплексов, формулируются цели и задачи диссертации, приводится краткое содержание диссертации.

Первая глава посвящена разработке методики моделирования потерь ионов вследствие перезарядки на остаточном газе, которая включает в себя алгоритм определения сечений перезарядки, зависящих от энергии иона, атомного номера, зарядового состояния иона и состава остаточного газа. Методика разработана на основе экспериментальных исследований по измерению сечений перезарядки ионов на молекулах остаточного газа на циклотронах ЛЯР и в результате анализа данных по сечениям перезарядки, полученных в других ускорительных центрах мира.

Эффективность прохождения пучком ионов участка пути длиной Ь, равна ТеЯ (¿)=1(Ь)/10 , т.е. отношению интенсивности пучка ионов в конце их траектории 1(Ь) к исходной интенсивности 10.

Учитывая потери пучка только из-за перезарядки ионов на остаточном газе, эффективность прохождения определяется следующим образом:

Те#=ехр(-апЬ), (1)

где а - сечение перезарядки иона на остаточном газе в см2/молекула, п -концентрация молекул остаточного газа в молекула/см~3, размерность I - см. Поскольку концентрация молекул и давление Р связаны выражением

Р = пкТ, (2)

где к = 1,0352-10~19 в Тор см3/К - постоянная Больцмана, Г - абсолютная температура в К, тогда

Те// = ехр( -3.3 х 1016 ]р(1)<т(р) ■ М) ' (3)

где <Н - элемент длины пути иона в см, Р(1) - распределение давления вдоль траектории иона в Тор, Р - относительная скорость (у/с, соответственно V — скорость иона и с - скорость света), о(р) - сечение перезарядки иона на остаточном газе в см2/молекула, при температуре остаточного газа Т= 293К.

Проведен анализ экспериментальных данных потерь ионов от перезарядки на молекулах остаточного газа, полученных как на ускорительных установках ЛЯР6 У-200, У-300, У-400 и У-400М, так и в других ускорительных центрах мира на основе обзора литературы. Систематизированы накопленные мировые

6 Г.Г. Гульбекян и др. "Исследование процесса перезарядки тяжелых ионов при их ускорении в циклотронах У-200, У-300 и У-400", Препринт ОИЯИ, Р9-83-451, 1983.

экспериментальные данные по сечениям перезарядки и подходы в описании их теоретическими и полуэмпирическими зависимостями, иногда справедливые только для очень узких локальных диапазонов изменения основных параметров, как ускоряемого иона (массы, заряда и энергии), так и состава остаточного газа. Предложен алгоритм расчета сечений перезарядки ионов на молекулах остаточного газа в диапазоне энергий от 1 кэВ/нуклон до 100 МэВ/нуклон для ионов от водорода до урана, объединяющий полуэмпирические модели расчета для локальных диапазонов.

По итогам сравнительного анализа для наилучшего согласования с экспериментальными данными по ускорению ионов автором предложен следующий алгоритм расчета сечений перезарядки на основе использования отобранных трех расчетных выражений в соответствующем диапазоне энергии ускоряемых ионов:

1) формула Muller-Salzborn 7 для низких энергий ионов, составляющих примерно (l-^40)-q, кэВ,

2) формулы Betz and Schmelzer8 для энергий ионов до 1,5 МэВ/нуклон,

3) формулы Blechschmidt9 для энергий ионов от 1,5 МэВ/нуклон до 100 МэВ/нуклон.

Данные формулы выглядят следующим образом:

1) aM_I=1.43xl0-129nV76 ' (4)

здесь ст ; (см2/молекула) - сечение захвата одного электрона, которое в данном диапазоне энергий значительно превышает сечение потери электрона, q - заряд иона, Р, (Джоуль) - энергия первой ступени ионизации мишени (остаточного газа).

2) ас = 2xl0~15<y2(l37/?)~5 (5) <rL ^хЮ^О + ^ОЗТуЗГхехрГ-^^1] (5а)

К 2 d )

здесь ас и aL - соответственно сечение захвата и сечение потери электрона, величина среднего заряда равна q = Z{l-C ■ ехр(-137/?£>)}> коэффициент С= 1 имеет очень слабую зависимость от атомного номера Z, 5 = 0.3443 - 0.0667 ln(Z) и d = 0.27/Z • Остаточный газ -N2 или воздух.

3) <rc = 3xio-2V/2/r7 (6)

<jl =9х10~19д_2/5/Г2 (6а)

7 A. Muller and E. Salzborn, Phys. Lett., 62A, p. 1391, 1977.

8 H.D. Betz and Ch. Schmelzer, UNILAC Report 1-67, Heidelberg (1967).

9 D. Blechschmidt and H. J. Halama, Proc. HIF work-shop, 136 (1977).

Энергия_ Кг, МэВ/нуклон

0.25 1.0 2.3 4.0

Энергия_ Ar, МэВ/нуклон

О 0.53 2.1 4.8 8.5

S 0.8-

2 0.6

■еЯ»

\ V ♦

\ \ ч \ ........' ....... -

Ра,=1,210"6Тор -W(l-il) ...... ,0АГ*(1) ♦ W(exp.) ----мКг'*(М1) -------,4Кг"(1) иКг7*(ехр.) \

Радиус, м

Рис. 1. Эффективности прохождения ускоряемых пучков в зависимости от радиусов орбит (и, соответственно, энергий - по верхней оси координат) в вакуумной камере циклотрона У-400. Сравнение расчета в соответствии с предложенным автором алгоритмом (кривые I-II), расчета по формулам Betz

and Schmelzer (кривые 1) и экспериментальных данных (символы) при ускорении ионов 40Аг5+ (до 8,5 МэВ/нуклон) и 84Кг7+(до 4 МэВ/нуклон) при среднем давлении Pav = 1,2-10"6 Тор в вакуумной камере от центра до радиуса вывода Rextracnon = 160 см.

Рис. 1 показывает хорошее совпадение результатов расчетов потерь пучков вследствие перезарядки на остаточном газе в соответствии с предложенным алгоритмом (кривые I-II) с результатами экспериментов (символы) по ускорению ионов аргона 40Аг5+ и криптона 84Кг7+ на циклотроне У-400. Среднее давление в вакуумной камере циклотрона от центра до радиуса вывода Rextraction = 160 см составляет Pav=l ,2-10"6 Тор с учетом радиального и азимутального распределения давления (в секторной магнитной структуре «холм - долина» камеры циклотрона). Рис. 1 наглядно демонстрирует, что использование формул (5)-ь(5а) (Betz and Schmelzer) для ускоряемых ионов дает значительное расхождение расчетных кривых (I) с экспериментальными данными, тогда как использование предложенного автором алгоритма расчета (кривые 1-Й) позволяет достигнуть хорошего согласия результатов численного моделирования потерь пучка, обусловленных перезарядкой на остаточном газе, с экспериментальными данными.

Вторая глава посвящена разработке методики численного моделирования распределения давления остаточного газа по длине пути ускорения или транспортировки ионов.

Рассматриваемая область моделирования давлений в вакуумных камерах

10,11,12,13

ускорительных установок - молекулярные режимы газовых потоков

Для моделирования распределения давления в вакуумных объемах ускорительного комплекса рассмотрены два основных типа вакуумных камер, к сочетанию которых может быть сведена практически любая геометрическая конфигурация вакуумных камер:

— камера с азимутальной симметрией, например, циклотрона,

— протяженная вакуумная камера, например, канала транспортировки пучка ионов, канала масс-сепаратора или линейного ускорителя.

Для вакуумной камеры с азимутальной симметрией и с внутренним газовым потоком от центра (от источника ионов, расположенного в центре) радиальное распределение давления имеет вид:

Р(г) = Р0+£~, (7)

где Р0=Р(Я) - давление на радиусе Я, где установлены периферийные вакуумные насосы, <3 - газовый поток от источника ионов, Ск.г - проводимость вакуумной камеры от текущего радиуса г до радиуса вакуумной камеры Я.

Для вакуумной камеры циклотрона с азимутальной периодической геометрией типа «холм - долина», обусловленной секторной структурой полюсов магнита циклотрона, можно выполнить расчеты для радиального распределения давления в «холме» и «долине» и произвести усреднение по азимуту с учетом азимутальной протяженности «холма» и «долины» для нахождения среднего по азимуту радиального распределения давления в вакуумной камере циклотрона.

Проводимость вакуумной камеры циклотрона для радиального газового потока может быть получена из формулы Кнудсена:

10 Г.Л. Саксаганский. Молекулярные потоки в сложных вакуумных структурах. Атомиздат, Москва, 1980.

11 Я. Грошковский. Техника высокого вакуума (2-е изд, перевод с польского). Мир, Москва, 1975.

12 A.A. Глазков, И.Ф. Малышев, Г.Л. Саксаганский. Вакуумные системы электрофизических установок. Атомиздат, Москва, 1975.

13 А.И. Пипко, В.Я. Плисковский, Е.А. Пенчко. Конструирование и расчет вакуумных систем. Энергия, Москва, 1979.

где Уа - средняя арифметическая тепловая скорость молекул, Пир- периметр

и площадь поперечного сечения азимутального периодического сегмента вакуумной камеры («холма» или «долины» между полюсами основного магнита циклотрона).

Газовый поток от источника ионов 0 распределяется на газовые потоки в «холмах» и «долинах», пропорционально проводимостям соответственно «холма» йц и «долины» йу и с учетом количества п «холмов» или «долин» в вакуумной камере:

д=п(дн + дУ), (9)

где газовый поток в «холме» <3н можно выразить через газовый поток в «долине» СК' следующим образом:

0н = 0уОн/Оу (10)

Подставив (10) в (9), получим

ду = д/[п(Он/Оу + 1)] (11)

Аналогично

дн = д/[п(Су/Сн + 1)] (Па)

Из уравнений (7) и (8) получаем радиальное распределение давления для «холма»:

Р(г) = Р0 +

з п<2,

2К2

\пЯ | пкн{11-г) Г 7гЯг

(12)

Аналогично получаем радиальное распределение давления для «долины»:

(13)

2яуа И,2

ХпР + пК{к

жЯг

где п - число секторов полюса магнита циклотрона и соответственно число «холмов» или «долин» в вакуумной камере, Ьн и Ьу - зазор соответственно в «холме» и «долине», Р0 - давление на радиусе расположения периферийных вакуумных насосов.

Кроме рассмотренного выше вклада в радиальное распределение давления вследствие газового потока от источника ионов, расположенного в центре циклотрона, вносит вклад и газовыделение с поверхности вакуумной камеры вследствие термической десорбции.

Для термической десорбции радиальное распределение давления выглядит следующим образом:

/>■(,) = + ' ' (М)

°-Д-г С11-г о

где ц - удельное статическое газовыделение с поверхности.

Уравнение (14) после интегрирования приходит к следующему виду для «холма»:

лИн2уа Мп V ) 2 " л г 2п О

а Ьня2(я-г) пЬи2а (я-г)1 - Ь „ И. „ 1п-----I

О Г лЯг ^

О 7-----^ -I <15>

и для «долины»:

3 щ

Р(г) = Р0 +

лп,

• у Мпч /2 л г 2п ^ г

V а

я М^Л-г) пЬ,2Я0(Я-г)-

-ЬуЯАп---—!^-----^-]

О г 2Яг лЯг ' (16)

где г изменяется от Яо до Я. Бесконечно малый ненулевой радиус вводится для корректного выполнения интегрирования и в нашем случае может быть, например, принят равным Яо = 1 мм. Размерности величин в формулах (7)-н(16) - в системе СИ.

Далее суммируются вклады в радиальное распределение давления вследствие газового потока из внутреннего источника и вследствие десорбции в периодических сегментах вакуумной камеры («холме» и «долине»). Затем производится усреднение давления с учетом азимутальной протяженности сегментов для получения радиального распределения среднего по азимуту давления в вакуумной камере циклотрона.

Распределение давления в протяженной вакуумной камере длиной Ь может быть найдено как решение дифференциального уравнения:

^ = , (17)

±с2 в(Ь)

где д - удельное статическое газовыделение с поверхности, 0(1) - проводимость участка камеры длиной I. Рассмотрим объем камеры, откачиваемый с одной стороны со скоростью насоса Б, тогда после двойного интегрирования уравнения (17) получим параболическое распределение давленияр(х)\

рМ-яПк+зП-с.А) , (18)

5 в(£) 21

где П - периметр поперечного сечения вакуумной камеры, а первое слагаемое в правой части уравнения цПЬ / & равно давлению р(0) в месте установки насоса.

Расчет распределения давления для системы, состоящей из п элементов, может быть сделан посредством одновременного решения п уравнений типа (18). Индивидуальные решения должны быть объединены соответствующими граничными условиями.

Рис. 2. Распределение давления р (х) в расчетной модели вакуумной системы: цилиндрической трубе диаметром й, которая откачивается тремя насосами, установленными на расстояниях I/ и Ь2 со скоростями 5/, и й] ,02' ,02" а - проводимости участков от положений максимумов давления до насосов.

Распределение давления в вакуумной системе, показанной в качестве примера расчетной модели на Рис. 2, может быть описано следующим образом:

- д ля первого участка длиной Ь,

(х)=дъ (ь,-1,^)+чП (ь,-х/ (19б)

Л (й 2(1,-1,)

- для второго участка длиной Ь2

р2(х)=чП( 1г1Ли) + (Х-А(20а) 52 С 2 2 ¡2

^ ' Л С; 2 2( 1*2-Ь) ' Цт где обозначение символов соответствует (18) и Рис. 2.

С;, <7^', С?:" и £7} - проводимости участков от положений максимумов давления в координатах х = // и х = ¿;+/2 до положений насосов в координатах х =0, х = и х = Ь/+Ь2. Проводимости участков определяются из формулы Кнудсена для данного примера геометрии вакуумной системы следующим образом:

С, =А с?/1ь С2'=А ¿/(ЬгЬ), С2"=А с?/12 и Сз =А ^/(21) где коэффициент А =121 в системе СИ для молекул воздуха при комнатной температуре Т=293К.

Подставим х = в уравнения (19а) и (196) и приравняем их правые части, т.к. Р1О1) = р2'01).

Аналогично подставим х = ¿¡+12 в уравнения (20а) и (206) и приравняем их правые части, т.к. р2"( =рз(Ь,+12).

Получим систему из двух уравнений для двух неизвестных величин /, и 12.

Таким образом это дает возможность строить систему п-1 уравнений для вакуумной системы с п различными насосами произвольного местоположения и решать ее, например, методом Гаусса1. Размерности величин в уравнениях (17) (21) выражены в системе СИ.

Примеры применения разработанных методик численного моделирования распределения давления в вакуумной камере циклотрона и в протяженных вакуумных камерах ионопроводов. Рис. 3 представляет результаты численного моделирования распределений давления в вакуумной камере циклотрона У-400, характерных для рабочих режимов с применением внешнего ЭЦР-источника и внутреннего РЮ-источника. Распределение давления в протяженных вакуумных камерах ионопроводов внешней инжекции У-400 и У-400М показано на Рис. 4. Результаты расчетов находятся в хорошем согласии с данными измерений давления.

' Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике для научных сотрудников и инженеров, Москва, «Наука», 1984.

1Е-5

«Г

I 1Е-6

1Е-7

1 1 ......Р.»= 2,2-10 Тор .........Р„= 1,2-10* Тор Р„= 3,3-Ю'' Тор

"■--...5.7 2,3-10"' Тор л /с

Режимы работы с РЮ-источником

О= 51<Г5 Тор л /с

0=6-10-'Тор л/с

Режимы работы с ЭЦР-источником 1.1.1.

0.0 0.4 0Л 1.2 1.6

Радиус, м

Рис. 3. Расчетное радиальное распределение давления в вакуумной камере циклотрона У-400 для режимов работы с внешним ЭЦР-источником и внутренним РЮ-источником.

—Расчет « Измерения • Положение насосов

■ ■ ■ ■' ■ ■■ ■ 111111II11111

200 400 600 800 1000

Длина, см

200 400 600 800 1000

Длина, см

Рис. 4. Распределение давления в ионопроводах системы аксиальной инжекции пучка ионов циклотронных комплексов У-400 и У-400М.

Третья глава посвящена применению разработанного метода численного моделирования потерь ускоряемых ионов для оптимизации основных параметров вакуумных систем ускорительных комплексов в каналах инжекции, вакуумных камерах циклотронов и каналах транспортировки ускоренных пучков с помощью разработанных автором программ УАСЬОБ и СЕК АР.

На основе разработанной автором методики разработана программа VACLOS (VACuum LOSs of beam) для оценки потерь ускоряемых пучков ионов вследствие перезарядки ионов на остаточном газе в вакуумных камерах с азимутальной симметрией (например, циклотронов). Программа включает следующие основные части:

> моделирование радиального распределения давления внутри вакуумной камеры циклотрона,

> расчет сечений перезарядки ускоряемых ионов на молекулах остаточного газа с учетом изменения энергии ионов и с учетом основных параметров соответствующего режима ускорения и

> вычисление эффективности прохождения ускоряемых ионов вследствие перезарядки ионов на остаточном газе, интегрирование в соответствии с выражением (3).

Программа GENAP (GENeral Application for Pressures) моделирует распределение давления для вакуумных камер протяженной геометрии, таких как ионопровод и т.д., и рассчитывает потери пучков ионов, обусловленные перезарядкой ионов на остаточном газе, при постоянной энергии транспортируемого иона. В программе используется значение сечения перезарядки ионов с энергией выведенного пучка с конечного радиуса ускорения, определенное программой VACLOS.

Сочетание программ VACLOS и GENAP позволяет моделировать потери пучков ионов с энергией в диапазоне от 1 кэВ/нуклон до 100 МэВ/нуклон для оптимизации системы откачки вакуумных камер практически любой геометрии.

В диссертации представлены результаты моделирования вакуумных потерь пучков и расчетов по оптимизации параметров вакуумных систем:

для модернизации

циклотронных комплексов У-400, У-400М, ИЦ-100 на основе современных ЭЦР-источников и систем аксиальной инжекции;

для создания

- циклотронного комплекса DC-72 Словацкой циклотронной лаборатории (Братислава);

- циклотронного комплекса DC-60 Междисциплинарного научно-исследовательского комплекса, Астана, Казахстан;

- канала транспортировки ускорительного комплекса радиоактивных пучков DRIBs на основе циклотронов У-400 и У-400М,

- экспериментально-физической установки масс-сепаратора MASHA (Mass Analyzer of Super Heavy Atoms).

0.9-

ЭнергияКг&Хе, МэВ/нуклон 0.35 1.4 3 2

Энергия_М, МэВ/нуклон 3.3 13.6 31.3

0.80.70.60.50.40.30.2-1

Р.,=5,610"7Тор

- "^'(М!) ■ '^5*(ехр.)

----кКг8*(1-П)

т кКг9'(ехр.)

-,кХе"*(1-11)

♦ 'мХе14*(ехр.)

0.1-

0.8 1.2 Радиус, м

Рис. 5. Эффективности прохождения ускоряемых пучков в зависимости от радиусов орбит (и, соответственно, энергий - по верхней оси координат) в вакуумных камерах циклотронов У-400 для ионов 8бКг9+ и 136Хе|4+ и У-400М для ионов 14Ы5+, символы - экспериментальные данные.

■е ■е-

(Т)

1 Е-08

1 Е-07 1 Е-06 1 Е-05

Среднее давление, Тор

1 Е-04

Рис. 6. Эффективности прохождения ускоряемых пучков до радиуса вывода в зависимости от среднего давления в вакуумной камере циклотрона ИЦ-100, символы - экспериментальные данные.

В результате выполненных расчетов выработаны требования к основным параметрам вакуумных систем для обеспечения необходимой эффективности прохождения ионных пучков в вакуумных камерах циклотронных комплексов.

На Рисунках 5 и 6 представлены расчетные эффективности прохождения различных ускоряемых ионов на циклотронах У-400М и ИЦ-100 в сравнении с экспериментальными данными.

Измерение давления производилось вакуумными датчиками и измерительными приборами компании РРЕ^РЕЯ-УАСииМ. Измерение интенсивности пучка ионов проведено пробниками с системой подавления вторичной эмиссии электронов. Погрешность измерений составляла не более

Рис. 7. Эффективности прохождения ускоренных пучков от центра до радиуса вывода Квыв = 68 см в вакуумной камере циклотрона ОС-бО в зависимости от среднего давления в вакуумной камере циклотрона. Сравнение результатов моделирования и эксперимента по ускорению пучков ионов (символы — экспериментальные данные).

Проект создания циклотрона ОС-бО успешно реализован в 2004-Г-2006 г. В ходе пуско-наладочных экспериментов ускорены ионы от азота до ксенона и измерены эффективности прохождения пучков ионов |4Ы2+, 20Ые3+, 40Агб+, 84Кг,2+ в зависимости от давления в камере циклотрона в процессе ускорения (см. Рис. 7). Расчетные данные по эффективности прохождения пучков ионов хорошо согласуются с экспериментом. Созданная в соответствии с

10%.

1 Е-04

Среднее давление в вакуумной камере циклотрона, Тор

предложенной методикой вакуумная система позволила достигнуть 99^97% трансмиссии пучка от центра до конечного радиуса, что хорошо согласуется с расчетами.

Полученные данные подтверждают правильность методики численного моделирования потерь, обусловленных перезарядкой ионов на остаточном газе, и оптимальность проектных параметров вакуумной системы.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Экспериментально исследованы процессы взаимодействия ионов с молекулами остаточного газа в циклотронах У-400, У-400М, ИЦ-100, DC-60. Измерены значения сечений перезарядки ионов на молекулах остаточного газа.

2. На базе результатов экспериментальных исследований на циклотронах ЛЯР и анализе опубликованных данных, полученных на ускорителях других научных центров, разработана методика численного моделирования вакуумных потерь ионов в процессе инжекции пучка в циклотрон, ускорения и транспортировки пучка на физические установки.

Методика описывает процесс перезарядки ионов от водорода до урана с энергией от 1 кэВ/нуклон до 100 МэВ/нуклон.

Разработанная методика применима для расчета вакуумных камер произвольного поперечного сечения с произвольным расположением вакуумных насосов.

3. С помощью разработанной методики численного моделирования:

- оптимизированы вакуумные системы циклотронных комплексов У-400, У-400М и ИЦ-100,

- разработаны и созданы вакуумные системы новых циклотронных комплексов

DC-72 (Словацкая циклотронная лаборатория, г.Братислава, Словацкая Республика),

DC-60 (Междисциплинарный научно-исследовательский комплекс, г. Астана, Казахстан),

- создан канал транспортировки радиоактивных пучков ускорительного комплекса DRIBs на основе циклотронов У-400 и У-400М,

- рассчитана и оптимизирована вакуумная система экспериментально-физической установки масс-сепаратора MASHA (Mass Analyzer of Super Heavy Atoms).

4. Проведен сравнительный анализ результатов численного моделирования потерь пучка ионов, обусловленных перезарядкой на

остаточном газе, и экспериментальных данных, полученных в ходе экспериментов на созданных установках. Расчетные и экспериментальные результаты находятся в хорошем согласии, что подтверждает правильность методики оптимизации вакуумных систем циклотронных комплексов.

Выполненный цикл исследований и разработанная методика расчета позволяют оптимально конструировать вакуумные системы циклотронных комплексов и физических установок.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. G.G. Gulbekian, A.V. Tikhomirov. Model Experiments on the 48Ca+V6 Ions Acceleration at the U-400 Cyclotron. JINR FLNR Scientific Report 1995-1996, E7-97-206, Dubna, Russia, 1997, p. 280-281.

2. G.G. Gulbekian, M.N. El-Shazly, A.V. Tikhomirov, B.N. Gikal. Beam Loss Due to the Charge Exchange in the Residual Gas of the FLNR Heavy Ion Cyclotrons. In: Proc. XVII Particle Accelerator Conf., Vancouver, Canada, 12-16 May 1997, p.3610.

3. M.N. El-Shazly, J. Franko, G.G. Gulbekian, A.V. Tikhomirov. The Main Principals of Cyclotron Design. In: Proc. II Int. School and Workshop on Cyclotron and Applications, Cairo, Egypt, 15-19 March 1997, p. 64.

4. M.N.El-Shazly, J.Franko, G.G.Gulbekian, M.V.Khabarov, A.V.Tikhomirov, O.Szollos. Modelling of the Pressure Distribution in the Cyclotron Central Region. In: Proc. XV Int. Conf. on Cyclotrons and their Applications, Caen, France, 14-19 June 1998, p. 254.

5. M.N.El-Shazly, G.G.Gulbekian, A.I.Ivanenko, M.V.Khabarov, A.V.Tikhomirov. Vacuum Beam Losses in the Axial Injection Systems of the FLNR Heavy Ion Cyclotrons. In: Proc. VI European Particle Accelerator Conf., Stockholm, 22-26 June 1998, p. 2172.

6. M.N.El-Shazly, B.N.Gikal, G.G.Gulbekian, A.V.Tikhomirov. Beam Loss Due to the Charge Exchange with the Residual Gas in the FLNR Heavy Ion Cyclotrons. In: Proc. VI European Particle Accelerator Conf., Stockholm, 22-26 June 1998, p. 2199.

7. M.N. El-Shazly, J. Franko, G.G. Gulbekian, M.V. Khabarov, O. Szollos, A.V.Tikhomirov. Investigation of the Transmission Efficiency in the Model of the Cyclotron Central Region. JINR FLNR Scientific Report 1997-1998, E7-2000-232, Dubna, Russia, 1999.

8. P. Kovad, A.V.Tikhomirov, M.N.El-Shazly, J. Dobrovodsky. Optimisation of the Vacuum System of a Linear Accelerator. J. Electr. Eng., Vol. 50, No. 1-2, 1999, pp. 22-27.

9. M.N. El-Shazly, A. V. Tikhomirov, G. G. Gulbekian, P. KovaC. GENAP - the Code for a Pressure Distribution Calculation. J. Vacuum, Vol. 52, Elsevier Science, 1999, pp. 401-405.

10. M.N. El-Shazly, G.G. Gulbekian, A.V. Tikhomirov. Computing Simulation of the Beam Loss due to the Charge Exchange with the Residual Gas. In: Proc. Ill Int. School and Workshop on Cyclotron and Applications, Cairo, Egypt, February 6-10, 1999, pp. 64-74.

11. M.N. El-Shazly, J. Franko, G.G. Gulbekian, M.V. Khabarov, O. Szollos, A.V.Tikhomirov. Modelling of the Pressure Distribution in the Cyclotron Central Region. JINR FLNR Scientific Report 1997-1998, E7-2000-232, Dubna, Russia, 1999, p. 248.

12. A.Tikhomirov, G.Gulbekian, R.Oganessian, M. El-Shazly. Computer modelling of the beam transmission efficiency dependent on the charge exchange with the residual gas for the CI-100 cyclotron. In: Proc. VI Int. Computational Accelerator Physics Conference, Darmstadt, Germany, September 11-14, 2000, p. 127.

13. V.S.Aleksandrov, G.G.Gulbekian, N.Yu.Kazarinov, V.F.Shevtsov, A.V.Tikhomirov. Numerical Simulation of the 48Ca5+ Ions Transport along the U-400 Cyclotron's Injection Line. In: Proc. 16th Int. Conf. on Cyclotrons and Their Applications, East Lansing, Michigan, USA, May 12-17, 2001, pp. 390-392.

14. A. Tikhomirov, G. Gulbekian, R. Oganessian, M. El-Shazly Modeling of the Beam Transmission Efficiency Dependent on the Charge Exchange with the Residual Gas for the CI-100 Cyclotron. In: Proc. Int. Particle Accelerator Conf. (PAC2001), Chicago, USA, June 18-22,2001, pp. 3042-3044.

15. M.N. El-Shazly, G.G. Gulbekian, A.V. Tikhomirov. Computer Simulation of the Pressure Distribution for Cyclotron's Vacuum Chamber and Ion Beam Guide Line. J. Applied Surface Science, Vol. 169-170, Elsevier Science, 2001, pp. 781-786.

16. V.V.Bashevoy, M.N.El-Shazly, G.G.Gulbekian, M.V.Khabarov, I.V.KoIesov, V.N.Melnikov, R.Ts.Oganessian, A.V.Tikhomirov. The study of the transmission efficiency of the DRIBs transport lines. Nuclear Physics A 701 (2002), pp. 592-596.

17. B.N. Gikal, G.G. Gulbekyan, A.V. Tikhomirov et. al. Upgrading of IC-100 Cycle Implantator. Communication of JINR, P9-2003-121, Dubna, Russia, 2003.

18. A.V. Tikhomirov, G.G. Gulbekian, B.N. Gikal, R.Ts. Oganessian. Numerical simulation of the beam transmission efficiency for design of vacuum system of the DC-72 cyclotron. In: Proc. 19th Russian Particle Accelerator Conference (RuPAC'04), Dubna, Russia, October 4-8,2004, pp.501-503.

19. B.N. Gikal, G.G. Gulbekyan, ... A.V. Tikhomirov et al. Upgrading of DC-40 cyclotron. In: Proc. 17th Int. Conf. on Cyclotrons and Their Applications, Tokyo, Japan, October 18-22, 2004, p. 138.

20. B.N. Gikal, G.G. Gulbekyan, ... A.V. Tikhomirov et al. Project of the DC-60 Cyclotron With Smoothly Ion Energy Variation For Research Center At L.N.Gumilev Euroasia State University In Astana (Kazakhstan). In: Proc. 17th Int. Conf. on Cyclotrons and Their Applications, Tokyo, Japan, October 18-22, 2004, p. 205.

21. B.N.Gikal, G.G. Gulbekyan, ... A.V.Tikhomirov et al. Channel of Axial Injection of DC-60 Cyclotron. Communication of JINR, P9-2006-39, Dubna, Russia, 2006.

22. Б.Н.Гикал, С.Н.Дмитриев, Г.Г.Гульбекян, ... А.В.Тихомиров и др. Ускорительный комплекс ИЦ-100 для проведения научно-прикладных исследований. Препринт О ИЛИ, Р9-2007-20, Дубна, 2007, Письма в ЭЧАЯ, 2008, Т. 5, № 1(143), с. 59-85.

23. А.V.Tikhomirov, B.N.Gikal, G.G.Gulbekian. Modeling of accelerated ion transmission efficiency for design of the vacuum system of the DC-60 cyclotron. In: Proc. 14th Russian Scientific and Technical Conference with participation of foreign specialists "Vacuum Science and Technique", Sochi, Russia, October 9-14, 2007, Ed. by D.V.Bykov, MIEM, Moscow, pp.32-36.

24. Б.Н.Гикал, Г.Г.Гульбекян, ... А.В.Тихомиров. Результаты ускорения пучков ионов азота, аргона, криптона в ходе пуско-наладочных работ на изохронном циклотроне ДЦ-60. Сообщение ОИЯИ, Р9-2007-80, Дубна, 2007.

25. Б.Н.Гикал, С.Н.Дмитриев, Г.Г.Гульбекян, ... А. В. Тихомиров и др. Циклотронный комплекс ДЦ-60 для научно-прикладных исследований и промышленного применения в области нанотехнологий. Препринт ОИЯИ, Р9-2007-104, Дубна,2007, Атомная Энергия, 2007, т. 103, № 6, с.357-364.

26. Б. Н. Гикал, А. В. Тихомиров, М. В. Хабаров, О. А. Чернышев. Вакуумная система циклотронного комплекса тяжелых ионов DC-60. Препринт ОИЯИ Р9-2007-156, Дубна, 2007, Письма в ЭЧАЯ, 2008, т. 5, №4(146),с.655-674.

Получено 21 ноября 2008 г.

\Э

Отпечатано методом прямого репродуцирования с оригинала, предоставленного автором.

Подписано в печать 21.11.2008. Формат 60 х 90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,78. Тираж 100 экз. Заказ № 56416.

Издательский отдел Объединенного института ядерных исследований 141980, г. Дубна, Московская обл., ул. Жолио-Кюри, 6. E-mail: publish@jinr.ru www.jinr.ru/publish/

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Тихомиров, Александр Васильевич

Введение.

ГЛАВА 1.

Методика численного моделирования потерь ионов вследствие перезарядки на остаточном газе.

ГЛАВА 2.

Методика численного моделирования распределения давления остаточного газа в вакуумных камерах циклотронных комплексов.

2.1 Радиальное распределение давления в вакуумных камерах циклотронов.

2.2 Распределение давления вдоль протяженных вакуумных камер ионопроводов и экспериментальных установок.

ГЛАВА 3.

Практическое применение моделирования потерь ионов вследствие перезарядки на остаточном газе для проектирования вакуумных систем.

3.1 Моделирование потерь ионов для циклотронов У-400 и У-400М.

3.1.1 Численное моделирование и эксперименты по ускорению ионов кальция 40Са+5 на циклотроне У-400 с использованием внутреннего РЮ-источника.

3.1.2 Потери ионов 48Са5+вследствие перезарядки на остаточном газе в канале аксиальной инжекции и в вакуумной камере циклотрона У-400.

3.1.3 Сравнение расчетных эффективностей прохождения ускоряемых пучков в вакуумных камерах циклотронов У-400 и У-400М с экспериментом.

3.2 Моделирование потерь ионов для проектирования вакуумной системы циклотронного комплекса БС-72.

3.2.1 Потери ионов в канале аксиальной инжекции БС-72.

3.2.2 Потери ускоряемых ионов вследствие перезарядки на остаточном газе в вакуумной камере циклотрона БС-72.

3.2.3 Потери ускоренных и выведенных из ускорителя ионов в каналах внешних пучков БС-72.

3.3 Моделирование потерь ионов для проектирования вакуумной системы циклотрона тяжелых ионов ИЦ-100.

3.3.1 Сравнение результатов численного моделирования и эксперимента по ускорению ионов.

3.4 Моделирование потерь ионов для проектирования вакуумной системы ускорительного комплекса ОШВв.

3.5 Оптимизация параметров проектируемой вакуумной системы канала масс-сепаратора МАБНА.

3.5.1 Оценка требований к уровню вакуума в магните-сепараторе

МАБНА.

3.5.2 Распределение давления в вакуумной камере канала масс-сепаратора МАБНА.

3.6 Моделирование потерь ускоряемых ионов для проектирования вакуумной системы циклотрона DC-60.

3.6.1 Расчет потерь пучка ионов на остаточном газе в вакуумной камере циклотрона.

3.6.2 Расчет потерь пучка при транспортировке по каналу аксиальной инжекции и каналу пучков ионов низкой энергии.

3.6.3 Транспортировка ионов в канале ускоренных пучков.

3.6.4 Сравнение расчетных эффективностей прохождения ускоряемых пучков с экспериментальными результатами.

Введение диссертация по физике, на тему "Методика и результаты оптимизации вакуумных систем циклотронных комплексов"

Актуальность работы

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 -г 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 1+2 для легких ионов до 20ч-25 для тяжелых ионов, например, ксенона.

Реализован проект ускорения радиоактивных пучков DRIBs (Dubna Radioactive Ion 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).

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 циклотронах У-400, У-400М, ИЦ-100, БС-60, 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.

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-бО. Измерены значения сечений перезарядки ионов на молекулах остаточного газа.

Методика описывает процесс 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 азимутально-симметричных 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),

• БС-72 (Словацкая циклотронная лаборатория, г.Братислава, Словацкая Республика) и

• БС-бО (Междисциплинарный научно-исследовательский комплекс, г. Астана, Казахстан); инжектора линейного ускорителя Словацкого технического университета (г. Братислава); 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).

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;

• 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 2126, 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.

На защиту выносятся следующие положения, результаты и разработки:

Методика охватывает диапазон масс ионов от протона до урана с энергией от 1 кэВ/нуклондо 100 МэВ/нуклон.

- DC-72 (Словацкая циклотронная лаборатория, г. Братислава, Словацкая Республика) и

- DC-60 (Междисциплинарный научно-исследовательский комплекс, г. Астана, Казахстан).

6. Разработанная методика моделирования была использована при проектировании вакуумных систем

- экспериментально-физической установки масс-сепаратора MASHA (Mass Analyzer of Super Heavy Atoms).

Структура и краткое содержание работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме "Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника"

Основные результаты диссертационной работы:

1. Экспериментально исследованы процессы взаимодействия ионов с молекулами остаточного газа в циклотронах У-400, У-400М, ИЦ-100, БС-60. Измерены значения сечений перезарядки ионов на молекулах остаточного газа.

Методика описывает процесс перезарядки ионов от водорода до урана с энергией от 1 кэВ/нуклон до 100 МэВ/нуклон. Разработанная методика применима для расчета вакуумных камер произвольного поперечного сечения с произвольным расположением вакуумных насосов.

3. С помощью разработанной методики численного моделирования:

- оптимизированы вакуумные системы циклотронных комплексов у400, У-400М и ИЦ-100,

- разработаны и созданы вакуумные системы новых циклотронных комплексов

БС-72 (Словацкая циклотронная лаборатория, г.Братислава, Словацкая Республика),

БС-60 (Междисциплинарный научно-исследовательский комплекс, г. Астана, Казахстан),

4. Проведен сравнительный анализ результатов численного моделирования потерь пучка ионов, обусловленных перезарядкой на остаточном газе, и экспериментальных данных, полученных в ходе экспериментов на созданных установках. Расчетные и экспериментальные результаты находятся в хорошем согласии, что подтверждает правильность методики оптимизации вакуумных систем циклотронных комплексов.

Признательности

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова академику Ю.Ц.Оганесяну, директору Лаборатории профессору С.Н.Дмитриеву, главному инженеру Лаборатории Г.Г.Гульбекяну за постоянный интерес и внимание к данной теме исследований, за предоставленные возможности и поддержку, профессору Г.Л.Саксаганскому (ФГУП НИИЭФА им. Д.В.Ефремова) за ценные обсуждения, замечания и советы.

Самых добрых слов благодарности заслуживает научный руководитель Б.Н.Гикал, а также коллеги по работе, по многим совместным исследованиям и проектам: М.Н.Эль-Шазли, П.Ковач, А.И.Иваненко, В.Н.Мельников, Й.Франко, М.В.Хабаров, Н.Ю.Казаринов, О.Н.Борисов, И.А.Иваненко, М.Н.Сазонов, И.В.Калагин, С.Л.Богомолов, А.А.Ефремов, В.В.Башевой, О.А.Чернышев, В.И.Миронов, А.И.Папаш и многие другие.

Светлая память безвременно ушедшему Прекрасному Ученому, Учителю, Коллеге и Другу, Человеку Великой Души и Сердца Рубену Цолаковичу Оганесяну.

Автор считает своим долгом горячо поблагодарить всех коллег Лаборатории и Института, кто повседневным будничным решением различных вопросов, ценными советами, дискуссиями, участием оказывал тем самым неоценимую помощь и поддержку данным исследованиям и помогал приблизить эту работу к завершению.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Тихомиров, Александр Васильевич, Дубна

1. B.Gikal, G.Gulbekyan, V.Kutner. Recent development s at Dubna U400 and U400M. Proc. of the 15th 1.ter. Conf. on Cyclotrons and Their Application, Caen, France, 1998, p. 587.

2. B.N. Gikal, G.G. Gulbekyan et. al. Upgrading of IC-100 Cycle Implantator. Communication of JINR, P9-2003-121, Dubna, Russia, 2003.

3. Efremov A. et al., Rev. Sci. Inst., Vol. 65 (4), 1994, p. 1084.

4. R.Oganessian, G.Gulbekyan et al. Radioactive ion beam project with the U400-U400M cyclotron complex. Proc. of the 14th Inter. Conf. on Cyclotrons and Their Application, Cape Town, South Africa, 1995, p. 659.

5. V.V.Bashevoy, M.N.El-Shazly, G.G.Gulbekian, M.V.Khabarov, I.V.Kolesov, V.N.Melnikov, R.Ts.Oganessian, A.V.Tikhomirov. The study of the transmission efficiency of the DRIBs transport lines. Nuclear Physics A 701 (2002), pp. 592-596.

6. Г.Г. Гульбекян и др. Исследование процесса перезарядки тяжелых ионов при их ускорении в циклотронах У-200, У-300 и У-400. Препринт ОИЯИ, Р9-83-451, 1983.

7. С.И. Козлов. О сечениях перезарядки тяжелых ионов на газах. Препринт ОИЯИ, Р9-83-268, 1983.

8. N. Bohr, Kgl. Danske Viedenskab. Selskab, Mat.-Fys. Medd. 18, No. 8 (1948).

9. N. Bohr and J. Lendhard, Kgl. Danske Viedenskab. Selskab, Mat.-Fys. Medd. 28, No. 7 (1954).

10. A. Moller, N. Angert, B. Franzke and Ch. Schmelzer, Phys. Letters 27 A, 621, 1968.

11. A. Muller and E. Salzborn, Phys. Lett., 62A, p391, 1977.

12. A. Muller et al., Inst. Phys. Conf., No. 38, 1978, Chapter 4.

13. H.D. Betz and Ch. Schmelzer, UNILAC Report 1-67, Heidelberg (1967).

14. H.D. Betz, Charge states and charge changing cross sections of fast heavy ions, Review of Modern Physics, July 1972.

15. H. D. Betz, G. Ryding and A. B. Wittkower, Phys, Rev. A3, 197, 1971.

16. D. Blechschmidt and H. J. Halama, Proc. HIF work-shop, 136 (1977).

17. B. Franzke, N. Angert, and Ch. Schmelzer, IEEE NS-19, No. 2, 266, 1972.

18. Bernhard Franzke, Vacuum requirements for heavy ions synchrotrons, IEEE Transactions Nuclear Science. Vol. Ns-28, No. 3, June 1981.

19. N. Angert, В. Franzke, A. Moller and Ch. Schmelzer, Phys. Letters 27 A, 28, 1968

20. S. Datz, H.O. Lutz, L. B. Bridwell, C. D. Moak, H. D. Betz and L. D. Ellsworth, Phys, Rev. A2, 430, 1970.

21. C. D. Moak, H.O. Lutz, L. B. Bridwell, L. C. Northcliffe, and S. Datz, Phys. Rev. Letters 18, 41, 1967.

22. C. D. Moak, H.O. Lutz, L. B. Bridwell, L. C. Northcliffe, and S. Datz, Phys. Rev. 176, 427, 1968.

23. F.Becchetti, Ch.-W Chao, B. Martin, R. Michaelsen, B. Spellmeyer and K. Zieglet, The VICKSI accelerator facility and its application to measurements of charge exchange losses, IEEE Transactions Nuclear Science. Vol. Ns-28, No. 3, April 1981.

24. Y. Nakamura, I. Ishibori, K. Arakawa and T. Nara, Estimation of charge exchange cross section for heavy ions accelerated in the JAERI AVF cyclotrons. Proc. of the 15th Inter. Conf. on Cyclotrons and Their Application, Caen, France, 1998, P. 250.

25. B. Erb, GSI Report P-7-78 (1978).

26. Grubner O, CAS, CERN, V. 2, 85-19, 27 Nov. 1985, p489.

27. И.С.Дмитриев, В.С.Николаев, Л.Н.Фатеева, Я.А.Теплова. Ж. Экспер и Теор. Физики, 42, р. 16, 1962 Sov. Phis. JETP 15, 11 (1962).

28. И.С.Дмитриев, В.С.Николаев, Л.Н.Фатеева, Я.А.Теплова. Ж. Экспер и Теор. Физики, 43, р. 361, 1962 Sov. Phis. JETP 16, 295 (1963).

29. В.С.Николаев, И.С.Дмитриев, Л.Н.Фатеева, Я.А.Теплова. Ж. Экспер и Теор. Физики, 40, р. 989, 1961 Sov. Phis. JETP 13, 695 (1961).

30. G. Ryding, A. B. Wittkower and P. H. Rose, Phys. Rev. 148, 93, 1969.

31. A. B. Wittkower and H. D. Betz, J. Phys. В 4, 1173, 1971.

32. G. Ryding, A. B. Wittkower and P. H. Rose, Phys. Rev. A3, 1658, 1971.

33. H. Tawara and A. Russek, Review of Modern Physics, Charge Changing Processes in Hydrogen Beams, Vol. 45, No. 2, April 1973, p. 178.

34. Г.Л. Саксаганский. Основы расчета и проектирования вакуумной аппаратуры. Машиностроение, Москва, 1978.

35. Г.Л. Саксаганский. Молекулярные потоки в сложных вакуумных структурах. Атомиздат, Москва, 1980.

36. Я. Грошковский. Техника высокого вакуума (2-е изд, перевод с польского). Мир, Москва, 1975.

37. А.А. Глазков, Г.Л. Саксаганский. Вакуум электрофизических установок и комплексов. Энергоатомиздат, Москва, 1985.

38. А.И. Пипко, В.Я. Плисковский, Е.А. Пенчко. Конструирование и расчет вакуумных систем. Энергия, Москва, 1979.

39. G.G. Gulbekian, A.V. Tikhomirov. Model Experiments on the 48Са+5'+б Ions Acceleration at the U-400 Cyclotron. JINR FLNR Scientific Report 1995-1996, E7-97-206, Dubna, Russia, 1997, p. 280-281.

40. G.G. Gulbekian, M.N. El-Shazly, A.V. Tikhomirov, B.N. Gikal. Beam Loss Due to the Charge Exchange in the Residual Gas of the FLNR Heavy Ion Cyclotrons. In: Proc. XVII Particle Accelerator Conf., Vancouver, Canada, 1216 May 1997, p.3610.

41. M.N. El-Shazly, J. Franko, G.G. Gulbekian, A.V. Tikhomirov. The Main Principals of Cyclotron Design. In: Proc. II Int. School and Workshop on Cyclotron and Applications, Cairo, Egypt, 15-19 March 1997, p.64.

42. M.N.El-Shazly, J.Franko, G.G.Gulbekian, M.V.Khabarov, A.V.Tikhomirov, O.Szollos. Modelling of the Pressure Distribution in the Cyclotron Central Region. In: Proc. XV Int. Conf. on Cyclotrons and their Applications, Caen, France, 14-19 June 1998, p.254.

43. M.N.El-Shazly, G.G.Gulbekian, A.I.Ivanenko, M.V .Khabarov, A.V.Tikhomirov. Vacuum Beam Losses in the Axial Injection Systems of the FLNR Heavy Ion Cyclotrons. In: Proc. VI European Particle Accelerator Conf., Stockholm, 22-26 June 1998, p.2172.

44. M.N.El-Shazly, B.N.Gikal, G.G.Gulbekian, A.V.Tikhomirov. Beam Loss Due to the Charge Exchange with the Residual Gas in the FLNR Heavy Ion Cyclotrons. In: Proc. VI European Particle Accelerator Conf., Stockholm, 2226 June 1998, p.2199.

45. M.N. El-Shazly, J. Franko, G.G. Gulbekian, M.V. Khabarov, O. Szollos, A.V.Tikhomirov. Investigation of the Transmission Efficiency in the Model of the Cyclotron Central Region. JINR FLNR Scientific Report 1997-1998, Dubna, Russia, 1999.

46. P. Kovac, A.V.Tikhomirov, M.N.El-Shazly, J. Dobrovodsky. Optimization of the Vacuum System of a Linear Accelerator. J. Electr. Eng., Vol. 50, No. 1-2, 1999, P 22-27.

47. M.N. El-Shazly, A. V. Tikhomirov, G. G. Gulbekian, P. Kovac. GENAP -the Code for a Pressure Distribution Calculation. Vacuum 52, 1999, P. 401405.

48. M.N. El-Shazly, G.G. Gulbekian, A.V. Tikhomirov. Computing Simulation of the Beam Loss due to the Charge Exchange with the Residual Gas. In: Proc. Ill Int. School and Workshop on Cyclotron and Applications, Cairo, Egypt, February 6-10, 1999, pp. 64-74.

49. M.N. El-Shazly, J. Franko, G.G. Gulbekian, M.V. Khabarov, O. Szollos, A.V. Tikhomirov. Modelling of the Pressure Distribution in the Cyclotron Central Region. JINR FLNR Scientific Report 1997-1998, Dubna, Russia, 1999.

50. A.Tikhomirov, G.Gulbekian, R.Oganessian, M. El-Shazly. Computer modelling of the beam transmission efficiency dependent on the charge exchange with the residual gas for the CI-100 cyclotron. Proc. VI Int.

51. Computational Accelerator Physics Conference, Darmstadt, Germany, September 11-14, 2000, p. 127.

52. M.N. El-Shazly, G.G. Gulbekian, A.V. Tikhomirov. Computer Simulation of the Pressure Distribution for Cyclotron's Vacuum Chamber and Ion Beam Guide Line. Applied Surface Science, Elsevier Science, 2001, V. 169-170, pp. 781-786.

53. B.N. Gikal, G.G. Gulbekyan, A.V. Tikhomirov et. al. Upgrading of IC-100 Cycle Implantator. Communication of JINR, P9-2003-121, Dubna, Russia, 2003.

54. B.N. Gikal, G.G. Gulbekyan, A.V. Tikhomirov et. al. Upgrading of DC-40 cyclotron. In: Proc. 17th Int. Conf. on Cyclotrons and Their Applications, Tokyo, Japan, October 18-22, 2004, p. 138.

55. B.N.Gikal, G.G. Gulbekyan, A.V.Tikhomirov et al. Channel of Axial Injection of DC-60 Cyclotron. Communication of JINR, P9-2006-39, Dubna, Russia, 2006.

56. Б.Н.Гикал, С.Н.Дмитриев, Г.Г.Гульбекян, А.В.Тихомиров и др. Ускорительный комплекс ИЦ-100 для проведения научно-прикладных исследований. Препринт ОИЯИ, Р9-2007-20, Дубна, 2007, Письма в ЭЧАЯ, 2008, Т. 5, № 1(143), с. 59-85.

57. Б. Н. Гикал, А. В. Тихомиров, М. В. Хабаров, О. А. Чернышев. Вакуумная система циклотронного комплекса тяжелых ионов DC-60. Препринт ОИЯИ Р9-2007-156, Дубна, 2007, Письма в ЭЧАЯ, 2008, т. 5, № 4 (146), с.655-674.

58. J.F. Williams, Phys. Rev. 150, 7, 1966.

59. P.M. Stier and C.F. Barnett, Phys. Rev. 103, 896, 1956.

60. C.F. Barnett and H.K. Rynolds, Phys. Rev. 109, 355, 1958.

61. F.J. de Heer, J Schutten and H. Mustafa, Physica 32, 1768, 1966.

62. L.H. Toburen, M.Y. Nakai and R.A. Langley, Phys. Rev. 171,114, 1968.

63. J.F. Williams, Phys. Rev. 157, 97, 1967.

64. L.M. Welch, K.H. Berkner, S.N. Kaplan and R.V. Pyle, Phys. Rev. 158, 85, 1967.

65. U. Schryber, Helv. Phys. Acta 40, 1023, 1967.

66. K.H. Berkner, S.N. Kaplan, G.A. Paulikas and R.V. Pyle, Phys. Rev. 140, A729, 1965.

67. Grobner O. Vacuum Systems. In: Bryant, P., Turner, S. (eds.): Proceedings from CAS, General Accelerator Physics, Vol.2, p. 489-504, CERN-SIS-RD/691-3500, Geneva, 1985.

68. M. Nordby, C. Perkins, In: V. Suller, Ch. Petit-Jean-Genaz, (eds.): Proc. of the Fourth EPAC, Vol. 3, World Scientific, London 1994, p. 2515.

69. Kovac, P., Pavlovic, M., Dobrovodsky, J.: A 0.9 MV Accelerator for Materials Research at STU Bratislava. Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B85(l 994)749-751.

70. Kovac, P., Dobrovodsky, J. Pavlovic, M., Klopenkov, M. L, Pavlovets, M. V.: Experimental possibilities at the Ion Beam Laboratory of FEI STU Bratislava. J. Electr. Eng., N0.8/S, 46(1995)37-39.

71. Pavlovic, M., Dobrovodsky, J., Kovac, P., Vitazek, K.: A 0.9 MV Accelerator for materials research at the STU Bratislava. In: Kolnik, S. (ed.): Proceedings of The Eleventh Conference of Czech and Slovak Physicists, Zilina, JSMF 1993, p.43-48.

72. Pavlovic, M., Dobrovodsky, J., Golubev, V. P.: An Ion Injector for a Linear Electrostatic Accelerator. J. Electr. Eng. 45 (1994), No.6, p.214-220.

73. S. Dushman, Scientific Foundations of Vacuum Technique, Wiley, New York, 1962.

74. Wutz Adam - Walcher: Theory and Practice of Vacuum Technology. Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig/Wiesbaden 1989.

75. Yu. Zh. Kalinin, V. G. Rogozinskij, Vacuum, 1995, 46, p.717.

76. В. H. Мельников. Расчет оптической транспортировки пучка ионов на детектор канала масс-сепаратора MASHA. Технический отчет НТОУ ЛЯР, 2001.

77. Dubravcovä, V.: Väkuova а ultraväkuovä technika. Alfa Bratislava, 1992.

78. Davis, D. H.: J. Appl. Phys. 31, No.7(1960)l 169.

79. Davis, D. H., Levenson, L. L., Milleron, L. J. Appl. Phys. 35,No.3(l964)529.

80. Pivarc, J., Pivarc, J.(jr), Tumanov, K. D. Vacuum and beam transport lines: Main Principles. Preprint No.E9-96-84, Dubna, 1996.

81. Nordby, M., Perkins, C. PEP-II Vacuum System Pressure Profile Modelling Using EXCEL. In: Suller, V., Petit-Jean-Genaz, Ch. (eds.): Proc. of the Fourth EPAC, Vol. 3, p.2515-2517, World Scientific, London 1994.

82. Wutz Adam - Walcher: Theory and Practice of Vacuum Technology. Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig/Wiesbaden 1989.

83. Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике для научных сотрудников и инженеров, Москва, «Наука», 1984.