Проект БЕТА Циклотронный комплекс тяжелых ионов DC -110 для производства трековых мембран

1

Проект БЕТАПроект БЕТАЦиклотронный комплекс Циклотронный комплекс

тяжелых ионов тяжелых ионов DCDC-110-110для производства для производства трековых мембрантрековых мембран

Проект БЕТАПроект БЕТАЦиклотронный комплекс Циклотронный комплекс

тяжелых ионов тяжелых ионов DCDC-110-110для производства для производства трековых мембрантрековых мембран

Объединенный институт ядерных исследований Объединенный институт ядерных исследований Лаборатория ядерных реакций им. Г.Н.ФлёроваЛаборатория ядерных реакций им. Г.Н.Флёрова

Дубна, РоссияДубна, Россия

2

производство трековых мембран на основе производство трековых мембран на основе полимерных пленок толщиной до 30 мкм.полимерных пленок толщиной до 30 мкм.

производство трековых мембран на основе производство трековых мембран на основе полимерных пленок толщиной до 30 мкм.полимерных пленок толщиной до 30 мкм.

Исходные данныеИсходные данные

Циклотрон должен ускорять пучки ионов Циклотрон должен ускорять пучки ионов ArAr , ,Kr Kr ,,Xe Xe - с фиксированной энергией 2,5 МэВ/нукл., с фиксированной энергией 2,5 МэВ/нукл., - с интенсивностью с интенсивностью ~ 1 p~ 1 pA ( 6A ( 610101212 частиц/сек.)частиц/сек.)

Оборудование должно быть простым и надежным.Оборудование должно быть простым и надежным.Время работы в режиме облучения пленки – 7000 час./год.Время работы в режиме облучения пленки – 7000 час./год.Срок создания – 2,5 годаСрок создания – 2,5 года

Циклотрон должен ускорять пучки ионов Циклотрон должен ускорять пучки ионов ArAr , ,Kr Kr ,,Xe Xe - с фиксированной энергией 2,5 МэВ/нукл., с фиксированной энергией 2,5 МэВ/нукл., - с интенсивностью с интенсивностью ~ 1 p~ 1 pA ( 6A ( 610101212 частиц/сек.)частиц/сек.)

Оборудование должно быть простым и надежным.Оборудование должно быть простым и надежным.Время работы в режиме облучения пленки – 7000 час./год.Время работы в режиме облучения пленки – 7000 час./год.Срок создания – 2,5 годаСрок создания – 2,5 года

35 мкм

-30

Пучок ионов

+30 30 мкм

полимерная пленка

Длина пробега ионов Kr в полиэтилентерефталате

22

24

26

28

30

32

34

36

1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5

Энергия ионов, МэВ/нукл.

Дл

ин

а п

ро

бега

, мкм

3

IC-100 CYCLOTRONIC-100 CYCLOTRONIC-100 CYCLOTRONIC-100 CYCLOTRONAxial Injection SystemAxial Injection System

4SUPERCONDUCTING ECR ION SOURCE SUPERCONDUCTING ECR ION SOURCE (18 (18 GHz) at IC-100 (2003)GHz) at IC-100 (2003)

5

Intensity of the accelerated and extracted ion beamsIntensity of the accelerated and extracted ion beams

(IC(IC-100-100 cyclotron, cyclotron, FebruaryFebruary 2007). 2007).

Element Ion A/Z FHF

MHz

Target beam current in the experiments

Maximum beam current

Neon 22Ne+4 5.5 20.160 0.7 μА

Argon 40Ar+7 5.714 20.200 2.5 μА

Iron 56Fe+10 5.6 20.240 0.5 μА

Krypton 86Kr+15 5.733 20.200 3.5 μА 3.5 μА

Iodine 127I+22 5.773 20.200 0.25 μА

Xenon 132Xe+23 5.739 20.180 3.7 μА 3.7 μА

Xenon 132Xe+24 5.5 20.180 0.6 μА

Tungsten 182W+32 5.6875 20.142 0.015 μА 0.015 μА

Tungsten 184W+31 5.9355 20.142 0.035 μА 0.035 μА

Tungsten 184W+32 5.75 20.142 0.017 μА 0.017 μА

6

DC-60 CYCLOTRONDC-60 CYCLOTRON

7

MAIN PARAMETERS OF ACCELERATED MAIN PARAMETERS OF ACCELERATED ION BEAMSION BEAMS


Ions Ions Li ÷ XeLi ÷ Xe

Mass to charge ratio A/ZMass to charge ratio A/Z 6 ÷ 126 ÷ 12

Energy of accelerated ionsEnergy of accelerated ions 0.30.355 ÷ 1.77 ÷ 1.77 MeV/nucleonMeV/nucleon

Energy spreadEnergy spread 2 %2 %

Discrete change of ion energyDiscrete change of ion energy Due to A/Z ratioDue to A/Z ratio

Smooth energy variation with Smooth energy variation with respect to nominal energy respect to nominal energy

-25 % / +25%-25 % / +25%Due to magnetic Due to magnetic field variationfield variation

8

Циклотрон Циклотрон DC-DC-110110

Циклотрон Циклотрон DC-DC-110110

ЦИКЛОТРОН ЦИКЛОТРОН DC-DC-111100

ВНЕШНИЙ ИСТОЧНИК ИОНОВВНЕШНИЙ ИСТОЧНИК ИОНОВ .. ТИПА ТИПА ECRECR

СИСТЕМА АКСИАЛЬНОЙ СИСТЕМА АКСИАЛЬНОЙ .. ИНЖЕКЦИИ ПУЧКА ИНЖЕКЦИИ ПУЧКА

22 КАНАЛА ПУЧКОВ КАНАЛА ПУЧКОВ .. УСКОРЕННЫХ ИОНОВ УСКОРЕННЫХ ИОНОВ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ .. ОБОРУДОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЕ

- вакуумная системавакуумная система

- электропитания и управленияэлектропитания и управления

- система охлаждениясистема охлаждения

- высокочастотного питаниявысокочастотного питания

Basic parameters of DC-110 cyclotron operating regime.

The accelerated ions 40 Ar 6+ 86 Kr 13+ 132 Xe 20+

Mass to charge ratio of accelerated ion, A/Z

6.667 6.615 6.6

Ions energy, MeV/n 2.52 2.52 2.52

Magnetic field, T 1.683 1.67 1.666

RF frequency 7.753 7.753 7.753

Harmonic of acceleration, n 2 2 2

Planned intensity of the extracted beams

12A(2 pA)

13 A(1 pA)

10 A(0.5 pA)

9

10

Базовой технической основой для разработки циклотрона DC-110 принят проект циклотрона DC-60, который создан в ЛЯР и введен в эксплуатацию в 2006 в г. АСТАНА (Казахстан)

Циклотрон Циклотрон DC-60DC-60

11

Сравнение основных параметров DC-60 и DC-110

ЦИКЛОТРОН DC-60 DC-110МАГНИТ

Магнитное поле 1,65 Тл 1,67 Тл

Диаметр полюса, мм 1620 2000

Длина ширина высота, мм 4000х1680х 2300 5400 х2100х 3860

Вес магнита 103,5 т 200 т

ВЧ СИСТЕМА

Частота 11,0-17,5 МГц 7,75 МГц

ИСТОЧНИК ИОНОВ «теплый» ECR, 14 ГГц(потреб. мощность 60 кВт)

«теплый» ECR, 18 ГГц(потреб. мощность 150 кВт)

УСКОРЯЕМЫЕ ИОНЫ

40 Ar 6+

86 Kr 13+

132 Xe 20+

40 Ar 6+

86 Kr 13+

132 Xe 20+

Энергия ионов 1,5 МэВ/нукл 2,5 МэВ/нукл

Интенсивность пучка в рутинном облучении пленки(1 pА = 61012част/сек) Аr

Kr Xe

ECR на мишени

10*(40) pА 1* pА

3 (6) pА 0,3 pА

1 (2) pА 0,1 pА

ECR на мишени

10 *(50) pА 1* pА

10 *(30) pА 1* pА

5 (10) pА 0,5 pА

12

ИОННЫЙ ИОННЫЙ ИСТОЧНИИСТОЧНИКК (сравнение

характеристик)

Ускоряемые ионы 40 Аr 6+ 86 Kr 13+ 132 Xe 20+

Отношение массы к заряду иона A/Z 6.667 6,615 6,60

Напряжение инжекции 20 кэВ 20 кэВ 20 кэВ

Интенсивность инжектируемого пучка ионов в рутинном облучении

20 pA (max 40 pA)

5 pA (max 10 pA)

1 pA (max 2 pA)

«теплый»ECR 14 ГГц

потребляемая мощность 60 кВт

Интенсивность выведенного пучка ионов при полной эффективности 10%

2 pA 12 A

0,5 pA 6,5 A

0,1 pA2 A


25 pA (max 50 pA)

15 pA (max 30 pA)

5 pA (max 10 pA)

«теплый»ECR 18 ГГц

потребляемая мощность 150кВт


2,5 pA 15 A

1,5 pA 20 A

0,5 pA10 A


25 pA (max 50 pA)

15 pA (max 30 pA)

10 pA (max 15 pA)

Сверх-проводящий

ECR 18 ГГцпотребляемая

мощность 20кВт


2,5 pA 15 A

1,5 pA 20 A

1,0 pA15 A

Beam intensity of the Ar, Kr, and Xe ionsproduced from the RIKEN 18 GHz ECRIS.

13

ЦиклотронЦиклотрон DC- DC-111100

14

ЦиклотронЦиклотрон DC- DC-111100

Dee

Sector

Vacuum Chamber

Axial Injection System

Dee

Center Plug

Центральная область циклотрона DC-110

Эскизный чертеж центральной области DC-110, и тестовые траектории ионов 86Kr13+ в течение первых 2-х оборотов.

Схема циклотрона ДЦ-110 с системой вывода

электростатический дефлектор

магнитный канал

выводная траектория

магнит вывода

18

Схема циклотрона ДЦ-110 с каналами транспортировки

19

Specialized Specialized channel for channel for

polymer film polymer film irradiationirradiation


Installation for polymer Installation for polymer film irradiationfilm irradiation

20

DC-60 DC-60 ЦИКЛОТРОНЦИКЛОТРОНОсновные результаты пусковых работ

* Транспортировка пучка по каналу аксиальной инжекции и захват в ускорение Расчетная трансмиссия: 0.7 - коэф. трансмиссии по аксиальному каналу,

0.7 - коэф. трансмиссии через инфлектор, 0.08 - коэф. фазового захвата без банчера (30)

К (сум.) = 4% (экспериментально получено – от 2 до5 %)* Коэффициент банчировки проектный 3,5 получен 2.7 - 3.7%,* Коэффициент вывода проектный 50% получен 61% – 66%,

* Коэффициент трансмиссии по каналам ~ 100% получен 95%

Ион Ток инж. пучка, мкА

Ток ускоренного пучка, мкА(при включенной системе банчировки пучка)

Ток выведенного пучка, мкА

Ток пучка на мишени, мкА

R= 120 мм R= 680 мм

84Kr 12+ 11.4 2.7 2.5 1.65 1.65

22% (30-40% -ДЦ-110)

92%

66%

100%

14.5% (20-25% -ДЦ-110)

Особенности и технические решения циклотрона ДЦ-110

Сравнение расчетного сформированного поля Bav и изохронного поля Bis.

Магнитная структура циклотрона ДЦ-110

I этап – формирование магнитного поля расчетным путем

Разность между сформированным и изохронным полем dB и фазовое движение центрального иона Phase

Частоты свободных колебаний Qr и Qz в зависимости от среднего радиуса орбит

Магнитная структура циклотрона ДЦ-110

Аксиальное движение ионов в системе вывода.

Среднеквадратичные значения огибающих (2σ) пучка в системе вывода

электростатический дефлектор

магнитный канал

выводная траектория

магнит вывода

Система вывода пучка циклотрона ДЦ-110

Магнитная структура ДЦ-110

Магнитный Магнитный каналканал

ДефлектоДефлекторр

Распределение магнитного поля на радиусах 75-92 см


Амплитуды гармоник возмущения магнитного поля при установки магнитного канала и компенсации среднего магнитного поля и 1-ой гармоники с помощью боковых секторных накладок - шимм.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

20

40

60

80

100

120

140

160B

n,

G

Radius, cm

1 2 3 5 6 7


Амплитуды радиальных колебаний ионов в зависимости от среднего радиуса орбит. Вверху – гармонические обмотки выключены, внизу – гармонические обмотки включены.


Блок азимутальных корректирующих катушек


Размещение основного MCh-1 и компенсирующего MCh-2 магнитных каналов и секторных боковых шимм.

Амплитуды гармоник возмущения магнитного поля без установки фальш-канала. При установленном фальш-канале нечетные гармоники исчезнут, а четные станут в 2 раза больше.


0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

20

40

60

80

100

120

140B

2, G

Radius, cm

Амплитуда 2-й гармоники магнитного поля в зависимости от радиуса при установленном фальш-канале


Амплитуды радиальных колебаний на конечных радиусах ускорения. Вверху – нет гармоник возмущения, внизу – учтена 2-я гармоника.


Траектории ионов в диапазоне азимутов 118-220°. Показаны также границы апертуры дефлектора и вертикальные пластины магнитного канала.

Вывод пучка из циклотрона ДЦ-110

0,4 0,6 0,8 1,0 1,20

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100U

d (kV

), K

e (%

)

Deflector aperture (cm)

Ud

Ke

Коэффициент вывода Ke и требуемое напряжение на

дефлекторе Ud в зависимости от его апертуры.

Вывод пучка из циклотрона ДЦ-110

1.65

1.652

1.654

1.656

1.658

1.66

1.662

1.664

1.666

1.668

1.67

1.672

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

R, m

<B

>, T

Формируемое

Изохронное

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 0.2 0.4 0.6 0.8

R,m

dB

, T

Влияние установки магнитного каналана среднее поле циклотрона

Изохронное поле и формируемое поле с установленными компенсаторами двух магнитных каналов.

Изменение среднего магнитного поля при установке одного магнитного канала. Компенсаторы влияния магнитного канала оказывают противоположное действие

Размещение основного MCh-1 и компенсирующего MCh-2 магнитных каналов и секторных боковых шимм.

Магнитная структура циклотрона ДЦ-110(расчет)

Методика создания магнитной структуры циклотрона ДЦ-110

1. Численное моделирование магнитной структуры (Получения функций влияния неточности изготовления)

2. Создание рабочего проекта3. Изготовление магнита.4. Измерение магнитных свойств железа, из которого изготавливается

магнит5. Уточняющие расчеты с использованием измеренных свойств железа.

- Вклада магнитного канала в распределения среднего поля - Вычисление распределения магнитного поля в отсутствие магнитных каналов (то что должно быть измерено и сформировано)

6. Измерение и формирование магнитного поля за счет доработки съемных шимов.

Форма магнитного поля из результатов измерений.

1.654

1.656

1.658

1.66

1.662

1.664

1.666

1.668

1.67

1.672

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

R, m

<B

>, T

Run63_2MCh

I110BB1005F12in2

Результат измерений в сравнении с расчетной формой поля Run63_2MCh.

ДЦ-110 ver.BB

0

0.0002

0.0004

0.0006

0.0008

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

R, m

А1

, T

I110BB1005F12in2

I110BB1005F12shift

Сравнение распределения амплитуды первой гармоники при смещении стартовой позиции

магнитометра на 90 градусов.

ДЦ-110 ver.BB

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

R, m

А2,

T

Run63_2MCh

I110BB1005F12in2

Амплитуда второй гармоники из расчетной карты поля и результатов измерений.

9

Высокочастотная система ДЦ-110

Резонатор

ДЦ-110Резонатор

F=7,75 0,280 МГц

W=72 кВт

Вакуумная система ДЦ-110

Система аксиальной инжекции и ионного источника

Вакуумная камера циклотрона

Каналы транспортировки

Камера облучения пленки

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05

Давление, Toр

Эф

фе

кти

вн

ос

ть п

ро

хо

жд

ен

ия

40 Ar 6+

132 Xe 20+

L = 4,8 м

86 Kr 13+

L = 4,9 м

Эффективности прохождения пучка ионов 40Аr6+, 86Kr13+ и 132Xe20+

в канале аксиальной инжекции (длина траектории ионов 4,9 м)в зависимости от среднего давления в ионопроводе.

Канал аксиальной инжекции ДЦ-110

1E-08

1E-07

1E-06

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5L, м

P,

To

р

P среднее = 1,5 10-7 Toр

S эфф = 800 л/с

Q Xe из ЭЦР-источника = 110-4

Toр л / с


S эфф циклотрон ~ 15 л/с

q = 310-9

Toр л / (с см2)

Q десорбции = 310-5

Toр л / с Q в циклотрон = 210-6 Toр л / с


ТМН ВВ-150

НВК 160-0,8

ТМН ВВ-150

НВК 160-0,8

Распределение давления в канале аксиальной инжекции, эффективные скорости откачки насосов по азоту 800 л/с, 130 л/с и 670 л/с;

ТМН ВВ-150: 150 л/с

ТМН ВВ-150: 150 л/с

НВК 160-0,8: N2 - 800 л/с,

H2O - 1700 л/с

НВК 160-0,8: N2 - 800 л/с,

H2O - 1700 л/с

Схема канала аксиальной инжекции циклотрона ДЦ-110

Вакуумная система канала аксиальной инжекции циклотрона ДЦ-110

Насос

Скорость откачки по

N2

(л/с)

Диаметр соединительного патрубка

Количество(шт.)

Турбомолекулярный ВВ500 500DN200ISO-K

4

Турбомолекулярный ВВ150(установлены на баках

ВЧ-резонаторов)150

DN100ISO-K

2

Криогенный НВК 400-6.5 6500DN400ISO-К

2

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.E-08 1.E-07 1.E-06 1.E-05

Среднее давление в вакуумной камере циклотрона, Тор

Эф

фе

кти

вн

ос

ть п

ро

хо

жд

ен

ия

132Xe20+

86Kr13+

40Ar6+

Эффективности прохождения ускоряемых пучков ионов 40Аr6+, 86Kr13+ и 132Xe20+ (до энергии 2,5 МэВ/нуклон) в зависимости от среднего давления остаточного газа в камере циклотрона.

1.00E-08

1.00E-07

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1

Радиус, м

Да

вл

ен

ие

, То

р

Q из канала инжекции = 210-6 Toр л / с

P_среднее (от центра до R_вывода) = 6,5 10 - 8 Toр

q = 710-6 Toр л / (с м2)

Радиальное распределение давления в вакуумной камере циклотрона(удельная скорость газоотделения с поверхности q ~ 710-6 Торл/(см2), газовый поток из канала аксиальной инжекции Q ~ 210-6 Торл/с),среднее давление (до радиуса вывода) ~ 6,510-

8 Тор.

Вакуумная система камеры циклотрона ДЦ-110

ТМН ВВ-500: 500 л/с

ТМН ВВ-150: 150 л/с

ТМН-ы ВВ - 500 : 7 х 500 л / с

Уст

анов

ка

для

обл

учен

ия п

лен

ки

ТМ

Н-ы

ВВ

-500

: 2

х 50

0 л/

с

Канал № 1

Канал № 2

Криогенные модули POLICOLD 70000 л/с

Схема каналов транспортировки ускоренных пучков на установки для облучения полимерной пленки

0.7

0.8

0.9

1

1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05 1.00E-04

Давление, Toр

Эф

фе

кти

вн

ос

ть п

ро

хо

жд

ен

ия

40 Ar 6+

132 Xe 20+

L = 21 м

86 Kr 13+

Эффективности прохождения ионов 40Аr6+, 86Kr13+ , 132Xe20+ ( с энергией 2,5 МэВ / нуклон ) в канале ускоренных пучков протяженностью 21 м в зависимости от среднего давления в ионопроводе.

Канал ускоренных ионов циклотрона ДЦ-110

3.4E-06

1E-07

1E-06

1E-05

1E-04

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

L, м

P,

To

р

P среднеe = 3,410-6 Toр 48000 л/с

15 л/с

Q в циклотрон= 310-6 Toр л/с

ТМН 120 л/с

20000 л/с

Турбо-молекулярные насосы7 x 450 л / с

Q_H2O = 1 Toр л/с

Policoldmodule

Policoldmodules

ТМН 450 л/с У

ста

но

вка

об

лу

че

ни

я

пл

ен

ки

ТМН 2x450 л/с

Распределение давления в канале облучения полимерной пленки

Вакуумная система канала облучения полимерной пленки циклотрона ДЦ-110

43

Structure of the control system

Converters RS-485 to Fiber Optic

Ethernet

RF SystemCABINET

HF SYSTEM CABINET

OU

T

IN

OU

T

IN

SM

AR

TB

OX

-5

RF SystemCABINET

RF SystemCABINET

OU

T

IN

OU

T

IN

SM

AR

TB

OX

-5

RF SystemCABINET

OU

T

IN

SM

AR

TB

OX

-5

RS-485 1 Máî ä

HV PLATFORM

UHF Generator

GM1718-02

RS-422 19,2 êáî ä

Ethernet

RS-485

QNX 4QNX 4

CONTROL ROOM

ETHERNET LlEVEL1

ETHERNET LlEVEL2

HUB N1

Main Operator Console

Operator Console

POWER SUPPLIES CABINETS

RF SystemCABINET

OU

T

IN

OU

T

IN

SM

AR

TB

OX

-5

RF SystemCABINET

OU

T

IN

OU

T

IN

SM

AR

TB

OX

-5

INJECTIONCABINET

CYCLOTRONCABINET

DIRECTINCABINETS

RS-485 500 káî ä

MobileConsole

Статус проекта ДЦ-110 на сегодняшний день

Здание промышленного центра БЕТА, в состав которого входит циклотрон ДЦ-110

Стенд магнитных измерений циклотрона ДЦ-110

Стенд ионного источника циклотрона ДЦ-110

Канал облучения полимерной пленки циклотрона ДЦ-110 на сборочном стенде

Диагностический бокс

Documents

Проект БЕТА Циклотронный комплекс тяжелых ионов DC -110 для производства трековых мембран