Разработка и исследование систем внешней инжекции отрицательных ионов водорода для циклотронов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат технических наук Григоренко, Сергей Викторович

• Григоренко, Сергей Викторович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Григоренко, Сергей Викторович

Введение.

1. Основы создания плазменного источника отрицательных ионов водорода и дейтерия.

1.1 Элементарные процессы в плазменном источнике с магнитным фильтром.

1.2 Гидродинамическая модель переноса плазмы через магнитный фильтр.

1.3 Результаты численного моделирования процессов переноса плазмы с отрицательными ионами через магнитный фильтр. Оптимальные условия генерации пучка ионов Н".

1.4 Предпосылки создания плазменного источника отрицательных ионов для системы внешней инжекции циклотрона.

1.5 Выводы.

2. Экспериментальная база для исследования и наладки источников отрицательных ионов и систем внешней инжекции.

2.1 Экспериментальная база для исследования и наладки источников отрицательных ионов и систем внешней инжекции. Устройства для диагностики и юстировки ионного пучка.

2.2 Выводы.

3. Исследование источников отрицательных ионов водорода для систем внешней инжекции циклотронов.

3.1 Экспериментальная модель источника отрицательных ионов.

3.2 Исследование источника отрицательных ионов повышенной интенсивности.

3.3 Источники ионов КГ/Д" для циклотронов СС-18/9, МСС-30/15, СС-12.

3.4 Выводы.

4. Исследование условий транспортировки пучка ионов Н" в тракте внешней йнжёкции.77.7.7.777.77.77.тт.тт.тт.г..

4.1 Динамическая декомпенсация объемного заряда пучка ионов Н~. Программа DECOMP для моделирования динамики пучка в инжекторе.

4.2 Особенности транспортировки пучка в спиральном электростатическом инфлекторе. Программа INFLECTOR. Оригинальные конструкции инфлекторов.

4.3 Выводы.

5. Выбор инжектора ионов для ускорителей циклотронного типа.

5.1 Основные проблемы, возникающие на пути увеличения тока пучка отрицательных ионов, ускоряемого циклотроном.

5.2 Особенности построения систем внешней инжекции циклотронов.

5.3 Оригинальные конструкции инжекторов, разработанные вНИИЭФА.

5.4 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование систем внешней инжекции отрицательных ионов водорода для циклотронов»

В современной ядерной медицине широкое распространение-получили методы диагностики, характеризующиеся низким уровнем лучевой нагрузки на пациента, за счет использования короткоживущих (КЖ) или ультракороткоживущих (УКЖ) радионуклидов. КЖ радионуклиды, используемые для диагностики при помощи однофотонных компьютерных томографов (или гамма-камер), нарабатываются как на ядерных реакторах, так и на циклотронах. УКЖ двухфотонные радионуклиды, используемые для диагностики при помощи позитронно - эмиссионных томографов (ПЭТ), нарабатываются только на циклотронах. Потребность медицинских учреждений России как в диагностическом оборудовании (гамма-камеры, ПЭТ-томографы), так и в оборудовании, предназначенном для наработки КЖ и УКЖ радионуклидов (циклотроны), весьма высока [1].

За последние 10 лет смертность от онкологических заболеваний в нашей стране выросла до 13,8% и стала второй по значимости причиной смертности населения [2]. Ежегодно в России впервые выявляется около 480 тысяч случаев злокачественных новообразований. К сожалению, около 60% среди впервые регистрируемых пациентов выявляются на третьей и четвертой стадии заболевания, что снижает возможности лечения.

Для снижения смертности и инвалидности населения от онкологических заболеваний в 2009 году в рамках нацпроекта «Здоровье» начата реализация Национальной онкологической программы. В соответствии с этой программой к 2016 году в России будут действовать не менее 14 центров позитронно-эмиссионной томографии (сейчас действуют 6), 90 радионуклидных лабораторий и 7 отделений радионуклидной терапии, что, по прогнозам, повысит выявляемость онкологической патологии на ранних стадиях до 75% и значительно улучшит результаты лечения.

Кроме того, методы ядерной медицины (радионуклидная диагностика и терапия, лечение радиохирургическими методами и протонными пучками) все шире применяются при самых разнообразных социально-значимых заболеваниях - кардиологических, неврологических, эндокринологических и других. Инвестирование одного доллара в радионуклидную диагностику и лечение приносит государству от 4,5 до 6 долларов за счет эффективной ранней диагностики и своевременного и эффективного лечения.

В НИИЭФА им. Д.В.Ефремова разработаны циклотроны нового поколения серии СС (компактный циклотрон) с различной энергией ионного пучка: СС-12, СС-18/9, МСС-30/15 (цифры указывают энергию протонов/дейтронов в МэВ, достижимую на циклотронах) [3, 4, 5]. При условии оснащения специализированным комплексом мишенных устройств, -—эти—циклотроны—могут —применяться— для производства.целого-„ряда. медицинских радионуклидов, используемых в диагностике и контактной лучевой терапии. За последнее время изготовлено и поставлено заказчикам три циклотрона СС-18/9 и один циклотрон МСС-30/15. В ходе приемосдаточных испытаний этих ускорителей было показано, что параметры ускоренного пучка на мишени соответствуют проектным.

В настоящее время в Госкорпорации «Росатом» на базе циклотрона СС-18/9 разработан проект типового ПЭТ центра. Он включен в Федеральную целевую программу по созданию в РФ региональных медицинских центров.

Создание современных отечественных циклотронов серии СС стало возможным благодаря реализации ряда научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Результаты одной из этих работ, посвященной созданию систем внешней инжекции ионов НУД" для циклотронов, представлены в настоящей работе. Данная тема актуальна, поскольку система внешней инжекции является одной из наиболее важных и сложных систем циклотронов нового поколения.

Современные циклотроны, предназначенные для производства радионуклидов медицинского назначения, имеют следующие особенности, реализованные в циклотронах серии СС:

• Используется ускорение отрицательных ионов водорода или дейтерия.

• Ионный источник размещается снаружи циклотрона (внешняя инжекция).

• Вывод пучка из ускорителя на внешнюю мишень, а также регулировка его энергии, осуществляется при помощи перемещаемых графитовых фольг.

Метод перезарядки отрицательных ионов в положительные на графитовой фольге пришел на смену традиционному дефлекторному выводу, который имел ряд серьезных недостатков. В частности, это - трудность поддержания высокого напряжения и низкий коэффициент вывода. Часть пучка попадает на электроды дефлектора, вызывая их большую активацию. При прохождении пучка через тонкую фольгу заряд иона, а также кривизна ионной траектории в магнитном поле меняют свой знак на противоположный, и частицы свободно покидают ускоритель. Коэффициент вывода при этом практически равен единице.

Циклотроны нового поколения постепенно вытесняют циклотроны предыдущего поколения, имеющие дефлекторный вывод, либо работающие на внутреннюю мишень. Так, например, американская фирма, производящая радионуклиды для лечения рака простаты, эксплуатирует 14 циклотронов, ускоряющих протоны до энергии 18 МэВ, со средним током пучка 2 мА, на внутренние мишени [6]. Однако, обслуживание этих циклотронов проблематично и дорого из-за их высокой активации. При разработке современных циклотронов предъявляются весьма жесткие требования к уровню активации оборудования ускорителя. Поэтому, все строящиеся циклотроны с энергией пучка более 10 МэВ рассчитаны на работу с внешними мишенями, расположенными, как правило, в защищенных помещениях.

По мере совершенствования мишенных устройств для наработки радионуклидов требуется все большая интенсивность ионного пучка, выведенного из ускорителя, и, соответственно, растут требования к качеству и интенсивности инжектируемого пучка. Этим обусловлена актуальность проблем генерации и транспортировки пучков отрицательных ионов высокой интенсивности и яркости, которые рассмотрены в данной работе.

Одной из первоочередных задач при разработке систем внешней инжекции (СВИ) н овых циклотронов была задача создания эффективного источника отрицательных ионов Н"/Д\ При решении данной задачи учитывался опыт разработки источников отрицательных ионов, накопленный в НИИЭФА им. Д.В.Ефремова [7, 8], выполнялись расчетно-теоретические работы с целью выявления для выбранной модели мультипольного ионного источника с магнитным фильтром оптимальных условий для генерации, накопления и извлечения отрицательных ионов водорода.

Специально для проведения исследований макетов источников ионов Н", а таюке различных вариантов СВИ, был создан испытательный стенд «СВИЦ» (Система внешней инжекции циклотрона). Стенд укомплектован устройствами для измерения характеристик ионного пучка, а также системой его юстировки.

На оборудовании стенда «СВИЦ» были выполнены исследования целого ряда макетов мультипольного ионного источника, выявлены основные закономерности генерации пучка отрицательных ионов водорода, получены зависимости эмиссионных характеристик ионного источника, а также фазовых характеристик пучка, от основных параметров газоразрядной системы: тока разряда, давления плазмообразующего газа, потенциалов и геометрии плазменного и вытягивающего электродов, индукции и протяженности магнитного фильтра, диаметра эмиссионного отверстия и др.

По результатам проведенных исследований созданы и прошли успешную апробацию базовые модели источников отрицательных ионов, предназначенные для применения в СВИ циклотронов серии СС, а также Гатчинского циклотрона Ц-80.

На стенде «СВИЦ» были выполнены также исследования различных вариантов системы транспортировки пучка отрицательных ионов, моделирующих реальные СВИ циклотронов, измерены характеристики ионного пучка в камере диагностики, расположенной на выходе системы транспортировки. Результаты экспериментальных, а также расчетно-теоретических работ легли в основу алгоритма построения СВИ пучка отрицательных ионов для циклотронов.

Первый действующий макет СВИ был сооружен на циклотроне РИЦ-11, имеющем традиционное горизонтальное расположение медианной плоскости. На выходе спирального инфлектора был получен непрерывный пучок ионов Н" с током 0.8 мА и энергией 20 кэВ. На действующем образце были реализованы основные принципы построения СВИ. Полученный опыт был учтен при разработке конструкции СВИ циклотронов серии СС, а также Гатчинского циклотрона Ц-80.

Специально для наладки СВИ строящихся циклотронов, был создан испытательный стенд «ИНЖЕКТОР». На нем проверяется работа всей СВИ в комплексе, включая штатную вакуумную систему и систему электропитания, измеряются параметры ионного пучка на выходе инжектора, составляются и передаются заказчику протоколы испытаний. В условиях растущего спроса на циклотроны, входящие в состав медицинских диагностических комплексов, особую актуальность приобретает разработка вспомогательной измерительной, диагностической и юстировочной аппаратуры и приспособлений, разработка методик наладки, диагностики и ремонта.

Во всем мире существует тенденция к увеличению проектного тока ионного пучка, выведенного из ускорителя. Она определяется требованием увеличения производительности наработки отдельных видов радионуклидов, растущими возможностями мишенных устройств. Так, например, на современных циклотронах ТЯ-ЗО и СУСЬО!МЕЗО на внешней мишени получен пучок протонов со средним током свыше 1мА [9, 10]. При доведении величины этого тока до 10 мА циклотрон может быть использован в качестве первой ступени ускорительного комплекса, который генерирует нейтронный поток, управляющий подкритическйм реактором. Разработка таких электроядерных установок, предназначенных для безопасного производства электроэнергии, а также для трансмутации долгоживущих радионуклидов, проводятся сейчас во многих крупных научных центрах [6].

Однако, на пути увеличения тока пучка отрицательных ионов, ускоряемого циклотроном, возникает ряд проблем. Среди них большую важность имеют проблемы генерации интенсивного пучка отрицательных ионов и транспортировки его в центральную область циклотрона. Отдельные аспекты этих проблем рассматриваются в данной работе теоретически. Предложены расчетные модели, реализованные в компьютерных программах. Обсуждаются результаты расчетов и экспериментов.

В частности, внимание уделено разработкам:

• гидродинамической модели переноса плазмы в магнитном фильтре мультипольного ионного источника (именно в этой области создаются оптимальные условия для генерации и накопления отрицательных ионов);

• теоретической модели, описывающей эффект динамической декомпенсации собственного объемного заряда пучка отрицательных ионов в условиях развитых колебаний пучковой плазмы. Разработана компьютерная программа для моделирования динамики пучка ионов Н" в тракте СВИ с учетом эффекта динамической декомпенсации;

• методики расчета спирального электростатического инфлектора циклотрона, а также пакета компьютерных программ для расчета инфлектора.

В ряде научных исследовательских центров созданы кинетические модели мультипольного плазменного источника отрицательных ионов водорода (или дейтерия) с магнитным фильтром [11, 12]. Источник именно такого типа получил широкое распространение в СВИ циклотронов, предназначенных для наработки медицинских радионуклидов. В основе кинетических моделей лежит система уравнений баланса частиц и энергии, которая решается методом итераций при заданных макропараметрах газоразрядной системы. (Одновременно решается уравнение Больцмана для распределения электронов по энергиям, уравнения баланса, определяющие спектр колебательно возбужденных молекул Н2(у"), а также баланса атомов, молекул, электронов и ионных компонент Н2+, Н2+, Н3+, Н\) При этом, ввиду большой сложности, такие модели пренебрегают процессами переноса в плазме и, как правило, являются «точечными». Это означает то, что учет пространственных распределений не производится в предположении, что плазма ионного источника однородна и изотропна. Такое приближение интерпретируется как пространственное усреднение по объему реального источника.

Анализ данных кинетических моделей дает важную качественную информацию о поведении плазменной системы, в которой определяющую роль играют неупругие столкновения частиц. Точные количественные расчеты по таким моделям осуществить пока трудно. Это объясняется значительной неопределенностью сечения многих реакций в области малых энергий сталкивающихся частиц (менее 1эВ). Данные сечения известны из квантово-механических расчетов, их экспериментальное подтверждение еще впереди. В действительности, наблюдаемые в экспериментах концентрации отрицательных ионов, нередко превышают значения концентрации, предсказанные в результате моделирования, на порядок величины и более.

Существуют также и другие теоретические модели ионного источника данного типа - гидродинамические. В этих моделях, напротив, исследуются главным образом, процессы переноса частиц и энергии в плазме, а упрощение достигается за счет сокращения числа рассматриваемых кинетических реакций и участвующих компонент. Эти модели предназначены для поиска оптимальных условий генерации и извлечения отрицательных ионов, исследования влияния параметров магнитного фильтра и потенциала плазменного электрода на эмиссионные характеристики источника. Данные модели освещают основной механизм, лежащий в основе работы ионного источника — охлаждение электронов плазмы в поперечном магнитном поле до температуры, при которой их столкновение с возбужденными молекулами с наибольшей вероятностью ведет к образованию отрицательных ионов. С помощью данных моделей, и это важно подчеркнуть, можно анализировать и оптимизировать различные варианты конструкции источника. Конечно, получения точных количественных данных на основе анализа этих моделей ожидать трудно. Поэтому, несомненно, большую важность имеет накопление экспериментальных данных о работе ионных источников с различными вариантами геометрии.

Гидродинамические модели ионного источника развивались в работах [13, 14, 15]. Эти модели имеют следующие недостатки:

• Используется двухкамерная модель с бесконечно тонким магнитным фильтром между ними, тогда как большинство реальных источников имеет фильтр заметных размеров, вплотную примыкающий к плазменному электроду.

• Используется численная модель переноса электронной компоненты плазмы через тонкий магнитный фильтр. Однако, перенос плазмы поперек сильного магнитного поля, используемого в фильтрах источников Н", определяется не электронной, а ионной компонентой плазмы [16].

• Баланс отрицательных ионов в области магнитного фильтра не рассмотрен.

• Охлаждение электронов плазмы в поперечном магнитном поле источника исследовалось в работах [13,14,15]. Однако, полученные формулы для изменения электронной температуры являются полуэмпирическими.

Таким образом, можно считать обоснованной актуальность разработки более адекватной теоретической модели переноса компонент плазмы поперек поля магнитного фильтра в стационарном объемно-плазменном источнике отрицательных ионов. Наряду с этим, важно проведение экспериментальных исследований и выработка практических рекомендаций по разработке конструкции источника, предназначенного для использования в СВИ циклотронов.

Другой, не менее важной проблемой, является проблема транспортировки интенсивного пучка отрицательных ионов. В большинстве вариантов конструкции циклотронов ионный источник находится на значительном удалении от центральной области циклотрона (2 метра и более). Транспортировка и согласование эмиттанса пучка с аксептансом инфлектора осуществляется, как правило, при помощи магнитных фокусирующих элементов - соленоидальных и квадрупольных линз и поворотных магнитов. Особенностью ионного инжектора с плазменным источником является натекание газа в канал транспортировки пучка. В результате ионизации газа пучком в канале транспортировки накапливаются вторичные заряженные частицы, которые компенсируют собственный объемный заряд пучка.

Коллективные процессы, связанные с возбуждением пучком спектра собственных колебаний плазмы, приводят к нагреву частиц пучка, а также к динамической декомпенсации объемного заряда пучка [17].

Эффект возбуждения ионных колебаний плазмы быстрым пучком отрицательных ионов был впервые обнаружен и исследован в Институте физики АН УССР исследовательским коллективом под руководством М.Д. Габовича [18]. Этот же коллектив развивал теорию компенсации и декомпенсации пространственного заряда интенсивного пучка отрицательных ионов, проводил экспериментальные исследования [19, 20, 21]. Одновременно, велись экспериментальные исследования в лаборатории Лос-Аламоса [22] и теоретические исследования в Физико-техническом институте г.Сухуми [23, 24, 25].

Вместе с тем, хотя основные теоретические положения сформулированы, прикладные аспекты теории компенсации требуют дальнейшей проработки. В частности, получение аналитических выражений для вычисления самосогласованного электрического поля в декомпенсированном пучке отрицательных ионов в условиях развития ион-ионной неустойчивости является актуальной задачей, поскольку эти выражения могут быть использованы в прикладных вычислительных программах для расчета динамики пучков в реальных ИОС. Ранее, учет эффектов компенсации и декомпенсации в расчетах динамики пучков проводился с использованием эмпирических зависимостей, полученных из отдельно взятых экспериментов. Таких данных, к сожалению опубликовано слишком мало, для того чтобы можно было проводить интерполяцию в широком диапазоне экспериментальных условий.

Следует также отметить, и это подтверждено результатами экспериментов [21], что самосогласованное электрическое поле в декомпенсированном пучке имеет нелинейное распределение в радиальном направлении, в то время как в расчеты динамики пучка обычно закладывалось линейное распределение с заданной степенью нейтрализации объемного заряда.

Наряду с развитием теоретических моделей, весьма большую важность и актуальность имеет проведение экспериментальных исследований по данной проблематике на действующей установке, моделирующей СВИ пучка отрицательных ионов. Это дает возможность сравнения теории с экспериментом, а также позволяет накапливать экспериментальные данные о степени компенсации. Тем более, что публикации, в которых рассматривается вопрос компенсации объемного пучка отрицательных ионов в СВИ действующих циклотронов, крайне редки [26, 27].

Следует отметить, что попытки транспортировки интенсивного низкоэнергетичного (5.8 кэВ) пучка ионов Н" на большое расстояние (14 м) в СВИ циклотрона (Финляндия) при хорошем вакууме потерпела неудачу вследствие эффекта сильной декомпенсации объемного заряда пучка [26]. Только путем добавки тяжелого газа (аргона) в канал транспортировки удалось существенно повысить токопрохождение пучка.

При разработке СВИ одной из важных задач является согласование эмиттанса инжектируемого ионного пучка с аксептансом циклотрона. Для поворота пучка из аксиального канала в медианную плоскость циклотрона используется специальное устройство - инфлектор. В настоящее время на большинстве циклотронов с внешней инжекцией ионного пучка применяется спиральный электростатический инфлектор. Для успешного решения задачи согласования нужно иметь информацию об аксептансе инфлектора, зависимости аксептанса от конструктивных параметров инфлектора. Также важно знать какие требования предъявляются к пучку на входе в инфлектор для оптимального согласования его эмиттанса с аксептансом циклотрона.

Общая теория спирального инфлектора была разработана в ПИЯФ им. Б.П. Константинова [28]. Известная геометрия спирального инфлектора, впервые предложенная Бельмонтом и Пабо, а также расчетная модель движения «неосевых» частиц в нем, являются частным случаем указанной теории. Математический аппарат данной теории был использован при разработке методики, а также пакета компьютерных программ для расчета спирального инфлектора. Методика расчета предполагает:

• первоначальный выбор геометрии инфлектора в соответствии с исходными данными;

• анализ движения «неосевых» частиц по линейной модели (с использованием матриц перехода). Определяется аксептанс инфлектора, а также входной фазовый объем пучка, который пройдя через инфлектор, согласуется с аксептансом циклотрона. В ряде случаев возникает необходимость изменения углов наклона фазовых эллипсов аксептанса циклотрона для улучшения согласования. При этом (итерационно) вносятся изменения в геометрию электродов центральной области, проводятся расчеты аксептанса циклотрона. Затем уточняется геометрия инфлектора и входной согласованный фазовый объем пучка.

• Расчет трехмерного электрического поля в инфлекторе, который производится по отдельной программе. Расчетная область охватывает инфлектор с прилегающими областями. Использование трехмерного моделирования электрического поля позволяет учесть эффекты влияния на осевую траекторию и на динамику пучка краевых электрических полей. По результатам расчетов уточняется геометрия инфлектора. После этого выдается задание на его конструирование.

• Расчет динамики пучка в трехмерных электрических и магнитных полях области инфлектора с использованием входного фазового объема, полученного в результате расчета динамики пучка в СВИ. На его основании делается оценка ожидаемой максимальной величины тока ионного пучка, захватываемого в режим ускорения циклотроном.

Данная методика, а также пакет программ 1№ЪЕСТО!1, разработанный на ее основе, были успешно апробированы при создании инфлекторов циклотронов РИЦ-11, СС-12, СС-18/9, МСС-30/15, Ц-80.

Наряду с результатами расчетов инфлекторов, в данной работе приводятся также некоторые экспериментальные результаты, полученные в процессе испытаний работы СВИ в составе действующих циклотронов серии

СС, которые подтверждают правильность расчетов и выбранных конструкторских решений.

Цели работы

• Теоретическое и экспериментальное исследование плазменного источника отрицательных ионов с магнитным фильтром с целью определения его оптимальных эмиссионных характеристик.

• Разработка стационарного источника отрицательных ионов водорода и дейтерия с заданными параметрами, . предназначенного для использования в СВИ циклотронов.

• Теоретическое и экспериментальное исследование движения низкоэнергетичного пучка ионов Н" в условиях натекания газа в канал транспортировки. Создание программы расчета динамики ионного пучка с учетом эффекта динамической декомпенсации его собственного пространственного заряда.

• Исследование спирального электростатического инфлектора, предназначенного для поворота пучка из аксиального -канала в медианную плоскость циклотрона. Разработка алгоритма и пакета программ для расчета спирального инфлектора.

• Разработка СВИ для циклотронов серии СС, предназначенных для ускорения ионов водорода и дейтерия до энергий, обеспечивающих наработку радионуклидов, применяемых в ядерной медицине.

Научная новизна

• Предложены аналитическая модель переноса плазмы и численная модель переноса отрицательных ионов в области магнитного фильтра стационарного плазменного источника отрицательных ионов. Определены оптимальные условия генерации ионов Н" вблизи эмиссионного электрода.

• Предложен оригинальный вариант мультипольного стационарного источника отрицательных ионов водорода и дейтерия, отличающийся от известных конструкций отсутствием «плазменного» электрода, на который подается потенциал смещения.

• Развита теоретическая модель, описывающая процесс динамической декомпенсации собственного пространственного заряда пучка ионов Н" вследствие развития ионной пучково-плазменной неустойчивости. Получены аналитические выражения для распределения плотности ионов плазмы и стационарного нелинейного электрического поля в частично компенсированном пучке. Создана программа расчета динамики ионного пучка с учетом эффекта декомпенсации.

• Разработан пакет программ для расчета спирального электростатического инфлектора. Предложен способ оперативной регулировки положения инфлектора в центральной области циклотрона.

• Разработаны оригинальные системы внешней инжекции отрицательных ионов циклотронов с учетом требуемой величины тока пучка на выходе ускорителя.

Практическая ценность работы

• Разработана теоретическая модель плазменного источника отрицательных ионов водорода с поперечным магнитным фильтром, позволяющая определять концентрацию Н" вблизи эмиссионного отверстия при заданных параметрах газоразрядной системы: размерах газоразрядной камеры, токе разряда, давлении газа, потенциале плазменного электрода, протяженности и индукции магнитного фильтра. На основе результатов расчетов и экспериментов проведена оптимизация конструкции действующего макета источника Н~, а также разработан базовый вариант конструкции источника отрицательных ионов водорода и дейтерия, предназначенный для использования в СВИ циклотронов серии СС.

• На основе теоретической модели динамической декомпенсации собственного пространственного заряда пучка ионов Н" разработана программа численного моделирования динамики ионного пучка ОЕСОМР. Программа может применяться при расчетах динамики пучка отрицательных ионов в СВИ циклотронов, а также в других инжекторах отрицательных ионов с плазменным источником, характеризуемых требованием высокой интенсивности ионного пучка.

• Пакет программ ШБЪЕСТСЖ, предназначенный для расчета спирального электростатического инфлектора, был успешно апробирован при создании инфлекторов циклотронов РИЦ-11, СС-12, СС-18/9, МСС-30/15, Ц-80.

• Алгоритм построения системы внешней инжекции отрицательных ионов в циклотрон использовался при создании СВИ циклотронов РИЦ-11, СС-12, СС-18/9, МСС-30/15, Ц-80.

В основу настоящей работы положены результаты исследований, выполненных автором в НИИЭФА им. Д.В.Ефремова в период с 1994 по

2010 гг.

На защиту выносятся:

• Результаты численного моделирования процессов переноса плазмы, содержащей отрицательные ионы, в области магнитного фильтра стационарного плазменного источника отрицательных ионов.

• Результаты проектирования и экспериментальных исследований стационарного плазменного источника отрицательных ионов водорода и дейтерия, предназначенного для внешней инжекции в циклотрон.

• Результаты расчетно-теоретического и экспериментального исследования эффекта динамической декомпенсации собственного пространственного заряда пучка ионов Н", движущегося в тракте СВИ.

• Результаты разработки электростатических спиральных инфлекторов для циклотронов с внешней инжекцией ионного пучка.

• Результаты разработки СВИ для циклотронов, спроектированных в НИИЭФА им. Д.В. Ефремова.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 154 страницы машинописного текста, 103 рисунка, 8 таблиц и список литературы, включающий 70 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Григоренко, Сергей Викторович

5.4 Выводы

В параграфе 5.1 определены основные задачи, которые необходимо решать при необходимости увеличения тока пучка отрицательных ионов, ускоряемого циклотроном, а также предлагаются возможные способы их решения. К таким задачам относятся:

1) Задача генерации и формирования на выходе ионного источника пучка с максимальным током и эмиттансом, меньшим, чем аксептанс ускорителя.

2) Задача оптимизации аксептанса циклотрона.

3) Задача транспортировки пучка от ионного источника до центральной области циклотрона с минимальной потерей тока и минимальным ростом эмиттанса, а также обеспечения согласования эмиттанса пучка с аксептансом ускорителя.

4) Задача увеличения ' эффективности работы высокочастотного группирователя - банчера.

В параграфе 5.2 рассмотрены особенности построения систем внешней инжекции отрицательных ионов циклотронов. Приведены различные варианты ионно-оптической системы, применяемые в зависимости от требований к интенсивности пучка. Указываются особенности построения основных подсистем (вакуумной, электропитания и др.), характерные для СВИ отрицательных ионов.

В параграфе 5.3 дано краткое описание и сравнительные характеристики СВИ циклотронов РИЦ-11, СС-12, СС-18/9, МСС-30/15, Ц-80 производства НИИЭФА им. Д.В.Ефремова. Показано, на основании результатов расчетов, а в ряде случаев экспериментальным путем, что выбранные варианты СВИ обеспечивают получение проектных параметров пучка на выходе циклотронов.

Автор принимал непосредственное участие на основных этапах разработки СВИ всех указанных циклотронов:

• Выполнение предварительных расчетов и подготовка исходных данных для расчета ИОС;

• Расчет спиральных электростатических инфлекторов, выдача ТЗ на их конструирование;

• Подготовка технических заданий на конструирование СВИ;

• Курирование конструирования и изготовления СВИ;

• Руководство сборкой и наладкой СВИ на испытательном стенде;

• Наладка СВИ у заказчика, участие в проведении приемо-сдаточных испытаний циклотронов.

Заключение

1. Создана аналитическая модель процесса переноса компонент плазмы в области магнитного фильтра стационарного объемно-плазменного источника отрицательных ионов, учитывающая уход заряженных частиц на стенки ГРК. Получены аналитические распределения концентрации плазмы и потенциала вдоль оси ионного источника. Предложена одномерная численная модель переноса отрицательных ионов в области магнитного фильтра с учетом объемного механизма их образования и разрушения. Создана программа, реализующая указанные модели и позволяющая оптимизировать конструкцию источника отрицательных ионов.

2. В результате экспериментальных исследований двух макетов мультипольного источника ионов Н" с магнитным фильтром определены зависимости их эмиссионных характеристик от тока разряда, потенциалов плазменного, извлекающего и ускоряющего электродов, давления рабочего газа, индукции и протяженности магнитного фильтра. Данные результаты использовались при разработке ионных источников для СВИ циклотронов.

3. Разработаны и исследованы три модификации конструкции мультипольного источника отрицательных ионов. Первая модель позволяет генерировать пучок ионов Н" с током 5мА. Она разрабатывалась для СВИ циклотрона Ц-80. Вторая модель рассчитана на ток пучка ионов Н7Д" 2мА/1мА и используется в СВИ циклотронов СС-18/9, МСС-30/15. Третья модель обеспечивает генерацию пучка отрицательных ионов водорода с током 1.5 мА и используется в СВИ циклотрона СС-12.

4. Исследован эффект динамической декомпенсации объемного заряда пучка отрицательных ионов. Разработана программа для моделирования динамики пучка ионов Н" в тракте СВИ с учетом данного явления. Экспериментально показано, что при величине тока ионного пучка менее 2 мА эффект декомпенсации пространственного заряда за счет развития ионной пучково-плазменной неустойчивости не наблюдается.

5. Разработана программа расчета спирального электростатического инфлектора, применяемого для поворота пучка из аксиального канала в медианную плоскость циклотрона. Данная программа использовалась при создании инфлекторов циклотронов РИЦ-11, СС-12, СС-18/9, МСС-30/15, Ц-80. Разработан оригинальный вариант конструкции инфлектора с устройством перемещения, обеспечивающим оперативную регулировку его положения в центральной области циклотрона.

6. Разработаны СВИ отрицательных ионов водорода и дейтерия для циклотронов серии СС, которые применяются для наработки радиоизотопной продукции, используемой в ядерной медицине. Данные СВИ обеспечивают получение проектных параметров ускоренного пучка на мишенных устройствах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Григоренко, Сергей Викторович, 2011 год

1. Белов В.П., Богданов П.В., Василъченко H.H., Ворогушин М.Ф., Григоренко C.B. и др. Медицинский компактный циклотрон СС-18/9 // ВАНТ, серия «Электрофизическая аппаратура», выпуск 4 (30), С-Петербург, 2006, с.27-29.

2. Stammbach Th., Adam S., Mezger A., Schmelzbach P.A., Sigg P. Cyclotron performance and new developments // Proc. of the 8th Europ. Part. Acc. Conf., Paris, 2002, p. 159-163.

3. Аброян M.A., Голубев В.П., Комаров B.JI., Чемякин Г.В. Источники отрицательных ионов// Обзор ОД-4, НИИЭФА, 1974 г.

4. Jongen Y., Vanderplassche D., Cohilis P. High intensity cyclotrons for isotope production or the comeback of the positive ions // Proc. of the 14th Int. Conf. Cyclotrons, Cape Town, 1995, p.l 15-119.

5. Milton B.F. Commercial compact cyclotrons in the 90's // Proc. of the 14th Int. Conf. Cyclotrons, Cape Town, 1995, p.99-105.

6. Hiskes J.R., Karo A.M. Volume generation of negative ions in high density hydrogen discharges // Proc. of the 3rd Symp. on Production and Neutralization of Negative Ions and Beams, Brookhaven, 1983, p.3.

7. Skinner D.A., Berlemont P., Bacal M. Modeling of volume hydrogen negative ion sources // Proc. of the 5th Sy mp. on Production and Neutralization of Negative Ions and Beams, Brookhaven, 1990, p.557.

8. Holmes A.J.T. Plasma Physics modeling of H" sources // Proc. of the 6th Symp. on Production and Neutralization of Negative Ions and Beams, Brookhaven, 1992, p.101-106.

9. Ogasawara M., Yamakawa Т., Sato F., Ocumura Y. Transport processes through magnetic filter in negative ion source// Proc. of the 5th Symp. on Production and Neutralization of Negative Ions and Beams, Brookhaven, 1990, p.596.

10. Holmes A.J.T., McAdams R., Proudfoot G., Cox S., Surrey E., King R. Intense negative ion sources at Culham Laboratory//Rev. Sci. Instrum., 65(4), 1994, p.l 153-1158.

11. Рожанский В.А., Цендин Л.Д. Столкновительный перенос в частично ионизованной плазме//М.: Энергоатомиздат, 1988.

12. Удовиченко С.Ю. К теории декомпенсации объемного заряда ионного пучка // ЖТФ, №8, 1994, с. 104-112.

13. Габович М.Д., Джабаров Д.Г., Найда А.П. Эффект декомпенсации плотного пучка отрицательных ионов // Письма в ЖЭТФ, т.29, вып.9, 1979, с.536-539.

14. Джабаров Д.Г., Найда А.П. Пространственное развитие неустойчивости плотного пучка отрицательных ионов в разреженном газе // ЖЭТФ, т.78, вып.6, 1980, с.2259-2265.

15. Солошенко И.А. Пространственное усиление ионных колебаний плазмы, возбуждаемых быстрыми ионными пучками // Физика плазмы, т.8, вып. 1, 1982, с. 103-110.

16. Горецкий В.П., Найда А.П. Об условиях стабилизации ион-ионной неустойчивости пучка отрицательных ионов // Физика плазмы, т. 11, вып. 4, 1985, с.394-399.

17. Scherman J., Pitcher Е., Stevens R., Allison P. H" beam neutralization measurements in a solenoidal beam transport system // Proc. of the 6th Symp. on Production and Neutralization of Negative Ions and Beams, Brookhaven, 1992, p.686-694.

18. Ваганов Н.Г., Сидоров В.П., Удовиченко С.Ю. Моделирование системы формирования ионного пучка для многоканального ВЧ-ускорителя в инжекторе нейтральных атомов // ВАНТ, серия Термоядерный синтез, вып.4, 1992, с.36-39.

19. Удовиченко С.Ю. К теории декомпенсации объемного заряда ионного пучка // ЖТФ, №8, 1994, с.104-112.

20. Удовиченко С.Ю. К теории стационарного состояния разреженной ионно-пучковой плазмы // ЖТФ, №4, 1995, с.31-39.

21. Кио T., Baartman R., Dutto G., Hahto S., Arje J., Liukkonen E. H" source development for Jyvaskyla cyclotron // Proc. of the 16th Int. Conf. Cyclotrons, 2001, p.23 8-240.

22. Baartman R., Yuan D. Space charge neutralization studies of an H" beam // Proc. of the 1st Europ. Part. Acc. Conf., Rome, 1988, p.949-950.

23. Абросимов H.K., Решетников Д.В., Рябов Г.А. Теория спирального инфлектора для аксиальной инжекции в циклотрон // ЛИЯФ, Препринт №593, 1980.

24. Bacal M., Nicolopoulou E., Doucet H.J. Il Proc. of the Ist Symp. on Production and Neutralization of Negative Ions and Beams, Brookhaven, 1977, p.26.

25. Bacal M., Bruneteau A.M., Doucet H.J., Graham W.G., Hamilton G.W, //Proc.jof the 2 Symp. on Production and Neutralization of Negative Ions and Beams, Brookhaven, 1980, p.95.

26. Leung K.N., Ehlers K.W., Bacal M. II Review of Scientific Instruments, 52, 1981, p.1452.

27. Leung K.N., Ehlers K.W., Bacal M. Volume H" ion production experiments at LBL // Proc. of the 3rd Symp. on Production and Neutralization of Negative Ions and Beams, Brookhaven, 1983, p.67.

28. Cacciatore M, Capitelli M., Celiberto R., Cives P., Gorse C. Coupled solution of Boltzman equation and equilibrium vibrational kinetics in H2 // Proc. of the 5th Symp. on Production and Neutralization of Negative Ions and Beams, Brookhaven, 1990, p.74.

29. Skinner D.A., Berlemont P., Bacal M. Modeling of volume hydrogen negative ion sources // Proc. of the 5th Sy mp. on Production and Neutralization of Negative Ions and Beams, Brookhaven, 1990, p.557.

30. Holmes A.J.T., Lea L.M., Newman A.F., Nightingale M.P.S. II Review of Scientific Instruments, 58, 1987, p.223.

31. Bacal M., Bruneteau A.M. H" production and destruction mechanisms in hydrogen low pressure discharges // Proc. of the 3rd Symp. on Production and Neutralization of Negative Ions and Beams, Brookhaven, 1983, p.31.th

32. Jayamanna K., McDonald M., Yuan D.H., Schmor P. W. II Proc. of the 4 Europ. Part. Acc. Conf., Nice, 1990, p.647-649.

33. Hall R.I. , Cadez I., Landau M., Richou F., Shermann С. II Phys. Rev. Lett., 66, 1987, p.337.

34. Fukumasa O. Numerical studies on the optimization of volume-produced H" ions in the single-chamber system // J. Phys. D, Appl. Phys., 22, 1989, p.1668.

35. Hiskes J.R., Karo A.M. Generation of vibrationally excited H2 moleculs by H2+ wall collisions // Proc. of the 3rd Symp. on Production and Neutralization of Negative Ions and Beams, Brookhaven, 1983, p.125.

36. Wadehra J.M. Negative ion production via dissociative attachment to H2 II Proc. of the 6th Symp. on Production and Neutralization of Negative Ions and Beams, Brookhaven, 1983, p.46.

37. Berlemont P., Skinner D.A., Bacal M. Negative ion volume production mode // Proc. of the 3rd Symp. on Production and Neutralization of Negative Ions and Beams, Brookhaven, 1992, p.76.

38. Veresov O.L., Grigorenko S.V., JJdovichenko S.Yu. Plasma temperature optimization of H7D" source with step by step method for maximum beam current forming // Proc. of Int. Symp. Beam Dynamics and Optimization, Saratov, 1999, p. 168-170.

39. Вересов O.JI., Григоренко C.B., Удовиченко С.Ю. Условия формирования пучка НУД" в объемно-плазменном источнике с магнитным фильтром // ЖТФ, 2000, т.70, вып.2, с.95-102.

40. Вересов O.JI., Григоренко С.В., Удовиченко С.Ю. Электронный теплоперенос в магнитном фильтре объемно-плазменного источника Н /Д" // ЖТФ, 2000, т.70, вып.8, с.53-57.

41. Белъченко Ю.И., Димов Г.И., Дудников В.Г. Поверхностно-плазменный источник отрицательных ионов // ЖТФ, 1975, т.45, вып.1, с.68-73.

42. Leung K.N. et al. RF driven multicusp H" source // Review of Scientific Instruments, v. 62, 1991, p. 100.

43. Кио Т., Yuan D., Jayamanna K, McDonald M., Baartman R., Schmor P., Dutto G. Development of a 15 mA DC H" multicusp source for cyclotron // Proc. of the 14th Int. Conf. Cyclotrons, Cape Town, 1995, p.420-423.

44. Джаббаров Д.Г., Найда А.П. Движение положительных ионов в плазме, образуемой плотным пучком отрицательных ионов в газе // Физика плазмы, т.6, вып. 3, 1980, с.577-580.

45. Вересов О.Л., Григоренко С.В., Строкач А.П., Цыганков С.С. Результаты исследования источника ионов Н", предназначенного для использования в системе аксиальной инжекции циклотрона ГИЦ // Доклад на Школе физики ПИЯФ, 2007 г.

46. Габович М.Д., Симоненко Л. С., Солошенко И.А., Шкорина Н.В. II ЖЭТФ, т.67, вып.5, 1974, с.1710-1716.

47. Григоренко С.В., Удовиченко С.Ю. Динамика полностью и частично компенсированных пучков ионов Н" в системе внешней инжекции циклотрона // Труды 17-го Совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 2000, с. 102-104.

48. Григоренко С.В., Удовиченко С.Ю. Влияние пучково-плазменного взаимодействия на транспортировку ионов в инжекторе циклотрона // ЖТФ, 2003, №7, с.119-124.

49. Grigorenko S.V., Udovichenko S.Yu. Dynamics of negative ions in cyclotron injector in the presence of saturated beam-plasma instability // Thesis 9 Int. Workshop Beam Dynamics and Optimization, St.Petersburg, 2002, p.31.

50. Вересов О.Л., Григоренко С.В., Зуев Ю.В., Строкач А.П., Удовиченко С.Ю., Цыганков С.С. Исследование системы внешней инжекции пучка ионов Н" для циклотрона // ВАНТ, серия «Ядерно-физические исследования», выпуск 2 (43), Харьков, 2004, с.60-63.

51. Grigorenko S.V., Strokach А.Р. Optical characteristics of spiral inflectors for external injection into cyclotron // Thesis, 29-th European Cyclotron Progress Meeting, Dubna, 1994.

52. Григоренко С.В., Строкач А.П. Оптические характеристики спирального инфлектора циклотрона РИЦ-35 // Тезисы докладов 8-го Совещания по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине, С-Петербург, 1995.

53. Zuev Yu. A model for optimization of extraction in a plasma ion source // Proc. of Int. Symp. Beam Dynamics and Optimization, St.Petersburg, 2002, p.1-8.

54. Dutto G., Jayamanna К., Кио Т., McDonald M., Schmor P. W., Yuan D.H. H" ID' sources at TRIUMF // Rev. Sci. Instrum., Vol. 65 (4), 1994, p. 1189-1191.

55. Зуев Ю.В. Методы расчета и исследование согласующей оптики для ускоряющих структур с интенсивными пучками // Диссертация канд. физ.-мат. наук, НИИЭФА, С-Петербург, 1998.

56. Зуев Ю.В. Оптимизация оптического канала системы внешней инжекции пучка в циклотрон СС-18/9 // Труды Международной конференции «Устойчивость и процессы управления», SCP2005, С-Петербург, с. 165174.

57. Рис. П1 Принципиальная схема системы электропитания СВИ отрицательных ионов НУД" циклотрона МСС-30/15