Главная » 2014»Август»30 » Скачать Методика и результаты оптимизации вакуумных систем циклотронных комплексов. Тихомиров, Александр Васильевич бесплатно
11:23 PM
Скачать Методика и результаты оптимизации вакуумных систем циклотронных комплексов. Тихомиров, Александр Васильевич бесплатно
Методика и результаты оптимизации вакуумных систем циклотронных комплексов
Диссертация
Автор: Тихомиров, Александр Васильевич
Название: Методика и результаты оптимизации вакуумных систем циклотронных комплексов
Справка: Тихомиров, Александр Васильевич. Методика и результаты оптимизации вакуумных систем циклотронных комплексов : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.20 / Тихомиров Александр Васильевич; [Место защиты: Объединенный институт ядерных исследований] Дубна, 2009 80 c. :
Объем: 80 стр.
Информация: Дубна, 2009
Содержание:
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
21 Радиальное распределение давления в вакуумных камерах циклотронов
22 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
31 Моделирование потерь ионов для циклотронов У-400 и У-400М
311 Численное моделирование и эксперименты по ускорению ионов кальция 40Са+5 на циклотроне У-400 с использованием внутреннего РЮ-источника
312 Потери ионов 48Са5+вследствие перезарядки на остаточном газе в канале аксиальной инжекции и в вакуумной камере циклотрона У-400
313 Сравнение расчетных эффективностей прохождения ускоряемых пучков в вакуумных камерах циклотронов У-400 и У-400М с экспериментом
32 Моделирование потерь ионов для проектирования вакуумной системы циклотронного комплекса БС-72
321 Потери ионов в канале аксиальной инжекции Т)С-12
322 Потери ускоряемых ионов вследствие перезарядки на остаточном газе в вакуумной камере циклотрона БС-72
323 Потери ускоренных и выведенных из ускорителя ионов в каналах внешних пучков БС-72
33 Моделирование потерь ионов для проектирования вакуумной системы циклотрона тяжелых ионов ИЦ-100
331 Сравнение результатов численного моделирования и эксперимента по ускорению ионов
34 Моделирование потерь ионов для проектирования вакуумной системы ускорительного комплекса БИВб
35 Оптимизация параметров проектируемой вакуумной системы канала масс-сепаратора МАБНА
351 Оценка требований к уровню вакуума в магните-сепараторе
МАБНА
352 Распределение давления в вакуумной камере канала масс-сепаратора МАБНА
36 Моделирование потерь ускоряемых ионов для проектирования вакуумной системы циклотрона DC-60
361 Расчет потерь пучка ионов на остаточном газе в вакуумной камере циклотрона
362 Расчет потерь пучка при транспортировке по каналу аксиальной инжекции и каналу пучков ионов низкой энергии
363 Транспортировка ионов в канале ускоренных пучков
364 Сравнение расчетных эффективностей прохождения ускоряемых пучков с экспериментальными результатами
Введение:
Актуальность работы
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 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 l-i-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).
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 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,
48 изотопа Са, который используется в ЛЯР для исследования ядерных реакций синтеза новых элементов с числом протонов в ядре Ъ—\ 10-И 18.
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.
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.
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 р аспр еде ленных).
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),
• ЭС-72 (Словацкая циклотронная лаборатория, г.Братислава, Словацкая Республика) и
• ЭС-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).
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, 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:
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/нуклон до 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 краткое содержание работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.
