1 Проект БЕТА Циклотронный комплекс тяжелых ионов DC-110 для производства трековых мембран Проект БЕТА Циклотронный комплекс тяжелых ионов DC-110 для производства трековых мембран Объединенный институт ядерных исследований Лаборатория ядерных реакций им. Г.Н.Флёрова Дубна, Россия

2 производство трековых мембран на основе полимерных пленок толщиной до 30 мкм. производство трековых мембран на основе полимерных пленок толщиной до 30 мкм. Исходные данные Циклотрон должен ускорять пучки ионов Ar,Kr,Xe Циклотрон должен ускорять пучки ионов Ar,Kr,Xe - с фиксированной энергией 2,5 МэВ/нукл., - с интенсивностью ~ 1 p A ( 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 года Срок создания – 2,5 года Циклотрон должен ускорять пучки ионов Ar,Kr,Xe Циклотрон должен ускорять пучки ионов Ar,Kr,Xe - с фиксированной энергией 2,5 МэВ/нукл., - с интенсивностью ~ 1 p A ( 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 года Срок создания – 2,5 года 35 мкм -30 Пучок ионов мкм полимерная пленка

3 IC-100 CYCLOTRON Axial Injection System

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

5 Intensity of the accelerated and extracted ion beams (IC-100 cyclotron, February 2007). ElementIonA/ZF HF MHz Target beam current in the experiments Maximum beam current Neon 22 Ne μА Argon 40 Ar μА Iron 56 Fe μА Krypton 86 Kr μА Iodine 127 I μА Xenon 132 Xe μА Xenon 132 Xe μА Tungsten 182 W μА Tungsten 184 W μА Tungsten 184 W μА

6 DC-60 CYCLOTRON

7 MAIN PARAMETERS OF ACCELERATED ION BEAMS DC-60 CYCLOTRON Ions Li ÷ Xe Mass to charge ratio A/Z 6 ÷ 12 Energy of accelerated ions 0.35 ÷ 1.77 MeV/nucleon Energy spread 2 % Discrete change of ion energy Due to A/Z ratio Smooth energy variation with respect to nominal energy -25 % / +25% Due to magnetic field variation

8 Циклотрон DC-110 ЦИКЛОТРОН DC-110 ЦИКЛОТРОН DC-110 ВНЕШНИЙ ИСТОЧНИК ИОНОВ. ТИПА ECR ВНЕШНИЙ ИСТОЧНИК ИОНОВ. ТИПА ECR СИСТЕМА АКСИАЛЬНОЙ. ИНЖЕКЦИИ ПУЧКА СИСТЕМА АКСИАЛЬНОЙ. ИНЖЕКЦИИ ПУЧКА 2 КАНАЛА ПУЧКОВ. УСКОРЕННЫХ ИОНОВ 2 КАНАЛА ПУЧКОВ. УСКОРЕННЫХ ИОНОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ. ОБОРУДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ. ОБОРУДОВАНИЕ - вакуумная система - электропитания и управления - система охлаждения - высокочастотного питания

Basic parameters of DC-110 cyclotron operating regime. The accelerated ions 40 Ar 6+86 Kr Xe 20+ Mass to charge ratio of accelerated ion, A/Z Ions energy, MeV/n 2.52 Magnetic field, T RF frequency7.753 Harmonic of acceleration, n222 Planned intensity of the extracted beams 12 A (2 p A) 13 A (1 p A) 10 A (0.5 p A) 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 DC-60

11 Сравнение основных параметров DC-60 и DC-110 ЦИКЛОТРОН DC-60DC-110 МАГНИТ Магнитное поле1,65 Тл1,67 Тл Диаметр полюса, мм Длина ширина высота, мм 4000х1680х х2100х 3860 Вес магнита103,5 т200 т ВЧ СИСТЕМА Частота11,0-17,5 МГц7,75 МГц ИСТОЧНИК ИОНОВ «теплый» ECR, 14 ГГц (потреб. мощность 60 кВт) «теплый» ECR, 18 ГГц (потреб. мощность 150 кВт) УСКОРЯЕМЫЕ ИОНЫ 40 Ar Kr Xe Ar Kr Xe 20+ Энергия ионов1,5 МэВ/нукл 2,5 МэВ/нукл Интенсивность пучка в рутинном облучении пленки (1 p А = част/сек) Аr Kr Xe ECR на мишени 10* (40) p А 1* p А 3 (6) p А 0,3 p А 1 (2) p А 0,1 p А ECR на мишени 10 * (50) p А 1* p А 10 * (30) p А 1* p А 5 (10) p А 0,5 p А

12 ИОННЫЙ ИСТОЧНИК ИОННЫЙ ИСТОЧНИК (сравнение характеристик) Ускоряемые ионы 40 Аr 6+86 Kr Xe 20+ Отношение массы к заряду иона A/Z ,6156,60 Напряжение инжекции 20 кэВ Интенсивность инжектируемого пучка ионов в рутинном облучении 20 p A (max 40 p A ) 5 p A (max 10 p A ) 1 p A (max 2 p A ) «теплый» ECR 14 ГГц потребляемая мощность 60 кВт Интенсивность выведенного пучка ионов при полной эффективности 10% 2 p A 12 A 0,5 p A 6,5 A 0,1 p A 2 A Интенсивность инжектируемого пучка ионов в рутинном облучении 25 p A (max 50 p A ) 15 p A (max 30 p A ) 5 p A (max 10 p A ) «теплый» ECR 18 ГГц потребляемая мощность 150кВт Интенсивность выведенного пучка ионов при полной эффективности 10% 2,5 p A 15 A 1,5 p A 20 A 0,5 p A 10 A Интенсивность инжектируемого пучка ионов в рутинном облучении 25 p A (max 50 p A ) 15 p A (max 30 p A ) 10 p A (max 15 p A ) Сверх- проводящий ECR 18 ГГц потребляемая мощность 20кВт Интенсивность выведенного пучка ионов при полной эффективности 10% 2,5 p A 15 A 1,5 p A 20 A 1,0 p A 15 A Beam intensity of the Ar, Kr, and Xe ions produced from the RIKEN 18 GHz ECRIS.

13 Циклотрон DC-110

14 Циклотрон DC-110

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

18 Схема циклотрона ДЦ-110 с каналами транспортировки

19 Specialized channel for polymer film irradiation DC-60 CYCLOTRON Installation for polymer film irradiation

20 DC-60 ЦИКЛОТРОН Основные результаты пусковых работ * Транспортировка пучка по каналу аксиальной инжекции и захват в ускорение Расчетная трансмиссия: коэф. трансмиссии по аксиальному каналу, коэф. трансмиссии через инфлектор, коэф. фазового захвата без банчера (30 ) К (сум.) = 4% (экспериментально получено – от 2 до5 %) * Коэффициент банчировки проектный 3,5 получен %, * Коэффициент вывода проектный 50% получен 61% – 66%, * Коэффициент трансмиссии по каналам ~ 100% получен 95% ИонТок инж. пучка, мкА Ток ускоренного пучка, мкА (при включенной системе банчировки пучка) Ток выведенного пучка, мкА Ток пучка на мишени, мкА R= 120 ммR= 680 мм 84 Kr % (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 Система вывода пучка циклотрона ДЦ-110

Магнитная структура ДЦ-110 Магнитный канал Дефлектор

Распределение магнитного поля на радиусах см Магнитная структура ДЦ-110

Амплитуды гармоник возмущения магнитного поля при установки магнитного канала и компенсации среднего магнитного поля и 1-ой гармоники с помощью боковых секторных накладок - шимм. Магнитная структура ДЦ-110

Амплитуды радиальных колебаний ионов в зависимости от среднего радиуса орбит. Вверху – гармонические обмотки выключены, внизу – гармонические обмотки включены. Магнитная структура ДЦ-110

Блок азимутальных корректирующих катушек Магнитная структура ДЦ-110

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. Магнитная структура ДЦ-110

Амплитуда 2-й гармоники магнитного поля в зависимости от радиуса при установленном фальш-канале Магнитная структура ДЦ-110

Амплитуды радиальных колебаний на конечных радиусах ускорения. Вверху – нет гармоник возмущения, внизу – учтена 2-я гармоника. Магнитная структура ДЦ-110

Траектории ионов в диапазоне азимутов °. Показаны также границы апертуры дефлектора и вертикальные пластины магнитного канала. Вывод пучка из циклотрона ДЦ-110

Коэффициент вывода K e и требуемое напряжение на дефлекторе U d в зависимости от его апертуры. Вывод пучка из циклотрона ДЦ-110

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 Численное моделирование магнитной структуры (Получения функций влияния неточности изготовления) Создание рабочего проекта Изготовление магнита Измерение магнитных свойств железа, из которого изготавливается магнит 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) Измерение и формирование магнитного поля за счет доработки съемных шимов.

Форма магнитного поля из результатов измерений. Результат измерений в сравнении с расчетной формой поля Run63_2MCh. Сравнение распределения амплитуды первой гармоники при смещении стартовой позиции магнитометра на 90 градусов. Амплитуда второй гармоники из расчетной карты поля и результатов измерений.

Высокочастотная система ДЦ-110 Резонатор ДЦ-110 Резонатор F=7,75 0,280 МГц W=7 2 кВт

Вакуумная система ДЦ-110 Система аксиальной инжекции и ионного источника Вакуумная камера циклотрона Каналы транспортировки Камера облучения пленки

Эффективности прохождения пучка ионов 40 Аr 6+, 86 Kr 13+ и 132 Xe 20+ в канале аксиальной инжекции (длина траектории ионов 4,9 м) в зависимости от среднего давления в ионопроводе. Распределение давления в канал е аксиальной инжекции, эффективные скорости откачки насосов по азоту 800 л/с, 130 л/с и 670 л/с; Схема канала аксиальной инжекции циклотрона ДЦ-110 Вакуумная система канала аксиальной инжекции циклотрона ДЦ-110

Насос Скорость откачки по N 2 (л/с) Диаметр соединительно го патрубка Количеств о (шт.) Турбомолекулярный ВВ DN200 ISO-K 4 Турбомолекулярный ВВ150 (установлены на баках ВЧ-резонаторов) 150 DN100 ISO-K 2 Криогенный НВК DN400 ISO-К 2 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. Радиальное распределение давления в вакуумной камере циклотрона (удельная скорость газоотделения с поверхности q Тор л/(с м 2 ), газовый поток из канала аксиальной инжекции Q Тор л/с), среднее давление (до радиуса вывода) 6, Тор. Вакуумная система камеры циклотрона ДЦ-110

Схема каналов транспортировки ускоренных пучков на установки для облучения полимерной пленки Эффективности прохождения ионов 40 Аr 6+, 86 Kr 13+, 132 Xe 20+ ( с энергией 2,5 МэВ / нуклон ) в канале ускоренных пучков протяженностью 21 м в зависимости от среднего давления в ионопроводе. Распределение давления в канале облучения полимерной пленки Вакуумная система канала облучения полимерной пленки циклотрона ДЦ-110

43 Structure of the control system

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

50 Основные параметры рабочих режимов циклотрона. УСКОРЯЕМЫЕ ИОНЫ 86 Kr Xe Аr 6+ Отношение массы к заряду, A/Z Энергия ионов, [МэВ/нуклон] 2.5 МАГНИТНАЯ СИСТЕМА Диаметр полюса магнита циклотрона, м 2 Среднее магнитное поле B о, [Тл] Рост среднего магнитного поля по радиусу B, [Гс] 45 ВЫСОЧАСТОТНАЯ СИСТЕМА Частота обращение ионов F ion, [МГц] Гармоника ускорения 444 Частота высокочастотной системы F ВЧ, [МГц] ИОННЫЙ ИСТОЧНИК ECR, 18 ГГц СИСТЕМА ВЫВОДА Электростатический дефлектор

51 ECR ION SOURCE F14 GHz18 GHz W total 68 kW150 kW B inj 1.23 T1.45 T B min 0.46 T0.58 T B extr 1.04 T1.25 T L mirror 20 cm Source length 40 cm Source diameter 44 cm Plasma chamber diameter 6.4 cm

52 Магнитная структура DC-110 Базовые параметры магнитопровода ЦиклотронDC-60DC-110 Диаметр полюса, мм Межполюсной зазор, мм Высота сектора, мм Внешний радиус сектора, мм Зазор сектор - сектор, мм3340 Зазор сектор - полюс, мм2025 Зазор пробка - пробка, мм88108

53 RF resonator DC-60 CYCLOTRON

54 DC-60 VACUUM SYSTEM Vacuum DesignReceived Axial injection channel and low energy beam channel Torr Torr (6-9) Torr Cyclotron chamber Torr (1-2) Torr Torr Torr Extracted beam channels Torr Torr Torr Pumping of cyclotron chamber for-vacuum pumps - ~ Torr 1 stage - for-vacuum pumps - ~ Torr turbo-molecular pumps- (1÷2) Torr 2 stage – turbo-molecular pumps - (1÷2) Torr - cryogenic pumps(5) Torr 3 stage - cryogenic pumps - (5) Torr Pumping units Turbomolecular pumps Cryogenic pumps Axial injection channel and low energy beam channel 5 units l/s 4 units l/s Cyclotron chamber 2 units l/s 4 units l/s 2 units l/s Extracted beam channels 7 units l/s - Dedicated channel for irradiation of polymer films 4 units l/s -

55 Track Membranes Fabricated at DC-60 Track Membranes Fabricated at DC-60 Film irradiation by 84 Kr 12+ ion beam - Ion Energy 1,0 MeV/nucl - Beam Current on Irradiation Surface 100 nА - Speed of Film Rotation 5 cm s Dimensions of Beam Spot on the target vertical 100 mm horizontal 30 mm - Beam Scanning Frequency 100 Hz - Area covered by scanning beam mm Track Membranes Parameters Film thickness 12 m Pore diameter 0.38 – 0.4 m Pores density cm -2 Uniformity of pores density ±5% Angle inclination of pore axis wrt surface normal0±15º