Комплексное моделирование компактного циклотрона

• Автор: Смирнов, Виктор Леонидович
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Дубна
• Количество страниц: 125 с. : ил.

Содержание
Общая характеристика работы
Актуальность
Научная новизна:
Научная и практическая ценность:
Основные положения, выносимые на защиту
Апробация работы:
Личный вклад автора:
Публикации:
Структура диссертации:
Глава 1: Основные этапы моделирования компактного изохронного циклотрона
1.1 Расчет электромагнитных полей
1.2 Динамика частиц в электромагнитном поле
1.3 Пространственный заряд пучка
1.4 Резонансы
1.5 Программы численного моделирования динамики частиц в циклотронах
Глава 2: Моделирование HITFiL-циклотрона (IMP, Китай)
2.1 Расчет электромагнитных полей
2.2 Банчер
2.3 Центральная область циклотрона
2.3.1 Учет краевых полей инфлектора
2.3.2 Фазовая щель
2.4 Зона ускорения
2.4.1 Изохронность магнитного поля
2.4.2 Центрирование. Радиальные амтштуды
2.4.3 Резонансы
2.5 Выводная система
2.5.1 Гармоническая обмотка
2.5.2 Электростатический дефлектор
2.5.3 Корректор градиента магнитного поля
2.5.4 Магнитный канал
2.6 Улучшение операционных характеристик циклотрона
2.6.1 Трансмиссия
2.6.2 Качество пучка
Выводы
Глава 3: Расчет режимов ускорения па первой гармонике ускоряющего поля в AVF-циклотроне (RIKEN, Япония)
3.1 Режим ускорения протонов до энергии 20 МэВ
3.2 Режим ускорения протонов до энергии 30 МэВ
3.3 Новый способ уменьшения энергетического разброса в ускоренном пучке в
циклотроне
Выводы
Глава 4: Моделирование компактного циклотрона NIRS-930 (NIRS, Япония)
4.1 Расчет электромагнитных полей
4.2 Динамика пучка
Выводы

Глава 5: Моделирование линии транспортировки низкоэнергетического пучка
УСТАНОВКИ ПИВ (МБи, США)
5.1 Начальный проект
5.2 Структурные элементы
5.3 Динамика пучка
Выводы
Основные результаты работы
Список работ, опубликованных по теме диссертации
Цитируемая литература
Общая характеристика работы Актуальность
Со времени изобретения циклотрона прошло более 80 лет [1]. За это время построены сотни циклотронов во всем мире. Последние десятилетия характеризуются активным развитием, и использованием циклотронов, в большинстве своем компактных. Под классификацией «компактный» понимается общепринятое определение циклотронов со сплошным полюсом. Основные области применения циклотронов - исследования по ядерной физике, генерация и исследование радиоактивных ионов, прикладные применения, главным образом в медицине и для детектирования взрывчатых веществ, использование циклотронов в качестве инжекторов в другие ускорители. Компактность, простота в обслуживании и сравнительно низкая стоимость явились факторами, приведшими к всеобщей востребованности циклотронов. По всему миру существуют центры, занимающиеся разработкой циклотронов и исследованиями на них.
Независимо от цели применения циклотрона, будь то ядерная физика либо прикладные исследования, ускорительная установка представляет собой сложную систему. Стоимость создания компактного циклотрона на современном уровне оценивается десятками миллионов долларов и недопустимы ошибки на этапе проектирования ускорителя.
Основным инструментом на сегодняшний день при проектировании ускорителя является компьютерное моделирование, которое прочно заняло свое место в

ускорительной физике. Несомненно, важным и актуальным является создание максимально приближенных к реальности компьютерных моделей установок и комплексов программ, а также моделирование циклотрона как целого в комплексе с системами инжекции и вывода пучка, учитывая реалистичные трехмерные электромагнитные поля и влияние собственного поля частиц. При помощи таких моделей возможно моделировать динамику частиц и максимально полно «видеть физику», что дает уверенность, что спроектированный ускоритель после его создания будет иметь характеристики, близкие к заданным. В данной работе описаны методы и способы комплексного моделирования компактных циклотронов. Полученные наработки были использованы при исследовании динамики пучка в AVF-циклотроне (RIKEN, Япония) [АЗ], при моделировании HITFiL-циклотрона [А5] (IMP, Китай), при моделировании компактного циклотрона AVF-930 (NIRS, Япония) [А6] и при моделировании линии инжекции низкоэнергетического пучка для установки FRIB (MSU, США) [А7, А8]. Здесь речь идет как об участии в разработке новых циклотронных установок, так и в модернизации действующих. Разработанное при этом программное обеспечение для расчета динамики пучка в компактных циклотронах может быть также применено в экспериментах с пучком. В отделе новых ускорителей ОИЯИ существуют давние традиции развития теории и техники ускорения заряженных частиц на базе изохронных циклотронов [2, 3]. Диссертация является обобщением работ, выполненных в соответствии с научно-тематическим планом ЛЯП им. В.П. Джелепова, ОИЯИ в рамках проекта «Развитие циклотронного метода ускорения сильноточных пучков».
Цель работы состоит в реализации комплексного подхода к моделированию компактного циклотрона, включающего в себя расчет динамики частиц с учетом действия сил пространственного заряда пучка и связанный с этим расчет электромагнитных полей структурных элементов установки. Конечной целью таких расчетов является создание технических проектов для установок, находящихся в стадии разработки, а также выбор оптимальных параметров систем инжекции,

X, [ mm ] Y, [ mm ]

Phase RF, [ deg ]
Рис. 8. Начальное распределение частиц (10 ООО ионов) перед входом в банчер:
Рх, Ру, - поперечные моменты, W - энергия частицы.
Банчер представляет собой две параллельные сетки, между которыми создается разность потенциалов. Высокочастотное напряжение, подаваемое на сетки, имеет синусоидальную зависимость от времени. Расстояние между формирующими сетками равно 7 мм, прозрачность сетки равняется 87%.Инфлектор на данном этапе не был включен в расчет.
Поле пространственного заряда пучка рассчитывалось с помощью метода РІС [13], с использованием быстрого преобразования Фурье для решения уравнения Пуассона [14]. Эйлерова сетка содержала 105 узлов. Исследовалось влияние собственного поля пучка на распределение частиц в медианной плоскости циклотрона и на величину необходимого напряжения на сетках банчера. Расчеты показали, что при варьировании тока пучка от 0 до 200 мкА амплитуда необходимого напряжения на пластинах банчера изменяется от 290 до 330 Вольт. Критерием оптимальности величины напряжения был максимум эффективности банчера при ее оценке в медианной плоскости циклотрона. Под эффективностью
X, I mm