Формирование электромагнитных полей особо сложной конфигурации в циклотронах и детекторах частиц

• Автор: Ворожцов, Алексей Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Дубна
• Количество страниц: 104 с. : ил.

Цель работы
Научная новизна работы
Практическая ценность работы
Апробация работы
Публикации
Структура и объем диссертации
ГЛАВА I МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Интегральные характеристики поля
Mermaid
Радиально-секторная структура
Спирально-секторная структура
Комгот
Радиально-секторная структура
TOSCA
Радиально-секторная структура
Спирально-секторная структура
CBDA
Связанные проблемы
Математическое моделирование
Выводы
Глава II МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЦИКЛОТРОНА V1NCY
ВЧ система
Системы инжекции и вывода
Магнитная система
Система измерения поля
Компьютерные модели магнитного поля
ІІІИММИРОВАНИЕ ПОЛЯ ФЕРРОМАГНИТНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
ПОНДЕРОМОТОРНЫЕ СИЛЫ
Гармоники поля низшего порядка
Причины возникновения гармоник ошибок
Позиционирование датчика Холла
Измерение и коррекция 1-й гармоники магнитного поля
Вклады концентрических корректирующих обмоток
ИЗОХРОНИЗАЦИЯ магнитного поля
Электрическое поле
Динамические характеристики электромагнитных полей
Рабочая диаграмма
Выводы
Глава IIІ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТАМОЖЕННОГО ЦИКЛОТРОНА
Цшслотгон
Магнитная система
Поле в магнитопроводе
Поле в медианной плоскости
Практические вопросы проектирования магнита
Динамические характеристики электромагнитных полей
Свойства замкнутых равновесных орбит
Ускоренные орбиты
Выводы
ГЛАВА IV МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ДЕТЕКТОРА ATLAS (LHC, CERN)
Расчеты магнитного поля детектора

Формулировка проблемы
Секторы 12
Несущая конструкция (НБ)
Влияние шкафов с электроникой и другие локальные возмущения
Торцевые области
Пондеромоторные силы
Включение соленоида
Включение центрального тогоида
Р-сШп
Н8 структура
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Циклотрон - один из первых ускорителей зараженных частиц, который благодаря своим качествам (простота, надежность, низкая стоимость и т.д.) сохранил свое положение до сих пор во многих областях применения. В настоящее время насчитывается большое количество работающих установок этого типа во многих областях промышленности и науки, в широком диапазоне энергий и интенсивности ускоренных частиц. Естественно, сложно обсуждать в подробностях все такие применения и мы ограничимся лишь рассмотрением случаев, близких к теме данной работы.
В частности, в последнее время очень большое значение получило применение ииклотоонов в медииинских иелях. производство медицинских радиоизотопов и (протонная) терапия. В нижеприведенной Таб. 1 перечислены лишь некоторые действующие или строящиеся машины этого типа.
Таб. 1 Медицинские циклотроны
Фирна
ACCEL Instruments, Bergisch Gladbach
Ion Beam Applications (IBA), Louvain-la-Neuve
Ion Beam Applications (ЮА), Louvain-la-Neuve
Циклотрон
ACCEL
superconducting
cyclotron
Cyclone
Ускоряемая
частица

Cyclone 18/9, P,d
Конечная энергия, МэВ

18MeV proton /9MeV deuteron 10/5,
Интенсивность Применение пучка, цА
Proton beam therapy
350 pA can be upgraded to versions with intensities of 700 or 1500 pA
Production of radioisotopes for diagnostic imaging in SPECT (single photo emission computer tomography)
PET (positron emission tomography) radioisotope productions
Ссылка [1*], Рис
[2*], Рис. 2 Рнс.З
Ion Beam Applications (IBA), Louvain-la-Neuve
Cyclone

Proton beam therapy

Для производства медицинских изотопов широкое применение получили компактные специализированные циклотроны, ориентированные на ускорение одного типа частиц. Типичными представителями таких машин являются установки фирмы ГОА (Бельгия), где ускоряются, как правило, отрицательные ионы водорода с последующей их перезарядкой на обдирочной фольге при 100% выпуске пучка протонов дія дальнейшего использования вне ускорителя. Фирма выпускает циклотроны с различными максимальными энергиями пучка в диапазоне от нескольких МэВ до сотен МэВ и интенсивностями от десятков наноампер до сотен микроампер.

Однако в последнее время вновь вернулись к идее построения многоцелевых циклотронов для ускорения различных типов частиц с варьируемой конечной энергией, что позволяет более оперативно реагировать на быстроизменяющиеся требования к производству наиболее оптимальных и востребованных в данный период времени изотопов (М. Qaim :‘Low energy cyclotron is not always adéquate for production purposes. A medium-sized multiparticle machine may be more useful for production of new and emerging radionuclides’) [3*]. Примером такой машины может служить циклотрон VINCY (Белград, Сербия) [4*].
Отдельная область применения циклотронов связана с вопросами обнаружения взрывчатых веществ при проверке грузов в аэропортах и других общественных местах в рамках борьбы с терроризмом. Этой тематике посвящаются отдельные международные форумы, типа недавно состоявшейся в Швейцарии Гордоновской конференции [5*]. Примером такой машины может служить Таможенный циклотрон, разрабатываемый в ЛЯП им. В.П.Джелепова, ОИЯИ по заказу Лос Аламоской лаборатории (США) [6*].
Естественно, что и традиционные исследования в области ядерной Фишки также продолжают проводиться с применением циклотронных установок [7*].
В диссертационной работе рассматриваются вопросы создания компактных циклотронов, и, в частности, разработка магнитных систем этого типа ускорителей на основе современных компьютерных моделей, а также при помощи экспериментального формирования магнитного поля на полномасштабном магните циклотрона. Рассмотрены уже упоминавшиеся выше 2 циклотронные установки: циклотрон ВИНСУ и Таможенный циклотрон.
Рис. 1. ACCEL сверхпроводящий циклотроп
Рис. 1. IBA Cyclone 30 cyclotron

1. Определение токов корректирующих обмоток на основе расчетных их вкладов.
2. Измерение магнитного поля при включении обмоток с найденными токами.
3. Коррекция токов обмоток с учетом полученного различия полей в измерениях и расчетах.
4. Новое измерение магнитного поля при включении обмоток с модифицированными токами
и т.д.
Ввиду малости отклонений измерений от расчетов достаточно 2-х итераций по определению токов корректирующих обмоток для выбранного режима ускорения.
Для минимизации суммарной мощности корректирующих обмоток иногда возникает необходимость подбора соответствующего оптимального тока основной обмотки. Обычно для этого хватает 2-х итераций. Такая коррекция уровня поля помогает также удерживать максимальные токи корректирующих обмоток в пределах, определяемых номиналами имеющихся источников питания для этих обмоток.
OuîoutOATA;
imttnffl
B Program
"CSIBtrwV
Rcurv«p*1)»Rcurvi
Initial DATA tar MAIN PROGRAM Biaoehronoua. Rcurve(miti»[)-86cm
MAIN
PROGRAM
Initial DATA :
Bmean(lron) precalculated by MERMAID for a several value« of the (main PLUG V1D19
Output DATA : Rcurve[i]
(*86cm at the 1st iteration [M]) Biso(Rcurve)
Program
curve*
Initial DATA:
Precalculated Trim coil contribution» by MERMAID for a »everal Imain ltrim*200A
Initial DATA :
Bmaptflron) precalculated by MERMAID for a several values of the Imain PLUG VID19
Program 81 Trim Col
Output DATA: Interpolated Trim coil contribution« for lmain[i]f
H Output DATA:
I Interpolated Iron Field Map for ImainfQ I
Initial DATA : Bisochronous, Trim coll
resi«tances[Ohml
Program
OpbmalRcurve
aM output DATA, frfeàfef Ж jRcurve{l+1]
' r' 11 1 ;
♦ .. V-;: - [

Program 'Trim coil Pitting
FINAL OUTPUT DATA:
IsochroniKd Hold map Obtained values of the trim coil cumnts Total trim coils power Value of the main cod currant

Рис. 67. Процедура расчета токов корректирующих обмоток для изохронизацин поля
Изохронизация магнитных полей при различных уровнях тока основной обмотки была достигнута экспериментально на основе лишь расчетных вкладов полей концентрических корректирующих обмоток. Результаты показаны в Таб. 10 и на нижеприведенных рисунках.