Разработка и исследование систем внешней инжекции отрицательных ионов водорода для циклотронов

• Автор: Григоренко, Сергей Викторович
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 154 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
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 Н7Д' для циклотронов СС-18/9, МСС-30/15,
3.4 Выводы
4. Исследование условий транспортировки пучка ионов Н' в тракте внешней инжёкции
4.1 Динамическая декомпенсация объемного заряда пучка ионов КГ. Программа ВКСОМР для моделирования динамики пучка в инжекторе
4.2 Особенности транспортировки пучка в спиральном электростатическом инфлекторе. Программа ШРЬЕСТОК. Оригинальные конструкции инфлекторов
4.3 Выводы
5. Выбор инжектора ионов для ускорителей циклотронного
5.1 Основные проблемы, возникающие на пути увеличения тока пучка отрицательных ионов, ускоряемого циклотроном
5.2 Особенности построения систем внешней инжекции цикл отронов
5.3 Оригинальные конструкции инжекторов, разработанные в НИИЭФА
5.4 Выводы

Введение
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. УЮК 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),
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

1.3 Результаты численного моделирования процессов переноса плазмы с отрицательными ионами через магнитный фильтр. Оптимальные условия генерации пучка ионов Н
Расчеты распределения концентрации отрицательных ионов вдоль магнитного фильтра выполнялись путем численного интегрирования уравнения (1.7)' методом Рунге-Кутта 4-го порядка, при условии, что электрическое поле и концентрации положительных ионов и электронов известны из аналитического решения (1.10). В уравнение (1.7) был также добавлен член, учитывающий разрушение ионов Н~ в результате обдирки на молекулах водорода. Значения скоростей реакций разрушения отрицательных ионов, входящих в это уравнение, взяты из таблицы 1.1. Расчет концентрации возбужденных молекул водорода производился с использованием выражения (1.1). При вычислении скорости реакции диссоциативного прилипания использовалась формула (1.8). При вычислении электронной температуры использовались выражения (1.11). Во всех расчетах использовались следующие неизменные условия: индукция поля фильтра Вх=0.01Тл (за исключением рис. 1.18); индукция поля вблизи поверхности постоянных магнитов (на боковой стенке ГРК) В0=0.1Тл; концентрация молекулярного водорода п/12=1-102 м (за исключением рис. 1.19); температура отрицательных ионов Тн.=0.5эВ (за исключением рис. 1.20); длина расчетной области Ь=0.05м; 8р1=0.002м2; N=10; концентрация ионов плазмы в плоскости ъ = 0 - п10=1-Ю18м'3;
концентрация атомарного водорода пн=1-1019м~3. Предполагалось, что концентрации нейтральных и возбужденных молекул, а также атомов постоянны во всем объеме источника. Предполагалось, что температура ионов Н" постоянна во всей расчетной области. Для отрицательных ионов граничные условия (концентрация и градиент концентрации в точке т=0) во всех случаях (кроме рис. 1.21) принимались нулевыми. Последнее предположение делалось на основании того экспериментального факта, что концентрация отрицательных ионов в достаточно плотной плазме с температурой электронов 5эВ весьма мала (ввиду малой скорости реакции образования ионов Н" по сравнению со скоростями реакций разрушения).
На рис. 1.13 показаны распределения концентрации отрицательных ионов вдоль оси источника (в области магнитного фильтра), соответствующие точкам на кривой с постоянным коэффициентом спада потенциала 17=-Зм1, представленной на рис. 1.12. Для всех распределений значение электронной температуры на границе (в точке у~0) принималось