Новое поколение циклотронов тяжелых ионов для прикладных исследований и промышленного применения

• Автор: Гикал, Борис Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Дубна
• Количество страниц: 166 с. : 92 ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. УСКОРИТЕЛИ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ ДЛЯ ПРИКЛАДНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ.

1.1 Краткий обзор ускорителен, применяемых для производства

трековых мембран и модификации материалов

1.2 Тенденции развития компактных циклотронов тяжелых ионов

1.3 Развитие циклотронов тяжелых ионов для прикладных задач в ЛЯР

ГЛАВА 2. КОНЦЕПЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЦИКЛОТРОНОВ

ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ ДЛЯ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ

И ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ

2.1 Ионный источник
2.1.1 Конструкция и параметры ионных источников
2.1.2 ЭЦР источники ЛЯР для циклотронов тяжелых ионов.
2.2 Аксиальная инжекция пучка
2.2.1 Принципы выбора параметров системы аксиальной инжекции
2.2.2 Центр циклотрона
2.2.3 Система банчировки пучка ионов в каналах аксиальной инжекции 42 циклотронов.
2.3 Магнитная структура циклотронов
2.3.1 Выбор магнитной структуры и способа шиммирования
2.3.2 Влияние фокусирующего магнитного канала на магнитное поле 55 циклотрона.
2.3.3 Влияние свойств конструктивных элементов магнитной структуры 61 циклотрона на магнитное поле.
2.4 Высокочастотная ускоряющая система
2.4.1 Выбор основных параметров высокочастотной системы
2.4.2 Конструкция основных узлов резонансной системы циклотрона
2.5 Система вывода пучка из циклотрона
2.5.1 Особенности вывода пучка тяжелых ионов низкой энергии методом 77 перезарядки
2.5.2 Вывод пучка с использованием электростатического дефлектора
2.6. Вакуумная система циклотрона
2.6.1 Исходные данные и требования к вакуумной системе циклотрона 85 тяжелых ионов
2.6.2 Структура вакуумной системы циклотрона, выбор оборудования и 88 технологий.
2.7. Выходы нейтронов и гамма-кваитов из конструкционных металлов
при бомбардировке тяжелыми ионами с энергией до 2,5 МэВ/нуклон
2.7.1 Расчет выходов нейтронов и гамма-квантов
2.7.2 Экспериментальные исследования выходов нейтронов из 96 конструкционных металлов при бомбардировке тяжелыми ионами с энергией 2,5 МэВ/нуклон
ГЛАВА 3. МОДЕРНИЗИРОВАННЫЙ ЦИКЛИЧЕСКИЙ
ИМПЛАНТАТОР ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ ИЦ
3.1 Описание ц основные параметры циклического имплантатора ИЦ
3.2 Система аксиальной инжекции пучка из ЭЦР источника ионов
3.3 Ускорение пучка ионов в циклотроне
3.4 Система вывода пучка ионов из циклотрона ИЦ
3.5 Канал транспортировки пучка и установка для облучения
полимерной плеыкн.

ГЛАВА 4. ЦИКЛОТРОН ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ ДЦ
4.1 Общее описание и компоновка циклотрона ДЦ
4.2 ЭЦР источник
4.3 Система аксиальной инжекции пучка
4.4 Магнитная структура
4.4.1 Расчет и моделирование магнитной структуры
4.4.2 Измерения и формирование магнитного поля циклотрона
4.5 Динамика пучка в процессе ускорения в изохронном циклотроне ДЦ

4.6 . Система вывода пучка
4.7 Система транспортировки пучков ионов
4.7.1 Каналы транспортировки пучков ускоренных ионов
4.7.2 Канал для прикладных исследований на пучках ионов низких 170 энергий
4.8 Вакуумная система циклотронного комплекса тяжелых ионов ДЦ
4.8.1 Численное моделирование процесса перезарядки ионов на 171 остаточном газе
4.8.2 Система вакуумной откачки циклотронного комплекса
4.8.3 Параметры вакуумной системы, полученные после завершения 185 пусковых работ
4.9 Система контроля и управления
4.10 Исследование режимов ускоренных пучков
4.10.1 Ускорение ионов криптона 84Кг+12 до энергии 1 МэВ/нуклон
4.10.2 Ускорение ионов азота I4N+2 до энергии 1 МэВ/нуклон
4.10.3 Ускорение ионов азота 14N+2 до энергии 1.32 МэВ/нуклон
4.10.4 Ускорение ионов аргона 40Аг+5 до энергии 0.58 МэВ/нуклон
4.10.5 Ускорение ионов азота 40Аг+7 до энергии 1.14 МэВ/нуклон
4.10.6 Ускорение ионов азота 40Аг+4 до энергии 0.65 МэВ/нуклон
ГЛАВА 5. ЦИКЛОТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ

5.1 Источник ионов
5.2 Система аксиальной инжекции пучка
5.3 Магнитная структура циклотрона
5.3.1 Магнит циклотрона
5.3.2 Магнитное поле циклотрона
5.3.3 Динамика движения пучка в процессе ускорения
5.4 Система вывода пучка
5.5 Высокочастотная система циклотрона
5.6 Каналы пучков и установка для облучения полимерной пленки
5.7 Вакуумная система ускорительного комплекса
5.7.1 Расчет требований и основных параметров вакуумной системы 225 циклотрона
5.7.2 Экспериментальные параметры вакуумной системы
5.8 Режимы работы циклотрона и ускоренные ионы
5.8.1 Коррекция вертикального положения пучка в системе вывода из 230 циклотрона
5.8.2 Экспериментальные исследования и оптимизация режима ускорения 234 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
(Основные результаты, полученные в диссертационной работе) ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ
Научные н прикладные аспекты использования пучков тяжелых ионов в области нанотехнологий.
Ионные треки экспериментально были обнаружены более 40 лет тому назад. Быстрые ионы с кинетической энергией в несколько МэВ/нуклон имеют высокую скорость выделения энергии по длине пробега иона в веществе до нескольких- МэВ/мкм. Это вызывает электронное возбуждение атомов и инициирует ряд специфических «эффектов» радиационного повреждения, таких как, например, формирование ионных треков, в области которых могут развиваться процессы локального плавления, аморфизации, создания необычных фаз (фазы высокого давления), а также генерация ударных волн и разрушение материала [1,2,3].
С помощью пучков тяжелых ионов удается изменять свойства поверхности материала и его слоев на глубину вплоть до нескольких десятков микрон. Уже сегодня пучки тяжелых ионов широко используются в электронной промышленности для легирования полупроводниковых материалов. Таким путем можно внедрять атомы любого элемента в любой заданный материал и создавать аморфные и диэлектрические слои в полупроводниках.
В промышленных процессах используются тяжелые ионы как с низкой энергией 10-100 кэВ на заряд, так и ускоренные до энергий 1-4 МэВ/нуклон.
Практическое внедрение технологий с использованием тяжелых ионов сдерживается, прежде всего, малочисленностью специализированных ускорителей промышленного применения, а также недостаточной изученностью физических процессов взаимодействия тяжелых ионов с твердыми телами.
Разработка и внедрение в практику новых «ядерных технологий», использующих высокоэнергетичные тяжелые ионы, идет по четырем основным направлениям:
- теоретические и экспериментальные исследования физики радиационного повреждения,
- радиационные эффекты от единичных актов взаимодействия высокоэнергетичных ионов с твердым телом,
- радиационно-ионная и ионно-трековая модификация материалов применительно к нанотехнологиям,
- разработка и создание специализированных комплексов на базе ускорителей тяжелых ионов промышленного применения.
Создание нано- и микроструктур
Нанокристаллические материалы представляют собой особое состояние конденсированного вещества - макроскопические ансамбли ультрамалых частиц с размерами до нескольких нанометров. Необычные свойства этих материалов обусловлены как особенностями отдельных наноструктур (нанокристаллитов), так и их коллективным поведением, зависящим от характера взаимодействия между наночастицами. Нанокристаллические материалы находят широкое применение в различных областях, включая биомедицину, химию, физику, электронику и материаловедение [5-6].
В соответствии с этим приобретают важность работы с использованием ускорительной базы по следующим направлениям:
- ионно-имплантационный синтез наноразмерных кластерных структур (радиационных дефектов и фаз выделений) в объеме твердого тела;

2.2 Аксиальная инжекция пучка
Система внешней инжекции пучка для циклотронов тяжелых ионов имеет ряд преимуществ, главные из которых — возможность использования внешнего ЭЦР источника ионов, отсутствие натекания рабочего газа из ионного источника в камеру циклотрона, возможность многомесячной работы циклотрона без остановок на профилактические работы [94,95,102].
Вместе с тем при создании системы аксиальной инжекции требуется решить ряд задач, которые бы обеспечили высокий коэффициент трансмиссии пучка по каналу инжекции и эффективный захват в ускорение,
1. Система транспортировки должна обладать хорошими оптическими свойствами, аксептанс системы должен быть согласован эмиттансом пучка ионного источника.
2. Требуется обеспечить достаточно высокий вакуум в канале внешней инжекции, чтобы избежать чрезмерных потерь пучка на остаточном газе.
3. Конструкция центральной области и инфлектора должна обеспечивать при повороте пучка из вертикального канала в медианную плоскость циклотрона эффективную фокусировку и фазовый захват ионов в процесс ускорения.
4. Важным элементом канала аксиальной инжекции пучка является система банчировки пучка, которая позволяет увеличить коэффициент захвата ионов в ускорение до 10 раз. При разработке системы инжекции следует учитывать влияние пространственного заряда, который увеличивает эмиттанс пучка и снижает эффективность банчировки.
2.2.1. Принципы выбора параметров системы аксиальной инжекции
Выбор типов элементов внешней инжекции и их параметров взаимосвязан. Динамика движения пучка в канале транспортировки от ионного источника до центра циклотрона должна рассматриваться как единая задача с оптимизацией движения пучка на первом обороте в циклотроне.
Общим, важным параметром для всех систем является диаметр ионопровода. Он должен быть компромиссным, учитывая, что увеличение диаметра улучшает условия транспортировки, уменьшает количество фокусирующих элементов, улучшаются также условия вакуумной откачки. Большая вакуумная проводимость ионопровода позволяет обойтись меньшим количеством средств откачки. Вместе с тем увеличение диаметра ионопровода ведет к резкому увеличению мощности фокусирующих элементов - примерно пропорционально квадрату диаметра. Исходя из опыта разработки и эксплуатации, для пучка тяжелых ионов можно считать диаметр ионопровода около 100 мм оптимальным для большинства систем [74, 84, 95, 106].
ЭНЕРГИЯ ИНЖЕКЦИИ
- Повышение энергии инжекции пука ионов в целом положительно сказывается на эффективности транспортировки пучка по каналу инжекции, поскольку это ведет к улучшению эмиттанса пучка из ионного источника, снижению влияния пространственного заряда. Это требование особенно важно для сильноточных инжекторов, а также для пучков высокозарядных ионов.
- Минимальный предел инюк устанавливает, динамика движения пучка в центре циклотрона, где должно быть обеспечено прохождение пучка вокруг конструктивных элементов центральной области [28, 44, 77].
- Выбранная энергия инжекции должна согласовываться с радиусом первого оборота в центре с тем, чтобы выполнить условие центровки пучка, которое прямым образом связано с уровнем магнитного поля, напряжением на дуантах и номером гармоники.
- Решая задачу выбора напряжения инжекции, нужно учитывать также технические возможности создания инфлектора, где должны быть обеспечены пробойные зазоры в