Гексаполь на постоянных магнитах что это
Источник многозарядных ионов
Источник многозарядных ионов.
1 Конструкция и описание источника.
В качестве источника многозарядных ионов (МЗИ) используется источник на основе эффекта электронного циклотронного резонанса (ЭЦР-источник). В настоящее время источники этого типа являются наиболее подходящими источниками МЗИ для циклотронов как с точки зрения максимально возможного заряда ионов, так и с точки зрения интенсивностей получаемых ионных пучков. ЭЦР-источники МЗИ используются практически во всех крупных ускорительных центрах мира и охватывают широкий диапазон элементов периодической системы от Не до U. Их отличает высокая надежность, простота управления и достаточно большое время непрерывной работы: более тысячи часов при получении ионов газов и, как правило, более сотни часов для ионов твердых веществ.
Работа источника основана на резонансном поглощении СВЧ-волны (в нашем случае частотаГГц) электронами плазмы в районе резонансного магнитного поля. Магнитное поле в источнике служит как для создания резонансной зоны ( в нашем случае около 0.5 Т), так и для удержания плазмы в ионизациооной камере. С этой целью создается так называемая конфигурация «минимум В», когда суммарное магнитное поле имеет минимум в центре ионизационной камеры и возрастает во всех направлениях. Аксиальная компонента магнитного поля создается медными охлаждаемыми катушками с использованием специальной конфигурации «мягкого» железа для формирования требуемого распределения поля вдоль оси источника. Распределение аксиального поля показано на Рис. 2.
Радиальная компонента магнитного поля создается гексаполем из постоянных магнитов (материал NdFeB), который позволяет получить величину поля в районе стенки ионизационной камеры порядка 1 Т.
СВЧ-волна через высоковольтный изолятор и вакуумное окно вводится в ионизационную камеру. Ионизационная камера является охлаждаемой с целью защиты постоянных магнитов гексаполя от нагрева. Ионизационная камера вместе с гексаполем изолированы от корпуса источника до 25 кВ, что позволяет извлекать ионный пучок с
Рис. 2. Аксиальное распределение магнитного поля ЭЦР-источника
Электрический генератор без торможения вращению.
В наш 21 век, электричество это энергия цивилизации. Чтобы его получить, используются в 98% случаев электромеханические альтернаторы/генераторы.
В принципе, конструктив синхронного электрогенератора, свою конструкцию не меняет с конца 19 века. Неподвижный статор с фазными обмотками (внутренний или внешний) и подвижный электромагнитный ротор (внутренний или внешний). Возбуждение практически всех промышленных электрогенераторов электромагнитное. Более простые модели, супер малого класса, используют возбуждение постоянными магнитами.
У данных генераторов есть существенный недостаток, это электромагнитный момент машины, который формируется в момент индукции тока в обмотке фазы. Если простым языком, в метрике мощности, то при индукции 1 кВт электрической мощности, на валу генератора, возникает механическая мощность торможения приводного двигателя, равная минимально 1,2 кВт. Особенность данных генераторов в том, что они генерируют переменный ток, близкой к синусоиде. Их возможно подключить к электросистеме, и что очень важно, через трансформацию напряжения, подключить конечного потребителя промышленного или бытового.
Чтобы создать установку электромеханического преобразования с коэффициентом эффективности большей единицы, необходимо иметь мотор у которого показатель ввода электрической мощности значительно ниже выхода механической мощности на валу. Мы это вопрос рассматривать не будем. Рассмотрим вариант генератора у которого электромагнитный момент сведен к минимуму, а мощность соответствующая.
Этот генератор парня из Индонезии по имени Сяир Путра (Syair Putra).
Парень хотел вероятно объяснить, что электромагнитный момент сведен к минимуму. К сожалению кроме этого видео, которое было удалено с канала автора, схемы и объяснения автора более по данной конструкции нет.
Перекрытие или замыкание магнитного потока подвижными шторками, не ново и так:
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ
Предыстория изобретения
Данное изобретение относится к использованию энергии, накопленной в полях постоянных магнитов. Эта энергия используется в первичных двигателях, способных производить работу без добавления энергии из внешнего источника.
В настоящее время мир сталкивается с кризисом, вызванным нехваткой источников энергии. Людей повсюду просят экономить энергию всеми возможными способами. И ученые усердно ищут новые источники энергии и способы более эффективного использования традиционных источников.
Краткое описание изобретения
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой схематический вид одного варианта двигателя с постоянными магнитами, сконструированного в соответствии с настоящим изобретением.;
На рис. 2 представлен план одной из поворотных заслонок, используемых в качестве магнитного экрана в устройстве на рис. 1;
На фиг. 3 представлен схематический вид второго варианта осуществления изобретения с установленным магнитным экраном; и
На рис. 4 представлен схематический вид устройства на рис. 3 с магнитным экраном, снятым между постоянными магнитами.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
Изобретение будет легче понять, обратившись к рисунку 1, который представляет собой схематический вид первой формы изобретения, которая может использовать либо притяжение, либо отталкивание магнитных полей для создания возвратно-поступательного движения в первичном двигателе. Пара постоянных магнитов 1 и 3 расположены на расстоянии друг от друга с намагничиваемым элементом 5 расположен между ними. Элемент 5 показан с соединенными с ним рычагами 7 и 9. Рычаг 7 также соединен с приводным звеном 11 который предусмотрен для преобразования возвратно-поступательного движения элемента 5 к вращательному движению посредством эксцентрикового соединения с круговым элементом 13.
Элемент 5 подпружинен в положении, показанном с помощью пружин 15, 17, 19 и 21. Смещающие звенья 23 и 25 соединяют рычаги 7 и 9 к весенним членам.
Пара вращающихся элементов 27 и 29 затвора установлена на валу 31, который концентричен общей оси постоянных магнитов 1 и 3 и намагничиваемого элемента 5. Вал 31 приводится в движение подходящим устройством, таким как двигатель 33, показанный на рисунке.
На рис 2 показан план поворотного затвора 27 показанного на рис 1. Затвор 27 содержит вырезные участки 35 и 37 и участки 39 и 41 из магнитного экранирующего материала. Положения магнитных экранирующих частей жалюзи 27 и 29 смещены друг от друга на 90 градусов, так что, когда жалюзи 27 обнажают полюсные части постоянного магнита 1, жалюзи 29 экранируют полюсные части постоянного магнита 3.
В работе электродвигателя 33 вращается вал 31 и прикрепленные к нему поворотные заслонки 27 и 29. При воздействии полюсных наконечников одного из постоянных магнитов к нему притягивается намагничиваемый элемент 5, так как в то же время полюсные наконечники другого постоянного магнита будут экранированы. По мере того как затвор продолжает вращаться, полюсные наконечники каждого магнита будут попеременно выставляться и экранироваться, заставляя намагничиваемый элемент 5 совершать возвратно-поступательные движения между постоянными магнитами с помощь со стороны смещающих пружин, одна пара которых будет сжиматься, а другая-натягиваться. Круговое колесо 13 служит средством отбора мощности и преобразует возвратно-поступательное движение намагничиваемого элемента 5 в круговое движение вращения вала.
Когда магнитный элемент 57 затвора, который действует как магнитный экран между постоянными магнитами 45 и 47, удаляется, как показано на фиг.4, магниты 45 и 47 отталкиваются друг от друга и сжимают пружины 53 и 55. Когда элемент 57 затвора снова помещается между магнитами 45 и 46, сжатые пружины 53 и 55 возвращают магниты 45 и 47 обратно в положение, показанное на фиг. 3. Периодическое действие элемента 57 затвора будет производить периодическое возвратно-поступательное движение, которое может быть преобразовано в полезное вращательное движение осуществляется круговыми колесами 59 и 61. Затвор 57 может быть установлен с возможностью вращательного движения аналогично затворам 27 и 29 на фиг.1.
Друзья, интереснейшая идея создания соответствующего генератора, (по типу обратимости электромашин), у которого электромагнитный момент снижен к возможному минимуму.
Небольшой эскиз из записей Джона Эклина и решение:
И решение которое уже есть в сети
В конструкции имеем катушки с сердечниками и магниты, которые зазором ориентированы по полюсам катушки. В зазоре вращается (iron) железная шторка размыкая и замыкая условный магнитный поток. Шторки расположены со сдвигом перекрытия или замыкания потока. В этой конструкции получим пульсирующее поле но КПД установки буден низкий. Тем более, у самого Автора была немного иная концепция построения генератора:
В его версии катушка с сердечником, находится между параллельно ориентированными магнитами, которые ориентированы разными полюсами. Шторки на валу ориентированы чтобы замыкать потк через сердечник поочерёдно. Таким образом полюса катушки, будут перемагничиваться, соответственно поле которое будет воздействовать на обмотку вокруг сердечника, способно индуцировать ЭДС, и при подключении нагрузки ток. Вопрос в другом в создании установки мощностью хотя бы 500 ватт для выдачи потребителю. Примеры создания таких устройств есть
Это уже интересный образец который достоин внимания, Катушки и магниты стационарные, вращаются только диски со шторками. Сайт: Magnetfeld und Induktion – Der Low Lenz Fluxgenerator
Как работает генератор потока Low Lenz? Low Lenz Fluxgenerator Статически расположенные неодимовые магниты и статические катушки, между магнитом и катушкой вращающийся железный диск с отверстиями. Магнитный поток проникает в катушки всякий раз, когда в диске появляется окно, и отрезается, когда железо скользит между магнитом и катушкой. Это дает вам колебательное магнитное поле, которое возбуждает катушки. При этом используется свойство магнитного поля иметь возможность перемещать металл с очень небольшим сопротивлением в магнитном поле.Таким образом, вы справляетесь с обычным эффектом рулевого управления, который тормозит на обычных генераторах с силовым эффектом. Вы можете легко вращать ось с железными дисками двумя пальцами руки. Это не работает с обычными генераторами или электродвигателями.
Неодим и железо. Очень интересно наблюдение, что вы можете генерировать переменный ток от 210 до 240 вольт, а приводной двигатель вращается измеримо быстрее и тянет меньше входной энергии, как только вы надеваете нагрузку и потребляете генерируемую электроэнергию. В этом случае в видео это лампы. Выход был усилен толстыми железными пластинами, установленными слева и справа рядом с магнитами.Похоже, что с помощью железных пластин можно физически перетащить рассеивающее магнитное поле неодимовых магнитов внутрь к центру генератора и тем самым значительно уплотнить поле. Разница с железными пластинами и без них действительно огромна.
Я же склонен, к системе прерывания потока, так как металлическая шторка из ферромагнитного материала будет иметь свойства возникновения в теле шторки, токов Фуко
Полагаю, что необходимо найти решение, это решение импульсной генерации озвучу в в новой редакции «Ротовертер для Чайника»
Типичная схема циклотрона тяжелых ионов приведена на рисунке 2.1. Внешний источник ионов установлен сверху на магните циклотрона. Пучки ионов ЭЦР источника могут инжектироваться по каналу аксиальной инжекции в центр циклотрона для ускорения, либо транспортироваться по каналу на физическую установку для проведения экспериментов на пуках низкой энергии. Ускоритель может комплектоваться несколькими каналами пучков ионов высокой энергии в зависимости от поставленных задач. В приведенной схеме показаны три канала, один из которых снабжен установкой для облучения полимерной пленки.
Источник DC- ионов типа Cyclotron ЭЦР Канал ионов низкой энергии Циклотрон DC- Cyclotron Каналы ионов высокой энергии Установка для облучения полимерной пленки Рис. 2.1. Типичная схема циклотрона тяжелых ионов для прикладных задач.
Циклотронный комплекс тяжелых ионов для промышленного применения включает в себя не только ускоритель, но и инженерное оборудование, обеспечивающее работу циклотрона и установок для проведения исследований или промышленного использования пучков ускоренных ионов.
Циклотронный комплекс с внешним источником ионов и аксиальной инжекцией пучка состоит из следующих систем:
1) ионный источник, 2) система аксиальной инжекции пучка, 3) магнитная система циклотрона, 4) высокочастотная ускоряющая система, включая систему ВЧ питания, 5) система вывода пучка из циклотрона, 6) каналы транспортировки ускоренного пучка, 7) камеры для проведения исследований или установки промышленного использования пучков, 8) комплекс элементов диагностика пучка, 9) вакуумная система, которая разделяется на подсистемы для откачки:
11) инженерные системы: водяного охлаждения и пневмосистема.
2.1 Ионный источник 2.1.1 Конструкция и параметры ионных источников.
Выбор ионного источника во многом определяет свойства систем циклотрона.
Основным и практически единственным типом ионного источника для циклотронов тяжелых ионов является источник электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР).
ЭЦР источники начали активно развиваться в 80-е годы. Исходя из экспериментальных данных и теории, Р. Желером были сформулированы основные зависимости, связывающие параметры пучка ионов (интенсивность, заряд) и параметры ионного источника [98]:
До частоты 18 ГГц ионные источники могут создаваться с использованием медных обмоток, в то время как переход на частоту 28 ГГц требует обязательного перехода на сверхпроводящие катушки. Разработаны модификации сверхпроводящих ионных источников на частоту 14 и 18 ГГц. В этом случае в несколько раз снижается потребление электрической мощности, а также увеличивается интенсивность многозарядных ионов. В таблице 2.1 приводятся типичные технические характеристики источников для разных частот.
Рис. 2.2. Сравнение параметров пучка ионов Аr, полученных из ЭЦР источников, работающих на частотах от 6 до 56 ГГц.
При выборе источника ионов для циклотрона промышленного применения нужно учитывать не только его возможности по генерации интенсивных пучков ионов высокого заряда, но и эксплуатационные свойства. Для циклотронов, ускоряющих ионы от Ar до Хе до энергии 2-4 МэВ/нуклон, оптимальны источники с частотой 14, 18 ГГц. При выборе типа магнитной структуры (сверхпроводящие обмотки или медные) нужно учитывать преимущества и недостатки:
источник ионов с медными обмотками:
Таблица 2.1. Типичные технические характеристики ЭЦР источников для разных частот.
Рабочая Мощность Максимальное Тип магнитной Потребляемая частота ЭЦР СВЧ магнитное поле на структуры электрическая источника генератора оси источника, Вмах мощность 6-10 ГГц менее 1кВт 1 Тл Медные обмотки. 30 кВт Гексаполь – постоянные магниты 14 ГГц
1,25 Тл Медные обмотки.
60 кВт Гексаполь – постоянные магниты 14 ГГц
1,25 Тл Сверхпроводящие
20 кВт обмотки, Гексаполь – постоянные магниты 18 ГГц
1,9 Тл Медные обмотки,
150 кВт Гексаполь – постоянные магниты 18 ГГц
1,9 Тл Сверхпроводящие
20 кВт обмотки, Гексаполь – постоянные магниты 3 Тл 28 ГГц
4-7 кВт Сверхпроводящие
20 кВт обмотки, Гексаполь – сверхпроводящие обмотки В Лаборатории ядерных реакций активное развитие ЭЦР источников началось с года. Разработаны и созданы ряд ионных источников [97, 100-101], которые используются на действующих циклотронах тяжелых ионов:
DECRIS-2 14 ГГц – циклотрон У-400M – 1995 г.
ECR-4M 14 ГГц – циклотрон У-400 – 1996 г. (совместный проект ЛЯР – GANIL (Франция)) DECRIS-3 14 ГГц – TESLA Accelerator Installation (Белград) –1997 г.
DECRIS-SC 18 ГГц – циклотрон ИЦ-100 – 2002 г.
DECRIS-4 14 ГГц – стенд ионных источников ЛЯР – 2006 г.
DECRIS-SC2 18 ГГц – циклотрон У-400M 2013 г.
Базовая конструкция источников многозарядных ионов электронно-циклотронного резонанса ЭЦР источники используются практически на всех ускорителях тяжелых ионов в научных центрах. Их отличают высокая надежность, простота управления и достаточно длительное время непрерывной работы: более тысячи часов при получении ионов газов и, как правило, более сотни часов для ионов твердых веществ.
Базовая конструкция источника с системой подачи твердых веществ и системой экстракции ионов, разработанная в ЛЯР, показана на рисунке 2.3.
Катушки Железо Гексаполь Система подачи твердых Ввод СВЧ веществ Система экстракции ионов Разрядная камера Рис. 2.3. Общий вид ЭЦР источника ионов.
Система формирования аксиального магнитного поля источника состоит из двух медных охлаждаемых водой катушек и стального ярма, расположенных на потенциале «земли». Система формирования радиального магнитного поля (гексаполь), а также пробки, обеспечивающие получение необходимой величины магнитного поля в максимумах аксиального распределения, находятся под высоким потенциалом. Изоляция этих узлов от катушек и стального ярма обеспечивается пластиковым изолятором.
Внутри гексаполя расположена разрядная камера. Для предотвращения нагрева гексаполя камера имеет двойные стенки, в зазоре между которыми предусмотрены каналы для протока охлаждающей воды. Разрядная камера соединена с медным кубом, к которому через вакуумное окно присоединен волновод.
Откачка разрядной камеры со стороны ввода СВЧ осуществляется турбомолекулярным насосом, присоединенным к кубу через вакуумный изолятор. Со стороны экстракции откачка разрядной камеры осуществляется насосами, установленными на блоке экстракции (на рисунке не показан). Блок экстракции соединен с ионным источником через вакуумный высоковольтный изолятор.
Откачка системы подачи твердых веществ также осуществляется турбонасосом, присоединенным к объему через вакуумный изолятор. От объема ионного источника система ввода твердых веществ отделена шибером, что позволяет проводить замену образца с рабочим веществом без напуска атмосферы в ионный источник.
Ионизационная камера вместе с гексаполем изолирована от корпуса источника до кВ, что позволяет извлекать ионный пучок с энергией, требуемой для его инжекции в циклотрон. Система экстракции состоит из плазменного электрода, расположенного на выходе из ионизационной камеры, и заземленного пулера.
Распределение аксиального магнитного поля в источнике ионов DECRIS 14 ГГц и геометрия гексаполя показаны на рисунках 2.4 и 2.5, основные параметры источника приведены в таблице 2.2.
1000 A 12000 900 A 10000 800 A B 8000 BRES [G ] 4000 10 20 30 40 Z [cm] Рис. 2.4. Распределение аксиального магнитного Рис. 2.5. Геометрия магнитной поля при различных уровнях возбуждения. системы гексаполя для формирования (Указаны значения поля в пиках и минимуме радиального магнитного поля.
Таблица 2.2. Основные параметры источника ионов DECRIS 14 ГГц АКСИАЛЬНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЭКСТРАКЦИЯ Пик на оси, сторона инжекции Максимальное напряжение 25 кВ 1.3 Tл Пик на оси, сторона экстракции КАТУШКИ 1.09 Tл Расстояние между пиками 20 см Количество катушек 88, 4. Проводник ГЕКСАПОЛЬ Внешний диаметр, центральная часть 18 см Количество секций в катушке 2 Внешний диаметр, края 16 см Количество витков в секции Внутренний диаметр 7 см Количество витков в катушке Длина 20 см Номинальный ток 1000 A 1,1 Tл Максимальный ток Магнитное поле на радиусе 3.2 см 1300 A Номинальная мощность 70 кВт ПЛАЗМЕННАЯ КАМЕРА Внутренний диаметр основной части 6,4 см Давление охлаждающей воды 10 бар 2,5 м3/час Внутренний диаметр инжекторной части 2,8 см Расход охлаждающей воды 25 0С Длина основной части 22 см Перепад температуры воды 2.1.2 ЭЦР источники ЛЯР для циклотронов тяжелых ионов.
Начальная часть канала аксиальной инжекции пучка в циклотрон используется для анализа пучков по зарядам и оптимизации режима ионного источника для получения максимального тока ионов выбранного заряда. Горизонтальный участок транспортировки пучка в системах, разработанных в ЛЯР, состоит из:
1. фокусирующих элементов:
2. анализирующего 90°- магнита.
3. элементов диагностики (цилиндр Фарадея и коллиматоры).
4. система настройки и снятия ионного спектра включает в себя автоматическое управление линзой, анализирующим магнитом и измерение тока с цилиндра Фарадея.
Возможности по разрешению такой системы приведены на рисунках 2.6 и 2.7, где показаны экспериментально снятые спектры ионов Kr и Хе на циклотроне ИЦ-110 [28].
Рис. 2.6. Спектр ионов криптона, полученный Рис. 2.7. Спектр ионов ксенона, полученный из ЭЦР источника DECRIS-SC. из ЭЦР источника DECRIS-SC.
СВЧ мощность 390 Вт.
СВЧ мощность – 380 Вт.
В проектах циклотронов для прикладных задач и примышленного использования, разработанных ЛЯР, используются источники ионов, работающих на частоте 14 и 18 ГГц.
Источники ионов DECRIS-3, DECRIS-4, DECRIS-5 имеют медные обмотки катушек для создания магнитного поля, источники DECRIS-SC построены с и DECRIS-SC использованием сверхпроводящей технологии при изготовлении магнитной структуры.
Заряд Интенсивность пучка, мкА иона Li B O Ar Kr Xe 2+ 3+ 70 4+ 5+ 6+ 7+ 8+ 9+ 340 18+ Тип магнитной структуры: медные обмотки, 20+ гексаполь – постоянные магниты.
Частота: 14 ГГц Потребляемая мощность: 60кВт Рис. 2.8. Параметры пучков ионного источника DECRIS-3.
Заряд Интенсивность пучка, мкА иона O Ar Kr Xe 6+ 7+ 8+ 9+ 220 11+ 125 12+ 65 Тип магнитной структуры: медные обмотки, 15+ 35 гексаполь – постоянные магниты.
Потребляемая мощность: 60кВт. 20+ Рис. 2.9. Параметры пучков ионного источника DECRIS-4.
Заряд Интенсивность пучка, мкА иона Ar Kr Xe 8+ 10+ 12+ 15+ 17+ 21+ 23+ 24+ Тип магнитной структуры: сверхпроводящие 25+ обмотки, гексаполь – постоянные магниты.
Частота: 18 ГГц. Потребляемая мощность: 20кВт Рис. 2.10. Параметры пучков ионного источника DECRIS-SC.
Заряд Интенсивность пучка, мкА иона Ar Kr Xe 6+ 7+ 8+ 9+ 11+ 12+ 15+ 18+ 19+ Тип магнитной структуры: медные обмотки, 70 20+ гексаполь – постоянные магниты.
Частота: 18 ГГц. Потребляемая мощность: 150кВт Рис. 2.11. Параметры ионных пучков из источника DECRIS-5.
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].
— Минимальный предел Uинж 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 условиях ограниченного пространства.
— С точки зрения эксплуатации было бы удобно создать систему аксиальной инжекции, не требующей замены каких-либо элементов, прежде всего конструктивных элементов центральной области и инфлектора, при изменении отношения массы к заряду ускоряемых ионов. Для этого нужно обеспечить выполнения соотношения Uинж(A/Z)=const, где А и Z – масса и заряд ионов. При этом условии сохраняется стартовый радиус первой орбиты.
Принцип “постоянной геометрии” предполагает также соответствующее изменение напряжения на дуантах, чтобы сохранить правильную центровку пучка, хотя с точки зрения дальнейшего ускорения было бы желательно обеспечить максимальное напряжение на дуантах, чтобы сократить фазовые и вакуумные потери пучка в процессе ускорения. Нужно также учитывать, что переход с одного номера гармонии на другой требует различного азимутального положения пулера дуанта. Таким образом, говоря о принципе “постоянной геометрии”, нельзя рассматривать его как абсолютный, но следует учитывать наравне с другими параметрами для компромиссного выбора напряжения экстракции ионного источника.
Поскольку источник электронно-циклотронного резонанса рассматривается как основной тип источников для циклотронов тяжелых ионов, то максимальным напряжением инжекции является 25кВ – максимальное напряжение, при котором обеспечивается надежная работа источников этого типа. Дальнейшее повышение напряжения инжекции возможно с использованием высоковольтной платформы, что для циклотронов тяжелых ионов промышленного применения экономически не обоснованно.
Минимальным напряжением инжекции нужно считать 10 кВ, и связано это с падением интенсивности пучка, втягиваемого из ионного источника ионов.
ФОКУСИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ Требования к системе транспортировки определяет эмиттанс ионного пучка, который должен быть согласован с аксептансом системы. Эмиттанс пучка определяется типом ионного источника и составляет 120 – 220 мм мрад для ЭЦР источника.
Для фокусировки могут быть выбраны 4 типа фокусирующих элементов:
1. Электростатические линзы 2. Электростатические квадрупольные линзы 3. Магнитные линзы типа соленоида 4. Магнитные квадрупольные линзы.
Каждый из этих типов линз имеет свои преимущества и недостатки.
Электростатические линзы имеют достоинства в том, что потребляют мало мощности. Вместе с тем, есть проблемы с эксплуатацией, прежде всего в связи с запылением изоляторов, поскольку тяжелые ионы производят распыление материала бомбардируемых поверхностей.
Магнитные линзы типа соленоида осуществляют фокусировку продольным полем, их действие на пучок относительно слабое, что приводит к необходимости создания сильных полей и потреблению большой электрической мощности. Характерное поле на оси линзы
2-5 кГс, потребление мощности 2-7 кВт.
Магнитные квадрупольные линзы имеют сильное действие на пучок, потребляемая мощность до 1 кВт. Их число должно быть в два раза больше по сравнению с соленоидами.
Выбирая фокусирующие элементы, нужно учитывать рассеянное поле в аксиальном канале магнита, которое оказывает фокусирующее действие на пучок. Вместе с тем следует учитывать эффект вращения осей пучка (x;
y) в продольном магнитном поле на угол:
Z q 2mV Z 1 z µ= (q – заряд, Vo – скорость частицы, m – масса).
B dz, Для надежной эксплуатации ускорителя в промышленных условиях лучше подходит простая и надежная система транспортировки, основанная на магнитных линзах типа соленоида, которая имеет наименьшее число фокусирующих элементов и короткое время настройки системы.
Для формирования пучка, выходящего из ионного источника, как правило, используется электростатическая оптика.
В системе аксиальной инжекции должны быть предусмотрены корректирующие магниты для коррекции отклонений пучка от оси, вызванных влиянием рассеянного поля магнита циклотрона и другими причинами.
АНАЛИЗИРУЮЩИЙ МАГНИТ Анализирующий магнит устанавливается в системе аксиальной инжекции пучка для выполнения двух функций: поворота пучка на 90° из горизонтальной в вертикальную часть канала и анализа ионов по зарядам и выделения пучка, нужного для ускорения.
Наиболее важна для системы инжекции первая функция. Чтобы сохранить симметричность пучка после поворота, в магните используется краевая фокусировка. На рисунках 2.12 приведен пример участка транспортировки пучка с анализирующим магнитом с радиусом 40 см, с углами торцевого скоса полюсов входа и выхода 26,5°, после которого получен симметричный фокус пучка. Для улучшения разрешения ионов разного заряда полезно иметь фокус пучка после магнита (рис. 2.12).
Рис. 2.12 Схема канала аксиальной инжекции пучка и огибающая пучка вдоль оси ионопровода с фокусом в месте расположения блока диагностики.
Из технических решений следует отметить необходимость использования широко аппретурной камеры анализирующего магнита, не только исходя из размера пучка, но и с учетом того, что в магните происходит сепарация пучка и интенсивная бомбардировка стенок вакуумной камеры. Это вызывает интенсивную стимулированную десорбцию газа с поверхности и распыление материала камеры. Для снижения потерь пучка из-за перезарядки на остаточном газе камера должна иметь хорошую вакуумную проводимость для эффективной откачки. Для снижения распыления материала камеру целесообразно изготовить или плакировать слабо распыляемыми материалами, такими как титан, молибден, вольфрам, алюминий. Исходя из этого оптимальными параметрами магнита можно считать:
— потребляемая электрическая мощность – 1-3 кВт Разрешающая способность такого магнита показана на рисунках 2.13 и 2.14, где приведены спектры ионов Ar и Bi, полученные после 90-градусного анализирующего магнита с радиусом центральной дорожки полюса 400 мм с коллиматором на точке фокуса и без него.
Рис. 2.13. Спектр ионов Ar после 90° анализирующего магнита с радиусом дорожки 40 см без коллиматора (слева) и с коллиматором 20 мм (справа).
Рис. 2.14. Спектр ионов Bi после 90° анализирующего магнита с радиусом дорожки см без коллиматора (слева) и с коллиматором 20 мм (справа).
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ КОМПОНОВКИ КАНАЛА АКСИАЛЬНОЙ ИНЖЕКЦИИ ПУЧКА ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ.
Расчет системы аксиальной инжекции пучка может производиться по ряду программ, позволяющих оптимизировать динамику движения пучка и расположение фокусирующих элементов канала транспортировки, таких как TRANSPORT, MAD, MCIB04 103.
Основная цель, которая ставится при разработке канала инжекции, – высокая эффективность транспортировки пучка от ионного источника в центр циклотрона. При проектировании системы транспортировки пучка нужно учитывать некоторые принципы, которые улучшают свойства системы:
— в расчетах огибающая пучка не должна превышать 80% внутренней аппретуры ионопровода, поскольку реальные параметры пучка могут отличаться от расчетных;
возможно также неосевое движение пучка по каналу. Попадание пучка на стенки ионопровода ведет не только к аппретурным потерям, но и к интенсивной стимулированной десорбции газа со стенок, локальному ухудшению давления и увеличению потерь ионов из за перезарядки на остаточном газе.
— после 90° магнита, поворачивающего пучок из горизонтальной части канала в вертикальную, полезно иметь фокус пучка для улучшения разрешающей способности анализирующего магнита.
— в горизонтальной части канала между ионным источником и анализирующим магнитом транспортируются пучки всех зарядов. Высокая плотность пучка ведет к увеличению эмиттанса пучка из-за эффекта пространственного заряда. Ионы, не предназначенные для ускорения, попадают на стенки камеры, что ведет к ухудшению вакуума и увеличению потерь. Учитывая эти эффекты, для пучков высокой интенсивности горизонтальную часть канала следует делать по возможности короткой. В этом случае пулер ионного источника находится практически в фокусе анализирующего магнита, фокусирующая линза, расположенная между источником ионов и магнитом, используется для коррекции параметров пучка на входе в магнит. Такое решение было применено, например, на сильноточном циклотроне ДЦ-110 (рис. 2.15). Огибающая пучка в системе аксиальной инжекции пучка ДЦ-110 показана на рисунке 2.16 [44, 45].
Рис. 2.15. Схема системы аксиальной инжекции пучка циклотрона ДЦ-110.
Рис. 2.16. Траектории частиц в канале. Эффективность транспортировки 100%.
ИНФЛЕКТОР Инфлектор в системе аксиальной инжекции служит для поворота пучка из вертикального канала в медианную плоскость. Известны три основных типа инфлекторов:
1. Электростатическое зеркало.
Электростатическое зеркало Электростатическое зеркало состоит из верхнего электрода сетки, находящейся под потенциалом земли, и нижнего электрода, находящегося приблизительно под потенциалом, равным напряжению инжекции. Характеристиками зеркала являются:
К отрицательным свойствам зеркала нужно отнести:
— Плохие трансмиссионные свойства. В зеркале при повороте происходит смешивание вертикального и горизонтального эмиттансов пучка, что ведет к росту эммитансов пучка в обоих направлениях.
— Напряжение на зеркале должно быть приблизительно равным напряжению инжекции, то есть по сравнению с другими типами инфлекторов примерно в 2 – 3 раза выше, что вызывает технические трудности особенно при высоком Uинж.
— короткий срок службы сетки из-за быстрого распыления тяжелыми ионами.
Инфлектор гиперболический Состоит из двух параллельных плоскостей гиперболической формы. Электроды находятся под потенциалами разных знаков по величине равными 0,5 (Uинж), Гиперболический инфлектор обладает хорошими оптическими свойствами.
Сравнительно большой аксептанс позволяет использовать его в системах транспортировки пучков от любого типа источника ионов.
К недостаткам следует отнести:
Спиральный инфлектор в настоящее время получил наибольшее распространение.
Расчет инфлектора может быть проведен с использованием ряда программ, изготовление производится на станках ЧПУ.
При разработке конструкции инфлектора важно обратить особое внимание на защиту изоляторов от запыления. Примером удачной конструкции может служить инфлектор, разработанный для циклотрона ИЦ-100. Изоляторы вынесены из зоны распыления, срок службы инфлектора без профилактики составляет около полугода (рис. 2.17) [77, 78].
Рис. 2.17. Конструкция спиральных инфлекторов циклотронов ДЦ-60 (слева) и ИЦ- (справа).
2.2.2 Центр циклотрона При проектировании и создании центра циклотрона следует решить несколько задач для эффективного захвата пучка в ускорение в первом ускоряющем зазоре и обеспечения минимальных потерь на первых оборотах в циклотроне:
1. формирование структуры с необходимой вертикальной и горизонтальной фокусировкой пучка для снижения аппретурных потерь, 2. максимальный набор энергии на первых оборотах для прохождения конструктивных элементов центра циклотрона, 3. центровка орбит, 4. максимально возможный фазовый захват пучка ионов в процесс ускорения.
На участке дрейфа между выходом инфлектора и входом в первый ускоряющий зазор пучок имеет тенденцию расходиться по вертикали и почти параллельный пучок по горизонтали. Радиальный и вертикальный эмиттансы пучка в начале ускорения не превышают 200 мммрад. Магнитное поле в области центральной пробки не имеет вариации, поэтому необходимая вертикальная фокусировка пучка на первых оборотах обеспечивается отрицательным радиальным градиентом спадающего магнитного поля и фокусирующим действием высокочастотного электрического поля в ускоряющих зазорах.
Доминирующее значение для фокусировки пучка в центральной области циклотрона играет электрическое поле ускоряющих промежутков.
На рисунке 2.18 показаны расчеты динамики пучка ионов с A/Z=7 на первых оборотах ускорения, сделанные для циклотрона ДЦ-60. Сформированное магнитное поле на уровне 1,43 Тл и геометрия ускоряющих зазоров позволяют осуществлять эффективный захват в ускорение и создают оптимальные условия движения пучка ионов в центральной области циклотрона. Темп ускорения и влияние фокусирующих сил позволяют пучку беспрепятственно обойти элементы центральной области, оставаясь в пределах вертикальной апертуры в 33 мм [108, 113].
Ускоряющие зазоры 33 мм 14 мм 1-й оборот 2-й оборот 3-й оборот Рис. 2.18. Горизонтальное (вверху) и вертикальное (внизу) движение пучка ионов с A/Z = 7 в центре циклотрона при ускорении в сформированном магнитном поле на уровне 1,43Тл. В расчете использован диапазон стартовых фаз ±10о.
При создании центральной области важно выполнить вертикальную юстировку конструктивных элементов ускоряющих зазоров на первом обороте пучка. Точность позиционирования должна быть не хуже 0,5 мм, в противном случае могут наблюдаться вертикальные колебания пучка относительно медианной плоскости циклотрона.
На фотографиях, представленных на рисунке 2.19, показана магнитная структура циклотрона ИЦ-100, на нижних фотографиях – след от пучка на входе в первый ускоряющий зазор (слева) и изображение пучка на люминофоре на первом обороте через 180° от первого ускоряющего зазора (справа). Экспериментальные данные совпадают с расчетами, сделанными при разработке проекта ИЦ-100.
20 мм пучок Рис. 2.19. Циклотрон ИЦ-100, изображение пучка на рамке первого ускоряющего зазора и на люминофоре на первом обороте через 180° от первого ускоряющего зазора.
2.2.3 Система банчировки пучка ионов в каналах аксиальной инжекции циклотронов.
Система внешней инжекции позволяет произвести компрессию частиц в нужный диапазон фаз за счет использования системы группировки (банчировки) пучка [45, 57, 71, 74, 79, 85].
Для получения максимального коэффициента захвата (группирователь) банчер должен увеличивать скорость ионов пропорционально их фазе для того, чтобы после прохождения участка дрейфа все частицы на входе в первый ускоряющий зазор дуанта находились в одной фазе. Это свойство банчера требует напряжения пилообразной формы.
Современные возможности позволяют получить форму напряжения на банчере, близкой к пилообразной. Однако электроды линейного банчера можно разместить только вне аксиального канала магнита, поскольку генератор пилообразного напряжения должен располагаться непосредственно около электродов банчера. При больших токах инжектируемого пучка расположение линейного банчера на расстоянии в несколько метров от центра циклотрона значительно снижает его положительные свойства из-за дебанчирующих эффектов в канале инжекции и прежде всего эффекта пространственного заряда. Поэтому часто используют синусоидальный банчер, который можно расположить в аксиальном канале на расстоянии около 500 мм от центра. Он работает эффективно при интенсивности пучка в несколько десятков мкА.
Приближение пилообразной формы напряжения может быть получено с помощью сложения сигналов генераторов 1-й, 2-й и 3-й гармоник. Такая система банчеров используется на циклотронах, но имеет сложную систему настройки.
В ЛЯР разработана и внедрена система двойной банчировки пучка для увеличения эффективности захвата в ускорение инжектируемого пучка высокой интенсивности. В системе с двойной банчировкой линейный банчер располагается вне аксиального канала полюса магнита. Его назначение – сгруппировать инжектируемые ионы в 180° интервал фаз в зоне расположения синусоидального банчера, который эффективно работает в этом диапазоне фаз. Впервые такая система была применена на циклотроне У-400 (рис. 2.20) для получения интенсивного пучка ионов 48Ca5+. Захват пучка в ускорение при интенсивности пучка 2–3 мкА достигал 65 %, при интенсивности пучка 70–80 мкА – (25–30)% (рис. 2.21) [109, 111]. В более коротком канале инжекции на циклотроне ДЦ-110 коэффициент захвата был получен около 35% при интенсивности инжектируемого пучка
100 мкА [45]. Такие коэффициенты невозможно было получить при использовании одного из банчеров.
Рис. 2.20. Схема системы двойной Рис. 2.21. Захват пучка в ускорение на У-400 без банчировки на циклотроне У-400. банчировки пучка и при использовании отдельно синусоидального, линейного банчеров и в режиме совместной работы.
В системе аксиальной инжекции пучка циклотрона ДЦ-110 использованы также два банчера – линейный, расположенный на расстоянии 2450 мм от медианной плоскости, и синусоидальный, расположенный на расстоянии 800 мм от медианной плоскости. В процессе пусконаладочных работ на циклотроне была исследована трансмиссия пучка 40Ar6+ и 86Kr13+ по каналу инжекции и захват ионов в ускорение в зависимости от режима работы системы банчировки [45].
Экспериментальные зависимости тока ускоренного пучка 40Ar6+ и коэффициента захвата ионов в ускорение от интенсивности ускоренного пучка показаны на рисунке 2.22 и таблице 2.3.
а) б) Син.+лин Интенсивность ускоренного пучка, мкА.
Эффективности захвата, % 30 Син.
Без банч. 0 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Интенсивность инжектированного пучка, мкА Интенсивность инжектированного пучка, мкА Рис. 2.22. Эффективность захвата пучка ионов 40Ar6+ в ускорение на радиусе 200 мм в) от интенсивности инжектированного пучка 6, при разной комбинации включения банчеров.
Коэффициент банчировки 5, а) зависимость интенсивности ускоренного Син.+ли 4, пучка на R=200мм от интенсивности инжектированного пучка.
б) эффективность захвата пучка в ускорение 2, Лин.
от интенсивности инжектированного пучка.
1, в) изменение коэффициента банчировки Без банч.
0, пучка при разной комбинации включения 0 20 40 60 80 100 банчеров от интенсивности Интенсивность инжектированного пучка, мкА инжектированного пучка.
В приведенных данных видно, что коэффициент банчировки слабо зависит от интенсивности инжектируемого пучка вплоть до 100 мкА (34–38% захвата). Увеличение коэффициента захвата до 48% при низкой интенсивности инжектированного пучка (6 мкА) связано не только со снижением влияния пространственного заряда в пучке, но, главным образом, с уменьшением эмиттанса пучка при низкой интенсивности из ионного источника [45, 110]. Поскольку снижение интенсивности осуществлялось за счет уменьшения СВЧ мощности, подаваемой в разрядную камеру источника (табл. 2.4).
Таблица 2.3. Коэффициент захвата инжектированного пучка в ускорение при разной комбинации включения банчеров.
Коэффициент захвата инжектированного пучка в ускорение в % I инж, мкА без банч Lin- вкл. Sin- вкл. Sin+Lin – вкл.
6 9,3 23,2 25,8 48, 18,4 8,7 15,6 25,0 38, 49 9,1 15,7 25,7 36, 103 8,7 14,1 24,8 34, Таблица 2.4. Результаты измерения эмиттанса пучка при разной мощности СВЧ генератора.
В эксперименте линейный банчер в совокупности с синусоидальным дает дополнительный коэффициент увеличения тока ускоренного пучка в 1,5–1,8 раз.
На циклотроне ДЦ-110 были исследованы также трансмиссия пучка ионов 86Kr13+ по каналу аксиальной инжекции пучка и зависимость эффективности захвата ионов 86Kr13+ от интенсивности инжектируемого пучка в разных режимах включения системы банчеров (рис.
2.23-2.25). Отношение токов ускоренного (Iуск) и инжектированного (Iинж) пучка падает с ростом интенсивности в любом режиме. Отношение токов Iуск / Iинж определяется коэффициентом трансмиссии по каналу инжекции и коэффициентом захвата в ускорение.
Коэффициент банчировки пучка слабо зависит от интенсивности, т.е. снижение отношения Iуск / Iинж вызвано главным образом увеличением потерь пучка в канале транспортировки из за увеличения эмиттанса с ростом интенсивности пучка и увеличением вакуумных потерь, вызванных ухудшением вакуума из-за стимулированной десорбции газа со стенок ионопровода. Поскольку сечение перезарядки ионов 86Kr13+ на остаточном газе значительно больше по сравнению с 40Ar6+, то эффект снижения трансмиссии с увеличением интенсивности инжектируемого пучка 86Kr13+ проявляется сильнее.
Зависимость тока пучка на R=400мм от тока инжектированного пучка при выкл. банчерах, при разных режимах работы системы банчеров.
Sin + Lin Интенсивность ускоренного пучка, мкА 86 13+ Kr Sin Lin Без банчеров Рис. 2.23. Зависимость тока ускоренного пучка ионов Kr13+ на радиусе 400 мм от тока инжектированного 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 пучка.
Интенсивность инжектированного пучка, мкА Зависимость эффективность захвата пучка на R=400мм от тока инжектированного пучка при разных режимах работы системы банчеров.
Kr13+ Эффективность захвата, % 20 Sin + Lin 15 Sin Lin Рис. 2.24. Зависимость эффективности захвата Без банчеров инжектированного пучка ионов 86Kr13+ в ускорение 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 от интенсивности пучка.
Интенсивность инжектированного пучка, мкА Зависимость коэффициента банчировки пучка на R=400мм от тока инжектированного пучка при выкл. банчерах, при разных режимах работы системы банчеров.
4, Kr13+ 3,50 Sin + Lin Коэффициент банчировки 3,00 Sin 2, Lin 2, Рис. 2.25. Зависимость 1, коэффициента банчировки от интенсивности пучка 1, при автономной работе синусоидального и 0, линейного банчеров и 0, режиме двойной 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 банчировки.
Интенсивность инжектированного пучка, мкА Влияние расстояния между банчером и медианной плоскостью на коэффициент захвата ионов в ускорение.
При высокой интенсивности инжектируемого пучка расстояние от банчера до центра циклотрона существенным образом влияет на коэффициент банчировки. На рисунке 2. показана экспериментальная зависимость коэффициента банчировки от интенсивности инжектируемого пучка Ar на циклотроне У-400 при расположении синусоидального банчера на расстояниях в 1 м и 4 м от медианной плоскости. Влияние дебанчирующих эффектов для банчера, расположенного в 4 м от медианной плоскости, проявляется значительно сильнее. Если при интенсивности инжектируемого пучка до 10 мкА коэффициент увеличения тока ускоренного пучка за счет использования синусоидального банчера составляет примерно 4,2 раза для обоих случаев (L= 1,2м и 4м), то при токе инжекции 80 мкА банчер, расположенный на расстоянии 4 м, практически перестает работать.
Банчер 1,2мот медианной плоскоси Банчер 1м от медианной плоскости Банчер 4м от медианной плоскости Банчер 4м от медианной плоскоси Коэффициент банчировки Интенсивность инжектируемого пучка, мкА Рис. 2.26. Зависимость коэффициента банчировки от интенсивности инжектируемого пучка Ar на циклотроне У-400 при расположении синусоидального банчера в 1,2 м и 4 м от медианной плоскости.
В следующем эксперименте синусоидальный банчер в системе аксиальной инжекции пучка У-400 был приближен к медианной плоскости на расстояние 0,8 м. Эффективность захвата пучка в ускорение до (25–30)% сохранилась при интенсивности инжектированного пучка до 100 мкА (рис. 2.27) [111, 115].
На циклотроне ДЦ-60 синусоидальный банчер расположен вне аксиального канала магнита на расстоянии 1,8 м от центра циклотрона [27, 42]. Эффективность банчировки снижается при токе инжектируемого пучка свыше 40 мкА (рис. 2.28, табл. 2.5). Измерения проводились при ускорении пучка ионов 14N2+ при частоте ускоряющей системы FВЧ = 12, МГц. Для сравнения: на циклотроне ДЦ-110 банчер, расположенный на расстоянии 0,8 м от медианной плоскости, эффективно работает при интенсивности до 100 мкА.
Таблица 2.5. Эффективность захвата в ускорение пучка 14N2+ на циклотроне ДЦ-60 без системы банчировки и с включенным синусоидальным банчером при разной интенсивности инжектируемого пучка.
Ток Ток пучка на Эффективность Эффективность Коэфф.
инжектируемого радиусе 680мм захвата в Ток пучка на захвата и банчировки пучка (после без банчера, ускорение пучка радиусе 680мм с ускорения пучка сепарации), мкА мкА без банчера, (%) банчером, мкА с банчером, % 12 0,55 4,58 2,03 16,9 3. 38 1,93 5,08 6,5 17,1 3. 74 3,66 4,95 10,3 13,9 2. 95 4,4 4,63 11 11,6 2. Коэффициент завата пуча в ускорение, % С банчером Без банчера 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Ток инжектируемого пучка, мкА Рис. 2.28. Зависимость коэффициентов захвата пучка ионов 14N2+ в ускорение на циклотроне ДЦ-60 без системы банчировки и с включенным синусоидальным банчером, расположенным на расстоянии 1,8 м от центра при разных интенсивностях инжектируемого пучка.
Дебанчирующие факторы, влияющие на эффективность работы банчера В реальных условиях в системе аксиальной инжекции действует ряд факторов, снижающих эффективность банчировки. К дебанчирующим эффектам следует отнести:
Влияние частоты ускоряющей системы на эффективность работы банчера Частота обращения ионов в циклотроне определяется магнитным полем и отношением массы к заряду ускоряемых ионов. В четырехсекторных циклотронах используется ускоряющая высокочастотная структура, работающая на 2, 4, или 6 гармонике частоты обращения ионов. Более высокий номер гармоники позволяет создать резонаторы с меньшими размерами. Для циклотронов с малым радиусом полюса это особенно важно.
Увеличение номера гармоники и частоты ускоряющей системы ведет к уменьшению линейной длины сгустка ионов, который формируется системой банчеров на входе в инфлектор и в первый ускоряющий зазор.
Дебанчирующие эффекты проявляются больше с уменьшением соотношения линейной длины банча к радиальному размеру пучка, которое можно оценить по формуле:
банч Lбанч Z U инж S= = 13,89 106 Fчаст n 360 d пучка A d пучка где Uинж – напряжение инжекции (В), A– масса иона, Z – заряд иона, банч – фазовая длина сгустка в градусах, Fчаст – частота обращения ионов (Гц), n – номер гармоники, на которой работает ускоряющая система циклотрона, dпучка – диаметр пучка на входе в инфлектор (мм).
В таблице 2.6 приведены параметры системы инжекции пучка в циклотроны и коэффициент увеличения тока ускоренного пучка при использовании синусоидального банчера в зависимости от соотношения линейной длины банча к радиальному размеру пучка на входе в инфлектор (S) для циклотронов ДЦ-60 и ДЦ-110, У-400, которые работают на 2, и 6 гармониках. Из таблицы видно, что эффективность захвата пучка в ускорение на более низкой гармонике выше.
Таблица 2.6. Коэффициент увеличения тока ускоренного пучка при использовании синусоидального банчера на циклотронах ДЦ-60 и ДЦ-110, У-400.
Циклотрон Ион Uинж FВЧ Гарм. Расстояние Лин. S Коэфф Коэфф. Коэфф МГц банчер – длина захвата захвата банч.
медианная сгустка без син. банч плоскость при 30° банч. I инж I инж захвате (м)
мкА мкА (мм) ДЦ-110 40Ar6+ 20,0 7,75 (n=2) 0,8 8,2 1 8,7% 26% 25% 48 5+ У-400 Ca 16,0 6,77 (n=2) 0,84 7,0 0,9 9-10% 29% 18% 4- 40 6+ ДЦ-60 Ar 12,0 15,18 (n=4) 1,8 3,2 0,4 5-6% 20% 3, 14 2+ ДЦ-60 N 12,0 14,46 (n=4) 1,8 3,31 0,41 5% 17% 3, 5% 12% 2, 40 4+ ДЦ-60 Ar 11,0 15,2 (n=6) 1,8 2,5 0,31 3-4% 10% 2, Выводы Использование системы банчировки на канале аксиальной инжекции пучка в циклотрон позволяет значительно увеличить интенсивность ускоренного пучка за счет группировки ионов в диапазоне фазового захвата ионов в ускорение. На циклотронах ЛЯР получен коэффициент увеличения интенсивности пучка ускоренных ионов от 2 до 8 раз за счет использования системы банчировки. Коэффициент банчировки существенным образом зависит от интенсивности инжектированного пучка, частоты ускоряющей системы, напряжения инжекции, расстояния между банчером и центром циклотрона.
На циклотронах ЛЯР исследована эффективность работы синусоидального банчера и системы двойной банчировки, состоящей из синусоидального и линейного банчеров.
Использование линейного банчера в дополнение к синусоидальному позволяет получить дополнительный коэффициент увеличения интенсивности ускоренного пучка в 1,5– 1,8 раза.
Экспериментально получена эффективность захвата инжектированного пучка в ускорение (50 – 65)% при низкой интенсивности (3-5) мкА, при высокой интенсивности пучка
100 мкА достигнута эффективность захвата около 30%. Снижение коэффициента банчировки вызвано главным образом влиянием пространственного заряда.
Для повышения эффективности системы банчировки и повышения коэффициента захвата пучка в ускорение целесообразно в пределах технических возможностей:
— снижать размер пучка при прохождении дефлектора.
2.3 Магнитная структура циклотронов Магнитные системы циклотронов тяжелых ионов, разработанных в ЛЯР, построены на базе Ш-образных магнитов. Такой тип магнитов дает свободный доступ к вакуумной камере циклотрона и обслуживанию узлов ускорителя. Поскольку пучки ионов циклотронов для прикладных задач имеют энергию несколько МэВ/нуклон, магнитная структура циклотрона создается с использованием секторов с прямыми границами. Такая структура обеспечивает достаточную фокусировку в процессе ускорения и наиболее проста в производстве.
На первом этапе проектирования циклотрона проводится комплексная компоновка и оптимизация основных узлов циклотрона, выбор характеристик, размеров, конструкторских решений.
2.3.1 Выбор магнитной структуры и способа шиммирования Метод формирования магнитного поля циклотрона Процесс оптимизации магнитных структур циклотронов ЛЯР сочетает аналитический, численный и экспериментальный подходы к моделированию и формированию магнитной структуры изохронного циклотрона [113, 114].
На первом этапе оптимизация осуществляется на основе эмпирических закономерностей, полученных расчетным и экспериментальным путем при создании циклотронов У200, У400, МЦ400, ИЦ100, ДЦ-72, У400Р [114, 118-125]. Полученные закономерности объединены в аналитический программный блок, позволяющий проводить оценку размеров магнитопровода, параметров обмотки возбуждения и корректирующих обмоток, геометрии элементов рабочего зазора.
Результаты оптимизации первого этапа являются исходными параметрами для последующего численного моделирования трехмерных магнитных структур. На последнем этапе производятся измерение магнитного поля циклотрона и производится корректировка в случае необходимости.
Современные компьютерные программы, такие как TOSCA, KOMPOT, MERMAID 128 позволяют проводить трехмерные расчеты магнитных полей с высокой точностью.
Компьютерное моделирование магнитной структуры сопровождается расчетами динамики пучков при ускорении в нескольких рабочих режимах. Многоитерационная задача компьютерного моделирования состоит из двух основных шагов: оптимизация веса, габаритных размеров магнитопровода, и оптимизация параметров магнитных элементов рабочей области для создания изохронных условий ускорения. Сначала подбираются оптимальные геометрические размеры электромагнита с точки зрения эффективности использования железных масс магнитопровода. Затем проводятся формирование изохронного распределения магнитного поля в основной области ускорения, формирование поля в центре и в области вывода пучка из циклотрона, расчет вкладов корректирующих катушек. Полученные в ходе формирования данные проверяются численными расчетами динамики пучков при ускорении.
Особо стоит выделить задачу по компенсации влияния пассивного магнитного канала, использующегося для фокусировки пучка в системе вывода пучков из циклотрона.
Установка магнитного канала вносит несимметричность в распределение магнитного поля. С одной стороны это приводит к изменению радиального распределения среднего магнитного поля, с другой – к появлению первой гармоники азимутального распределения поля.
На финальной стадии расчетов в компьютерную модель электромагнита циклотрона вносятся данные измерений магнитных свойств стали, применяемой в производстве элементов магнитопровода. Использование измеренных значений µ(В) значительно повышает точность расчетов. Проводится также расчет и анализ деформации элементов магнитной структуры, вызванной действием объемной пондеромоторной силы.
В ходе экспериментальной части методики проводится измерение магнитного поля циклотрона и сравнение с результатами компьютерного моделирования. На основе проведенного анализа проводится необходимая коррекция отклонений.
В магнитных структурах, где используется пассивный фокусирующий канал, магнитное поле измеряется и формируется в отсутствие магнитного канала, поскольку система измерения поля не может быть смонтирована при установленных каналах в рабочее положение. Таким образом, рабочее поле циклотрона является суперпозицией сформированного измеренного поля в отсутствие магнитного канала и расчетного вклада магнитного канала. Современные методы измерения и расчета позволяют получать достаточную точность формирования. Однако для того чтобы расчеты и измерения совпадали, принципиально важно использовать измеренные характеристики железа, из которого производилось изготовление магнитной структуры [65, 66, 112, 13, 138, 140].
Метод комбинированного формирования поля был применен на ускорителях ЛЯР и показал хорошие результаты. Параметры полученных пучков на ускорителях соответствуют расчету [41,42, 45, 79] Влияние способа шиммирования на свойства магнитной структуры Для циклотронов, в которых предусмотрена вариация энергии ионов за счет изменения магнитного поля, можно построить рабочую диаграмму. Рабочая диаграмма связывает среднее магнитное поле в центре циклотрона, энергию пучка на радиусе вывода, частоту обращения ионов и номер гармоники частоты ускоряющей системы. В качестве примера на рисунке 2.31 представлена рабочая диаграмма циклотрона ДЦ-60.
1.9 4. 4.35 MГц 1. 1. 0.0025 Tл 1. 1. Частота обращения иона [ MГц ] 0.002 Tл 1. 1. dB(B) 1.2 3. A/Z 1. 0.0015 Tл Энергия [ MэВ/нуклон ] 0.9 8 2.9 MГц 0. 2.75 MГц 0. 0.001 Tл 2. 0. 0.0008 Tл 0.0007 Tл 0. 0.0006 Tл 0. 1.83 MГц 0.0005 Tл 0. 1.25 1.30 1.35 1.40 1.45 1.50 1.55 1.60 1. Магнитное поле в центре циклотрона [ Tл ] Рис. 2.31. Рабочая диаграмма циклотрона ДЦ- Представленная на диаграмме связь между основными характеристиками рабочего режима циклотрона определяется нижеследующими выражениями [131]:
2 ZRext B0 Tion = E 0 1 C1 [МэВ/нуклон, Тл, м] (1) A A = C 2 (Z / A)Bo =n [МГц, Тл] f (2) RF dB T ion = E 0 ( 1) = E 0 [МэВ/нуклон, Тл] (3) B где Rext – конечный радиус ускорения пучков, n = 4 или 6 – гармоника ускоряющего ВЧ ec e = 0.32184Tл 1 м 1 и C 2 = поля, C1 = = 15.356122 МГц / Tл 2E amu m0 c Рабочая диаграмма циклотрона ДЦ-60 определяет диапазон изменения среднего магнитного поля в центре циклотрона от 1,25 Тл до 1,65 Тл. Линии, обозначенные цифрами 6-12, показывают соотношение между уровнем магнитного поля, энергией ионов и частотой обращения ускоряемых ионов с соответствующим отношением массы к заряду A/Z от 6 до 12. Линиями, обозначенными как 0,0005-0,0025 Тл, показана величина необходимого роста среднего магнитного поля от центра циклотрона до конечного радиуса для выполнения изохронных условий ускорения. По вертикали рабочая диаграмма разбита на две области, соответствующие режимам ускорения на 4 или 6 гармониках ускоряющего ВЧ поля. Эти области имеют общую зону пересечения, в которой пучки заряженных частиц могут быть ускорены как на 4-й и на 6-й гармониках ВЧ напряжения. Граничные значения рабочей области циклотрона на диаграмме обозначены кружками для каждого типа ионов (A/Z).
В циклотронах, в которых предусматривается вариация уровня магнитного поля, существенную роль играет способ шиммирования секторов. Способ шиммирования секторов оказывает существенное влияние на поведение распределения магнитного поля по радиусу при вариации магнитного поля. Наиболее часто используют следующие способы шиммирования секторов:
Азимутальное шиммирование, при котором проводится обработка боковых поверхностей • секторов.
• Аксиальное шиммирование, при котором сектора обрабатываются со стороны медианной плоскости магнита.
• Аксиальное шиммирование, при котором сектора обрабатываются со стороны полюса.
При формировании магнитной структуры циклотрона необходимо подобрать такие способы шиммирования, которые наилучшим образом обеспечивают соответствие роста магнитного поля по радиусу с требования рабочей диаграммы.
В циклотронах тяжелых ионов с энергией 1–2,5 МэВ/нуклон требуемый рост поля по радиусу меньше 40 Гс, т.е. распределение практически должно оставаться плоским.
Азимутальный способ шиммирования секторов в данном случае подходит наилучшим образом. Выбор основан на расчетных и экспериментальных данных, дающих представление о влиянии способа шиммирования секторов на поведение зависимости радиального роста среднего магнитного поля электромагнита dB(Bo)magnet. Исследования проведены на электромагнитах циклотронов, разрабатываемых в ЛЯР ОИЯИ. Некоторые результаты этих исследований представлены на рисунке 2.32. Азимутальное шиммирование применено на циклотронах У-400Р, ДЦ-60. Аксиальное шиммирование со стороны полюса применено на циклотроне МЦ-400 и модели циклотрона ДЦ-72 [132]. Аксиальное шиммирование со стороны медианной плоскости магнита применено на циклотроне ДЦ-72 [133].
Для циклотрона ДЦ-60 радиальное шиммирование выполнено путем смещения плоских секторов по радиусу от центра магнита, что обеспечило равномерно меняющуюся угловую протяженность сектора от 36о на внутреннем радиусе 80 мм до 50о на внешнем радиусе – 805 мм. При таком способе шиммирования рост магнитного поля по радиусу мало меняется при изменении уровня магнитного поля, что позволят использовать маломощную систему токовой коррекции.
Критерии формирования магнитного поля Предварительные оценки требований на точность формирования магнитного поля, при котором обеспечиваются условия изохронизма, могут быть получены из соотношения (4) [134].
Полагая максимально допустимым изменение фазы ускоряемого пучка относительно ускоряющего ВЧ напряжения в пределах ±10о, получаем предельное изменение величины sin() =0,2.
Фокусирующие свойства магнитного поля обеспечиваются четырехсекторной магнитной структурой циклотрона, создающей необходимый уровень вариации магнитного поля. На первых оборотах в центре циклотрона пучок быстро покидает область резонанса Qr=1, поэтому влияние резонанса на динамику пучка незначительно. Частоты свободных колебаний иона в основной области ускорения лежат в диапазоне 1,01Qr1,02 и 0,3Qz0, и обеспечивают радиальную и вертикальную фокусировку ускоряемых пучков ионов. В центральной области фокусировка обеспечена радиальным градиентом среднего магнитного поля и фокусирующим действием ускоряющего ВЧ поля.
0. 0. 0. 0. Флаттер 0. 0. Флаттер сформированного магнитного 0. поля на уровне 1.43Тл 0. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0. R [m] Рис. 2.33. Радиальное распределение флаттера сформированного магнитного поля на уровне 1.43 Тл.
1.08 0. Частоты свободных колебаний иона с A/Z= в сформированном поле на уровне 1.43Тл 1.07 0. 1.06 0. 1.05 0. Qz 1.04 0. Qz Qr 1.03 0. 1.02 0. 1.01 0. Qr 1 0. 0.99 0. 0.98 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0. R [m] Рис. 2.34. Поведение частот радиальных и вертикальных свободных колебаний иона с отношением массы к заряду A/Z = 7 в сформированном магнитном поле.
Корректирующие катушки циклотрона Циклотрон, разработанный для ускорения ионов в фиксированном режиме без вариации энергии ионов, может быть построен без системы радиальных корректирующих катушек, например ИЦ-100, ДЦ-110 /30, 44, 45, 79/. Требуемое магнитное поле может быть сформировано только железными массами. В циклотроне, в котором предусмотрена вариация магнитного поля, всегда предполагается использование системы коррекции распределения магнитного поля по радиусу. Азимутальные (гармонические) катушки устанавливаются в любом случае, которые главным образом требуются при оптимизации системы вывода пучка.
Система корректирующих катушек обеспечивает следующие функции оперативной подстройки:
• Подстройка формы распределения магнитного поля по радиусу для создания изохронных условий ускорения.
• Подстройка положения плоскости аксиальной симметрии магнитного поля.
• Коррекция первой гармоники магнитного поля и центровки орбит ускоряемого пучка ионов.
Радиус оптимального расположения радиальных корректирующих катушек определяется формулой:
Ni Ri = R max (5) N max где Nmax и Rmax – количество и максимальный радиус радиальных корректирующих катушек, i = 1.. Nmax.
Такое расположение радиальных корректирующих катушек обеспечивает оптимальные условия формирования изохронного распределения магнитного поля циклотрона.
Для части радиальных корректирующих катушек целесообразно использовать независимые источники питания для верхней и нижней обмоток. Различие тока обмоток этих катушек обеспечивает как коррекцию среднего поля, так и положение магнитной медианной плоскости циклотрона.
2.3.2. Влияние фокусирующего магнитного канала на магнитное поле циклотрона.
В циклотронах, имеющих электростатический вывод пучка, используется магнитный канал для фокусировки пучка в зоне вывода, обеспечивающий оптимальные условия транспортировки пучка на участке между дефлектором и входом в ионопровод [135].
Конструктивно канал расположен в непосредственной близости от края секторов (рис. 2.35), что оказывает заметное влияние на магнитное поле в рабочей области циклотрона. Это влияние выражается в изменении радиального распределения среднего магнитного поля и, что особенно важно, в появлении первой гармоники азимутального распределения магнитного поля. На рисунке 2.36 показано возмущение, вносимое каналом в распределение магнитного поля в вертикальной плоскости в среднем сечении канала [66, 67, 136].
Рис. 2.35. Положение магнитного канала в циклотроне. Вид на нижний полюс.
Сектор Магнитный канал Медианная плоскость Рис 2.36. Распределение магнитного поля в вертикальной плоскости в области внешнего радиуса сектора по среднему сечению канала. Линия сечения представлена на рисунке 2.35.
Эквипотенциальные линии поля представлены в кГс.
0. Амплитуда первой гармоники, 0.004 вызванной установкой магнитного канала 0. A1 [ Tл ] 0. Рис.2.39. Радиальное распределение амплитуды первой гармоники 0. Rextr магнитного поля, вызванной установкой магнитного канала на циклотрон.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0. R [m] Для компенсации влияния магнитного канала использованы боковые секторные шиммы Sh31 и Sh32, представляющие собой стальные пластины, расположенные по бокам секторов, рисунок 2.40. При помощи шимм проведена коррекция изменения среднего поля (рис.2.41) и компенсация первой гармоники, возникающие при установке магнитного канала.
Расчет формы шимм проведен на основе полномасштабной карты магнитного поля циклотрона с установленным магнитным каналом.
Такой метод, примененный при создании циклотрона ДЦ-60, позволил сформировать рабочее поле циклотрона и получить проектные параметры пучка [66, 136].
1. 1. С Магнитным каналом 1. и боковыми шиммами 1. B [ Tл ] 1. 1. 1. Изохронное 1. 1.416 С Магнитным каналом 1. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0. R [m] Рис. 2.40. Положение боковых Рис. 2.41. Коррекция боковыми шиммами искажения секторных шимм Sh31 и Sh32, среднего магнитного поля, возникающего вследствие используемых для компенсации установки магнитного канала.
влияния магнитного канала.
Использование фальшканала для компенсации возмущений магнитного поля циклотрона, вносимых фокусирующим каналом.
Присутствующий в системе пучка пассивный магнитный канал даже в условиях, когда скомпенсировано его влияние на среднее поле и подавлена первая гармоника за счет бокового шиммирования секторов, приводит к появлению опасных нечетных гармоник 3, 5, 7, вызывающих искажение орбит.
Полное подавление нечетных гармоник магнитного поля может быть выполнено путем установки компенсирующего канала (фальшканала). Компенсирующий канал представляет собой копию пассивного фокусирующего канала и устанавливается центрально симметрично с противоположной стороны полюса магнита. В этом случае полностью компенсируются нечетные гармоники магнитного поля в зоне ускорения.
Увеличение при этом четных гармоник в 2 раза не оказывает существенного негативного влияния на пучок. Среднее магнитное поле формируется за счет дополнительного бокового шиммирования секторов (рис. 2.42).
Рис. 2.42. Схема расположения основного фокусирующего канала (MCh-1) и компенсирующего канала (MCh-2) на циклотроне ДЦ-110.
Метод компенсации влияния фокусирующего канала на магнитное поле циклотрона с использованием фальшканала был применен на циклотроне ДЦ-110.
Численными методами проведено сравнение свойств магнитного поля ДЦ-110, сформированного с использованием фальшканала и без него [137].
Магнитная система без фальшканала Если фальшканал не устанавливается, то возмущение магнитного поля от фокусирующего канала компенсируются только путем шиммирования секторов. В этом случае можно сформировать изохронное поле и подавить первую гармонику, однако остаются другие гармоники, которые влияют на динамику пучка (рис. 2.43).
Bn, G 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Radius, cm Рис. 2.43. Амплитуды гармоник возмущения магнитного поля без установки фальшканала.
Нечетные гармоники приводят к когерентным радиальным колебаниям пучка, достигающим 2,5 см на радиусе вывода, что препятствуют достижению проектной энергии ионов. Этот эффект можно ослабить, если включить азимутальные катушки, создающие 1-ю гармонику магнитного поля в области радиусов 20–60 см на уровне 17 Гс. На рисунке 2. сравниваются амплитуды радиальных колебаний ионов в случаях, когда гармонические катушки выключены и включены. Действие катушек позволило уменьшить когерентную составляющую колебаний с 2.5 до 1,0 см.
Рис. 2.44. Амплитуды радиальных колебаний ионов в зависимости от среднего радиуса орбит. Вверху – гармонические катушки выключены, внизу – гармонические катушки включены.
Магнитная система с компенсирующим каналом Очевидно, что установке компенсирующего канала все нечетные гармоники от канала будут подавлены, в то время как четные 2, 4, 6, …, будут увеличены в 2 раза. Реальную опасность в этом случае может представлять только 2-я гармоника, градиент которой dB2/dr является ведущим членом параметрического резонанса 2Qr=2. В принципе, этот резонанс может привести к росту радиальных колебаний и эмиттанса пучка. Сила действия резонанса зависит от конкретных условий: величины градиента, от того, как далеко расположена рабочая точка от резонанса, от продолжительности его действия. Амплитуда 2-й гармоники после установки компенсирующего канала показана на рисунке 2.45. В области конечных радиусов ускорения амплитуда достигает 130 Гс, а ее градиент 50 Гс/см.
B2, G Рис. 2.45. Амплитуда 2-й гармоники магнитного поля в зависимости от радиуса при установленном фальшканале.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Radius, cm На рисунке 2.46 приводится сравнение амплитуд радиальных колебаний ионов в области конечных радиусов для двух случаев: (1) из магнитного поля после установки фальшканала была дополнительно удалена 2-я гармоника, и (2) в магнитном поле есть 2-я гармоника из-за установки фальшканала. Видно, что 2-я гармоника приводит к увеличению максимальной амплитуды колебаний с 1,1 см до 1,7 см. Заметное увеличение амплитуд происходит в основном у ионов, которые изначально имеют большие амплитуды. Действие резонанса 2Qr=2 в этих конкретных условиях можно считать неопасным, так как число ионов с заметно возросшими амплитудами составляет не более 5% от всех ионов, да и увеличение их амплитуд на 0,6 см вполне допустимо.
Рис. 2.46. Амплитуды радиальных колебаний на конечных радиусах ускорения. Вверху – нет гармоник возмущения, внизу – учтена 2-я гармоника.
Выводы Рассмотрены два способа компенсации влияния фокусирующего магнитного канала системы вывода на магнитное поле циклотрона: с использованием компенсирующего канала (фальшканала) и без него. Оба метода позволяют получить на конечном радиусе ускоренный пучок ионов требуемого качества.
При отсутствии фальшканала возмущения магнитного поля, возникающие вследствие установки фокусирующего канала системы вывода, приводят к появлению когерентных радиальных колебаний пучка, которые могу быть скомпенсированы действием токовых азимутальных катушек.
Установка фальшканала позволяет полностью избавиться от когерентных колебаний пучка на радиусе вывода.
2.3.3 Влияние свойств конструктивных элементов магнитной структуры циклотрона на магнитное поле.
Влияние магнитных свойств стали на точность расчета.
Влияние свойств стали на точность расчета показана на примере численного моделирования магнитной структуры циклотрона ДЦ-60. На рисунке 2.47 и в таблице 2. представлены измеренные магнитные свойства и химический состав образцов металла, использованного для изготовления магнитопровода циклотрона [138, 139].
ТЕСТ mu 0 0.5 1 1.5 B [ Тл ] Рис. 2.47. Зависимости магнитной проницаемости µ(В) стали образцов из различных плавок (см. табл.2.7), в диапазоне индукции магнитного поля 0–2 Тл.
Таблица 2.7. Химический состав (%) образцов стали, использованной для изготовления составных частей магнитопровода циклотрона ДЦ-60.
№ зависимости Тест 1, 4, 10 5 6 2, 3, на рисунке 2. Составные Балки Балки Стойки Балки элементы Полюса Сектора Материал Сталь 10 Сталь 10 Сталь 10 Сталь 10 Сталь C 0,08 0,08 0,06 0,08 0. Mn 0,40 0,53 0,40 0,38 0. Si 0,29 0,28 0,26 0,26 0. S 0,014 0,018 0,013 0,009 0. P 0,007 0,008 0,008 0,006 0. Cr 0,18 0,22 0,16 0,19 0. Ni 0,25 0,34 0,30 0,30 0. Cu 0,13 0,13 0,12 0,12 0. Измеренные зависимости магнитных свойств стали, используемой в производстве магнитопровода циклотрона ДЦ-60, были применены на финальной расчетной стадии формирования магнитного поля [45]. На рисунках 2.48 и 2.49 приведено сравнение радиального распределения среднего магнитного поля в случае стандартных (взятых из справочника) и реальных свойств стали магнитопровода. Расчеты проведены при одном уровне тока основной обмотки электромагнита. Коррекция, необходимая для компенсации полученных изменений магнитного поля, была внесена в расчетную форму секторов. Во избежание искажения магнитного поля, возникающего вследствие различия в магнитных свойствах используемых сталей, все симметричные детали рабочего зазора электромагнита, прежде всего полюса и сектора, выполнены из металла одной плавки.
1. 1. Тестовые свойства стали 1. 1. B [ Tл ] 1. 1. 1. Реальные свойства стали 1. 1. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0. R [m] Рис. 2.48. Радиальное распределение среднего магнитного поля в случае тестовых и реальных свойств стали магнитопровода. Расчеты проведены при одном уровне тока основной обмотки электромагнита 0. Разность средних полей, рассчитанных при тестовых и реальных свойствах стали 0. B [ Tл ] 0. 0. 0. 0. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0. R [m] Рис. 2.49. Разность средних полей в случае тестовых и реальных свойств стали. Расчеты проведены при одном уровне тока основной обмотки электромагнита.
Допуски при изготовлении магнитопровода циклотрона.
В программу испытаний на стенде также вошли следующие замеры:
• Измерение углового положения секторов на полюсных сборках магнитопровода при помощи специально изготовленных лекал. Замерялись расстояния между соседними секторами на внутреннем и внешнем радиусах.
• Измерение радиального положения секторов на полюсной сборке. Замерялись расстояния между центральной пробкой и носиком сектора, между внешним радиусом сектора и боковой поверхностью полюса.
• Особое внимание уделялось повторяемости результатов замеров в случае необходимости технологического подъема и опускания верхней балки вместе с верхней полюсной сборкой после окончательного монтажа электромагнита.
По результатам тестовых замеров все перечисленные параметры соответствуют требованиям к точности сборки электромагнита.
Таблица 2.8. Наиболее значимые геометрические размеры в рабочей области электромагнита циклотрона ДЦ-60.
Деформация магнитопровода под действием пондеромоторных сил В рабочем состоянии происходит деформация элементов магнитопровода под действием пондеромоторных сил. Деформация приводит к изменению геометрических размеров магнитопровода и, как следствие, к изменению распределения магнитного поля в рабочем зазоре электромагнита. Основное изменение геометрии происходит за счет деформации балок магнитопровода под действием магнитных сил притяжения между полюсными сборками. Такая деформация приводит к уменьшению расстояния между полюсами. На примере магнитной структуры циклотрона ДЦ-60 показано влияние деформации на распределение магнитного поля в зазоре. Расчеты величины схождения полюсных сборок проводились при максимальном уровне среднего магнитного поля 1,65 Тл [140]. В зависимости от усилий затяжки соединительных болтов и шпилек расчет показал уменьшение зазора между полюсами в пределах 0,2 – 0,3 мм. На рисунках 2.50 и 2. представлено сравнение результатов расчета среднего поля на уровне 1,65 Тл для недеформированного состояния магнитопровода и в случае уменьшения расстояния между полюсами на 0,2 мм. Изменение уровня поля в рассмотренном случае составило величину 12,5 – 15,5 Гс.
В процессе стендовых испытаний электромагнита проведены замеры изменения расстояния между полюсными сборками при включенном магнитном поле на уровне 1,65Тл.
Результаты замеров показали, что расстояние между секторами уменьшается на 0,3 – 0,35мм.
Разброс в 0,05 мм не оказывает существенного влияния на распределение магнитного поля.
В таблице 2.9 приведены измеренные величины уменьшения зазора между полюсами в рабочем режиме для магнитов циклотронов ИЦ-100, У-400, МЦ-400, У-200, ДЦ-110, ДЦ-60.
1. 1. 1. B [ Tл ] Сближение полюсов на 0.2мм 1. 1. 1. Недеформированное состояние 1. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0. R [m] Рис. 2.50. Распределение среднего магнитного поля на уровне 1,65 Тл для недеформированного состояния магнитопровода и в случае уменьшения межполюсного расстояния на 0,2 мм.
0. 0. 3Гс B [ Tл ] 0. Разность средних полей, рассчитанных в недеформированном состоянии магнитопровода 0. и при сближение полюсов на 0.2мм 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0. R [m] Рис. 2.51. Разность средних полей, рассчитанных в недеформированном состоянии магнитопровода и в случае сближения полюсных сборок на 0,2 мм.
Таблица 2.9. Измеренные величины уменьшения зазора между полюсами в рабочем режиме для магнитов циклотронов ИЦ-100, У-400, МЦ-400, У-200, ДЦ-110, ДЦ-60.
Циклотрон Диаметр полюса, м Уровень Измеренное уменьшение магнитного поля полюсного зазора ИЦ-100
2 Тл 1,0 0, У-400 2-2,1 Тл 4,0 1, МЦ-400 1,5-1,95 Тл 4,0 1, У-200 2 Тл 2,0 0, ДЦ-60 1,25-1,65 Тл 1,62 0, ДЦ-110 1,65 Тл 2,0 0, Выводы 1. Для создания экономичного по энергопотреблению магнита следует выбирать уровень среднего магнитного поля циклотрона, не превышающий 1,7 Тл. Магнитное поле во внешних цепях магнита не должно превышать 1,7 Тл.
2. Для создания магнитной структуры циклотрона тяжелых ионов с энергией 1– 2, МэВ/нуклон целесообразно использовать структуру на базе плоских секторов с прямыми границами и применением способа азимутального шиммирования, при котором проводится обработка боковых поверхностей секторов.
3. Частоты свободных колебаний иона в основной области ускорения целесообразно выбрать в диапазоне 1,01Qr1,02 и 0,3Qz0,4, что обеспечивает радиальную и вертикальную фокусировку ускоряемых пучков ионов. В центральной области фокусировка обеспечивается радиальным градиентом среднего магнитного поля и фокусирующим действием ускоряющего ВЧ поля. Предельное изменение величины sin() =0,2 определяет допустимое отклонение фазы ускоряемых ионов и точность формирования магнитного поля. Допустимый уровень первой гармоники поля не более 3-4 Гс.
4. Комбинированный метод формирования магнитного поля с использованием измеренной карты магнитных полей и учет влияния магнитного фокусирующего канала расчетным путем позволяет получить необходимую точность формирования поля. Однако в расчетах принципиально важно использовать измеренные свойства стали, из которой изготовлены элементы магнитной структуры.