Некоторые особенности гатчинского изохронного. до энергии 80 МэВ ПИЯФ. П. Богданов, В. Мудролюбов- НИИЭФА

1 Некоторые особенности гатчинского изохронного циклотрона для ускорения Н - ионов до энергии 80 МэВ Г.Рябов, С. Артамонов, Е.Иванов, Михеев, Б. Токарев, Ю. Миронов ПИЯФ П. Богданов, В. Мудролюбов- НИИЭФА ГАТЧИНА 2012 А

2 Экспериментальный комплекс синхроциклотрона ПИЯФ

3 Варианты развития ускорительной базы ПИЯФ o o Изохронный циклотрон - мезонная фабрика Ускоритель ионов от водорода до урана Циклотрон Н ионов ионов, который можно начать разрабатывать для фундаментальных и прикладных исследований без федерального финансирования (т. н. хозяйственным методом ).

4 Циклотрон Н ионов + Возможна нжекция в следующую ступень ускорения 100% вывод пучка высокой интенсивности Переменная энергия без перестройки магнитной системы Из-за за малой энергии связи электрона в Н - ионе ( Е 0.75 эв) Специальный источник ионов Магнитное поле в секторе 17 кгс Высокий вакуум 10-7 Торр

5 Максимальное использование существующей инфраструктуры для экономии средств Чтобы не строить нового здания ускоритель помещён в неиспользуемую часть экспериментального зала СЦ биологическая защита электропитание водоохлаждение кран 30 тонн Для магнита использовалось железо существующей модели СЦ

6 Статус проекта к 2010 г. Разработан проект и рабочие чертежи всех основных систем циклотрона. Разработан, изготовлен, смонтирован и запущен магнит циклотрона и начаты полномасштабные магнитные измерения. Нерешенные проблемы изготовление элементов циклотрона, требующих заводского оборудования и закупка оборудования промышленного изготовления Решение проблемы оказалось возможным после вступления в НИЦ «Курчатовский институт»

7 Составные части Ц ВЧ- ускоряющая система 1. Электромагнит 4. Система аксиальной инжекции 2. Вакуумная камера

8 МАГНИТ Диаметр полюса Зазор долины Зазор холма (мин.) Число секторов Угол спиральности (макс.) Изохронное поле в центре Флаттер (макс.) Ампер витки Мощность Вес ВЧ. СИСТЕМА Частота Напряжение Гармоника ВЧ.- мощность ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЦИКЛОТРОНА Ц м. 386 мм. 164 мм 4 65 град Т квт 250 т МГц 60 кв квт ВАКУУМ Давление 2 криогенных насоса 1 турбомолекулярный Н - источник Мультипольный Энергия инжекции АКСИАЛЬНАЯ ИНЖЕКЦИЯ Транспортная система: линза- соленоид, соленоид, инфлектор ВЫВОДНАЯ СИСТЕМА Метод стриппирования Диапазон энергий 10-7 тор л/с (H 2 ) 1.5 ма 26 кв МэВ 8

9 МАГНИТНАЯ СИСТЕМА. Основные требования к магнитному полю 1. Для 80 МэВ поле на конечном радиусе rk = 0.9 м,, < Bk >= кгс 2. Изохронность поля по орбите с точностью 5 Гс. 3 Z -фокусировка и допустимые значения частот горизонтальных vx и вертикальных vz колебаний. 4. Поле в холме должно быть минимально возможным, чтобы ограничить диссоциацию Н- ионов величиной

5%. 5. Для установки высокочастотной системы и камеры минимальный зазор между шиммами на краю магнита должен быть не меньше, чем мм. 6. Плоскость симметрии магнитного поля должна совпадать с геометрической плоскостью с точностью не хуже 0.1 мм Особенность Н- циклотрона Чтобы уменьшить магнитное поле в холме, для Н - циклотронов целесообразно использовать магнитную структуру со сравнительно малой величиной флаттера и с большой спиральностью

10 Магнитная структура и потери Н- ионов на электродиссоциацию Рассматривалось две версии магнитной системы: 1. F=0.04, γ=55º, Амплитуда 4 гармоники= 4.5 кгс 2. F=0.025, γ=65º, Амплитуда 4 гармоники= 3.28 кгс Второй вариант выбран как основной, т. к. потери в данной структуре менее 5 %

11 Магнитная структура Расчёт флаттера даже для прямых секторов в зависимости от радиуса есть 3Д- проблема Качественное приближённое рассмотрение в предположении равномерного намагничивания сектора 2πa 2πg h B 2 B N = 8M sin( ) exp( ), N F

exp( 2 / x), d d 2 где B N - гармоника поля, 2a азимутальная протяженность сектора вдоль, 2g h зазор в холме, N- число секторов, d период структуры d=2πr/ N, 4πM = 21кГс. x= r/ngh безразмерный масштабный параметр Качественные выводы 1. F=Fmax, когда длина холма и долины одинаковы a=0.25 d 2. F растёт при уменьшении g h 3. F падает при увеличении количества секторов N 4. F стремится к нулю при x 0.5 т.е. при r 0.5 Ng h

12 Магнитная структура Флаттер в зависимости от радиуса Флаттер в зависимости от параметра x = r/n g h, где N = 4, 1-2g v = 386 mm, 2g h = 170 mm, h1 толщина сектора = 108 mm; 2-2g v = 284 mm,, 2g2 h = 145 mm, h2 толщина сектора = 69 mm: 3 - равномерное намагничивание для случая 1 Для циклотрона Ц-80 был выбран вариант зазоров, соответствующий случаю 1, т. е. 1-2g v = 386 мм, 2g h = 170 мм, h1 = 108 мм

13 Магнитная структура Влияние спиральности Обычно считается, что увеличение Z-фокусировки за счёт спиральности равно ν 2 k + F z где γ - угол спиральности ( ) 1+ 2 tg 2 γ Однако, на практике выигрыш от введения спиральности меньше, чем по приведённой формуле благодаря двум факторам : 1. уменьшение флаттера при введении спиральности 2. несовпадение механического и магнитного углов спиральности "Эффективная" длина сектора АВэфф АВ*(cosγ),где АВ- длина сектора вдоль азимута Xeff = Xcos γ

14 Влияние спиральности При x eff 0.5 т. е радиусах r < 0.5(Ng h / cosγ) спиральность уменьшает Z- фокусировку. Предельный для данного радиуса угол спиральности, при превышении которого фокусировка уменьшается есть корень уравнения U ( x, γ ) = ( F( x cosγ ) / F( x)) (1 + 2 tan γ ) 1 = 0 где F есть функция, показанная на рисунке 2 Предельный угол спиральности в зависимости от радиуса для циклотрона Ц-80. Спиральность становится неэффективной на радиусах менее 15 см и структуру с большим углом спиральности целесообразно применять на радиусах более 35 см.

15 Магнитная структура циклотрона Ц-80 Параметры магнитной структуры представлены в Таблице. На Рис представлен вид сверху на полюс магнита (Подробности в стендовом докладе)

16 Магнитные измерения Расчёт геометрии шимм производился по Новосибирской 3Д-программе MERMAID с учётом насыщения железа в узлах (подробнее в стендовом докладе) Магнитные измерения производились 20 датчиками Холла, калиброванными по ЯМР, и автоматизированной координатной системой с точностью установки 0.1 мм. Точность измерений 10-4.

17 Вакуумная камера и вакуум Для улучшения вакуума: Внешний источники система аксиальной инжекции Криогенные насосы Магнитная система вне вакуумного объёма и крышки камеры крепятся к полюсам магнита

18 В.Ч. резонансная система Параметры ВЧ- системы: частота 41.2МГц, ускоряющее напряжение 60 кв, мощность 80 квт

19 Выводная система Схема вывода Фазовые эллипсы выведенного пучка

20 Параметры выведенного пучка Чёрный на входе в фольгу, голубой на входе в корректирующий магнит, сиреневый на выходе из корректирующего магнита. T, MeV ξ z ξ z ξ z α -1,793-5,079-2,631 0,022-3,562-3,123 β, мм/мрад 5,801 5,010 3,307 4,657 3,559 62,220 γ, мрад/мм 0,727 5,348 2,395 0,215 3,845 0,173 ε, мм мрад 5,4 3,8 5,9 2,1 5,6 1,2

21 Экспериментальный комплекс Первый этаж Подвальный этаж

22 Текущая ситуация Изготовлено заводское и закуплен весь комплект оборудования для циклотрона Ведётся монтаж и настройка Заканчиваются магнитные измерения Планируется получить первый пучок в конце 2012 г.