Численное моделирование динамики частиц в канале линейного резонансного ускорителя дейтронов на энергию 23 МэВ

Приведены результаты численного моделирования динамики частиц в канале многосекционного линейного резонансного ускорителя дейтронов на энергию 23 МэВ и ток 10 мА, рассчитанного на непрерывный режим работы. Использование группирователя с электростатической фокусировкой позволяет обеспечить коэффициен...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2008
Автори:	Воронко, В.А., Гусев, Е.В., Демченко, П.А., Сотников, В.В., Шулика, Н.Г., Шулика, О.Н.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2008
Назва видання:	Вопросы атомной науки и техники
Теми:	Физика и техника ускорителей
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111213
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Численное моделирование динамики частиц в канале линейного резонансного ускорителя дейтронов на энергию 23 МэВ / В.А. Воронко, Е.В. Гусев, П.А. Демченко, В.В. Сотников, Н.Г. Шулика, О.Н. Шулика // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 3. — С. 86-90. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-111213
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1112132025-02-09T10:04:08Z Численное моделирование динамики частиц в канале линейного резонансного ускорителя дейтронов на энергию 23 МэВ Чисельне моделювання динаміки частинок у каналі лінійного резонансного прискорювача дейтронів з енергією 23 МеВ Particle dynamics simulation in a 23 MeV resonant deuteron linac Воронко, В.А. Гусев, Е.В. Демченко, П.А. Сотников, В.В. Шулика, Н.Г. Шулика, О.Н. Физика и техника ускорителей Приведены результаты численного моделирования динамики частиц в канале многосекционного линейного резонансного ускорителя дейтронов на энергию 23 МэВ и ток 10 мА, рассчитанного на непрерывный режим работы. Использование группирователя с электростатической фокусировкой позволяет обеспечить коэффициент захвата не менее 70%. Показано, что сочетанием переменно-фазовой и магнитной фокусировок можно существенно снизить уровень активации ускорителя. Надано результати чисельного моделювання динаміки частинок у каналі багатосекційного лінійного прискорювача дейтронів з енергією 23 МеВ та струмом 10 мА, що має працювати у безперервному режимі. Використання банчера з електростатичним фокусуванням дає можливість мати коефіцієнт захоплення частинок не менше 70%. Показано, що поєднання змінно-фазового та магнітного фокусування дозволяє значно зменшити рівень активації прискорювача. The paper presents numerical simulation results of particle dynamics in an accelerating channel of a multisection resonant deuteron linac (energy 23 MeV, current 10 mA) operated in a continuous mode. The transport ratio may be achieved more than 70%, if a buncher with an electrostatic focusing is used. Accelerator activation may be decreased considerably using combination of alternating phase focusing and magnetic focusing. 2008 Article Численное моделирование динамики частиц в канале линейного резонансного ускорителя дейтронов на энергию 23 МэВ / В.А. Воронко, Е.В. Гусев, П.А. Демченко, В.В. Сотников, Н.Г. Шулика, О.Н. Шулика // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 3. — С. 86-90. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111213 621.384.6 ru Вопросы атомной науки и техники application/pdf Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Физика и техника ускорителей Физика и техника ускорителей
spellingShingle	Физика и техника ускорителей Физика и техника ускорителей Воронко, В.А. Гусев, Е.В. Демченко, П.А. Сотников, В.В. Шулика, Н.Г. Шулика, О.Н. Численное моделирование динамики частиц в канале линейного резонансного ускорителя дейтронов на энергию 23 МэВ Вопросы атомной науки и техники
description	Приведены результаты численного моделирования динамики частиц в канале многосекционного линейного резонансного ускорителя дейтронов на энергию 23 МэВ и ток 10 мА, рассчитанного на непрерывный режим работы. Использование группирователя с электростатической фокусировкой позволяет обеспечить коэффициент захвата не менее 70%. Показано, что сочетанием переменно-фазовой и магнитной фокусировок можно существенно снизить уровень активации ускорителя.
format	Article
author	Воронко, В.А. Гусев, Е.В. Демченко, П.А. Сотников, В.В. Шулика, Н.Г. Шулика, О.Н.
author_facet	Воронко, В.А. Гусев, Е.В. Демченко, П.А. Сотников, В.В. Шулика, Н.Г. Шулика, О.Н.
author_sort	Воронко, В.А.
title	Численное моделирование динамики частиц в канале линейного резонансного ускорителя дейтронов на энергию 23 МэВ
title_short	Численное моделирование динамики частиц в канале линейного резонансного ускорителя дейтронов на энергию 23 МэВ
title_full	Численное моделирование динамики частиц в канале линейного резонансного ускорителя дейтронов на энергию 23 МэВ
title_fullStr	Численное моделирование динамики частиц в канале линейного резонансного ускорителя дейтронов на энергию 23 МэВ
title_full_unstemmed	Численное моделирование динамики частиц в канале линейного резонансного ускорителя дейтронов на энергию 23 МэВ
title_sort	численное моделирование динамики частиц в канале линейного резонансного ускорителя дейтронов на энергию 23 мэв
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2008
topic_facet	Физика и техника ускорителей
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111213
citation_txt	Численное моделирование динамики частиц в канале линейного резонансного ускорителя дейтронов на энергию 23 МэВ / В.А. Воронко, Е.В. Гусев, П.А. Демченко, В.В. Сотников, Н.Г. Шулика, О.Н. Шулика // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 3. — С. 86-90. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT voronkova čislennoemodelirovaniedinamikičasticvkanalelinejnogorezonansnogouskoritelâdejtronovnaénergiû23mév AT gusevev čislennoemodelirovaniedinamikičasticvkanalelinejnogorezonansnogouskoritelâdejtronovnaénergiû23mév AT demčenkopa čislennoemodelirovaniedinamikičasticvkanalelinejnogorezonansnogouskoritelâdejtronovnaénergiû23mév AT sotnikovvv čislennoemodelirovaniedinamikičasticvkanalelinejnogorezonansnogouskoritelâdejtronovnaénergiû23mév AT šulikang čislennoemodelirovaniedinamikičasticvkanalelinejnogorezonansnogouskoritelâdejtronovnaénergiû23mév AT šulikaon čislennoemodelirovaniedinamikičasticvkanalelinejnogorezonansnogouskoritelâdejtronovnaénergiû23mév AT voronkova čiselʹnemodelûvannâdinamíkičastinokukanalílíníjnogorezonansnogopriskorûvačadejtronívzenergíêû23mev AT gusevev čiselʹnemodelûvannâdinamíkičastinokukanalílíníjnogorezonansnogopriskorûvačadejtronívzenergíêû23mev AT demčenkopa čiselʹnemodelûvannâdinamíkičastinokukanalílíníjnogorezonansnogopriskorûvačadejtronívzenergíêû23mev AT sotnikovvv čiselʹnemodelûvannâdinamíkičastinokukanalílíníjnogorezonansnogopriskorûvačadejtronívzenergíêû23mev AT šulikang čiselʹnemodelûvannâdinamíkičastinokukanalílíníjnogorezonansnogopriskorûvačadejtronívzenergíêû23mev AT šulikaon čiselʹnemodelûvannâdinamíkičastinokukanalílíníjnogorezonansnogopriskorûvačadejtronívzenergíêû23mev AT voronkova particledynamicssimulationina23mevresonantdeuteronlinac AT gusevev particledynamicssimulationina23mevresonantdeuteronlinac AT demčenkopa particledynamicssimulationina23mevresonantdeuteronlinac AT sotnikovvv particledynamicssimulationina23mevresonantdeuteronlinac AT šulikang particledynamicssimulationina23mevresonantdeuteronlinac AT šulikaon particledynamicssimulationina23mevresonantdeuteronlinac
first_indexed	2025-11-25T15:37:40Z
last_indexed	2025-11-25T15:37:40Z
_version_	1849777258541088768
fulltext	____________________________________________________________ PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2008. № 3. Series: Nuclear Physics Investigations (49), p.86-90. 86 УДК 621.384.6 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЧАСТИЦ В КАНАЛЕ ЛИНЕЙНОГО РЕЗОНАНСНОГО УСКОРИТЕЛЯ ДЕЙТРОНОВ НА ЭНЕРГИЮ 23 МэВ В.А. Воронко, Е.В. Гусев, П.А. Демченко, В.В. Сотников, Н.Г. Шулика, О.Н. Шулика Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт» Харьков, Украина E-mail: demchenko@kipt.kharkov.ua Приведены результаты численного моделирования динамики частиц в канале многосекционного линей- ного резонансного ускорителя дейтронов на энергию 23 МэВ и ток 10 мА, рассчитанного на непрерывный режим работы. Использование группирователя с электростатической фокусировкой позволяет обеспечить коэффициент захвата не менее 70%. Показано, что сочетанием переменно-фазовой и магнитной фокусиро- вок можно существенно снизить уровень активации ускорителя. ВВЕДЕНИЕ При разработке в ННЦ ХФТИ концептуального проекта электроядерного нейтронного источника рассматривалось несколько вариантов ускорителей- драйверов для генерации первичных нейтронов [1]. Один из вариантов представлял собой линейный дейтронный ускоритель непрерывного действия с выходной энергией 23 МэВ, током 3 мА и средней мощностью пучка 69 кВт. При использовании бе- риллиевой мишени скорость генерации первичных быстрых нейтронов в случае дейтронного пучка со- ставляет ∼ 6·1014 н/с. В дальнейшем была выполнена оптимизация ус- коряющего канала, которая преследовала несколько целей. Во-первых, увеличение выходного тока до 10 мА, при заданной энергии дейтронов 23 МэВ, и соответственно мощности пучка до 230 кВт. Для уменьшения вероятности высоковольтных пробоев в инжекторе была снижена энергия инжекции с 100 до 72,5 кэВ. Во-вторых, особое внимание было уделено минимизации потерь тока дейтронов в ускоряющих секциях, где эти потери могут приводить к значи- тельной активации конструкции ускорителя. В на- стоящем сообщении рассмотрены принцип построе- ния ускоряющего канала дейтронного линака непре- рывного действия и результаты численного модели- рования динамики пучка в этом канале. 1. УСКОРЯЮЩИЙ КАНАЛ При построении линейных ускорителей ионов существенным является выбор типа резонансной структуры ускоряющих секций и способа обеспече- ния в них устойчивой динамики пучка заряженных частиц. Так как энергия дейтронов не превышает W≤23 МэВ, то для данного диапазона приведенных скоростей β=v/c≤0,156 наиболее эффективными яв- ляются ускоряющие структуры на основе H- резонаторов, нагруженных трубками дрейфа (v,c- скорости частицы и света соответственно). В рас- сматриваемой области значений β H-резонаторы имеют высокое удельное шунтовое сопротивление (Rsh≥50 МОм/м) и минимальные поперечные разме- ры при выбранной рабочей частоте (f=152 МГц). На Рис.1 приведена типичная конструкция иссле- дованных в ННЦ ХФТИ ускоряющих секций на ос- нове цилиндрического H-резонатора. Трубки дрейфа 3 поочерёдно закреплены в держателях 2 типа ”гре- бёнка”, разность потенциалов между которыми фор- мирует π-волну электрического поля вдоль оси резо- натора с длиной ускоряющего периода βλ/2 (λ-длина волны электромагнитного поля). Рис. 1. Ускоряющая секция на основе H-резонатора: 1- обечайка резонатора, 2- гребенчатый держа- тель, 3- трубка дрейфа, 4- днище резонатора В настоящей разработке устойчивая динамика пучка частиц в пределах каждой ускоряющей сек- ции достигалась использованием переменно- фазовой фокусировки (ПФФ). Этот принцип обес- печения устойчивости как поперечного, так и про- дольного движений одним и тем же высокочастот- ным полем в течение ряда лет исследовался в ННЦ ХФТИ. На его основе создано несколько дей- ствующих образцов ускорителей [2,3]. Основная трудность построения канала ПФФ со- стоит в выборе, из множества возможных вариан- тов, такого распределения знака и значений фазы ϕs синхронной частицы вдоль ускоряющих периодов секции, при котором достигаются максимальный коэффициент захвата пучка, наибольшие ток и темп ускорения. Задача усложняется существенной нели- нейностью динамики частиц, что требует оптимиза- ции каждого ускоряющего периода (длины и апер- туры трубок дрейфа, величины зазоров, напряжён- ности электрического поля). 87 На основании многолетнего опыта численного моделирования динамики пучков ионов в каналах ПФФ были определены основные особенности его построения. На Рис.2 представлено распределение значений фазы синхронной частицы ϕs вдоль уско- ряющих периодов первой секции дейтронного уско- рителя с выходной энергией 1,2 МэВ. На входе сек- ции расположены группирователь и согласующее устройство специальной конструкции. Величина тока инжекции составляет 15 мА, энергия дейтронов W0=72,5 кэВ. 10 20 30 40 50 -90 -60 -30 0 30 60 ϕs , ãðàä номер периода Рис.2. Зависимость синхронной фазы от номера ускоряющего периода Как следует из Рис.2, ускоряющие периоды, в ко- торых имеет место фокусировка (ϕs>0), совместно с периодами, где происходит фазировка (ϕs<0), обра- зуют последовательно чередующиеся группы. При- чём среднее число периодов на участках фокусиров- ки превышает число периодов на участках фазиров- ки. Два смежных участка, включающие фазирующие и фокусирующие ускоряющие периоды, формируют один период ПФФ-фокусировки. Следовательно, 57 ускоряющих периодов первой секции (см. Рис.2) об- разуют 10 периодов ПФФ-фокусировки. Т.к. в фази- рующих периодах значение синхронной фазы ϕs≈- 90°, то основное ускорение частиц происходит на участках фокусировки (ϕs=45°…60°). Первые и последние ускоряющие периоды каж- дой секции являются фазирующими, что сделано для более эффективного согласования параметров пучка на переходах между секциями. Необходимое для устойчивой динамики пучка распределение фазы синхронной частицы (см.Рис.2) достигается соответствующей вариацией длин тру- бок дрейфа. Рассмотренный подход к построению ускоряю- щих секций ионных ускорителей получил название модифицированной переменно-фазовой фокусиров- ки (МПФФ). Для иллюстрации влияния на характер движения частиц высокочастотной МПФФ-фокусировки, на Рис.3 приведены огибающие пучка для 90%, 95% и 98% тока пучка, вошедшего в первую секцию. На Рис.4 приведены поперечный и продольный фазо- вые портреты пучка на выходе этой секции. Среднеквадратичный разброс по энергиям со- ставляет (ΔW/W)rsm≈1,16%, а фазовая протяженность формируемых сгустков на уровне 0,1 амплитуды тока, равна Δϕ≈40°. Коэффициент захвата частиц в режим ускорения 72%. 0 50 100 150 200 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 0.9 0.95 I/I0=0.98r , ñì z, ñì Рис.3. Огибающие пучка в первой ускоряющей сек- ции -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 -30 -15 0 15 30 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 -30 -15 0 15 30 x, см x', мрад a -60 -30 0 30 60 -6 -3 0 3 6 -60 -30 0 30 60 -6 -3 0 3 6 (ϕ −ϕ s) , ãðàä (Ws-W )/Ws, % b Рис.4. Поперечный (a) и продольный (b) фазовые портреты пучка на выходе первой секции Начальная часть ускорителя является наиболее сложной для расчёта. При построении последующих секций использован аналогичный подход. Различие состоит в существенном уменьшении числа периодов фокусировки (не более двух). В этих секциях, по мере затухания продольных и поперечных колебаний час- тиц, значения синхронной фазы по модулю в среднем уменьшаются как в фазирующих (ϕs≈-60°…-70°), так и в фокусирующих (ϕs≈43°…46°) ускоряющих пе- риодах. Это позволяет увеличить темп ускорения. При расчёте ускоряющего канала большое зна- чение для минимизации потерь частиц имеет способ согласования характеристик пучка как в попереч- ной, так и в продольной фазовых плоскостях, при переходах между соседними секциями. Для согласования поперечных характеристик фа- зового объёма пучка на участках переходов между секциями использовались магнитные линзы. Согла- сование продольных характеристик достигалось подбором длин участков. В качестве фокусирующих устройств рассматри- вались магнитные квадрупольные триплеты и сверхпроводящие соленоиды. Для иллюстрации на Рис.5,6 приведена транс- формация фазового объёма пучка на переходах ме- жду соседними секциями №10 и №11 (энергия дей- тронов 15,74 МэВ). На Рис.5 показаны проекции фазового объёма пучка на поперечные (xx′ ), (yy′) и продольную (ϕ,W) плоскости на выходе секции №10. На Рис.6 представлены эти же фазовые харак- теристики пучка после прохождения согласующего участка между секциями, на котором соответствен- но установлен или магнитный квадрупольный три- плет, или фокусирующий соленоид. 88 -2 -1 0 1 2 -20 -10 0 10 20 -2 -1 0 1 2 -20 -10 0 10 20 x (y), см x' (y'), мрад a Рис.5. Проекции фазового объёма пучка на выходе секции №10: a – на плоскости (xx') и (yy'), b – на продольную плоскость -2 -1 0 1 2 -20 -10 0 10 20 -2 -1 0 1 2 -20 -10 0 10 20 x (y'), см x', (y'), мрад a -50 -25 0 25 50 -2 -1 0 1 2 -50 -25 0 25 50 -2 -1 0 1 2 (ϕ −ϕ s), ãðàä (Ws-W )/Ws, % b Рис.6. Проекции фазового объёма пучка после квад- рупольного триплета или соленоида: a – на плоско- сти (xx') и (yy'), b – на продольную плоскость Как следует из приведенных рисунков, для обоих типов линз на входе последующей секции можно получить идентичную форму фазового объёма пуч- ка, требуемую для оптимального согласования. Для рассмотренного участка перехода в таблице 1 при- ведены сравнительные параметры обеих типов маг- нитных линз, где L-длина линзы, Leff-эффективная длина, ra-радиус апертуры, B-магнитная индукция (для триплета указана на полюсах). Таблица. 1 Линза L, см Leff, см ra, см B, Tл Соленоид 10 80 3.2 5.2 Триплет 92 112 3.8 0.45 Проведенный анализ показывает, что в случае использования в ускоряющем канале аксиально- симметричных линз, для получения требуемых на- пряжённостей магнитного поля необходимо исполь- зовать сверхпроводящие соленоиды. В то время как изготовление триплетов с требуемыми технически- ми характеристиками не представляет проблем. Применение сверхпроводящих соленоидов в ус- коряющее-фокусирующем канале может оказаться целесообразным в случае использования сверхпро- водящих ускоряющих структур, которые наиболее эффективны в ускорителях непрерывного режима работы. Рассмотренный подход, основанный на комби- нации переменно-фазовой фокусировки в ускоряю- щих секциях и магнитной фокусировки на участках переходов между ними, последовательно проводил- ся при численном моделировании ускоряющего ка- нала. В таблице 2 приведены основные характеристи- ки рассчитанных секций дейтронного ускорителя непрерывного режима работы. 2. НАЧАЛЬНАЯ ЧАСТЬ УСКОРИТЕЛЯ В данной разработке, учитывая сравнительно умеренные значения тока пучка, рассматривается вариант начальной части, состоящей из конструк- тивно автономных устройств: группирователя (бан- чера), согласующего устройства (согласователя) и первой ускоряющей секции с МПФФ-фокусировкой. Структура канала первой секции и динамика пучка в ней рассмотрены выше. Конструкции группирователя и согласователя, которые располагались на входе первой секции, представлены на Рис.7. 8 Группирователь Согласователь Обечайка Рис. 7. Группирователь-согласователь: 1-гребенчатый держатель; 2-трубки дрейфа; 3-изоляторы, 4-конденсаторы связи; 5-потенциальные электроды; 6-изолятор; 7-заземленные электроды Группирователь представляет собой короткий H- резонатор, нагруженный трубками дрейфа и настро- енный на рабочую частоту 152 МГц. Основная про- блема при расчете группирователя состоит в обес- печении радиальной устойчивости пучка при его транспортировке в группирователе. Так как. энергия инжекции дейтронов составляла W0=72,5 кэВ, то для фокусировки пучка в группиро- вателе было предложено использовать электроста- тическое поле с чередованием потенциала между трубками дрейфа. Для этого на чётные трубки дрей- фа 2 (см. Рис.7) подавалось отрицательное напряже- ние смещения относительно резонатора. Эта группа трубок была изолирована от держателя 8 изолято- рами 3. Высокочастотная связь с резонатором осу- ществлялась через разделительную ёмкость 4. Та- ким образом, на чётных трубках дрейфа кроме вы- сокочастотной составляющей поля имелось и посто- янное смещение, которое обеспечивало фокусиров- ку пучка. На нечётных трубках дрейфа имелась только высокочастотная составляющая поля. Оптимальные условия для группировки и транс- портировки пучка достигались при потенциале смещения -50 кВ и высокочастотной разности по- тенциалов между трубками дрейфа 5,2 кВ. Для оптимального захвата частиц в режим уско- рения первой секцией на её входе необходимо иметь сходящийся по радиусу пучок определённого диа- метра. Соответствующее согласование поперечных фазовых характеристик пучка с аксептансом секции достигается с помощью согласователя (см Рис.7). Он представляет собой многоэлектродную аксиаль- -50 -25 0 25 50 -2 -1 0 1 2 -50 -25 0 25 50 -2 -1 0 1 2 (ϕ −ϕ s) , ãðàä (Ws-W )/Ws, % b 89 но-симметричную линзу с чередующимся потенциа- лом на электродах. Максимальный коэффициент захвата начальной частью ускорителя наблюдается при потенциале - 41 кВ на электродах 5, относи- тельно заземлённых электродов 7. Для нескольких значений доли полного тока ин- жекции на Рис. 8 приведены поведения огибающих пучка на участках группирователя и согласователя. На рисунке они разделены пунктирной линией. 0 50 100 150 200 250 300 350 0 1 2 3 4 5 0.9 0.95 r , ì ì z, мм I/I0=0.98 Рис.8. Огибающие пучка в группирователе- согласователе Результаты численного моделирования показы- вают, что приведенный подход к построению груп- пирователя-согласователя позволяет в достаточно широких пределах осуществлять трансформацию фазового объёма пучка с целью получения макси- мального коэффициента захвата частиц начальной частью ускорителя. 3. ПОТЕРИ ПУЧКА И АКТИВАЦИЯ УСКОРИТЕЛЯ Возможность обслуживания ускорителя опреде- ляется допустимым уровнем мощности дозы Ka ио- низирующего излучения вблизи ускорителя после его выключения, при условии длительной предвари- тельной работы (время активации). Образующееся радиационное поле обусловлено активацией мате- риала элементов ускоряющего канала в результате ядерных реакций, инициируемых дейтронами при их потере. Для снижения уровня активации, необхо- димо уменьшать потери тока пучка вдоль канала по мере роста энергии дейтронов. При численном моделировании ускоряющего ка- нала принимались специальные меры для того, что- бы основные потери частиц происходили в низко- энергетических секциях, так как с ростом энергии дейтронов быстро увеличиваются число каналов ядерных реакций, приводящих к образованию ра- дионуклидов, и скорости их выхода. Для уменьше- ния потерь была увеличена жёсткость переменно- фазовой фокусировки за счёт увеличения в среднем модуля синхронной фазы, что, в свою очередь, при- водит к снижению темпа ускорения. 0 1 2 3 4 5 6 7 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0 10 20 30 40 50 z, m Δ I, m A 1 - Cu(d,x) 2 - Cu(n,x) 3 - Steel(n,x) 4 - Summary K , μ Z v/ h 3 2 1 4 Рис.9. Распределения вдоль ускорителя: потерь то- ка ΔI дейтронов (гистограмма) и мощностей дозы K (кривые 1-4), обусловленных различными механиз- мами активации На гистограмме (Рис.9) представлено распреде- ление тока потерь дейтронов ΔI вдоль участка кана- ла с конечной энергией ∼4 МэВ (z-продольная коор- дината). Здесь же (кривые 1…4) приведены распре- деления мощности дозы K вдоль канала на расстоя- нии 1 м от его оси через 1 час после выключения Таблица 2. Основные характеристики ускоряющих секций Энергия пучка, МэВ Эмиттанс, мм×мрад. Чи сл о пе ри од ов ус ко ре ни я Чи сл о пе ри од ов фо ку си ро вк и Д ли на с ек ци и, м С ре дн яя н а- пр яж ен но ст ь эл . по ля в за зо ра х, кВ /с м Ток, мА М ощ но ст ь во з- бу ж де ни я, к В т № с ек ци и вх од на я вы хо дн ая на в хо де на в ы хо де на в хо де на в ы хо де 1 0,0725 1,29 0,15 2,06 57 10 1,93 120 15,0 11,1 43 2 1,29 2,38 2,06 2,35 21 2 1,25 94 11,1 11,0 60 3 2,38 3,88 2,35 2,78 25 2 1,75 63 11,0 10,9 80 4 3,88 5,12 2,78 2,78 17 1 1,4 60 10,9 10,9 70 5 5,12 6,35 2,78 2,76 17 1 1,58 60 10,9 10,9 90 6 6,35 7,80 2,76 3,1 16 1 1,65 57,6 10,9 10,9 110 7 7,8 9,46 3,1 3,15 15 1 1,71 60 10,9 10,9 140 8 9,46 11,46 3,15 3,49 18 1 2,18 57 10,9 10,9 130 9 11,46 13,53 3,49 3,63 17 1 2,25 57,4 10,9 10,9 150 10 13,53 15,74 3,63 3,65 18 1 2,54 51,7 10,9 10,9 170 11 15,74 18,02 3,65 3,92 18 1 2,71 47,7 10,9 10,9 160 12 18,02 20,55 3,92 4,08 18 1 2,89 45,7 10,9 10,9 175 13 20,55 23,0 4,08 4,13 20 1 3,35 45,7 10,9 10,9 180 Итого 27,19 1558 90 пучка. Время активации ta>1 месяца. Кривые 1-3 Рис.9 представляют парциальный вклад в суммар- ную мощность дозы (кривая 4) различных механиз- мов активации ускорителя. В частности, активации медных трубок дрейфа непосредственно бомбарди- ровкой дейтронами Cu(d,x) (1), их активации вто- ричными нейтронами Cu(n,x), образующимися в реакциях Cu(d,xn) (2), и активации вторичными ней- тронами вакуумного лайнера из нержавеющей стали (3), в котором расположены ускоряющие секции. В соответствие с нормами радиационной безо- пасности Украины (НРБУ-97) допустимая мощность дозы для персонала составляет Ka=12 мкЗв/ч при равномерном облучении в течение года. Как следует из Рис.9, в критической точке величина Ka превы- шается приблизительно в 4 раза. Таким образом, через 1 час после выключения пучка время пребы- вания персонала вблизи ускорителя не должно пре- вышать 2 часа, либо следует увеличить время ра- диационного остывания tc>2 часов. Спустя 24 часа мощность дозы на рассмотренном участке ускори- теля не превышает Ka, вследствие распада относи- тельно короткоживущих радионуклидов. На остальном участке рассчитанного канала (z>6 м) длиной около 22 м моделирование динамики пучка методом макрочастиц не даёт потерь дейтро- нов. Так как в моделирующем ансамбле использова- лось 104 частиц, то это даёт верхнюю оценку поте- рям тока пучка ΔI/I0<10-4 или, соответственно, зна- чение ΔI<1,5 мкА. Для среднего значения линейных потерь на этом участке имеем верхнюю оценку dI/dz<70 нА/м. Для радиационно-чистого ускорителя оценки максимально допустимого уровня линейных потерь дают значение не более 20…10 нА/м, при энергиях дейтронов в интервале 14<W<23 МэВ. Таким образом, для более точной оценки в целом активации ускоряющего канала необходимо увели- чить число макрочастиц в ансамбле как минимум на порядок величины. ВЫВОДЫ Результаты проведенных исследований показы- вают, что на основе развитого в ННЦ ХФТИ метода модифицированной переменно-фазовой фокусиров- ки могут быть реализованы каналы линейных ион- ных ускорителей средних энергий с низким уровнем радиационных потерь и относительно простой кон- струкцией ускоряющих секций. ЛИТЕРАТУРА 1. Ukraine-USA Meeting “Accelerator Driven Sub- critical Assembly Facility”. Україна, Харків, 24- 25 лютого 2005 / Під ред. А.М. Довбні ННЦ ХФТІ, Харків, 2005. 246 с. 2. Е.В. Гусев, С.Ю. Кривуля, Н.Г. Шулика и др. Исследование ускоряющей структуры ускорите- ля дейтронов МЛУД-3 // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Ядерно-физические исследо- вания» (5). 1989, №.5, с.37-39. 3. П.А. Демченко, И.К. Ковальчук, В.В. Митроченко и др. Экспериментальные исследования динами- ки протонов в ускорителе с переменно-фазовой фокусировкой // Вопросы атомной науки и тех- ники. Серия «Техника физического эксперимен- та» (24). 1985, №.3, с.28-31. PARTICLE DYNAMICS SIMULATION IN A 23 MeV RESONANT DEUTERON LINAC V.A. Voronko, Ye.V. Gussev, P.O. Demchenko, V.V. Sotnikov, N.G. Shulika, O.N. Shulika The paper presents numerical simulation results of particle dynamics in an accelerating channel of a multi- section resonant deuteron linac (energy 23 MeV, current 10 mA) operated in a continuous mode. The transport ratio may be achieved more than 70%, if a buncher with an electrostatic focusing is used. Accelerator activation may be decreased considerably using combination of alternating phase focusing and magnetic focusing. ЧИСЕЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ДИНАМІКИ ЧАСТИНОК У КАНАЛІ ЛІНІЙНОГО РЕЗОНАНСНОГО ПРИСКОРЮВАЧА ДЕЙТРОНІВ З ЕНЕРГІЄЮ 23 МеВ В.О. Воронко, Є.В. Гусєв, П.О. Демченко, В.В. Сотніков, М.Г. Шуліка, О.М. Шуліка Надано результати чисельного моделювання динаміки частинок у каналі багатосекційного лінійного прискорювача дейтронів з енергією 23 МеВ та струмом 10 мА, що має працювати у безперервному режимі. Використання банчера з електростатичним фокусуванням дає можливість мати коефіцієнт захоплення час- тинок не менше 70%. Показано, що поєднання змінно-фазового та магнітного фокусування дозволяє значно зменшити рівень активації прискорювача.

Численное моделирование динамики частиц в канале линейного резонансного ускорителя дейтронов на энергию 23 МэВ

Репозитарії

Схожі ресурси