Beam dynamics in a customs cyclotron with an internal ion source
A project of a complex for explosives detection on a base of a gamma resonance method is developed in Russia. The search for explosives is based on the detection of high nitrogen concentrations in a luggage. The complex consists of a cyclotron, developed in Dubna, an original storage ring, a gam...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2006 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2006
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79866 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Beam dynamics in a customs cyclotron with an internal ion source / E.V. Samsonov, L.M. Onischenko, A.S. Vorozhtsov // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 3. — С. 128-130. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859850860543082496 |
|---|---|
| author | Samsonov, E.V. Onischenko, L.M. Vorozhtsov, A.S. |
| author_facet | Samsonov, E.V. Onischenko, L.M. Vorozhtsov, A.S. |
| citation_txt | Beam dynamics in a customs cyclotron with an internal ion source / E.V. Samsonov, L.M. Onischenko, A.S. Vorozhtsov // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 3. — С. 128-130. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | A project of a complex for explosives detection on a base of a gamma resonance method is developed in Russia.
The search for explosives is based on the detection of high nitrogen concentrations in a luggage. The complex consists
of a cyclotron, developed in Dubna, an original storage ring, a gamma rays producing 13C target, and a detecting
equipment. For purposes of simplification in the cyclotron design an internal source of H⁻ ions instead of an external
beam injection was introduced and examined. The computations have shown that the beam with an energy
~1.8 MeV and current 100…200 μA would be extracted from the cyclotron with efficiency ~95%.
Проект комплекса для обнаружения взрывчатых веществ на базе гамма-резонансного метода разрабатывается в России. Поиск взрывчатки основан на детектировании высоких концентраций азота в объектах багажа. Установка состоит из циклотрона, который разрабатывается в Дубне, небольшого накопительного кольца, гамма-мишени и детектирующей аппаратуры. В целях упрощения конструкции циклотрона используется внутренний источник Н⁻ ионов вместо их аксиальной инжекции. Расчеты показывают, что пучок с энергией ~1.8 МэВ и током 100...200 мкА может быть выведен из циклотрона с эффективностью ~95%.
Проект комплексу для виявлення вибухових речовин на базі гамма-резонансного методу розробляється в
Росії. Пошук вибухівки заснований на детектуванні високих концентрацій азоту в об'єктах багажу.
Установка складається із циклотрона, що розробляється в Дубні, невеликого накопичувального кільця,
гамма-мішені і апаратури для детектування. З метою спрощення конструкції циклотрона використано внутрішнє джерело Н⁻ іонів замість їхньої аксіальної інжекції. Розрахунки показують, що пучок з енергією ~1.8 МеВ і струмом 100...200 мкА може бути виведений із циклотрона з ефективністю ~95%.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:41:31Z |
| format | Article |
| fulltext |
BEAM DYNAMICS IN A CUSTOMS CYCLOTRON WITH
AN INTERNAL ION SOURCE
E.V. Samsonov, L.M. Onischenko, A.S. Vorozhtsov
Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia
E-mail: sams@nusun.jinr.ru
A project of a complex for explosives detection on a base of a gamma resonance method is developed in Russia.
The search for explosives is based on the detection of high nitrogen concentrations in a luggage. The complex con-
sists of a cyclotron, developed in Dubna, an original storage ring, a gamma rays producing 13C target, and a detect-
ing equipment. For purposes of simplification in the cyclotron design an internal source of H- ions instead of an ex-
ternal beam injection was introduced and examined. The computations have shown that the beam with an energy
~1.8 MeV and current 100…200 μA would be extracted from the cyclotron with efficiency ~95%.
PACS: 29.20.Bd, 83.10Rs
1. INTRODUCTION
A scheme of the installation and the main parame-
ters of the required cyclotron with the external injection
were considered earlier in [1, 2]. Since these cyclotron
beam parameters did not satisfy to needed ones, the
scheme of installation was changed. The storage ring
was included in the installation and the cyclotron with
internal ion source and essentially smaller beam current
was proposed. All computations for this cyclotron de-
scribed below were subdivided into 3 regions: central,
main acceleration and extraction ones.
2. CENTRAL REGION OF THE CYCLOTRON
Geometry of the central region of cyclotron together
with the trajectories of ions on the first turn is shown in
Fig.1. All calculations of ion dynamics were done by
our code PHASCOL [3] taking into account space
charge effects and making use a preliminarily prepared
map of the dees electric field. The electric field simula-
tion of the selected electrode structure was performed
with the help of the well-known code “Mermaid” [4].
Fig.2 shows the electrodes structure for the cyclotron.
Axial dee aperture is 20 mm. Parameters of the model:
~8×106 nodes, run time ~10 min, mesh step in X-Y
plane − 1mm.
Fig.1. Plan view of the cyclotron central region with the
ion trajectories for the first turn
R30
R40
R50
6
10
4 6° 45
°3
R40
4
R48,5 R51,5
Fig.2. X-Y view of dee electrode structure
Total electric field map in the median plane of the
cyclotron is illustrated in Fig.3. “Hot” spots are clearly
visible near the corners of the dee tips and ground struc-
ture. The necessity for the rounding of the dee corners is
quite obvious.
Fig.3. Contour plot of the computed electric field distri-
bution
To be used in computation of dynamics, the map
was transformed on the grid with the steps along a ra-
dius ΔR=1 mm and along the azimuth Δφ = 0.5° in the
limits R= (4…30) cm, φ = (0-360)°. In the median plane
two horizontal components of electric field were calcu-
lated: radial Еr and azimuthal Еφ. Out of the median
plane three components of electric field were calculated
by the following formulas obtained on the basis of
Maxwell's equations:
( ) r
z r
dEdEzE z E r
r dr d
ϕ
ϕ
ж ц
= − + +з ч
и ш
,
2
2( ) ( 0) 2 r r
r r z
dE d EzE z E z E z r
r dr dr
й щж ц
= = − + +к ъз ч
и шл ы
,
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2006. № 3.
Series: Nuclear Physics Investigations (47), p.128-130.128
22
2 2( ) ( 0) r d EdEzE z E z
r d d
ϕ
ϕ ϕ ϕ ϕ
ж ц
= = − +з чз ч
и ш
.
Size of the ion source (IS) output slit was supposed
equal Δr×Δz=0.5×5.0 mm. Optimum position of the slit
along the radius and azimuth was selected from the con-
dition of approaching the orbits of ions to the accelerat-
ed equilibrium orbit which corresponded to the dee volt-
age ~50 kV.
The first accelerating gap for the extraction of ions
from IS is shaped between the IS and puller. The puller
overlaps the aperture of the first dee in its nose and has
a window with the dimensions Δr×Δz=3.0×5.0 mm. The
center of puller window is located on radius 50 mm. A
width of source-puller gap is equal to 5 mm.
Selection of the optimum position of the di-
aphragms, which form a beam, was carried out so that to
fulfill the following conditions:
• The current of the formed beam must be not less
than 200 mkA, using the assumption that IS ensures
6 mA of current in the continuous regime.
• The smallest possible values of the transverse emit-
tances of beam and energy spread in it were necessary
to attain.
• The radial position of the beam on reaching the re-
quired energy must be matched with the position of the
septum of electrostatic deflector of the beam extraction
system.
A starting bunch of ions was formed by injecting the
series of micro bunches with the energy 100 eV from
the IS slit. The longitudinal dimension of each micro
bunch was equal to 1°, and the transverse emittances
εr=150 (0.06) π mm·mrad, εz=1000 (0.45) π mm·mrad.
(Normalized values of emittances are shown in brack-
ets). Each micro bunch contained 500 macroparticles
distributed normally on the transverse phase planes and
uniformly along a longitudinal direction. First micro
bunch was injected when a zero voltage was on the first
accelerating gap. Then, with the interval of 0.14 ns, to
which corresponded ~2°RF, the injection of 32 addition-
al microbunches was simulated. A total number of in-
jected macroparticles was equal to 16500.
The selected position of diaphragms is shown in
Fig.1. The first diaphragm is located after the yield of
beam from the first dee and it occupies the azimuthal re-
gion (70…90)°. This diaphragm overlaps the part of the
ion beam that has in this region a radius less than
55 mm. The second diaphragm is arranged on azimuth
270° and has a radial width of gap 6.6 mm. A center of
diaphragm is located on radius 87 mm. If we accept as
100% − number of ions which started from the IS in the
period of injection 4.62 ns, then 7% ions will fall on the
first dee nose, 64% will be delayed by the post (1-st di-
aphragm), 12% will remain on the walls of the second
diaphragm and 17% will be obtained for further acceler-
ation. Calculations showed that the following power of
beam will be set down on the diaphragms: 1-st di-
aphragm ~100 W, 2-nd diaphragm ~30 W. Approxi-
mately 3000 macroparticles were accelerated up to final
energy.
2. MAIN ACCELERATION REGION
The ions reach the final energy ~1.8 MeV through
9 turns. In Fig.4 the trajectories of ions during entire cy-
cle of acceleration are shown. The dependence of the
bunch phase width on the azimuth is shown in Fig.5. In
the beginning of acceleration the bunch phase width in-
creases up to 110°RF. As a result of acting the di-
aphragms on the first turn the width of bunch decreases
to ~15°RF and remains similar to the end of accelera-
tion.
Fig.4. Plan view of the whole acceleration region of the
cyclotron with extraction system
Fig.5. Bunch phase width versus turn number of accel-
eration
Axial motion of ions is demonstrated in Fig.6. Am-
plitude of the axial oscillations of ions does not exceed
5 mm within the whole region of acceleration.
Fig.6. Ion axial motion versus turn number of accelera-
tion
Position of ions on the phase planes and on the plane
radius-energy is shown in Figs.7, 8. The final rms val-
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2006. № 3.
Series: Nuclear Physics Investigations (47), p.128-130.129
ues (±2σ) of the beam transverse emittances are equal:
εr=50 π mm·mrad, εz=9 π mm·mrad. The ions are dis-
tributed inside an angle range of the transverse impulses
±10 mrad and ±5 mrad in horizontal and vertical planes,
respectively. The average energy of beam is equal
1.82 MeV, energy spread is ±2.5%.
29,0 29,5 30,0 30,5 31,0 31,5 32,0
-9,6
-9,4
-9,2
-9,0
-8,8
-8,6
-8,4
-8,2
-8,0
-7,8
-7,6
-7,4
Pr
(c
m
)
R (cm)
-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Pz
(c
m
)
Z (cm)
Fig.7. Position of 3000 ions on the transverse phase
planes at azimuth of the deflector entrance. To the left –
radial plane, to the right – axial one
29,0 29,5 30,0 30,5 31,0 31,5 32,0
1,72
1,74
1,76
1,78
1,80
1,82
1,84
1,86
1,88
1,90
W
(M
eV
)
R (cm)
Fig.8. Position of ions on the plane radius-energy at az-
imuth of the deflector entrance
2.3. BEAM EXTRACTION SYSTEM
The position of the extraction system elements was
schematically drawn in Fig.4. The system of extraction
consists of two electrostatic deflectors ESD1 and ESD2
with the strength 26 kV/cm of electric field and perma-
nent magnet MC with magnetic field -0.2 T at the center
of their apertures. To compensate the beam defocusing
in the horizontal plane arisen by the action of edge mag-
netic field the deflectors ESD1 and ESD2 must have the
gradients of electric field -3.7 and -14.8 kV/cm2, respec-
tively. The magnetic field gradient in the horizontal
plane of the MC is 0.03 T/cm. RMS beam envelopes
(2σ) are shown in Fig.9.
Fig.9. Horizontal Henv and vertical Zenv beam en-
velopes inside extraction system versus radius of central
ion
Computations have shown that an extraction effi-
ciency is about of ~95%. The basic losses of particles
are observed at the entrance into the first deflector of the
extraction system.
REFERENCES
1. L.M. Onischenko, Yu.G. Alenitsky, A.A. Glazov et
al. Development of compact cyclotron for explo-
sives detection by nuclear resonance absorption of
gamma rays in nitrogen. Proc. of RUPAC’04, Dub-
na, Russia. 2004, p.138-140.
2. E.V. Samsonov, L.M. Onischenko. Computation of
beam dynamics with space charge in compact cy-
clotron on energy 1.8 MeV. Proc. of RUPAC’04,
Dubna, Russia. 2004, p.153-155.
3. L.M. Onischenko et al. Numerical simulation of
space charge effects in the sector cyclotron // Nu-
cleonika. 2003, v.48 (Supplement 2), p.45-48.
4. SIM Limited. Mermaid 2D & 3D User’s Guide.
SIM Limited Novosibirsk department, 1994.
ДИНАМИКА ПУЧКА В ТАМОЖЕННОМ ЦИКЛОТРОНЕ
С ВНУТРЕННИМ ИСТОЧНИКОМ ИОНОВ
Е.В. Самсонов, Л.М. Онищенко, А.C. Ворожцов
Проект комплекса для обнаружения взрывчатых веществ на базе гамма-резонансного метода разрабаты-
вается в России. Поиск взрывчатки основан на детектировании высоких концентраций азота в объектах ба-
гажа. Установка состоит из циклотрона, который разрабатывается в Дубне, небольшого накопительного
кольца, гамма-мишени и детектирующей аппаратуры. В целях упрощения конструкции циклотрона исполь-
зуется внутренний источник Н- ионов вместо их аксиальной инжекции. Расчеты показывают, что пучок с
энергией ~1.8 МэВ и током 100...200 мкА может быть выведен из циклотрона с эффективностью ~95%.
ДИНАМІКА ПУЧКА В МИТНОМУ ЦИКЛОТРОНІ ІЗ ВНУТРІШНІМ ДЖЕРЕЛОМ ІОНІВ
Є.В. Самсонов, Л.М. Онищенко, А.C. Ворожцов
Проект комплексу для виявлення вибухових речовин на базі гамма-резонансного методу розробляється в
Росії. Пошук вибухівки заснований на детектуванні високих концентрацій азоту в об'єктах багажу.
Установка складається із циклотрона, що розробляється в Дубні, невеликого накопичувального кільця,
гамма-мішені і апаратури для детектування. З метою спрощення конструкції циклотрона використано
внутрішнє джерело Н- іонів замість їхньої аксіальної інжекції. Розрахунки показують, що пучок з енергією
~1.8 МеВ і струмом 100...200 мкА може бути виведений із циклотрона з ефективністю ~95%.
130
ДИНАМИКА ПУЧКА В ТАМОЖЕННОМ ЦИКЛОТРОНЕ
С ВНУТРЕННИМ ИСТОЧНИКОМ ИОНОВ
ДИНАМІКА ПУЧКА В МИТНОМУ ЦИКЛОТРОНІ ІЗ ВНУТРІШНІМ ДЖЕРЕЛОМ ІОНІВ
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-79866 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-07T15:41:31Z |
| publishDate | 2006 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Samsonov, E.V. Onischenko, L.M. Vorozhtsov, A.S. 2015-04-05T16:19:10Z 2015-04-05T16:19:10Z 2006 Beam dynamics in a customs cyclotron with an internal ion source / E.V. Samsonov, L.M. Onischenko, A.S. Vorozhtsov // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 3. — С. 128-130. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 29.20.Bd, 83.10Rs https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79866 A project of a complex for explosives detection on a base of a gamma resonance method is developed in Russia. The search for explosives is based on the detection of high nitrogen concentrations in a luggage. The complex consists of a cyclotron, developed in Dubna, an original storage ring, a gamma rays producing 13C target, and a detecting equipment. For purposes of simplification in the cyclotron design an internal source of H⁻ ions instead of an external beam injection was introduced and examined. The computations have shown that the beam with an energy ~1.8 MeV and current 100…200 μA would be extracted from the cyclotron with efficiency ~95%. Проект комплекса для обнаружения взрывчатых веществ на базе гамма-резонансного метода разрабатывается в России. Поиск взрывчатки основан на детектировании высоких концентраций азота в объектах багажа. Установка состоит из циклотрона, который разрабатывается в Дубне, небольшого накопительного кольца, гамма-мишени и детектирующей аппаратуры. В целях упрощения конструкции циклотрона используется внутренний источник Н⁻ ионов вместо их аксиальной инжекции. Расчеты показывают, что пучок с энергией ~1.8 МэВ и током 100...200 мкА может быть выведен из циклотрона с эффективностью ~95%. Проект комплексу для виявлення вибухових речовин на базі гамма-резонансного методу розробляється в Росії. Пошук вибухівки заснований на детектуванні високих концентрацій азоту в об'єктах багажу. Установка складається із циклотрона, що розробляється в Дубні, невеликого накопичувального кільця, гамма-мішені і апаратури для детектування. З метою спрощення конструкції циклотрона використано внутрішнє джерело Н⁻ іонів замість їхньої аксіальної інжекції. Розрахунки показують, що пучок з енергією ~1.8 МеВ і струмом 100...200 мкА може бути виведений із циклотрона з ефективністю ~95%. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Ускорители заряженных частиц Beam dynamics in a customs cyclotron with an internal ion source Динамика пучка в таможенном циклотроне с внутренним источником ионов Динаміка пучка в митному циклотроні із внутрішнім джерелом іонів Article published earlier |
| spellingShingle | Beam dynamics in a customs cyclotron with an internal ion source Samsonov, E.V. Onischenko, L.M. Vorozhtsov, A.S. Ускорители заряженных частиц |
| title | Beam dynamics in a customs cyclotron with an internal ion source |
| title_alt | Динамика пучка в таможенном циклотроне с внутренним источником ионов Динаміка пучка в митному циклотроні із внутрішнім джерелом іонів |
| title_full | Beam dynamics in a customs cyclotron with an internal ion source |
| title_fullStr | Beam dynamics in a customs cyclotron with an internal ion source |
| title_full_unstemmed | Beam dynamics in a customs cyclotron with an internal ion source |
| title_short | Beam dynamics in a customs cyclotron with an internal ion source |
| title_sort | beam dynamics in a customs cyclotron with an internal ion source |
| topic | Ускорители заряженных частиц |
| topic_facet | Ускорители заряженных частиц |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79866 |
| work_keys_str_mv | AT samsonovev beamdynamicsinacustomscyclotronwithaninternalionsource AT onischenkolm beamdynamicsinacustomscyclotronwithaninternalionsource AT vorozhtsovas beamdynamicsinacustomscyclotronwithaninternalionsource AT samsonovev dinamikapučkavtamožennomciklotronesvnutrennimistočnikomionov AT onischenkolm dinamikapučkavtamožennomciklotronesvnutrennimistočnikomionov AT vorozhtsovas dinamikapučkavtamožennomciklotronesvnutrennimistočnikomionov AT samsonovev dinamíkapučkavmitnomuciklotroníízvnutríšnímdžerelomíonív AT onischenkolm dinamíkapučkavmitnomuciklotroníízvnutríšnímdžerelomíonív AT vorozhtsovas dinamíkapučkavmitnomuciklotroníízvnutríšnímdžerelomíonív |