ИЯИ РАН разработал научно-техническое обоснование систем диагностики пучков для линейных ускорителей ионов

07 сентября 2023



Учёные Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН), в рамках научной программы Национального центра физики и математики (НЦФМ), подготовили рекомендации по созданию на основе российских технологий диагностического оборудования для линейных резонансных ускорителей ионов, проектируемых как в виде инжекторов крупных ускорительных комплексов, так и в качестве отдельных установок.

«В стране наблюдается настоящий «ускорительный бум»: идёт строительство как гигантских установок класса «мегасайенс» (NICA в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне и проекта ЦКП «СКИФ» в Новосибирске), так и относительно маленьких машин: различных медицинских комплексов и компактных источников нейтронов, которые можно устанавливать в университетах, например, проект DARIA. Началом любых таких комплексов являются линейные резонансные ускорители. При этом существует принципиальная разница в устройстве и оборудовании диагностики пучка для машин, работающих с легкими электронами, и машин, в которых разгоняют тяжёлые протоны и ионы. Перед нами, как специалистами, работающими на самом крупном российском линейном ускорителе ионов, была поставлена задача сформулировать, обосновать и привести примеры, как должна быть устроена система диагностики для такого типа ускорителей, то есть нужно было составить своего рода «учебник» по диагностике пучков», – рассказал заведующий лабораторией пучка отдела ускорительного комплекса Института ядерных исследований РАН к. ф.-м. н. Сергей Гаврилов.



В результате анализа учёные выделили наиболее апробированные в отечественной и мировой практике приборы, практическая реализация которых возможна с учетом имеющегося или гарантированно достижимого уровня российских технологий. Специалисты представили устройства диагностики, которые позволяют измерять ток, положение, фазу, поперечный профиль и эмиттанс, продольную микроструктуру, а также потери пучка:

1. Измерения тока: индукционный датчик тока и цилиндр Фарадея.
   


2. Разрушающие измерения поперечного профиля: двухпроволочный сканер, многопроволочный профилометр, люминесцентный экран.
   


3. Неразрушающие измерения поперечного профиля: мониторы и профилометры на основе ионизации и свечения остаточного газа.
   


4. Измерения положения и фазы: ёмкостные пик-ап электроды.
   


5. Измерения поперечного эмиттанса: электростатический, диафрагмированный, щелевой измерители эмиттанса.
   


6. Измерения продольной микроструктуры и эмиттанса: измеритель формы сгустков.
   


7. Измерения потерь пучка: газовые ионизационные и пропорциональные камеры.
   

Для каждого устройства диагностики даны: определение и типичные значения измеряемого параметра пучка; физические принципы работы и типичные характеристики устройства; особенности практической реализации и примеры реальных устройств. Для отдельных устройств предложены варианты реализации на основе опыта и технологических возможностей ИЯИ РАН: указаны эксплуатационные режимы работы, конструктивные особенности и расчетно-модельные оценки рабочих характеристик для обоснования предлагаемых решений. Кроме того, приведены примеры характерных диагностических процедур для измерения ключевых параметров пучков ионов в режимах запуска, наладки и регулярной эксплуатации на примере сильноточного линейного ускорителя протонов и отрицательных ионов водорода ИЯИ РАН.

В 2023-2025 годах специалисты ИЯИ РАН в рамках научной программы НЦФМ будут развивать приборы и методы неразрушающей диагностики пучков, необходимые для практической эксплуатации резонансных ускорителей ионов. По плану, будут разработаны и испытаны макеты типовых конфигураций оборудования для неразрушающей диагностики тока, положения, фазы и поперечного профиля пучка, а также проанализированы и усовершенствованы методы неразрушающей диагностики поперечного эмиттанса, энергии и фазового спектра пучка в линейных резонансных ускорителях ионов.

Источник