Введение к работе
Актуальность темы
В современной ядерной медицине широкое распространение получили методы диагностики, характеризующиеся низким уровнем лучевой нагрузки на пациента, за счет использования короткоживущих (КЖ) или ультракороткоживущих (УКЖ) радионуклидов. КЖ радионуклиды, используемые для диагностики при помощи однофотонных компьютерных томографов (или гамма-камер), нарабатываются как на ядерных реакторах, так и на циклотронах. УКЖ двухфотонные радионуклиды, используемые для диагностики при помощи позитронно - эмиссионных томографов (ПЭТ), нарабатываются только на циклотронах.
В НИИЭФА им. Д.В.Ефремова разработаны циклотроны нового поколения серии СС (компактный циклотрон) с различной энергией ионного пучка: СС-12, СС-18/9, МСС-30/15 (цифры указывают энергию протонов/дейтронов в МэВ, достижимую на циклотронах). При условии оснащения специализированным комплексом мишенных устройств, эти циклотроны могут применяться для производства целого ряда медицинских радионуклидов, используемых в диагностике и контактной лучевой терапии. На базе циклотрона СС-18/9 в Госкорпорации «Росатом» разработан проект типового ПЭТ центра.
При выборе типа конструктивного исполнения циклотронов серии СС предпочтение было отдано варианту, обеспечивающему минимальную лучевую нагрузку на персонал в процессе эксплуатации и обслуживания ускорителя. Поэтому все циклотроны этой серии имеют электромагниты броневого типа с вертикальным расположением медианной плоскости для удобства вскрытия и обслуживания узлов вакуумной камеры. Циклотроны оборудуются внешними источниками отрицательных ионов с системами аксиальной инжекции, что позволяет за счет снижения газовой нагрузки на порядок улучшить вакуум и снизить потери пучка в процессе ускорения. В результате снижается уровень остаточной активности на узлах и стенках вакуумной камеры. Вывод пучка из ускорителя на внешнюю мишень, а также регулировка его энергии, осуществляется при помощи тонкой фольги, перемещаемой в радиальном направлении.
По мере совершенствования мишенных устройств, требуется более высокая интенсивность пучка, выведенного из ускорителя, и, соответственно, растут требования к качеству и интенсивности инжектируемого в циклотрон пучка отрицательных ионов. Поэтому решение проблемы генерации интенсивного пучка отрицательных ионов
водорода и его транспортировки в центральную область циклотрона имеет важное научно-практическое значение.
Создание современных отечественных циклотронов серии СС стало возможным благодаря реализации ряда научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Результаты работы, посвященной разработке и исследованию источников и систем внешней инжекции (СВИ) отрицательных ионов водорода и дейтерия для циклотронов, представлены в данной диссертации.
Цель работы
Исследование плазменного источника отрицательных ионов с магнитным фильтром с целью определения его оптимальных эмиссионных характеристик.
Разработка стационарного источника отрицательных ионов водорода и дейтерия с заданными параметрами, предназначенного для использования в системах внешней инжекции циклотронов.
Исследование движения низкоэнергетичного пучка ионов Н" в условиях натекания газа в канал транспортировки. Создание программы расчета динамики ионного пучка с учетом эффекта динамической декомпенсации его собственного пространственного заряда.
Исследование спирального электростатического инфлектора, который служит для поворота пучка из аксиального канала в медианную плоскость циклотрона. Разработка алгоритма и пакета программ для расчета спирального инфлектора.
Разработка СВИ для циклотронов, предназначенных для ускорения ионов водорода и дейтерия до энергий, обеспечивающих наработку радионуклидов, применяемых в ядерной медицине.
Научная новизна
Предложены аналитическая модель переноса плазмы и численная модель переноса отрицательных ионов в области магнитного фильтра стационарного плазменного источника отрицательных ионов. Определены оптимальные условия генерации ионов Н" вблизи эмиссионного электрода.
Предложен оригинальный вариант мультипольного стационарного источника отрицательных ионов водорода и дейтерия, отличающийся от известных конструкций отсутствием «плазменного» электрода, на который подается потенциал смещения.
Развита теоретическая модель, описывающая процесс динамической декомпенсации собственного пространственного заряда пучка ионов Н" вследствие развития ионной пучково-плазменной неустойчивости. Получены аналитические выражения для распределения плотности ионов плазмы и стационарного нелинейного электрического поля в частично компенсированном пучке. Создана программа расчета динамики ионного пучка с учетом эффекта декомпенсации.
Разработан пакет программ для расчета спирального электростатического инфлектора. Предложен способ оперативной регулировки положения инфлектора в центральной области циклотрона.
Разработаны оригинальные системы внешней инжекции отрицательных ионов циклотронов с учетом требуемой величины тока пучка на выходе ускорителя.
Практическая ценность работы
Разработана теоретическая модель плазменного источника отрицательных ионов водорода с поперечным магнитным фильтром, позволяющая определять концентрацию Н" вблизи эмиссионного отверстия при заданных параметрах газоразрядной системы: размерах газоразрядной камеры, токе разряда, давлении газа, потенциале плазменного электрода, протяженности и индукции магнитного фильтра. На основе результатов расчетов и экспериментов проведена оптимизация конструкции действующего макета источника Н", а также разработан базовый вариант конструкции источника отрицательных ионов водорода и дейтерия, предназначенный для использования в СВИ циклотронов серии СС.
На основе теоретической модели динамической декомпенсации собственного пространственного заряда пучка ионов Н" разработана программа численного моделирования динамики ионного пучка DECOMP. Программа может применяться при расчетах динамики пучка отрицательных ионов в СВИ циклотронов, а также в других инжекторах отрицательных ионов с плазменным источником, характеризуемых требованием высокой интенсивности ионного пучка.
Пакет программ INFLECTOR, предназначенный для расчета спирального электростатического инфлектора, был успешно апробирован при создании инфлекторов циклотронов РИЦ-11, СС-12, СС-18/9, МСС-30/15, Ц-80.
Алгоритм построения системы внешней инжекции отрицательных ионов в циклотрон использовался при создании СВИ циклотронов РИЦ-11, СС-12, СС-18/9, МСС-30/15, Ц-80.
На защиту выносятся:
Результаты численного моделирования процессов переноса плазмы, содержащей отрицательные ионы, в области магнитного фильтра стационарного плазменного источника отрицательных ионов.
Результаты проектирования и экспериментальных исследований стационарного плазменного источника отрицательных ионов водорода и дейтерия, предназначенного для внешней инжекции в циклотрон.
Результаты расчетно-теоретического и экспериментального исследования эффекта динамической декомпенсации собственного пространственного заряда пучка ионов Н", движущегося в тракте СВИ.
Результаты разработки электростатических спиральных инфлекторов для циклотронов с внешней инжекцией ионного пучка.
Результаты разработки СВИ отрицательных ионов для циклотронов, спроектированных в НИИЭФА им. Д.В. Ефремова.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8-м, 9-м, 10-м, 11-м Международных совещаниях по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине, С.Петербург, 1995 г., 1998 г., 2001 г., 2005 г.; 29-th European Cyclotron Progress Meeting, Дубна, 1994 г.; 17-м Совещании по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 2000 г.; Международном симпозиуме Beam Dynamics and Optimization, Саратов, 1999 г., С.Петербург, 2002 г.; 10-й Всероссийской конференции по ускорителям заряженных частиц RuPAC-2006, Новосибирск. Публикации работы
По материалам диссертационной работы опубликованы 9 статей в научной периодике и 11 докладов в трудах конференций и симпозиумов.
Структура и объем работы
