Приборы и техника эксперимента, 2019, № 5, стр. 100-105

ВВЕДЕНИЕ

Пучки высокоэнергетичных тяжелых заряженных частиц (т.з.ч.) являются уникальным инструментом, позволяющим создавать высокие температуры, давления и радиационные повреждения в исследуемых материалах. Круг проводимых исследований определяется разнообразием физических задач, спектром облучаемых материалов и условиями проведения экспериментов [1–4]. В частности, пучки т.з.ч. используют для обработки различных материалов [2], для магниторезонансной диагностики и облучения злокачественных образований в организме человека [3, 4].

В данной работе описаны результаты разработки конструкции и режимов работы магнитного сканера – основного узла экспериментальной установки по проведению прикладных исследований по воздействию т.з.ч. с энергией до 0.8 ГэВ/а.е.м. на электронную компонентную базу космических и летательных аппаратов, спецтехнику и биологические объекты [1].

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

В задачи работы входило проектирование системы магнитной оптики и системы сканирования пучка. Разрабатываемые системы должны отвечать параметрам, представленным в табл. 1 [1].

Наряду с пучками ускоренных протонов и легких ионов d⁺, C⁶⁺, Li³⁺ наиболее высокой зарядности, в подобных экспериментальных установках используют также пучки тяжелых ионов Ar, Kr, Xe, Au с массовым числом до А = 197 и отношением заряда к массе Z/A = 0.3–0.45. Время медленного вывода пучка интенсивностью до 10⁶ ионов/(cм² ⋅ с) на облучаемый объект составляет до 30 с. Неравномерность распределения флюенса на объекте с наибольшим размером L_S × L_S = 200 × 200 мм должна быть ≤±15%. В процессе облучения исследуемый объект остается неподвижным.

На рис. 1 показана магнитная жесткость R_i, соответствующая полностью или частично ободранным ионам, которая должна быть обеспечена магнитами сканера для двух значений энергии – T = 0.25 и 0.8 ГэВ/а.е.м. – ионов с различным отношением Z/A.

Расчет сканера выполнен для наибольшей жесткости, 16 Tл · м, соответствующей иону ₁₉₇Au⁵⁹⁺ с пониженной зарядностью Z/A = 0.3 и для пучков с наибольшим эмиттансом.

Ввиду обычного дефицита пространства на канале транспортировки длину L_B сканера, включающую длины L_M1 вертикально (VDM – Vertical Deflection Magnet) и L_M2 горизонтально (HDM – Horizontal Deflection Magnet) отклоняющих магнитов, а также L_D – участок дрейфа ионов до облучаемого объекта, минимизируют.

При фиксированной длине, например L_B = 4 м, параметры VDM сканера: радиус R поворота иона, длина магнита L_M, поперечное отклонение иона на выходе из него h = L_Bsinφ – (L_S/2)cosφ – связаны следующим соотношением с магнитным полем B:

где φ – угол преломления траектории иона.

На рис. 2 показана зависимость этих параметров от угла φ. Предпочтительный режим возникает вблизи φ = 1.52°. Здесь поле составляет B ≈ 0.9 Тл, длина магнита L_M ≈ 0.5 м, в то время как уширение апертуры вследствие смещения пучка в поперечной плоскости не превышает 2h ≈ 15 мм. Значительно более жесткий режим у HDM (табл. 2). Приведенные значения являются исходными для оптимизации сканера.

РЕЖИМЫ ОБЛУЧЕНИЯ

Для повышения однородности облучения предпочтительным представляется режим, при котором образец облучается при движении пучка вдоль ряда горизонтальных строк, соединенных участками поворота пучка за пределами поля облучения. Такой режим наиболее эффективен в установках, где не предполагается использования каких-либо систем автоматизированного управления интенсивностью пучка т.з.ч., подобно тому, как это предложено в [3]. К тому же система управления возбуждением магнитов сканера значительно проще по сравнению с разверткой в полярных координатах [4].

Интенсивность пучка описывается двойным гауссовым распределением:

где (x₀, y₀) – точка пересечения оси пучка с плоскостью облучения xy; σ_x, σ_y – горизонтальное и вертикальное r.m.s. отклонения от оси соответственно. Задача выбора способа и положения границ области перемещения пучка состоит в определении временной зависимости параметров x₀, y₀, при которых обеспечивается допуск на равномерность распределения флюенса по поверхности облучаемого объекта.

В случае бесконечной длины строки перемещения следа пучка интенсивностью I_B со скоростью ${v}$ вдоль оси x в бесконечных пределах образуется одинокая строка облучения в виде гребня гауссова профиля. При пробеге параметром y₀ ряда значений: 0, a, 2a, …, (n – 1)a, где a – дистанция между строками, вся площадь S_scan объекта будет покрыта n строками, и из (1) следует распределение флюенса:

Здесь параметр I_B/v есть вклад каждой строки в линейную плотность распределения флюенса; результирующая линейная плотность равна nI_B/v.

При небольшой величине расстояния a профиль функции Ф_ns, согласно рис. 3a, имеет почти плоскую вершину. С возрастанием a плотность флюенса падает в промежутках между строками. При a = = 2.5σ_y неравномерность δf_Σ = (Ф_ns – Ф_{ns_max})/Ф_{ns_max} достигает допуска величиной 15%, назначенного для этого источника неоднородности (рис. 3б).

Если, например, выбрать σ_y = 10 мм, то максимальное расстояние между строками следует ограничить величиной a < 2.5σ_y = 25 мм, при этом число строк, покрывающих L_S = 200 мм, должно быть n > 8.

В случае конечной длины строки интегрирование (1) в конечных пределах показывает, что уровню 85% на фронте строки соответствует координата, удаленная от координаты оси стартового положения на ∼σ_x внутрь строки. Поэтому длина L_I, по которой перемещается ось пучка, должна быть не менее чем на ∼2σ_x больше длины L_S облучаемого образца: L_I ≥ L_S + 2σ_x, так что распределение флюенса в этом случае имеет вид

где

На рис. 4 приведен пример распределения флюенса при облучении объекта пучком с параметрами σ_x = σ_y = 5 мм и интенсивностью I_B = 10⁶ ионов/с. Число строк однократного сканирования n = 21. След пучка перемещается по поверхности S_scan со скоростью ${v}$ = 200 мм/с (см. табл. 1). В этом случае создается резерв времени около 0.5 с на каждую строку для перевода пучка на следующую строку, осуществляемого за пределами объекта облучения.

При рассмотрении непрерывного и мультикадрового облучения мишени предельное распределение флюенса возникает при фиксированном времени T_к одного полного кадра и безграничном возрастании числа строк, n → ∞. Тогда

где ${{{\eta }}_{{{\text{min}}}}} = \frac{{y - l - {{{\sigma }}_{y}}}}{{\sqrt 2 {{\sigma }_{y}}}};$ ${{\eta }_{{{\text{max}}}}} = \frac{{y + l + {{\sigma }_{y}}}}{{\sqrt 2 {{\sigma }_{y}}}}$.

Практически приблизиться к предельному распределению (4) возможно только за счет повышения скоростных и предельно допустимых электрических характеристик сканера и его источника питания. При этом часто [2] приходится значительно снижать величину поля и увеличивать длину сканера.

При многократном облучении площади S_scan влияние флуктуаций интенсивности пучка во времени уменьшается. Распределение полного флюенса в этом режиме по форме идентично (4): Ф_k = k Ф_пред, где k – число однотипных кадров.

ДИНАМИКА ПУЧКА В СКАНЕРЕ

На рис. 5 показан результат численного моделирования динамики пучка ионов ₁₉₇Au⁵⁹⁺ в режиме: L_D = 4.0 м, эмиттанс 40 π · мм · мрад.

Согласующий квадрупольный триплет (с.т.), предшествующий сканеру, оптимизируется по достижении удовлетворительного компромисса между размерами пучка в HDM и на объекте. Пара диполей сканера наиболее компактна. Их возбуждение соответствует полям до B₁ = 1.31 Тл, B₂ = 1.20 Тл и обеспечивает поворот пучка на максимальные углы в обеих плоскостях (рис. 5a, 5б). При этом кроссовер занимает положение вблизи плоскости объекта (рис. 5в, 5г). (Для удобства сравнения на диаграмме рис. 5г выходной фазовый портрет x–x' отражен симметрично по x и x'.)

МАГНИТЫ СКАНЕРА И ТРИПЛЕТА

Разработка диполей сканера проводилась комплексно: параллельно с расчетами динамики ионного пучка в с.т. (рис. 5а, 5б) и процесса покрытия сканером площади S_scan. Эта процедура состояла в коррекции геометрических и магнитных параметров триплета и сканера для обеспечения надлежащего прохождения пучка через VDM и HDM: отклонении ионного пучка на необходимые углы при одновременном снижении габаритных размеров магнитов и минимизации размеров пучка на объекте. В результате оптимизации VDM и HDM получены наиболее компактные диполи. Конструкция обоих магнитов, изображенная на рис. 6а, однотипная, а их параметры приведены в табл. 3.

Диполи в канале расположены на минимальном расстоянии друг от друга: расстояние между их полюсами 210 мм, а между обмотками 10 мм. Согласующий квадрупольный триплет позволяет снизить диаметр пучка с эмиттансом ε_x = ε_y = = 40 π · мм · мрад в триплете до ≤70 мм; апертура квадруполей в с.т. должна быть ≥∅80 мм.

На рис. 6б изображен общий вид квадрупольного магнита с эффективной длиной 330 мм и апертурой (под пучок) 70 мм, основные параметры магнита приведены в табл. 4.

РЕЖИМ ПИТАНИЯ СКАНЕРА

Реактивная компонента L импеданса электромагнитов, использующихся в каналах транспортировки, часто имеет существенную величину, из-за чего постоянная времени τ этих магнитов обычно сравнима (или превышает) с длительностью T_s импульсов тока возбуждения, требующейся для формирования строки. Поэтому для линейного изменения тока в нагрузке с неизменной индуктивностью в диапазоне токов i(t) ∈ [–I_m, I_m] напряжение U(t) источника в течение промежутка времени T_s  должно быть линейной функцией времени:

На рис. 7 показаны диаграммы изменения тока возбуждения и напряжения на обмотке HDM такого сканера при I_m = 1 кА, τ= T_s = 1 с, R_D = 13 мОм, L = 13 мГ.

По окончании перемещения следа пучка вдоль строки выполняется переход на следующую строку, когда напряжение U(t) на HDM поддерживается неизменным и равным напряжению на активной составляющей R_D импеданса электромагнита. В течение этого времени выполняется перемещение положения следа пучка в вертикальном направлении с помощью VDM.

Для снижения базового расстояния L_B в нашем сканере принят достаточно высокий уровень поля – до 1.5 Тл (номинальное значение составляет 1.3 Тл). Вследствие нелинейности намагничения магнитопровода диполей при линейном режиме питания сканера на краях строк возникнет замедление развертки пучка; скорость сканирования ${v}$ может снизиться вдвое, если применяются электротехнические стали с невысокой индукцией насыщения. В результате существенно повышается неоднородность облучения образца, обусловленная обратной зависимостью (3) плотности флюенса от скорости ${v}$. Для снижения влияния этого фактора предусматривается питание сканера от источника с регулируемым во времени выходным напряжением. Это позволяет увеличить скорость изменения тока возбуждения диполей в окрестностях точек поворота и выровнять ее со скоростью облучения центральной зоны исследуемого образца.

ВЫВОДЫ

Для решения широкого круга прикладных задач выполнен расчет компактного магнитного сканера и режимов его работы для однородного облучения пучком т.з.ч. исследуемых мишеней размером до 200 × 200 мм, с отношением заряда к массе Z/A = 0.3–0.5.