Комплексное моделирование компактного циклотрона
В первой главе кратко рассмотрены основные этапы моделирования компактного циклотрона: основы движения заряженных частиц в электромагнитном полеобзор численных методов расчета динамики пучка и эффектов пространственного зарядаосновные факторы, влияющие на количественные и качественные характеристики пучкаописаны методы, которые использовались при написании программ для расчета динамики частиц… Читать ещё >
Содержание
- Общая характеристика работы
- Актуальность
- Научная новизна
- Научная и практическая ценность
- Основные положения, выносимые на защиту
- Апробация работы
- Личный вклад автора
- Публикации
- Структура диссертации
- Глава 1. Основные этапы моделирования компактного изохронного циклотрона
- 1. 1. Расчет электромагнитных полей
- 1. 2. Динамика частиц в электромагнитном поле
- 1. 3. Пространственный заряд пучка
- 1. 4. Резонансы
- 1. 5. Программы численного моделирования динамики частиц в циклотронах
- Глава 2. Моделирование HITFiL-циклотрона (IMP, Китай)
- 2. 1. Расчет электромагнитных полей
- 2. 2. Банчер
- 2. 3. Центральная область циклотрона
- 2. 3. 1. Учет краевых полей инфлектора
- 2. 3. 2. Фазовая щель
- 2. 4. Зона ускорения
- 2. 4. 1. Изохронность магнитного тля
- 2. 4. 2. Центрирование. Радиальные амплитуды
- 2. 4. 3. Резонансы
- 2. 5. Выводная система
- 2. 5. 1. Гармоническая обмотка
- 2. 5. 2. Электростатический дефлектор
- 2. 5. 3. Корректор градиента магнитного поля
- 2. 5. 4. Магнитный канал
- 2. 6. Улучшение операционных характеристик циклотрона
- 2. 6. 1. Трансмиссия
- 2. 6. 2. Качество пучка
- 3. 1. Режим ускорения протонов до энергии 20 МэВ
- 3. 2. Режим ускорения протонов до энергии 30 МэВ
- 3. 3. Новый способ уменьшения энергетического разброса в ускоренном пучке в циклотроне
- 4. 1. Расчет электромагнитных полей
- 4. 2. Динамика пучка
- 5. 1. Начальный проект
- 5. 2. Структурные элементы
- 5. 3. Динамика пучка
Со времени изобретения циклотрона прошло более 80 лет [1]. За это время построены сотни циклотронов во всем мире. Последние десятилетия характеризуются активным развитием, и использованием циклотронов, в большинстве своем компактных. Под классификацией «компактный» понимается общепринятое определение циклотронов со сплошным полюсом. Основные области применения циклотронов — исследования по ядерной физике, генерация и исследование радиоактивных ионов, прикладные применения, главным образом в медицине и для детектирования взрывчатых веществ, использование циклотронов в качестве инжекторов в другие ускорители. Компактность, простота в обслуживании и сравнительно низкая стоимость явились факторами, приведшими к всеобщей востребованности циклотронов. По всему миру существуют центры, занимающиеся разработкой циклотронов и исследованиями на них.
Независимо от цели применения циклотрона, будь то ядерная физика либо прикладные исследования, ускорительная установка представляет собой сложную систему. Стоимость создания компактного циклотрона на современном уровне оценивается десятками миллионов долларов и недопустимы ошибки на этапе проектирования ускорителя.
Основным инструментом на сегодняшний день при проектировании ускорителя является компьютерное моделирование, которое прочно заняло свое место в ускорительной физике. Несомненно, важным и актуальным является создание максимально приближенных к реальности компьютерных моделей установок и комплексов программ, а также моделирование циклотрона как целого в комплексе с системами инжекции и вывода пучка, учитывая реалистичные трехмерные электромагнитные поля и влияние собственного поля частиц. При помощи таких моделей возможно моделировать динамику частиц и максимально полно «видеть физику», что дает уверенность, что спроектированный ускоритель после его создания будет иметь характеристики, близкие к заданным. В данной работе описаны методы и способы комплексного моделирования компактных циклотронов. Полученные наработки были использованы при исследовании динамики пучка в AVF-циклотроне (RIKEN, Япония) [A3], при моделировании HITFiL-циклотрона [А5] (IMP, Китай), при моделировании компактного циклотрона AVF-930 (NIRS, Япония) [А6] и при моделировании линии инжекции низкоэнергетического пучка для установки FRIB (MSU, США) [А7, А8]. Здесь речь идет как об участии в разработке новых циклотронных установок, так и в модернизации действующих. Разработанное при этом программное обеспечение для расчета динамики пучка в компактных циклотронах может быть также применено в экспериментах с пучком. В отделе новых ускорителей ОИЯИ существуют давние традиции развития теории и техники ускорения заряженных частиц на базе изохронных циклотронов [2, 3]. Диссертация является обобщением работ, выполненных в соответствии с научно-тематическим планом ЛЯП им. В. П. Джелепова, ОИЯИ в рамках проекта «Развитие циклотронного метода ускорения сильноточных пучков».
Цель работы состоит в реализации комплексного подхода к моделированию компактного циклотрона, включающего в себя расчет динамики частиц с учетом действия сил пространственного заряда пучка и связанный с этим расчет электромагнитных полей структурных элементов установки. Конечной целью таких расчетов является создание технических проектов для установок, находящихся в стадии разработки, а также выбор оптимальных параметров систем инжекции, ускорения и вывода пучка, повышение интенсивности и улучшение качества пучка в компактных циклотронах, находящихся в стадии модернизации. При этом необходимо создание комплекса программ для решения поставленных выше задачи.
Научная новизна:
1. Впервые проведен полный анализ динамики пучка для HITFiL-циклотрона (IMP, Китай), начиная от линии инжекции и заканчивая выводной системой. Предложены радикальные изменения большинства структурных элементов первоначального технического проекта циклотрона, предложена установка новых элементов управления пучком в процессе ускорения и оптимизированы параметры существующих элементов. Все предложенные модификации технического проекта, по результатам расчетов, приводят к значительному увеличению интенсивности выведенного пучка. Результаты работы явились основой переработанного технического проекта.
2. Определена конфигурация новой центральной области AVF-циклотрона (RIKEN, Япония), позволяющая как работать с существующими режимами ускорения на второй гармонике ускоряющего поля, так и иметь возможность ускорения на первой гармонике.
3. Впервые предложен и исследован способ уменьшения энергетического разброса пучка в изохронных циклотронах при режимах работы ускорителя, когда частицы при прохождении ускоряющих зазоров находятся не на вершинах ускоряющей волны, и когда использование известного метода создания «Flat-Top» волны не приносит результата.
4. Впервые интерпретированы экспериментальные данные на циклотроне NIRS-930 (NIRS, Япония), основываясь на проведенном детальном моделировании установки с учетом эффектов пространственного заряда пучка и в трехмерных электромагнитных полях структурных элементов.
5. Впервые проанализирована функциональность линии транспортировки низкоэнергетического пучка установки FRIB (MSU, США), основываясь на результатах уникального расчета динамики многокомпонентного пучка с учетом пространственного заряда пучка с использованием большого количества модельных частиц (Юб). В расчетах использовались реалистичные трехмерные электромагнитные поля элементов установки. Разработаны физические модели основных структурных элементов системы.
6. Создан уникальный комплекс программ для анализа динамики частиц в компактном циклотроне и линиях инжекции с учетом потерь частиц на структурных элементах установки, включающий в себя расчет сил пространственного заряда пучка, отличающийся тем, что покрывает расчетной областью всю ускорительную установку от выхода из источника частиц и до выводного окна. При исследовании динамики пучка учитываются реалистичные трехмерные распределения электромагнитных полей элементов ускорителя. Эффективное использование вычислительных ресурсов персонального компьютера позволяет значительно уменьшить время, требуемое на расчет, увеличить количество модельных частиц и, как следствие, получать более точные оценки. На принципиально новый уровень выведена визуализация расчетов, что позволяет более наглядно анализировать полученные данные.
Научная и практическая ценность:
1. Предложенная переработка первоначального технического проекта НШмЬ-циклотрона была принята к реализации в виде нового проекта установки, который включает предложения по введению дополнительных элементов управления пучком и изменения технических параметров существующих узлов.
2. Предложенные модификации центральной области АУР-циклотрона легли в основу программы по модернизации ускорителя с соответствующими испытаниями на пучке частиц.
3. Интерпретированы экспериментальные данные в измерениях на ускоренном пучке на циклотроне N1118−930. Созданная компьютерная модель ускорителя является инструментом для интерпретации существующих экспериментальных данных и для расчета параметров режимов ускорения с целью повышения качественных и количественных характеристик выводимого пучка.
4. Проанализирована функциональность линии инжекции установки FRIB, основываясь на уникальном расчете динамики многокомпонентного пучка с учетом пространственного заряда пучка в трехмерных электромагнитных полях структурных элементов. Разработаны физические модели основных структурных элементов системы. Все результаты включены в технический проект установки.
5. Созданное программное обеспечение установлено и применяется в исследовательских центрах: RIKEN, NIRS, IMP, MSU.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Внесены кардинальные изменения в технический проект HITFiL-циклотрона. Циклотрон находится в стадии создания.
2. Разработана новая центральная зона AVF-циклотрона и принята как основная в программе по замене центра, намеченной на 2012 год.
3. Новый способ уменьшения энергетического разброса в пучке частиц в изохронных циклотронах.
4. Интерпретированы экспериментальные данные для компактного циклотрона NIRS-930, основываясь на созданной компьютерной модели установки.
5. Проанализирована функциональность линии инжекции установки FRIB. Разработаны технические проекты структурных элементов системы.
6. Создан программный комплекс для расчета динамики частиц в компактных циклотронах и линиях инжекции с возможностями мирового уровня.
Апробация работы:
Основные результаты данной работы были представлены на 5-и семинарах ЛЯП по проблемам ускорителей заряженных частиц, Общелабораторном семинаре ЛЯП, семинаре
НТОУ ЛЯР, на международных конференциях и совещаниях: Mathematical Modeling and Computational Physics MMCP'2009, Laboratory of Information Technologies, JINR, Дубна, Россия- 19th International Conference on
Cyclotrons and their Applications, CYCLOTRONS' 10, Lanzhou, China- 14
International Conference on Ion Sources, Giardini-Naxos, Italy, 2011- NIRS accelerator seminar, Department of Accelerator and Medical Physics, NIRS, Chiba, Japan, 2011- Information meeting, National Superconducting Cyclotron Laboratory, MSU, Michigan, USA, 2011- International Particle Accelerator Conference IPAC'12, New Orleans, USA, 2012- XXIII Russian Particle Accelerator Conference, Saint-Petersburg, 2012- 26th International Linear Accelerator Conference, LINAC12, Tel Aviv, Israel, 2012.
Личный вклад автора:
Вся работа, результаты которой представленные в настоящей диссертации, выполнена лично автором и при его непосредственном участии. Вклад автора -определяющий и подтвержден соответствующими документами (см.
Приложение).
Публикации:
По материалам диссертации опубликовано 10 работ, включая 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура диссертации:
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
Список литературы
- E. О. Lawrence and M. L. Livingston. Phys. Rev., 37, 1707, 1931.
- В.П. Дмитриевский «Мезонные фабрики». Труды I Международной школы молодых ученых по проблемам ускорителей заряженных частиц. — Дубна: Изд-во ОИЯИ, стр. 168 194, 1976.
- JI.M. Ошпценко Циклотроны. Физика элементарных частиц и атомного ядра, Т. 39, В. 6, 2008.
- А.А. Самарский. «Компьютеры, модели, вычислительный эксперимент». Москва «Наука», 1988.
- А.С. Ворожцов «Формирование электромагнитных полей особо сложной конфигурации в циклотронах и детекторах частиц», автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук: 01.04.20 Дубна, 2007 25 е., 9−2007−45.
- Opera/Tosca Reference Manual. Vector Fields.
- A.N. Dubrovin «User's guide MERMAID: magnet design in two and three dimensions». SIM Limited, Novosibirsk, Russia, 1994, p. 3−60.
- S. Sytchevsky et al. «Numerical technology for design, development and measurements of magnet system in cyclotrons». XXXV European Cyclotron Progress Meeting (ECPM 2006), November 2−4, 2006.
- K. Halbach and R. F. Ilolsinger «SUPERFISH A Computer Program for Evaluation of RF Cavities with Cylindrical Symmetry». Particle Accelerators 7 (1976) 213−222.
- Д.А. Овсянников Моделирование и оптимизация динамики пучков заряженных частиц. — J1.: Издательство Ленинградского университета. 1990 г.
- Т.А. Welton, Nucl. Sci. Ser Report 26, NAS-NRC-656, 192 (Washington 1959).
- M. Gordon «Longitudinal Space Charge Effect and Energy Resolution». Proc 5th Int. Cycl. Conf., Oxford, 1969.
- IO.H. Григорьев, B.A. Вшивков, М. П. Федорук Численное моделирование методами частиц в ячейках. Новосибирск: Издательство СО РАН, 2004. — 360 с.
- Рошаль А.С. Быстрое преобразование Фурье в вычислительной физике // Изв. вузов. Радиофизика. 1976. Т. XIX, № 10. С. 1425−1454.
- Assous F., Degond., Segre J. A particle-tracking method for 3D electromagnetic PIC codes on unstructured meshes // Comput. Phys. Commun. 1992. V. 72. P. 105−114.
- Sonnedrucker E., Ambrosiano J.J., Branon S.T. A finite element formulation of the Darwin PIC model on unstructured grids//J. Comput. Phys. 1995. V. 121. P. 281−297.
- Г. И. Дудникова, Д. В. Романов, М. П. Федорук О моделях частиц на неструктурированных сетках// Вычислительные технологии. 1998. Т. 3. С. 30−46.
- Мак-Лахлан Н. В. Теория и приложения функций Матье. М.: Изд-во иностр. лит., 1953.
- Е.Е. Perepelkin and S.B. Vorozhtsov «CBDA Cyclotron Beam Dynamics Analysis code». In Proc.: The XXI Russian Accelerator Conference (RuPAC2008), Zvenigorod, Russia, 2008, p.40−42.
- J.Q. Zhang, M.T. Song, B.W. Wei «Design of Synchrotron for Hadron Therapy». High Energy Physics and Nuclear Physics. Vol. 31, 12. Dec., 2007, pp.122−1125.
- B. Wang et al. «Design and Construction Progress of a 7 MeV/u Cyclotron». In Proc. 19th Int. Conf. on Cyclotrons and their Applications, 2010.
- Q. G. Yao, L. Z. Ma, H. F. Нао, X. Y. Zhang, S. F. Han, B. Wang, P. Yuan «The Magnetic Field Design of HITFiL Cyclotron», IEEE Transactions on Applied Superconductivity, V. 22, Issue 3, p. 4 401 004.
- S.B. Vorozhtsov «Computer Simulation of the Magnetic System and Beam Dynamics in Accelerators with Spatial Variation of the Magnetic Field». Doctor of Science Thesis, Dubna, Russia, 1986.
- P. Mandrillon «Injection into Cyclotrons». CERN 96−02, 4 March 1996, p. 153−168.
- A. S. Vorozhtsov et al. «Magnetic field of the VINCY Cyclotron». The 35th European Cyclotron Progress Meeting (ECPM 2006), Nice, France.
- A. Goto et al. «Injector AVF cyclotron at RIKEN». Proc. 12th Int. Conf. on Cyclotrons and their Applications, Berlin, Germany, 1989.
- A. Goto, Private communication, February 7, 2012
- A. Sugiura et al. «Status Report of NIRS Cyclotron Facility (NIRS-930, HM-18)». Proc. of the 8th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, August 1−3, 2011, Tsukuba, Japan.
- H.L. Hagedorn and N.F. Verster «Orbits in an AVF Cyclotron». Nuclear Instruments and Methods 18.19 (1962) 2001−228. North-Holland Publishing Co.
- M.M. Gordon, Part. Accel. 16, 39 (1984).
- Servranckx, R., et al. «User's Guide to the Program DIMAD». SLAC Report 285, UC-28, May 1985.
- V.N. Aseev, P.N. Ostroumov, E.S. Lessner and B. Mustapha «TRACK: The New Beam Dynamics Code». Proc. PAC'05, Knoxville, May, 2005, TRAT028, p.2053 (2005).
- K. Crandall, D. Rusthoi TRACE 3-D Documentation, 3rd ed., Los Alamos National Laboratory Report LA-UR-97−886, 1997, p. 106.
- M. Elkind, Rev. Sei. Instrum. 24 (1953) 129.
- F. Hinterberger «Ion optics with electrostatic lenses». CAS CERN Accelerator School and KVI: Specialized CAS Course on Small Accelerators, Zeegse, The Netherlands, 2005, pp. 27−44.
- Q. Zhao, X. et al. «Beam Simulation Studies of the LEBT for RIA Driver Linac». CP749, Electron Cyclotron Resonance Ion Sources -16th International Workshops on ECR Ion Sources. AIP Conf. Proc. 749 (2005) 242.