ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.074
РАДИОГРАФИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА УСКОРИТЕЛЯ ПРОТОНОВ С ЭНЕРГИЕЙ 70 ГэВ ГНЦ ИФВЭ
© 2010 г. Ю. М. Антипов, А. Г. Афонин, А. В. Василевский, И. А. Гусев, В. И. Демянчук,
О. В. Зятьков, Н. А. Игнашин, |Ю. Г. Каршев|, А. В. Ларионов, А. В. Максимов, А. А. Матюшин, А. В. Минченко, М. С. Михеев, В. А. Миргородский, В.Н. Пелешко, В. Д. Рудько, В. И. Терехов,
Н. Е. Тюрин, Ю. С. Федотов, Ю. А. Трутнев*, В. В. Бурцев*, А. А. Волков*, И. А. Иванин*, С. А. Картанов*, Ю. П. Куропаткин*, А. Л. Михайлов*, К. Л. Михайлюков*, О. В. Орешков*, А. В. Руднев*, Г. М. Спиров*, М. А. Сырунин*, М. В. Таценко*, И. А. Ткаченко*, И. В. Храмов*
ГНЦ РФ "Институт физики высоких энергий" Россия, 142281, Протвино Московской обл., ул. Победы, 1
*РФЯЦ "ВНИИэкспериментальной физики" Россия, 606188, Саров Нижегородской обл., просп. Мира, 37 Поступила в редакцию 01.09.2009 г.
Описана радиографическая установка ускорителя протонов с энергией 70 ГэВ ГНЦ ИФВЭ. Установка создана с использованием имеющейся инфраструктуры в начальной прямолинейной части канала инжекции. Линзы канала инжекции предназначены для транспортировки протонного пучка из У-70 в ускорительно-накопительный комплекс и имеют диаметр 100 мм. Установка рассчитана только на энергию 50 ГэВ с полем обзора 60 мм и позволяет получать при наличии некоторых потерь в канале изображение объектов с оптической толщиной свыше 300 г/см2. Оптическое разрешение установки составляет 0.25 мм. В период 2004—2008 гг. на установке проведен ряд экспериментов с многокадровой регистрацией быстропротекающих процессов. При проведении динамических экспериментов использовались малогабаритные взрывозащитные камеры, а также измерительная система мониторинга состояния камеры и окружающей среды.
ВВЕДЕНИЕ
В течение более чем полувека импульсная рентгеновская радиография являлась основным инструментом для исследования быстропротекающих процессов. Широкое распространение рентгенографии обусловлено рядом ее преимуществ, таких как простота метода и относительная дешевизна установок, основным элементом которых является ускоритель электронов.
Многие из проблем, присущих импульсной рентгенографии, отсутствуют в протонной радиографии. Средняя длина пробега высокоэнергичных протонов составляет примерно 185 г/см2. При оптической толщине ~300 г/см2 сквозь объект проходит около 20% протонов (против 10-6 для у-квантов). Поэтому для формирования радиографического изображения протонов необходимо в миллионы раз меньше, чем у-квантов. Наличие заряда у протона позволяет управлять направленными потоками излучения для получения многокадровой и многолучевой съемки на базе единственного ускорителя. Использование двух наборов детекторов дает уникальную возможность определять заряд Z и атомную массу А вещества в каждой точке исследуемого объекта. При этом можно
определить даже массовые концентрации веществ.
Главным требованием для осуществления протонной радиографии является наличие высокоэнергичных протонов с энергией 50—70 ГэВ. Такие высокие энергии требуются не столько для обеспечения глубины просвечивания оптически толстого объекта, сколько для получения высокой четкости изображения, так как с увеличением энергии протонов уменьшается размытие изображения за счет хроматических аберраций и многократного кулоновского рассеяния. Использование специальной магнитной оптики позволяет существенно уменьшить влияние кулоновского рассеяния и получить оптическое разрешение лучше 1 мм для объектов с оптической толщиной >300 г/см2.
В 2003 г. по инициативе сотрудников РФЯЦ "ВНИИЭФ" Трутнева Ю.А. и Орешкова О.В. совместно с сотрудниками ИФВЭ Тюриным Н.Е. и Федотовым Ю.С. было выдвинуто предложение о возможности создания радиографического комплекса на базе протонного синхротрона на 70 ГэВ. Наличие в ГНЦ ИФВЭ ускорителя протонов с энергией 70 ГэВ (У-70) и развитой системы выво-
Здание 1003
Q-66
ОМ-64 ОМ-62
У-70
КМ-14 КМ-16
Рис. 1. Схема кольца ускорителя У-70 и начальной части канала инжекции. У-70 — кольцо ускорителя; КМ-14, КМ-16 — кикер-магниты, расположенные в прямолинейных промежутках ПП14 и ПП16 ускорителя; ОМ-62, ОМ-64 — выводные магниты, расположенные в прямолинейных промежутках ПП62 и ПП64 ускорителя; Q-66 — линза предварительной фокусировки протонного пучка ПП66; Л-1—Л-5 — линзы к.и.; МПВ-1, МПВ-2 — поворотные вертикальные магниты; МДГ-1 и МДГ-2 — дисперсионные горизонтальные магниты. В ПП68 начинается к.и.
да пучка позволяет использовать ускоритель для исследования методом протонной радиографии объектов практически любой, представляющей интерес толщины.
В 2004-2008 гг. в ГНЦ ИФВЭ усилиями сотрудничества двух научных центров ИФВЭ и ВНИИЭФ эта задача была практически реализована. В пучках протонов от У-70 были выполнены статические и динамические эксперименты с использованием тест-объектов различной сложности, экспериментально показаны возможности метода протонной радиографии.
В данной работе рассматриваются решения в части оптики и оборудования, обеспечившие этот результат.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОТОННОГО СИНХРОТРОНА ИФВЭ
Ускорительный комплекс ГНЦ ИФВЭ У-70 [1] включает в себя линейный ускоритель УРАЛ-30 на энергию 30 МэВ, быстроциклирующий бустер на энергию 1.5 ГэВ и протонный синхротрон на энергию 70 ГэВ. Максимальная интенсивность протонного пучка с энергией 70 ГэВ составляет ~1.7 • 1013 частиц в импульсе. Полная длительность магнитного цикла при ускорении до 70 ГэВ составляет ~10 с при длительности плато магнитного поля 2 с при максимальной энергии. Из бустера на орбиту У-70 может инжектироваться от 3 до 29 сгустков (банчей) протонов. Минимальная интенсивность в банче для устойчивой работы системы обратной связи составляет 3 • 1011 частиц. Система быстрого вывода [2] позволяет выводить от одного до 29 банчей один раз в цикл. Таким образом, минимальная интенсивность в импульсе вывода составляет 3 • 1011 протонов, максимальная — до 1.5 • 1013 протонов. Эмиттанс ускоренного пучка при максимальной интенсивности равен 2 мм • мрад, при меньшей интенсивности он может составлять ~1 мм • мрад. Длительность банча при большой интенсивности составляет 20—30 нс (95%). Специальными действиями в ускоряющей системе она может быть укорочена до 5 нс.
РАСПОЛОЖЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ УСТАНОВКИ
Основой протонографической установки, созданной на базе имеющейся инфраструктуры — канала инжекции (к.и.) [3], является оптическая система, состоящая из четырех квадрупольных линз (квартет) и имеющая матрицу передачи —1 для горизонтальной и вертикальной плоскостей поперечного движения [4]. Сооружение одного магнитооптического квартета с матрицей —1 возможно на прямолинейной начальной части к.и. (рис. 1). В качестве линз квартета использовались
оо чо
П
С
л о
О
» 1-н
С ^
О
40
Объект
80
а
а
120
Изображение
О Поглотитель
160 200
Длина, м
0
Рис. 2. Оптическая схема облучательной установки. Л-1А, Б и Л-2 — линзы к.и.; МКГ-1 — горизонтальный магнит-корректор; Q2f, Q3d — линзы формирования протонного пучка на объекте; Q4f—Q4d—Q4f—Q4d — линзы квартета.
Я, мм
200 160 120 80 40
Область большой нелинейности поля
Вывод в канал инжекции
ОМ-62
ОМ-64
Q-66
МКВ-66 МКГ-66
Рис. 3. Схема вывода протонного пучка в канал инжекции. ОМ-62, ОМ-64 — выводные магниты; Q-66 — линза предварительной фокусировки протонного пучка; МКВ-66, МКГ-66 — соответственно вертикальный и горизонтальный магнит-корректор.
квадруполи канала инжекции диаметром 100 мм, длиной 1л = 1 м, с максимальным градиентом магнитного поля Сл = 1.3 кГс/см. Сила квадруполя для пучка с энергией 70 ГэВ равна
Кл(70) = 5'58 • 10-2 м-1,
а для пучка с энергией 50 ГэВ
К
л(50)
_ G л/л
В0(50)^0
= 7.79 • 10-2 м-1,
где В0(70)Я0 = 2329.5 кГс • м — магнитная жест-
^0(50)Я0
кость протонного пучка при 70 ГэВ, а В0 = 1667.5 кГс • м — при 50 ГэВ.
В приближении тонкой линзы длины квартетов для двух энергий соответственно равны:
Х(70) = = 101.4 м и ¿(50) = = 72.6 м.
К
л(70)
К
л(50)
Длина прямолинейной части к.и. от прямолинейного промежутка 68 (ПП68) до поворотного магнита МДГ-1 равна ~210 м, длина формирую-
Рис. 4. Расположение оборудования вывода в ПП66. ДП-66 — датчик положения центра тяжести протонного пучка; П-66 — профилометр пучка; ДИ-66 — датчик интенсивности; Q-66 — линза предварительной фокусировки протонного пучка; МКВ-66, МКГ-66 — соответственно вертикальный и горизонтальный магнит-корректор.
Поле обзора I
X*, 0*
1.0 1.2
0, мрад
Рис. 5. Поле обзора квартета при энергии пучка 50 ГэВ. Х — радиус поля обзора; 0 — угол рассеяния протонов в веществе объекта.
щего участка равна —110 м, и в прямолинейной части к.и. был размещен квартет квадруполей только для энергии 50 ГэВ (рис. 2).
Оптическая схема установки выглядит следующим образом: линзы Q2f и Q3d заменяют линзы Л-3 и Л-4 на участке формирования протонного пучка на объект, линзы Q4f—Q4d—Q4f—Q4d образуют квартет с матрицей передачи —1 для двух плоскостей движения.
ВЫВОД ПРОТОННОГО ПУЧКА НА УСТАНОВКУ
Вывод ускоренного протонного пучка в к.и. осуществляется системой быстрого вывода, первым элементом которой является быстрый магнит-толкатель КМ-16. Пучок, получивший отклонение в КМ-16, забрасывается в выводные магниты ОМ-62 и ОМ-64 (см. рис. 1). Предварительное смещение пучка в направлении выводных магнитов осуществляется локальным искажением замкнутой орбиты (бампом, траектория 1, рис. 3). С помощью этих магнитов пучок выводится за пределы вакуумной камеры ускорителя в 66-й прямолинейный промежуток (ПП66, траектория 2, рис. 3). В этом промежутке находятся: линза предварительной фокусировки Q-66; магнит-корректор вертикальной плоскости движения МКВ-66; магнит-корректор радиальной плоскости движения МКГ-66; датчик положения пучка в радиальной плоскости движения ДП-66; профилометр П-66, измеряющий профили поперечного сечения выведенного пучка в радиальной и вертикальной
Рис. 6. Протонографический снимок процесса формирования кумулятивной струи.
плоскостях; измеритель интенсивности выведенного пучка ДИ-66 (рис. 4).
ОБЛУЧЕНИЕ ОБЪЕКТА И ФОРМИРОВАНИЕ ЕГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
В точке фоку
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.