Базовые установки

На выведенных пучках циклотрона проводятся научные исследования в области фундаментальной и прикладной ядерной физики, радиационного материаловедения. Внутренние мишенные устройства циклотрона используются для производства радиоизотопов для медицины и промышленности.

Благодаря наличию циклотрона Казахстан сегодня входит в двадцатку стран, способных самостоятельно получать экспериментальные данные, используемые для константного обеспечения перспективных технологических схем атомной энергетики.

Циклотрон стал базой формирования школы высококвалифицированных кадров Казахстана в области ядерной науки.

Изохронный циклотрон У-150М позволяет ускорять протоны, дейтроны и α частицы, He₃⁺² и тяжелые ионы с регулированием конечной энергии.

Структура магнитного поля трёхсекторная, слабоспиральная. Настройка изохронного поля при изменении режима работы производится девятью парами корректирующих концентрических обмоток. Азимутальные неоднородности корректируются шестью парами «гармонических» обмоток, расположенных в центральной зоне ускорения и в области конечного радиуса.

Источник ионов щелевого типа с горячим катодом и радиальным вводом в камеру.

Ускоряющая система состоит из двух дуантов протяженностью 180°. Диапазон регулирования частоты ВЧ-генератора от 8,5 до 19 МГц при напряжении между дуантами до 160 кВ.

Имеется возможность работы как на внутреннем, так и на внешнем пучке. Внутренняя мишень обеспечивает теплосъем до 12 кВт, что позволяет использовать пучок высокой интенсивности (для протонов с энергией 30 МэВ величина тока составляет до 400 мкА).

Система выпуска пучка включает в себя электростатический дефлектор с гиперболическим профилем электродов общей угловой протяженностью 110°, магнитный экран и систему корректирующих магнитов.

Измерения тока пучка, пространственных и временных распределений интенсивности пучка осуществляются: визуальными пробниками, совмещёнными с промышленной телевизионной установкой; ламельными и сканирующими пробниками.

Ускоритель имеет разветвленную систему транспортировки пучка на шесть мишеней. Система позволяет проводить работу в ахроматичном режиме при 100% проводке пучка и дисперсионном режиме.

Облучения мишеней могут проводится в трех залах.

Дальнейшее развитие циклотрона было связано с разработкой систем питания электромагнитных элементов с заменой машинных генераторов на тиристорные преобразователи; с реконструкцией системы транспортировки пучка протяженностью 25 м с раздачей на 6 мишеней; модернизацией системы вывода пучка с возможностью работы в широком диапазоне энергий; реализацией системы автоматической регулировки резонансной частоты дуантного контура, обеспечившей резонансное напряжение на дуантах со стабильностью лучше одного процента; созданием системы сканирования пучка по удаленной мишени со степенью однородности пучка до 10%.

На выведенных пучках изохронного циклотрона У-150М проводятся научные исследования в области фундаментальной и прикладной ядерной физики, радиационного материаловедения, выполняются работы по производству радиоактивных изотопов.

Дальнейшее развитие циклотрона было связано с разработкой систем питания электромагнитных элементов с заменой машинных генераторов на тиристорные преобразователи; с реконструкцией системы транспортировки пучка протяженностью 25 м с раздачей на 6 мишеней; модернизацией системы вывода пучка с возможностью работы в широком диапазоне энергий; реализацией системы автоматической регулировки резонансной частоты дуантного контура, обеспечившей резонансное напряжение на дуантах со стабильностью лучше одного процента; созданием системы сканирования пучка по удаленной мишени со степенью однородности пучка до 10%.

На выведенных пучках изохронного циклотрона У-150М проводятся научные исследования в области фундаментальной и прикладной ядерной физики, радиационного материаловедения, выполняются работы по производству радиоактивных изотопов.

Наработка радиоактивных изотопов

Работы по разработке технологии облучения твердотельных мишеней с целью наработки радиоактивных изотопов были начаты в конце 1990-х годов. До недавнего времени занятость циклотрона в программе производства изотопов составляла около 70% пучкового времени. Нарабатываемые изотопы используются в медицине и промышленности.

В настоящее время отработаны технологии облучения твердотельной мишени, размещаемой внутри камеры циклотрона, и капсулированной мишени, облучаемой выведенным пучком. Внутренняя мишень изготавливается из медной подложки, на которую методом электроосаждения наносится облучаемый материал. Капсулированная мишень состоит из тела капсулы и облучаемого материала. Герметизация капсулы производится с помощью лазерной сварки.

С разработкой технологии облучения внутренней мишени связано выполнение работ по ряду международных проектов МАГАТЭ, МНТЦ и Республиканской научно-целевой программы развития атомной отрасли. К настоящему времени конструкция внутренней мишени доработана таким образом, что мишень может воспринимать до 10-12 кВт мощности пучка ионов. Это позволяет производить конкурентно-способную на мировом рынке радиоизотопную продукцию. Основные радиоизотопы, которые производятся на циклотроне: Cd-109, Tl-201, Co-57, Ga-67.

Технологические параметры облучения внутренней мишени:

• энергия протонного пучка 22 – 30 МэВ;
• ток пучка на мишени до 500 мкА;
• тепловая мощность, выделяемая в мишени, до 12 000 Вт.

Разработка технологии изготовления и облучения капсулированных мишеней связана с выполнением работ по международному гранту ISTC-IPP- ТCI Medical Inc.

Основными задачами этого проекта были:

• изготовление ниобиевой каспулы, содержащей металлический галлий;
• безопасное облучение мишени;
• надежное измерение наработанной активности целевого изотопа германия-68;
• организация транспортировки облученных мишеней коммерческому партнеру “ТCI Medical Inc.” в Лос-Аламос (США).

Технологические параметры облучения галлиевой мишени:

• энергия протонного пучка 30 МэВ;
• ток пучка на мишени до 50 мкА;
• тепловая мощность, выделяемая в мишени, до 1500 Вт;
• круговое сканирование для равномерного облучения мишени.

Исследования

Благодаря наличию У-150М Казахстан сегодня входит в двадцатку стран, способных самостоятельно получать экспериментальные данные, используемые для константного обеспечения перспективных технологических схем атомной энергетики. За более чем 40-летний период интенсивной эксплуатации У-150М обеспечил выполнение целого ряда актуальных работ по ядерной физике, физике твердого тела и радиационному материаловедению.

В частности, в области ядерной физики:

• Проведено систематическое исследование процессов рассеяния и реакций ионов ³Не и a-частиц в полном угловом диапазоне на ядрах от ⁴Не до ³²S.
• Исследованы эффекты ядерной радуги в упругих и квазиупругих процессах.
• Исследована роль обменных механизмов в аномальном рассеянии ионов ³Не и a-частиц на большие углы.
• Исследованы пороговые эффекты в реакциях (a, p) и (a, d) на изотопах углерода и лития и механизмы передачи двух и трех нуклонов.
• Проведено экспериментальное исследование предравновесной эмиссии заряженных частиц в реакциях с нуклидами водорода и гелия на ядрах от алюминия до висмута.
• Извлечены экспериментальные значения барьеров деления и эффективных моментов инерции целого ряда сильнодеформированных тяжелых ядер.
• Обнаружена и изучена асимметрия низкоэнергетического деления ядер в районе свинца.
• Экспериментально изучено проявление сильнодеформированных нейтронных оболочек в массовых распределениях осколков низкоэнергетического деления ядер в окрестности таллия.
• Обнаружена изотопическая квазиинвариантность зарядовых распределений осколков деления актинидных ядер при энергиях возбуждения свыше 10 МэВ.

В области радиационного материаловедения:

• При высокоэнергетическом облучении изучен механизм расщепления каскадов атом-атомных соударений на субкаскады.
• На основе полученных экспериментальных данных разработана модель выделений вторичных фаз на месте прохождения каскада атом-атомных соударений.
• Обнаружены и изучены эффекты радиационной наследственности в облученных материалах и упорядочения газонаполненных пор на дислокациях.
• Обнаружено новое явление радиационной стабилизации магнитных свойств ферритов. Доказано, что после облучения быстрыми нейтронами и заряженными частицами в образцах стабилизируется высокотемпературная ориентация магнитных моментов в плоскости (III) вплоть до температуры 4.2 К.

Полученные результаты способствовали решению важных задач ядерной науки и техники и составили существенную часть работы «Фундаментальные исследования в области ядерной и радиационной физики на базе усовершенствованных экспериментальных ядерно-физических установок Института ядерной физики Республики Казахстан и создание на их основе ядерных и радиационных технологий», удостоенной Государственной премии Республики Казахстан в области науки и техники за 2009 г.

К настоящему времени назрела острая необходимость проведения глубокой реконструкции ускорительного комплекса на базе У-150М с заменой циклотронной установки на основе последних достижений и тенденций в области ускорительной техники. Реализация такого проекта позволит Казахстану оставаться на передовом рубеже ядерной науки, ядерных и радиационных технологий, станет базой для развития наукоемких инновационных производств.