Комплекс ускорителя УКП-2-1

Ускоритель УКП-2-1 включает два независимых канала транспортировки пучка, объединённых одним ускоряющим потенциалом. Каскадный генератор типа Кокрофта - Уолтона обеспечивает ускоряющее напряжение до 1 МВ. Один из каналов предназначен для ускорения ионов водорода и инертных газов, получаемых из дуоплазматрона со смещенным эмиссионным отверстием. Второй канал включает источник с цезиевым распылением и предназначен для ускорения тяжёлых ионов. Турбомолекулярные и магниторазрядные насосы, используемые для откачки трактов, обеспечивают вакуум в каналах 2¸3×10^-7 Торр. В состав каналов транспортировки входят дублеты электростатических квадрупольных линз, управляемые с помощью высоковольтных блоков от компьютера. Магнит инжектора тяжелых ионов и поворотные магниты обеспечивают предварительную сепарацию тяжелоионного пучка и транспортировку ускоренных пучков в мишенные камеры. Анализирующие магниты, включающие стабилизацию магнитного поля по ядерному магнитному резонансу, имеют разрешение по массе DM/M=250.

Схема ускорителя УКП-2-1

В 2001 году был приобретен и введен в эксплуатацию новый 40 позиционный тяжелоионный источник MS-SNICS, изготовленный в фирме National Electrostatic Corporation (США). Таким образом, появилась возможность экспрессно, без нарушения вакуума менять катод источника, перестраивая, таким образом, канал на новый тип иона. Это особенно важно для некоторых аналитических приложений, развиваемых на ускорителе.

Технические возможности УКП-2-1 позволяют получать ускоренные пучки ионов от водорода до плутония с энергией в диапазоне от 300 кэВ до 4 МэВ и токами пучка на мишени от единиц наноампер до десятков микроампер. Благодаря ряду технических усовершенствований достигнут энергетический разброс в протонном пучке ~ 100 эВ при энергии ионов 1 МэВ [2 – 5].

Тяжелоионный источник MS-SNICS фирмы NEC

Технические характеристики пучков

В процессе эксплуатации ускорителя была разработана система автоматического сбора информации и управления параметрами ускорителя для обеспечения надежности и долговременной стабильности получаемых пучков. В основу системы положено преобразование аналоговых сигналов с нижнего плеча делителя каскадного генератора, с датчиков Холла магнитных анализаторов, электростатических линз и электростатического анализатора в цифровой код. В дальнейшем преобразованные сигналы сравниваются с параметрами уставок, установленными оператором, и сигнал рассогласования через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) подается на систему питания соответствующего устройства ускорителя, подстраивая его рабочие параметры под требуемые значения. Кроме того, через ЦАП контролируется ток пучка на одном из цилиндров Фарадея системы транспортировки пучка. Управление системой сбора и обработки информации осуществляется с помощью персонального компьютера IBM PC. Управляющая программа написана в среде разработки National Instruments Labview.

В 1995 году силами сотрудников ускорителя совместно с Институтом теоретической и экспериментальной физики (Москва, Россия) и GSI (Darmstadt, Германия) были проведены работы по измерению кулоновских потерь энергии быстрыми протонами в пламенной мишени [6].

В 1998 году на базе канала транспортировки протонного пучка была разработана система протонного микрозонда, позволяющая получать на образце пучок диаметром ~10 мкм. Система включала объектные щели, электростатический сканер и дублет короткофокусных электростатических линз [7]. Полученный пучок микронных размеров использовался в рамках проекта МНТЦ К-749 «Исследование и систематизация «горячих» частиц почв СИП» для получения распределения радионуклидов по объему «горячих» частиц, а также в рамках проекта МНТЦ К-472 «Оценка химической и радиационной нагрузок на организм детей в регионе Аральской экологической катастрофы и выработка стратегии реабилитации» для анализа биологических жидкостей и тканей [8, 9].

В настоящее время на ускорителе УКП-2-1 развит и широко используется комплекс ядерно-физических методов анализа, включающий метод резерфордовского обратного рассеяния, метод рентгеновского анализа с протонным возбуждением и метод резонансных ядерных реакций. Для этих целей был сконструирован дополнительный канал транспортировки легких ионов, оснащенный мишенной камерой, показанной на рисунке ниже. Камера включает Si(Li) детектор для регистрации рентгеновского излучения с разрешением 145 эВ (на линии 5.9 кэВ), расположенный под углом 45º к нормали к мишени, поверхностно-барьерный детектор для регистрации обратно-рассеянных частиц с разрешением 15 кэВ, расположенный под углом 130º к направлению движения пучка и Na(I) сцинтиллятор для регистрации γ-квантов.

Экспериментальная мишенная камера

Одним из перспективных направлений, развиваемых на ускорителе УКП-2-1, является метод ускорительной масс спектрометрии (AMS). Метод AMS является в настоящее время одним из наиболее востребованных инструментов в мире при анализе ультранизких содержаний долгоживущих природных и искусственных радиоизотопов. Ведущие лаборатории мира, специализирующиеся в области радиоэкологии, датировки, астрофизики, стараются развить на своей базе AMS, понимая уникальность получаемых с использованием этого метода результатов. Проблема анализа ультра низких концентраций плутония и урана с особой актуальностью стоит для Казахстана, имеющего на своей территории Семипалатинский ядерный полигон (СИП), а также два десятка уранодобывающих рудников. Количественные данные о содержании в биологических пробах персонала рудников и жителей, прилегающих к СИП территорий, изотопов урана и плутония требуются для оценки потенциального влияния на здоровье человека дозы облучения, оценки низкодозового воздействия и для утверждения или развития новых улучшенных дозиметрических моделей. Метод AMS позволит решить эту задачу. Ожидаемый предел обнаружения ²³⁹Pu в биологических образцах (моча, кровь и т.п.) в этом случае должен составить 500 нБк/л.

Список публикаций по теме «Ускоритель тяжелых ионов УКП-2-1»

Голубев В.П., Иванов А.С., Латманизова Г.М., Модэк А.И., Никифоров С.А., Пикалёв А.С., Свиньин М.П., Субботкин С.А., Арзуманов А.А., Баядилов Е.М., Горлачёв И.Д., ²Ускорительный комплекс тяжёлых ионов УКП-2-1², Труды XII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Москва, 1990 г., стр. 139 – 142.

Горлачёв И.Д., Лысухин С.Н., ²Система автоматического регулирования линз - корректоров перезарядного ускорителя УКП 2-1², Труды X совещания по электростатическим ускорителям, Обнинск, 1991 г., стр. 232 - 234.

A.A. Arzumanov, A.N. Borisenko, I.D. Gorlachev, S.N. Lysukhin "Improvements of heavy ion accelerator UKP 2-1" Proceed. of the XIII particle accelerator conference, Dubna, Russia, 13-15 October 1992, v.1, p. 118-121, Moscow.

Арзуманов А.А., Борисенко А.Н., Горлачёв И.Д., Лысухин С.Н., ²Улучшение энергетических характеристик тандема в Алма-Ате ², Труды XIV совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1994 г., стр. 65 - 68.

Арзуманов А.А., Борисенко А.Н., Горлачёв И.Д., Лысухин С.Н., Платов А.В., " Улучшение стабильности напряжения каскадного генератора ускорителя УКП-2-1", Труды XI совещания по электростатическим ускорителям, Обнинск, 1995 г., стр. 222 - 228.

G.Belyaev, M.Basco, A.Cherkasov, A.Golubev, A.Fertman, I.Roudscoy, S.Savin, B.Sharkov, V.Turticov (ITEP, Moscow) A.Arzumanov, A. Borisenko, I. Gorlachev, S. Lysukhin (INP, Alma-Ata) D.H.H. Hoffman, A. Tauschwitz (GSI, Darmstadt) "Measurement of Coulomb energy losses by fast protons in a plasma target" Phys. Rev. E 53, N 3, 2701 (1996).

Арзуманов А.А., Борисенко А.Н., Горлачёв И.Д., Лысухин С.Н., Платов А.В., ²Особенности формирования микропучка на тандеме в Алма-Ате², Труды XII совещания по электростатическим ускорителям, Обнинск, 1997 г., стр. 81 - 85.

Пунин В.Т., Абрамович С.Н., Бузоверя М.Э., Чулков В. В. (ВНИИЭФ), Горлачёв И.Д., Лысухин С.Н. (ИЯФ НЯЦ РК), Шабалин В.Н., Шатохина С.Н. (РНИИГ РФ), ² Элементный анализ биожидкостей методом протонного микрозондирования², Труды 2-ой международная конференции по ядерной и радиационной физике, Алматы, 1999 г., стр. 226-236.

I. Gorlachev, R. Isaeva, B. Knjazev, Z. Mazhitova, A. Platov‚ V. Zaichik, Use of the nuclear-physical methods at the tandem accelerator for the determination of trace element contents in human lung tissue‚ Proceeding of the XV International Conference on Electrostatic Accelerators and Beam Technologies‚ Obninsk‚ 2003.