Расчёт составляющих системы формирования равномерного поля протонов

Первая рассеивающая фольга При выходе из циклотрона пучок протонов имеет диаметр 3 мм и разброс по энергии не более 50кэВ. Получается относительный разброс при энергиях от 5 МэВ до 15 МэВ составляет от 0.3% до 1%, то есть можно считать, что пучок с высокой степенью точности можно считать моноэнергетичным и точечным. Первая рассеивающая фольга должна удовлетворять следующим требованиям:

• 1. Должна слабо активироваться и не разрушаться под длительным воздействием мощного пучка протонов.
• 2. Должна обеспечивать основной вклад в необходимое рассеяние пучка протонов с целью его последующей оптимизации.
• 3. Должна создавать небольшой разброс по энергиям

Было рассмотрено несколько различных фольг: две алюминиевые фольги с толщиной 50 мкм и 100 мкм соответственно, железная с толщиной 20 мкм, никелевая с толщиной 20 мкм и титановая с толщиной 50 мкм. Результаты моделирования приведены в таблице 1:

Табл. 1. Параметры пучка в мишени диаметром 5 см в зависимости от типа и толщины рассеивающей фольги на расстоянии 213 см от неё при входной энергии пучка 15 МэВ и его токе 10 мкА.

Как видно, алюминиевая фольги с толщиной 50 мкм обеспечивает самую большую плотность тока из всех, и даёт удовлетворительный разброс по энергии. Её недостатком является самая большая неравномерность получившегося протонного поля.

Первый ионопровод После прохождения первой рассеивающей фольги, пучок протонов попадает в первый ионопровод. Его длина составляет 2130 мм. В данной части системы формирования необходимо минимизировать воздействие на рассеянный пучок, для этого внутри ионопровода создаётся вакуум.

Вторая рассеивающая фольга После прохождения первого ионопровода пучок попадает на вторую рассеивающую фольгу. Её назначение — изолирование первого ионопровода от второго и «доводка» параметров пучка до необходимых. Соответственно, она должна обладать необходимым запасом прочности, для выдерживания разности давлений в первом и втором ионопроводе, а также должна улучшить такой показатель пучка как неравномерность. Моделирование показало, что алюминиевые фольги показывают лучшие результаты по оптимизации, но они не выдерживают разности давлений в одну атмосферу, поэтому целесообразно использовать железные фольги с минимально возможной толщиной. Опыт показал, что фольга толщиной 20 мкм обеспечивает необходимую прочность и удовлетворительные данные по оптимизации пучка.

Второй ионопровод В качестве наполнителя ионопровода используется воздух по следующим причинам: доступность, отсутствие необходимости в специальном оборудовании по контролю за газом, а также, в случае нарушения целостности трубы, характеристики системы прохождения не изменяться. Длина второго ионопровода определяется вместе с типом и толщиной третьей рассеивающей фольги.

Третья рассеивающая фольга В конце всей системы прохождения протоны проходят сквозь последнюю фольгу, которая окончательно корректируют все параметры пучка. Несмотря на то, что её вклад незначителен по сравнению с остальными, тем не менее, её правильный выбор тоже важен. Было рассмотрено два варианта фольги — алюминиевая толщиной 50 мкм и алюминиевая толщиной 100 мкм. Вместе с её определением была также найдена зависимость необходимых параметров от длины второго ионопровода.

В качестве остальных параметров системы формирования использовались найденные ранее:

Первая рассеивающая фольга — алюминий, 50 мкм.

Первый ионопровод — вакуум, 213 см.

Вторая рассеивающая фольга — железо, 20 мкм.

Второй ионопровод — вакуум, переменная длина.

Рассматривалось четыре серии случаев:

• 1) Средняя выходная энергия протонов — 8 МэВ, третья рассеивающая фольга — алюминий 50 мкм.
• 2) Средняя выходная энергия протонов — 5 МэВ, третья рассеивающая фольга — алюминий 50 мкм.
• 3) Средняя выходная энергия протонов — 8 МэВ, третья рассеивающая фольга — алюминий 100 мкм.
• 4) Средняя выходная энергия протонов — 5 МэВ, третья рассеивающая фольга — алюминий 100 мкм.

Результаты представлены в виде таблиц:

Табл. 2. Параметры пучка после прохода системы формирования в мишени диаметром 10 см в зависимости от длины второго ионопровода при средней выходной энергии 8 МэВ, начальном токе пучка 15 мкА и третьей рассеивающей фольги — алюминий 50 мкм.

Табл. 3. Параметры пучка после прохода системы формирования в мишени диаметром 10 см в зависимости от длины второго ионопровода при средней выходной энергии 8 МэВ, начальном токе пучка 15 мкА и третьей рассеивающей фольги — алюминий 100 мкм.

Табл. 4. Параметры пучка после прохода системы формирования в мишени диаметром 10 см в зависимости от длины второго ионопровода при средней выходной энергии 5 МэВ, начальном токе пучка 15 мкА и третьей рассеивающей фольги — алюминий 50 мкм.

Табл. 5. Параметры пучка после прохода системы формирования в мишени диаметром 10 см в зависимости от длины второго ионопровода при средней выходной энергии 5 МэВ, начальном токе пучка 15 мкА и третьей рассеивающей фольги — алюминий 100 мкм.

Видно, что фольга толщиной 50 мкм показывает лучшие результаты, хоть и незначительно, также было определено, что практически для всего диапазона значений выполняется условие о равномерности по энергии.