cyklotron

CYKLOTRONCyklotron służy do przyspieszania jonów (w tym wypadku od B do Ar).Urządzenie to waży 240 ton.

MAGNES GŁÓWNY

Pole wytwarzane przez magnes główny służy do zakrzywiania toru ruchu cząstek.Średnie pole magnetyczne wynosi 2 T.

REZONATOR

Przy cyklotronie pracują 2 rezonatory. Przetwarzają one napięcia wysokiej częstości z około 2 kV maksymalnie do 70 kV.

STRIPPER

Stripper jest to cienka folia węglowa. Służy do przeładowania jonów (obdarcia ich z elektronów).Zmiana ładunku jonów powoduje zmianę toru ich ruchu, umożliwiając wyprowadzenie wiązki z cyklotronu.

JONOWÓD

Jonowodem prowadzona jest wiązka z cyklotronu do układu eksperymentalnego.Do ogniskowania wiązki używa się pola magnetycznego wytwarzanego przez różnego rodzaju elektromagnesy (m.in. dipole, kwadrupole).

WYKŁADZINY DUANTÓW

SEKTORYDOLINY

Wewnątrz wykładzin umieszczone są duanty, na które podawane jest napięcie (do 70kV) o wysokiej częstości (od 12 MHz do 19 MHz).Wykładziny są uziemione. W szczelinie pomiędzy brzegiem duantu a brzegiem wykładziny następuje przyspieszanie jonów.

W cyklotronie są 4 sektory i 4 doliny (2 widoczne i 2 pod wykładzinami duantów). W sektorach pole magnetyczne jest wyższe niż w dolinach. Na granicy niskiego i wysokiego pola magnetycznego tworzy się tzw. soczewka magnetyczna ogniskująca przyspieszaną wiązkę.

cRF

c

hmqB

rv

qp

qmv

Br

qvBrmv

vB

BvqEqF

2

CYKLOTRON

qBmv

r

v

r FLFo

B

Zasada działania

Źródło jonówRF

DuantyN

S

B

2

0

2

0

0

22

2

00

11

)(

1

1

1

1

1

c

rcrv

rB

rrBmBq

c

rcrv

r

cv

mmm

c

c

c

r

BBB

CYKLOTRON IZOCHRONICZNY

Średnie pole izochroniczne

EAex

6.62

4.986

4.394

MeV/A

EMeV

92.683

79.783

175.778

MeV

0 0.2 0.4 0.6 0.82

2.01

2.02

2.03

2.04

B r( )0

B r( )1

B r( )2

r

N

O

Ar

Wzrost pola w funkcji promienia

B r( ) B r( ) Bc( )10000[ ]

0 0.2 0.4 0.6 0.80

50

100

150

B r( )0

B r( )1

B r( )2

r

N

S

2

sin0Dee

Dee

hVeQE

N

S

θ

Bθ

z, Bz vr

FT

r

Bθ

vrFT

Siła Thomasa

dee 45 deg

Vacc h( ) 100sin hdee

2

h 1 Vacc h( ) 38.268 h 3 Vacc h( ) 92.388

h 2 Vacc h( ) 70.711 h 4 Vacc h( ) 100

Harmoniczne

Harmoniczna parzysta (h=2)A B

0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400100

0

100

Vn

67.5 67.5 180

t n

deg

A B

Harmoniczna nieparzysta (h=3)V

nV

nn 150if

Vn

n 200if

0 otherwise

A B

0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400100

0

100

Vn

67.5 67.5 180

t n

deg

Przekrój pionowy: źródło jonów, linia iniekcyjna i cyklotron

Zasada działania źródła ECR(Electron Cyclotron Resonance )

Źródło jonów typu ECR w ŚLCJ UW

1. Elektromagnesy2. Magnesy stałe3. Komora wyładowań4. Linia transmisyjna5. Transformator6. Falowód7. Diafragma8. Układ soczewek elektrostatycznych

DIPOL stygmatyczny

POZIOM

“OGNISKOWANIE” W CZASIE - BUNCHER

THE TWO-GAP BUNCHER

The distance between the two gaps (each of 5mm) is equal to one and a half of the path of the particle in one RF-period. The aperature was chosen of 50mm for vacuum requirements. The RF-voltage is applied to the drift-tube with amplitude Vb.

A B

0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400100

0

100

Vn

t n

deg

Wią

zka

jon

ów

ze

źró

dła

Funkcja Bunchera

Inflektor z polem magnetycznym

0 0.005 0.01 0.0150

0.005

0.01

0.015

0.02

z t( )

zg t( )

ze t( )

y to( )

y t( )

Outlet of the grid

x to( ) 6.187 103

y to( ) 0.011

z to( ) 0.012

At matching tothe medium plane,i.e. at vz(tk)=0.

x tk( ) 5.212 103

y tk( ) 0.01

z tk( ) 0.012

Straty prędkości i energii

0 20 400.6

0.8

0.707

vr t( )

t

109

0 20 400

0.5

1

0.5E t( )

Einj

t

109

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

0.01

0.005

0r t( )

t( )

0 2 4 60

5

10

15

y to( ) 1000

y t( ) 1000

x to( ) 1000

x t( ) 1000

46.786deg

Zakrzywienie wiązki jonów w centrum cyklotronu

Wyprowadzenie wiązki - Stripping

2

sin0Dee

Dee

hVeQE

STRIPPER

Q1 Q2>Q1

Stopień jonizacji po stripperze przy niskiej energii

2 4 6 8 10 120

10

20

30

40

50

Charge after stripping

Pop

ulat

ion

in %

Fq 100

Q Z

q

Projectile: A 20 Z 10 Q 4 at EA 1 MeV/mu

Stopień jonizacji po stripperze przy wyższej energii

2 4 6 8 10 120

50

100

150

Charge after stripping

Pop

ulat

ion

in %

Fq 100

Q Z

q

Projectile: A 20 Z 10 Q 4 at EA 10 MeV/mu

"In the vicinity of a particle, the particle density in phase space is constant if the particles move in an external magnetic field or in a general field in which the forces donot depend upon velocity."

Emitancja, Akceptancja

W pobliżu wybranej cząstki, gęstość cząstek w przestrzeni fazowej jest stała, jeśli te cząstki poruszają się w zewnętrznym polu magnetycznym lub w innym polu, w którym siły nie zależą od prędkości.

Twierdzenie Liouville’a

Przykłady emitancji

zx

dx/dzE=0Wiązka ròwnoległa

Wiązka rozbieżna (homocentryczna) E=0

z x

dx/dz

zx

dx/dz

Wiązka z

baE

0E

b

a

Dopasowanie

2

2

2l

2az

la

a

φ

maxEA

Siła Lorentza w kwadrupolu

x

y

S

S N

N Fx

Fy

Własności optyczne kwadrupola

0

0

0

0

y

yTy

y

y

x

xTx

x

x

)cosh()sinh(

)sinh(1

)cosh(

)cos()sin(

)sin(1

)cos(

klklk

klk

klTy

klklk

klk

klTx

10

1 sO Dryft (wolny odcinek)

Fx

ZxZy

Fy Hy Hx

Tx k( ) F k( ) Ty k( ) D k( ) k 0.5 0.51 4.5

Fx k( )1

Tx k( )1 0

Zx k( )Tx k( )

0 0

Tx k( )1 0

Fy k( )1

Ty k( )1 0

Zy k( )Ty k( )

0 0

Ty k( )1 0

Wiązka w dublecie kwadrupolowym

0 0.1 0.2 0.30

0.02

0.04

0.06

xDn

z n

0.4 0.5 0.6 0.70

0.02

0.04

0.06

xFn

z n s L

D F

z

F k z( )cos k z( )

k sin k z( )

1

ksin k z( )

cos k z( )

D k z( )cosh k z( )

k sinh k z( )

1

ksinh k z( )

cosh k z( )

s 0.1 s1 0.5 s2 0.5 L 0.3 k1 2.489 k2 3.201

O1

0

s

1

O11

0

s1

1

O21

0

s2

1

s2

XOZ

FD

0 0.1 0.2 0.30

0.02

0.04

0.06

xDn

yF n

z n

0.4 0.5 0.6 0.70

0.02

0.04

0.06

xFn

yD n

z n s L

DF s2

LL ss1

z

Dublet kwadrupolowy

Tx k1 k2( ) D k1( ) O F k2( ) Ty k1 k2( ) F k1( ) O D k2( )

k1 0.5 0.51 4.5 k2 3.055

Fx k1 k2( )1

Tx k1 k2( )1 0

Zx k1 k2( )Tx k1 k2( )

0 0

Tx k1 k2( )1 0

Fy k1 k2( )1

Ty k1 k2( )1 0

Zy k1 k2( )Ty k1 k2( )

0 0

Ty k1 k2( )1 0

Dublet kwadrupolowy

Steering

B

+

-

+-

N1=No.COS(φ)

N2=No.sin(φ)

Korekcja biegu wiązki dwoma steeringami

S1 S2

Diagnostyka wiązkiKubek Faradaya

V-300 V

Wiązka

I

Diagnostyka wiązki Luminofor-”łapa”

TV

Wiązka

I

Scyntylator

RF

Koniec

• Z powodu rozrzutu prędkości i wspòłrzędnych cząstek, punkty w 6-cio wymiarowej przestrzeni fazowej zajmują skończoną objętość. Ta objętość jest inwariantem w przestrzeni kanonicznie sprzężonych zmiennych.

• Dla nas ważny przypadek:

zmienne rozdzielają się w ròwnaniach ruchu I wtedy każda z podprzestrzeni

jest inwariantem, Emitancja=const, np.:

dz

dyy

dz

dxx ,,,

Współczynnik emisji wtórnej

• Miedź 1.3 600 Volt

• Srebro 1.5 800

• Platyna 1.8 800

• Węgiel 0.45 500

• Aluminium 2.35 500

t

V(t)

Jonowód

Sonda cylindryczna

OPTYKA JONOWA

Emitancja, Akceptancja

Dopasowanie

PION