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