INSTYTUT FIZYKI JĄDROWEJ im. Henryka Niewodniczańskiego ul. Radzikowskiego 152, Kraków, Poland.

Transkrypt

1 INSTYTUT FIZYKI JĄDROWEJ i. Henryka Niewodniczańskiego ul. Radzikowskiego 15, Kraków, oland. Kraków, grudzień 00 Raport Nr 1916/E MODERNIZACJA UKŁADU REZONANSOWEGO CYKLOTRONU AIC-144 K. Guguła, J. Sulikowski, R. Taraszkiewicz

2 Streszczenie W połowie lat 90 otwarła się ożliwość wykorzystania cyklotronu AIC 144 do celów terapii hadronowej oka. Warunkie zrealizowania zadania było wytworzenie i wyprowadzenie na zewnątrz cyklotronu wiązki protonów o energii nie niższej niż 60 MeV. Aby spełnić w/w warunek, niezbędne było wzbudzenie układu rezonansowego cyklotronu AIC 144 na częstotliwości 6,6 MHz i uzyskanie napięcia duantu co najniej 50 kv. W wyniku odernizacji układu rezonansowego osiągnięto następujące paraetry: - napięcie duantu 53 kv - częstotliwość aksyalna 6,8 MHz Niniejszy raport przedstawia etodę i sposób osiągnięcia zakładanych paraetrów. Wstęp Aby spełnić zakładane wyagania należałoby doprowadzić do istniejącego układu rezonansowego oc ok. 00 kw. W praktyce było to nierealne i nie gwarantowało stabilnej pracy. Biorąc pod uwagę powyższe probley i zagadnienia, należało przedsięwziąć odpowiednie kroki pozwalające zrealizować założony cel. raca nad w/w problee przebiegała dwutorowo: 1. oszukiwanie dostawcy nowego generatora ocy w.cz. dla cyklotronu AIC Analiza obecnego systeu w.cz. cyklotronu wraz ze znalezienie sposobu wzbudzenia układu rezonansowego na częstotliwości 6,6 MHz do napięcia duantu co najniej 50 kv. 1. Nowy generator: Istniejący w Dziale Cyklotronowy generator ocy w.cz. wykonany w technice półprzewodnikowej, posiadał istotne ograniczenia: - ax częstotliwość pracy 5,5 MHz bez ożliwości odernizacji ze względu na olbrzyie koszty. - technika półprzewodnikowa, w jakiej został wykonany, nie sprawdziła się ze względu na niestabilny charakter obciążenia generatora, co w praktyce prowadziło do częstych awarii (zwłaszcza przy pracy z aksyalną ocą). W 1995 roku rozesłano ofertę zakupu generatora w.cz. do kilku fir europejskich.in.: Marconii Włochy; Thopson Francja; Zarat olska; Rhode & Schwarc Niecy; Tira Rosja. Warunkie było wykonanie w technice lapowej stopnia ocy oraz driver a generatora. Wybrano ofertę firy Tira ze względu na najlepsze warunki finansowe. Generator został dostarczony do Instytutu w Krakowie w arcu 1997 roku.

3 . Modernizacja układu rezonansowego: W 1995 roku postawiono przed Działe Cyklotronowy zadanie:... wzbudzić układ rezonansowy Cyklotronu AIC 144 na częstotliwości 6,6 MHz, do napięcia duantu co najniej 50 kv. roble ożna było rozwiązać stosując kolejno dwie etody: - teoretyczną - praktyczną Zdecydowano się na poszukiwanie rozwiązania probleu drogą eksperyentalną, odelując układ rezonansowy cyklotronu AIC 144, ze względu na ożliwość wykorzystania drugiego egzeplarza koór strojonych cyklotronu. o dobudowaniu koory przejściowej i połowy koory akceleracji, uzyskano odel układu rezonansowego cyklotronu AIC 144 w skali 1:1. Słuszność obranej drogi potwierdziły też doświadczenia ZIBJ - Dubna. rogray koputerowe, ze względu na złożoność zjawisk zachodzących w prostokątnych rezonatorach, pozwalają uzyskać wyniki obarczone błęde od kilku do kilkudziesięciu procent. Tak duża niedokładność nie pozwala na sforowanie założeń dla konstruktorów echaników. Konieczne jest przeprowadzenie eksperyentów z odele układu rezonansowego aby znacznie zawęzić argines błędu. W oawiany przypadku założenia sprawdziły się w pełni. Osiągnięto aksyalną częstotliwość układu rezonansowego 6,8 MHz (rys. 1). koory strojące koora przejściowa ste zwory pozioe duant część istniejąca część dobudowana Rys. 1. Wygląd odelu systeu w.cz. cyklotronu AIC

4 oczątkowo zbadano charakter układu rezonansowego: w skrajnych i środkowy punkcie pracy tj. 9, MHz. Badano wpływ położenia zwór pozioych na częstotliwość rezonansową oraz rozkład napięcia na steie i duancie: u wylotu z koór strojących (U r ) i na końcu duantu (U d ). koory strojące lz koora przejściowa lz Ur ste duant koora akceleracji Ud napięcie na steie i duancie U/Uax w % odległość l w c Rys.. Zależność napięcia na steie i duancie w funkcji odległości od początku koory strojącej, dla l z = 750 i częstotliwości ƒ = 9,5 MHz. 4

5 koory strojące koora przejściowa lz lz Ur ste zwory pozioe duant Ud 100 napięcie na steie i duancie U/Uax w % odległość l w c Rys. 3. Zależność napięcia na steie i duancie w funkcji odległości od początku koory strojącej, dla l z = 00 i częstotliwości ƒ= 14 MHz. 5

6 koory strojące koora przejściowa lz lz Ur ste duant koora akceleracji Ud 100 napięcie na steie i duancie U/Uax w % odległość l w c Rys. 4. Zależność napięcia na steie i duancie w funkcji odległości od początku koory strojącej, dla l z = 40 i częstotliwości ƒ = 5 MHz. 6

7 W wyniku analizy powyższych charakterystyk oraz wcześniejszych publikacji dotyczących układu rezonansowego cyklotronu AIC 144 wyciągnięto następujące wnioski: a) w dolny zakresie pracy układu rezonansowego (9,5 1 MHz) tj. przy dużych objętościach przestrzennych koór rezonansowych l z >> 150, ƒ << 16 MHz obwód wykazuje charakter wnęki rezonansowej, obciążonej pojenością stworzoną przez obszar koory przejściowej i koory akceleracji. Świadczy o ty wzdłużny rozkład napięcia na steie (80 % napięcia u wylotu koór strojonych). Obszar koór strojonych jest linią w.cz. o dużej ipedancji falowej (Z ƒ ). W uproszczeniu ożna policzyć: Z = f S S z str gdzie: S z pole przekroju poprzecznego zewnętrznej części linii S str pole przekroju poprzecznego konstrukcji nośnej duantu (stea). W ty zakresie pracy ipedancja falowa koór strojonych wynosi około kilkudziesięciu oów, co pozwala uzyskać dobroć układu rezonansowego rzędu Dużą dobroć, w praktyce, potwierdza czas zaniku ipulsu w.cz., który w ty zakresie wynosi 0,3 s. 1 Rys. 5. Ud obwiednia napięcia w. cz. na duancie 0,8 0,6 0,4 0, 0 0 0,1 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 czas t w [s] Napięcie w.cz. na duancie po zaniku ocy w.cz. dla częstotliwości 9,5 1 MHz. b) w górny zakresie pracy układu rezonansowego (5 6 MHz) obszar koór strojonych stanowi linię o niskiej ipedancji falowej (ok. paru oów) zbliżoną do ipedancji falowej obszaru koory przejściowej i koory akceleracji. Układ rezonansowy stanowi tu linię ćwierćfalową, zwartą z jednej strony a otwartą z drugiej (o dobroci ok. 1000). Świadczy o ty stopniowe narastanie napięcia na steie i na duancie. 7

8 Wnioski: Należałoby doprowadzić układ rezonansowy do pracy przy wyższej ipedancji falowej koór strojonych. owyższy wniosek ożna zrealizować zwiększając kilkakrotnie odległość zwór pozioych od stea. Aby uniknąć obniżenia częstotliwości rezonansowej układu należy skrócić linię rezonansową. Uzyskano to wprowadzając, zaproponowane na początku lat 90 przez doc. dr inż. Jerzego Schwabe, tzw. zwory pionowe. Zwory pionowe Lz Lp L z odległość zwór pozioych od stea L p odległość zwór pionowych od tylnej ściany koory strojonej Rys. 6. Wygląd odelu systeu w.cz. cyklotronu AIC-144 ze zworai pionowyi. W oawiany odelu wykonano zwory pionowe o wysokości 150. ozwoliło to zwiększyć ipedancję falową odcinka linii rezonansowej objętej przestrajalnyi koorai blisko 4-krotnie, obniżyło też prąd przetężenia w ty obszarze linii rezonansowej (teoretycznie blisko 4-krotnie). 8

9 Teoretyczne zniejszenie strat ocy w obszarze objęty koorai przestrajanyi powinno wynosić: przed odyfikacją : = J po odyfikacji: R = J R gdzie: J prąd stea przed odyfikacją J prąd stea po odyfikacji R rezystancja powierzchni przewodzących przed odyfikacją R rezystancja powierzchni przewodzących po odyfikacji założono: stąd : 1. J = 4 J. R R = = J J ( 4 J ) = 16 J R R R R 16 J = J owyższa analiza wykazuje ożliwość 16- krotnego zniejszenia strat ocy, lecz odnosi się to tylko do krótkiego odcinka linii rezonansowej t.j. do obszaru koór strojonych. W rzeczywistości zysk nie jest tak duży ze względu na pojawiający się skok ipedancji falowej linii na styku koór strojonych i koory przejściowej. Brak dopasowania ipedancji falowej poszczególnych części linii powoduje straty ocy na skutek odbicia części energii w.cz. na przejściu (na tzw. uskoku). Wyierny zyskie z odyfikacji jest skrócenie długości linii. Jednak w ty wypadku jest on wprost proporcjonalny do skrócenia długości linii t.j. ok. 5%, poniejszony o straty na stykach zwory pionowej (rys. 7). 9

10 L 1 L Rys. 7. Wygląd linii rezonansowej w iejscu skoku ipedancji falowej. Teoretyczne założenia potwierdziły poiary dobroci obwodu (po odyfikacji) przy częstotliwości 6,6 MHz. Czas zaniku ipulsu wynosi 0,1 s (rys. 8), a więc w ty obszarze pracy dobroć Q jest ok. 3 krotnie niejsza niż na częstotliwościach 9,5 1 MHz, gdzie czas zaniku ipulsu wynosi 0,3 s (rys. 5). Bilans energetyczny powyższej odyfikacji jest dodatni. Układ rezonansowy zachowuje paraetry z zakresu częstotliwości 18 0 MHz (przed odyfikacją), t.j. Q ok. 500 (wg. charakterystyk podanych przez doc. dr inż. J. Schwabe ()). 10

11 Ud obwiednia napięcia w. cz. na duancie 1 0,8 0,6 0,4 0, 0 0 0,1 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 czas t w [s] Rys. 8. Napięcie w.cz. na duancie po zaniku ocy w.cz. dla częstotliwości 5 6 MHz. odsuowanie race odelowe zakończono w 1998 roku. o uruchoieniu generatora Krakowiak podjęto próby wzbudzenia rzeczywistego układu rezonansowego Cyklotronu AIC 144 na częstotliwości ƒ = 6,6 MHz. Wykorzystano prowizoryczne zwory wykonane z ceowników aluiniowych z fosforobrązowyi sprężynai, obłożonyi blachą iedzianą. owyższe zwory pozwoliły uzyskać żądane napięcie duantu tj. 50 kv przy ocy dostarczonej do układu wynoszącej 10 kw (zaiast 00 kw). Ze względu na brak chłodzenia zwór pionowych prace przebiegały przy współczynniku wypełnienia nie większy niż 15% (najczęściej 1%, %). o dwóch latach zbierania doświadczeń, w 000 roku sforułowano założenia i skierowano projekt do realizacji w Instytucie Fizyki Jądrowej. Zwory zostały wykonane i zaontowane w luty 001 roku. W technice cyklotronowej najczęściej stosowane są rezonatory koaksjalne. Rezonatory wnękowe o przekroju prostokątny są używane zwykle przy częstotliwościach powyżej kilkuset egaherców. Cyklotron AIC-144 był projektowany jako cyklotron uniwersalny przyspieszający różne rodzaje jonów w szeroki zakresie energii. Stąd wynikła konieczność zastosowania rezonatora wnękowego o duży zakresie przestrajania. Jednakże zbudowany rezonator posiadał zbyt niską dobroć w górny zakresie pracy. Ta sytuacja wyagała rekonstrukcji rezonatora w celu zwiększenia jego dobroci w obszarze najwyższych częstotliwości eksploatacyjnych. Obecnie po blisko dwóch latach pracy i zbierania doświadczeń w eksploatacji zwór pionowych ożna stwierdzić że:... w pełni osiągnięto założony przed laty cel, uożliwiający wykorzystanie Cyklotronu AIC 144 dla celów Centru Terapii Hadronowej. O ile na wiadoo podobny układ rezonatora wnękowego z podwójny systee zwór nie był nigdy dotąd stosowany w technice cyklotronowej. 11

12 odziękowanie: Składay gorące podziękowania Kierownikowi Działu Cyklotronowego gr inż. Edundowi Bakewiczowi za stworzenie warunków uożliwiających poyślne przeprowadzenie prac. Literatura: 1. J.A. Schwabe, AIC-144, AUTOMATIC ISOCHRONOUS CYCLOTRON MAIN ARAMETERS, STATUS, NUKLEONIKA VOL. 4, No 3, p , INSTYTUT FIZYKI JĄDROWEJ - RAORT No 1069/l, INTERNATIONAL SEMINAR ON ISOCHRONOUS CYKLOTRON TECHNIQUE. 1