NSTYTUT FZYK JĄDROWEJ im. Henryka Niewodniczańkiego olkiej Akademii Nauk ul. Radzikowkiego 5, 3-34 Kraków, oland. www.ifj.edu.l/reort/003.html Kraków, grudzień 003 Raort Nr 934/E OTYMALZACJA ARAMETRÓW KOMORY RZEJŚCOWEJ UKŁADU REZONANSOWEGO CYKLOTRONU AC44 J. Sulikowki, K. Guguła, R. Tarazkiewicz Kraków, grudzień 003 r.
Wtę W latach 999-00 dokonano itotnych modernizacji ytemu w.cz. cyklotronu AC 44 orzez : - rzekontruowanie okablowania zailacza wyokiego naięcia generatora - wyeliminowanie ymetrycznego układu dwóch trymerów rzetrajających układ rezonanowy. Zatąiono go jednym, nieymetrycznym, zgrubnym trymerem oraz trymerem do recyzyjnego trojenia (wymaga dalzych rac związanych z otymalizacją elektrody trojącej i naędu) - rzekontruowanie zailacza tranzytorowego tonia wtęnego wzmacniacza w.cz. 400 W - zmiana ytemów chłodzenia owietrznego i wodnego zafy toni mocy generatora - rzebudowa kondenatorów rzęgających w toniu mocy generatora w.cz. - zmiana ołożenia ętli rzęgającej feeder z układem rezonanowym cyklotronu - zbudowanie nowego generatora kluczującego moc w.cz. generatora (zynchronizowany z iecią) - zmiana oobu ołączenia blach miedzianych rzewodzących rądy w.cz. w układzie rezonanowym cyklotronu - wrowadzenie układu zwór ionowych w ch trojonych układu rezonanowego [] Wyżej wymienione modernizacje ozwoliły na race związane z wyrowadzeniem wiązek jonów z cyklotronu rzy czętotliwościach w.cz. 0 6,6 MHz. Jednakże charakter rac z wiązką wymaga uzykania naięcia w.cz. na duancie o dużej tabilności. Stąd wynika konieczność wrowadzania dalzych urawnień urządzenia tak, aby otrzymać naięcie duantu o wymaganej tabilności w zerokim zakreie wyrowadzanych wiązek jonów. Biorąc od uwagę owyżze, oracowano rogram dalzej modernizacji ytemu w.cz. cyklotronu AC-44. rogram jet odzielony na dwie tematycznie związane części:. Tor w.cz. generatora mocy: a) yntezer b) tonie mocy generatora w.cz. c) zailacz wyokiego naięcia generatora w.cz.. Układ rezonanowy cyklotronu. a) modernizacja komory rzejściowej b) rzygotowanie gniazda w obzarze komory rzejściowej celem otymalizacji miejca wrowadzenia ętli rzęgającej feeder z układem rezonanowym cyklotronu W niniejzym oracowaniu zotanie rzedtawiony ramowy rogram modernizacji komory rzejściowej układu rezonanowego cyklotronu AC 44.
. Modernizacja komory rzejściowej Komora rzejściowa zotała otatnim elementem ytemu w.cz. cyklotronu AC 44 w którym możliwe ą gruntowne modernizacje. Mimo że rowadzone dotychcza race urawniające w innych węzłach ytemu w.cz. rzynioły efekty ozytywne [] (zmniejzono moc wzbudzenia z 00 kw do 0 kw rzy f 6,6MHz), to ciągle moc w.cz. konieczna do wzbudzenia układu rezonanowego, w górnym zakreie czętotliwości racy, jet za wyoka aby zaewnić tabilną racę w trakcie rofejonalnej ekloatacji cyklotronu. rzerowadzono analizę trat mocy w komorze rzejściowej oługując ię urozczonym chematem działania ytemu w.cz. i rotą analizą matematyczną [, 3]. W ublikacji [] omówiono modernizację ytemu w.cz. olegającą na wrowadzeniu zwór ionowych do komór trojonych układu w.cz. o uruchomieniu ytemu zwór ionowych rzerowadzono cykl omiarów rawdzających łuzność założeń. Rozbieżność arametrów zakładanych i otrzymanych okazała ię niewielka (oniżej 0%). Dotychczaowe doświadczenia dowodzą łuzności obranej metody działania ze względu na cza i rawdzalność założeń. Nie neguje to ogłębionej analizy matematycznej omawianych zjawik. otwierdza jednakże, że metody dokładne wymagają bardzo recyzyjnych założeń, a wyniki i tak nie ą dokładniejze niż oiągane rotymi metodami (uwagi te odnozą ię oczywiście do konkretnie omawianego rzyadku). Biorąc od uwagę owyżze, w omawianym rogramie modernizacji komory rzejściowej rzyjęto odobną logikę rozwiązywania roblemu. trojona rzejściowa akceleracji Ry.. Wygląd ytemu w.cz. cyklotronu AC 44 dla f 6,6 MHz rzed modyfikacją (aktualny).
Modernizacja komory rzejściowej (ry.) olega na:. Zwiękzeniu oorności falowej linii w.cz. w odcinku komory rzejściowej orzez zwiękzenie tounku owierzchni rzekroju komory rzejściowej do owierzchni rzekroju tema, celem zmniejzenia rądu w.cz. w obzarze komory.. owiękzeniu do wyokości zwór oziomych owierzchni rzekroju okna wyjściowego z komór trojonych w kierunku komory rzejściowej celem zlikwidowania koku imedancji linii w.cz. 3. Wrowadzeniu łynnej zmiany wymiarów linii w.cz. celem tranformacji imedancji falowej linii. trojona rzejściowa akceleracji Ry.. Wygląd ytemu w.cz. cyklotronu AC 44 dla f 6,6 MHz o modyfikacji (roonowany). 3
Na ryunku 3 rzedtawiono charakterytykę względnego rozkładu naięcia i rądu w.cz. w temie układu rezonanowego cyklotronu AC-44 dla dwóch wariantów: ) rzejściowa rzed modernizacją (ry. ) ) rzejściowa o modernizacji (ry. ) max U U Umax 00 % Naięcie U/U max i rąd / max 80 % 60 % 40 % 0 % 30 obzar komory trojonej 300 obzar komory rzejściowej 030 obzar duantu Ry. 3 Charakterytyka względnego rozkładu naięcia i rądu na temie układu rezonanowego rzed () i o () modernizacji komory rzejściowej. 90 l [mm] U - naięcie tema i duantu rzed modyfikacją U - naięcie tema i duantu o modyfikacji - rąd tema i duantu rzed modyfikacją - rąd tema i duantu o modyfikacji Ozacowanie (w urozczeniu) trat mocy w.cz. w ch trojonych dla f 6,6 MHz rzed modyfikacją wynoi : ( + 0,6) 0,8 ( ) (0,8 max 0,64 max max max ) moc trat w.cz. w ch trojonych rzed modernizacją R zatęcza rezytancja obzaru komór trojonych średni rąd w ch trojonych rzed modyfikacją max makymalny rąd w układzie rezonanowym rzed modyfikacją Ozacowanie (w urozczeniu) trat mocy w.cz. w komorze rzejściowej dla f 6,6 MHz rzed modyfikacją wynoi: (0, + 0,6) 0,4 ( ) (0,4 0,6 max max max ) max średni rąd w komorze rzejściowej rzed modernizacją moc trat w.cz. w komorze rzejściowej rzed modyfikacją R zatęcza rezytancja obzaru komory rzejściowej 4
Wyliczenie tounku mocy trat w komorze rzejściowej do mocy trat w ch trojonych można oiać wzorem: 0,6 0,64 max max R 4 R Zakładając (w urozczeniu) że: R R oraz c + c - całkowita moc trat w układzie rezonanowym, (rzy ominięciu trat w obzarze duantu ze względu na niewielki udział w całkowitej mocy trat) otrzymujemy: 4 4 Jak widać z owyżzych rozważań, traty w obzarze komory rzejściowej tanowią około 0% trat mocy w układzie rezonanowym cyklotronu (omijając traty w obzarze duantu i nie uwzględniając koku imedancji na wyjściu komór trojonych). Zmniejzenie rądu w obzarze komory rzejściowej jet odwrotnie roorcjonalne do wzrotu oorności falowej linii w obzarze komory rzejściowej, zaś wzrot oorności falowej jet roorcjonalny do wzrotu odległości tema i komory rzejściowej w obzarze najwiękzych owierzchni [3]. Odległość ta rzed modyfikacją wynoi ok. 35 mm, o modyfikacji winna wynoić ok. 5 mm. Łatwo zauważyć że: Z Z 5 35 3,6 3,6 Z imedancja linii w komorze rzejściowej rzed modyfikacją Z imedancja linii w komorze rzejściowej o modyfikacji średni rąd komorze rzejściowej rzed () i o () modernizacji 5
rzyjmując, że zatęcza rezytancja obzaru komór trojonych rzed i o modyfikacji będzie taka ama, zmniejzenie mocy trat w komorze ośredniej wynieie: (3,6),96 Stąd można ozacować zmniejzenie trat mocy w komorze ośredniej około 0 razy (t.j. o 90% obecnej mocy). roonowana modyfikacja ozwoli zmniejzyć traty mocy, w całym układzie w.cz, rawie o całą moc trat w obecnej komorze rzejściowej (t.j. o ok.0%). Dalze zmniejzenie trat mocy natąi o zlikwidowaniu koków imedancji linii w.cz.: a) orzez owiękzenie okna wyjściowego z komór trojonych do unktu ołożenia zwór oziomych. ozwoli to na całkowite wyeliminowanie, w tym unkcie, koku imedancji linii w.cz.. b) w wyniku zatoowania łynnej zmiany wymiarów linii w.cz. w unkcie tyku komory rzejściowej i komory akceleracji. Uzykując w ten oób tranformację imedancji falowej linii można, wyeliminować odbicie energii w.cz. w tym unkcie. Wymienione owyżej modyfikacje ozwolą na radykalne zmniejzenie odbicia energii w.cz., a co za tym idzie zmniejzenie trat mocy w.cz. o kolejne 0 0%.. Otymalizacja wrowadzenia ętli rzęgającej o króceniu czynnej długości linii rezonanowej (tema) w górnym zakreie czętotliwości roboczych t.j. owyżej 0 MHz miejce wrowadzania ętli rzęgającej ulega ozornemu rzeunięciu w kierunku unktu zwarcia linii t.j. w obzar niżzych imedancji wejściowych linii. owoduje to zmniejzenie imedancji wejściowej układu rezonanowego, widzianej rzez feeder. rzyadek dla makymalnej czętotliwości rzyadek dla minimalnej czętotliwości miejce wrowadzenia ętli rzęgającej miejce wrowadzenia ętli rzęgającej L L - odległość unktu wrowadzenia ętli rzęgającej do unktu zwarcia linii w.cz. L L - odległość unktu wrowadzenia ętli rzęgającej do unktu zwarcia linii w.cz. Ry. 4 Wygląd ytemu w.cz. dla krajnych czętotliwości racy z zaznaczeniem miejca wrowadzenia ętli rzęgającej. 6
rzyadek dla makymalnej czętotliwości roonowane miejce wrowadzenia ętli rzęgającej L - odległość unktu wrowadzenia ętli rzęgającej do unktu zwarcia linii w.cz. L Ry. 5 Wygląd ytemu w.cz. o roonowanej modyfikacji z zaznaczeniem miejca roonowanego wrowadzenia ętli rzęgającej. Zmniejzenie imedancji wejściowej ytemu w.cz. cyklotronu owoduje brak doaowania imedancji falowej feedera do imedancji wejściowej rezonatora i odbicie mocy w.cz. w kierunku owrotnym do generatora. W rzeczywitości moc odbita wynoi ok.5 35% mocy adającej orawa owyżzych arametrów owoduje mniejze traty energii w.cz. we feederze i toniu mocy generatora, ozwoli to na kolejne obniżenie mocy w.cz. oddawanej rzez generator o 5 5 %. Dokładne miejce wrowadzenia ętli należy określić ekerymentalnie, tąd konieczność rzygotowania gniazda (lub dwóch gniazd) w obzarze komory rzejściowej dla wrowadzenia ętli rzęgającej, o uwzględnieniu rozmiarów gardzieli omy dyfuzyjnej. Zadanie to mogłoby być zrealizowane w trakcie modernizacji komory. odumowanie Biorąc od uwagę owyżze rozważania, oraz korzyści wynikające z roonowanych rozwiązań, należy odziewać ię umarycznego zmniejzenia zaotrzebowania na moc w.cz. rzez układ rezonanowy cyklotronu AC-44 o ok. 5 35 %, tj. oiągnięcie arametrów: f 6,6 MHz, U d 50 kv, rzy mocy generatora w.cz. rzędu 70 90 kw. Obniżenie zaotrzebowania na moc w.cz, do oziomu 70% 80% mocy makymalnej generatora w.cz. (wynozącej 0 kw) oraz rzerowadzenie gruntownej rzebudowy zailacza anodowego wraz z modernizacją lamowych tonii mocy generatora ozwoli w rzyzłości wrowadzić układy tabilizacji ytemu w.cz. (naięcia duantu, zetrojenia układu rezonanowego). Wymienione owyżej modernizacje, rzerowadzone komlekowo, ozwolą na oiągnięcie tanu tabilnej racy ytemu w.cz. cyklotronu AC-44 oraz realizowanie zadań otawionych na wtęie. W wyniku rzerowadzonych modyfikacji [] oraz roonowanej obecnie, zotanie zredukowana moc w.cz. konieczna do wzbudzenia układu rezonanowego cyklotronu AC-44 z 00 kw do 70 90 kw, a więc bliko 3-krotnie. 7
Zotanie również zredukowany obór energii elektrycznej rzez generator w.cz. z ok. 300 kw do ok. 50 kw. Dotyczy to makymalnych czętotliwości racy t.j. ok. 6 MHz oraz tzw. wyełnienia imulu w.cz. równego 00% (DF). Oznacza to wyraźne zmniejzenie oboru energii elektrycznej, a więc także zmniejzenie koztów ekloatacji cyklotronu. W marcu 999 roku mgr inż. Marek Tałach we wółracy z LJAR w ZBJ-Dubna wykonał oracowanie wewnętrzne t. Ocena możliwości wzbudzenia duantu cyklotronu AC-44 do naięcia 50 kv rzy czętotliwości 7 MHz rzy użyciu generatora Krakowiak o mocy 0 kw [4]. W oracowaniu rzedtawił on oób rozwiązania omawianego zagadnienia, jednakże zakre modyfikacji roonowanych dziś rzez autorów niniejzego raortu obejmuje ten roblem w zerzym aekcie. Jet częścią rozwiązania ytemowego dla układu rezonanowego w.cz. cyklotronu AC-44 celem umożliwienia racy w górnym zakreie czętotliwości roboczych t.j. 6 6,6 MHz. Należy zaznaczyć, że wytworzenie i dorowadzenie do tanowika naświetlań acjentów wiązki rotonów, o energii 60 MeV rzy czętotliwości 6,6 MHz, jet rawą kluczową dla rac lanowanych w Centrum Teraii Hadronowej rzy FJ w Krakowie. Literatura [] K. Guguła, J. Sulikowki, R. Tarazkiewicz, Modernizacja układu rezonanowego cyklotronu AC 44, Raort FJ Nr 96/E z 00 [] J. A. Schwabe, AC-44, automatic iochronou cyklotron main arameter, tatu, Nukleonika 4, No. 3, 77 (997) [3] A. H. iekara, Elektryczność i magnetyzm, wyd. WN-Warzawa,970 [4] M. Tałach, Ocena możliwości wzbudzenia duantu cyklotronu AC 44 do naięcia 50 kv rzy czętotliwości 7 MHz rzy użyciu generatora Krakowiak o mocy 0 kw, oracowanie wewnętrzne FJ, marzec 999 8