Автоматизированный замедлитель протонного пучка синхроциклотрона - деградер

Предлагаемая полезная модель относится к ускорительной технике и экспериментальной ядерной физике.
Устройство предназначено для изменения и регулировки в очень большом диапазоне энергии протонного пучка ускорителей типа циклотрон, синхроциклотрон.
Отметим, что в отечественной научной литературе нет установившегося единого термина для названия предлагаемого устройства. В Гос. стандарте (ГОСТ 22491-87 (СТ СЭВ 5056-85). «Ускорители заряженных частиц».) [1] - определение и название предлагаемого устройства также отсутствует. Используются названия: замедлитель протонного пучка, поглотитель протонного пучка. В англоязычной литературе принято название - деградер (degrader), которое используется также и в русскоязычной литературе. В некоторых работах деградером называют не все устройство в целом, а только тот его блок - поглотитель, в котором непосредственно происходит потеря энергии протонов.
Введение в проблему. Известно, что для ряда научных исследований и прикладных работ требуются пучки протонов с регулируемой энергией практически от ~0 до очень высоких значений ~1000 МэВ. Такие пучки протонов необходимы, например, для тестирования и проведения испытаний надежности интегральной электронной техники авиакосмического назначения, которая при эксплуатации в жестких условиях космоса подвергается облучению атмосферных и космических протонов в диапазоне энергий 0-1000 МэВ (А.И. Чумаков. «Действие космической радиации на интегральные схемы», М. «Радио и связь», 2004.) [2], (РД 134-0175-2009. Нормативный документ по стандартизации РКТ. Аппаратура радиоэлектронная бортовая космических аппаратов. Зарегистрирован ЦКБС ФГУП ЦНИИ машиностроения 07.12.2009 за №19780) [3]. Для этих целей в качестве генераторов протонов таких больших энергий в РФ могут использоваться только ускорители типа синхроциклотрон в Дубне на энергию протонов 660 МэВ (В.М. Абазов, Г.А. Андреев, А.Н. Братин и др. «Пучки нуклонов и мезонов фазотрона ОИЯИ для физических и прикладных исследований». Препринт ОИЯИ 9-90-289, Дубна. 1990) [4] и синхроциклотрон в Гатчине на энергию 1000 МэВ (Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев. «Радиотехнические системы синхроциклотрона петербургского института ядерной физики», Гатчина, 2012) [5]. Однако синхроциклотроны являются ускорителями постоянной энергии протонов и их принцип работы не позволяет ее изменять или регулировать (Дж. Ливенгуд. «Принципы работы циклических ускорителей», М, Изд-во Иностр. лит., 1963.) [6]. Поэтому для решения проблемы используют замедлитель протонного пучка - деградер, которое позволяет изменять и регулировать энергию уже выведенного из ускорителя протонного пучка.
max
Простейший деградер представляет собой плоскопараллельный блок из какого-либо материала (медь, углерод, вода, пластмасса и т.п.), который устанавливают вдоль оси уже выведенного из ускорителя протонного пучка. Протоны, проходя через блок, испытывают торможение за счет механизма ионизационных и ядерных потерь в веществе блока-замедлителя и выходят из него с меньшей энергией, величина которой зависит от длины и материала блока и определяется расчетным или опытным путем. Авторам не известны деградеры для синхроциклотрона, замедляющие пучок протонов в диапазоне от энергии синхроциклотрона E до 0.
В настоящей заявке на полезную модель предложено устройство: автоматизированный замедлитель протонного пучка синхроциклотрона - деградер, которое может замедлять протоны и регулировать их энергию в диапазоне 1000÷0 МэВ с точностью ~1%.
В качестве аналога выбран патент США 2017 года «Система для регулировки энергий протонного пучка циклотрона» (Аналог. United States Patent 9789341. "System for adjusting the energy level of a proton beam provided by a cyclotron, a cyclotron target holder assembly with a removable degrader, a removable degrader for use in a cyclotron target holder assembly, and methods of use thereof) [7]. Аналог по существу является деградером протонного пучка циклотрона PETtrace 880 и служит для замедления пучка при облучении мишеней различного назначения.
Устройство-аналог состоит из поглотителя энергии протонов, выполненного в виде диска из алюминия диаметром ~30 мм и толщиной 1÷0.5 мм. Поглотитель установлен неподвижно на держателе в одной из трех камер цилиндрического бокса. В других камерах бокса находятся облучаемая мишень и коллиматор. Бокс монтируется в едином с циклотроном вакуумном тракте транспортировки его протонного пучка. Имеются шлюзы и кассета для смены поглотителей без нарушения вакуума и системы выравнивания давлений между камерами.
Устройство-аналог работает следующим образом. Пучок протонов циклотрона с энергией 16.5 МэВ достигает бокса и через коллиматор попадает на поглотитель энергии протонного пучка в виде алюминиевого диска, где за счет ионизационных потерь в материале поглотителя теряет часть своей энергии (замедляется) и выходит из поглотителя с энергией ~11-12 МэВ. Затем пучок попадает на облучаемую мишень, располагаемую в другой камере бокса. В зависимости от задач энергия на выходе из деградера может изменяться путем смены поглотителей. Такая смена производится «вручную» через шлюзы с кассетой без нарушения вакуума.
Недостатком устройства-аналога является низкая энергия используемого протонного пучка, небольшой диапазон замедления, то есть регулировки энергии в 1-2%, отсутствие автоматизации при регулировке энергии, которая осуществляется «ручной» заменой поглотителей.
Действительно, для замедления протонов в большом диапазоне, например, от 1000 МэВ до 0, толщина поглотителя в виде диска (или набора дисков) должна быть равной длине полного поглощения протонов энергии 1000 МэВ в алюминии ~148 см. (J.F. Janni. "Proton range-energy tables, 1 keV - 10 Gev, Atomic data and nuclear data tables", vol. 27, 1982, pp. 147-529.) [8]. Для замедления и регулировки энергии протонов например с интервалом в 10 МэВ необходим набор из ста штук отдельных поглотителей - дисков. Конструкция деградера такой длины не реальна из-за отсутствия места в тракте транспортировки протонов, а замена такого количества дисков в ручном режиме не возможна из-за радиационно-опасного остаточного излучения деградера.
В качестве прототипа выбрано устройство, предназначенное для замедления и регулировки энергий выведенного протонного пучка синхроциклотрона ОИЯИ (Прототип. А.В. Агапов, Г.В. Мицин, К.Н. Шипулин. «Автоматизированный замедлитель переменной толщины для задач протонной терапии». ОИЯИ, Дубна, Р13-2015-97.) [9]. Устройство-прототип состоит из поглотителя энергии протонов и механизма для его перемещения. Поглотитель выполнен в виде клина из оргстекла. Имеется механизм для его линейного автоперемещения перпендикулярно оси протонного пучка, имеется шаговый двигатель, блок коммутации и блок питания двигателя, а также компьютер. Имеется дополнительный неподвижный клин.
Устройство-прототип работает следующим образом. Основной клин перемещается поперек оси протонного пучка при помощи шарико-винтовой передачи, сцепленной через муфту с шаговым двигателем, в результате чего торец клина может быть установлен по отношению к оси пучка на любое расстояние, а пучок протонов, проходя через разные пути внутри клина, замедляется из-за ионизационных потерь и теряет часть своей энергии. Двигатель через коммутатор программно управляется компьютером. Степень замедления протонов пропорциональна толщине клина. Диапазон регулировки энергии ~3%. Устройство-прототип, являясь автоматизированным замедлителем протонного пучка синхроциклотрона, по существу является деградером и предназначено для изменения энергии выведенного пучка протонов из синхроциклотрона ОИЯИ для проведения радиационного облучения онкологических больных, при котором требуется разная энергия протонного пучка в зависимости от вида опухоли и ее расположения в теле пациента.
Недостатком устройства-прототипа является очень маленький диапазон замедления и регулировки энергии протонов ~5%, а при необходимости ее увеличения с использованием схемы устройства-прототипа возникают технические трудности.
Действительно, для регулировки энергии протонов в большом диапазоне, например, 1000-0 МэВ размер основания клина, например, выполненного из меди, должен быть ~53 см, который определяется длиной полного поглощения (длиной пробега) протонов с энергией 1000 МэВ в выбранном веществе [8]. Высота клина должна быть много больше его основания и составлять ~5 м (требование параллельности плоскостей клина), а масса клина будет ~3.5 тонны. Естественно, что создание такого деградера нереально.
Задача предлагаемой полезной модели - изменение конструкции деградера путем введения новых конструктивных элементов и их универсального взаимодействия для обеспечения замедления протонов синхроциклотрона.
max
Технический эффект заключается в создании реальной конструкции деградера для синхроциклотрона, обеспечивающего замедление протонов и регулировку их энергии во всем диапазоне от E до 0 и с высокой точностью.
Технический результат достигается тем, что в автоматизированном замедлителе протонного пучка синхроциклотрона - деградер, состоящий из поглотителя энергии протонов в форме клина и механизма для его автоперемещения, новым является то, что дополнительно введен набор поглотителей из металла (например меди) в форме цилиндров разной длины, устанавливаемых друг за другом вдоль оси протонного пучка и снабженных механизмом для их автоперемещения поперек оси пучка, причем количество и длины цилиндров-поглотителей в децибальной шкале шаговой регулировки выбирают так, чтобы размеры цилиндров составляли числовой ряд кратный соотношению 1:2:2:5, а сумма их длин была равна длине полного поглощения протонов в материале цилиндров.
Схема полезной модели приведена на Фиг. 1.
1. Поглотители протонного пучка в форме цилиндров (в количестве N штук) - цилиндрические поглотители.
1А. Поглотитель протонного пучка в форме клиновидной пластины - клиновидный поглотитель.
2. Линейные приводы для перемещения поглотителей 1, 1А.
3. Держатели поглотителей 1, 1А.
4. Муфты сцепления линейных приводов 2 с шаговыми двигателями 5.
5. Шаговые двигатели.
6. Коллиматор деградера.
7. Кожух деградера.
На Фиг. 2а, б приведены графики, поясняющие работу полезной модели.
Устройство - деградер состоит из клиновидного 1А поглотителя и ряда цилиндрических поглотителей 1. Цилиндрические поглотители 1 расположены друг за другом по мере уменьшения их размеров вдоль направления пучка по оси ОХ, а клиновидный поглотитель 1А расположен со стороны выхода пучка из деградера. Все поглотители выполнены из металла, например меди. Ко всем поглотителям 1 и 1А подсоединены линейные приводы 2, каждый из которых состоит из держателя 3 для соответствующего поглотителя 1, 1А, из винтовой пары, из муфты сцепления 4 и шагового двигателя 5. Все шаговые двигатели 5 через общее коммуникационное устройство подключены к компьютеру. (На Фиг. 1 они не показаны). Так как габариты двигателей 5 не позволяют расположить все линейные приводы 2 по одной вертикали, то часть из них смещена на угол α (~30°). Полезная модель содержит коллиматор 6 со вставными втулками для ограничения расходимости сформированного деградером протонного пучка и заключено в кожух 7.
Полезная модель работает следующим образом. Каждый из цилиндрических поглотителей 1 может устанавливаться по оси протонного пучка ОХ или выводиться из нее при помощи соответствующего линейного привода 2, приводимого в действие через муфту сцепления 4 шаговым двигателем 5. Клиновидный поглотитель 1А приводится в движение также перпендикулярно оси ОХ и может устанавливаться на любом расстоянии от нее. На Фиг. 1. показан деградер из восьми цилиндрических поглотителей 1 в состоянии, когда один из поглотителей выведен из оси ОХ протонного пучка, а поглотитель 1А установлен на определенном расстоянии относительно оси пучка ОХ.
Функциональное назначение деградера - ступенчатое замедление и регулировка энергии протонного пучка с заданным шагом, при этом для получения требуемой энергии автоматически устанавливается по оси ОХ соответствующее количество цилиндрических поглотителей 1 и устанавливается клиновидный поглотитель 1А на определенном расстоянии от оси ОХ. То есть, предлагаемое нами устройство является регулятором прямого и дискретного (шагового, ступенчатого) действия.
Поясним особенности конструкции и принцип работы полезной модели подробно.
max
max
max
max
max
max
На Фиг. 2а условно изображен график E(L) - зависимость энергии протонного пучка Е при прохождении его через поглотитель длиной L. Точка E соответствует максимальной энергии синхроциклотрона при отсутствии поглотителя (L=0). Точка L соответствует максимальной длине поглотителя, при которой происходит полное поглощение энергии протонов с энергией E в выбранном материале поглотителя. (Так, например, длина пробега протонов при E=1000 МэВ, для меди L≈53 см, для алюминия L≈148 см [8].) Реальный вид зависимости E(L) для меди, рассчитанный методом Монте-Карло компьютерного моделирования по специальным программам, приведен, например, в работе (С.А. Артамонов, Е.М. Иванов, Н.А. Иванов, Ж.С. Лебедева, Г.А. Рябов. «Расчет и оптимизация пучков протонов переменной энергии 60-1000 МэВ на синхроциклотроне ПИЯФ для испытаний радиационной стойкости электроники». Письма в ЭЧАЯ, 2017, т. 14, №1 (206), с. 144-163.) [10].
к
к
к+1
к+1
Из фиг. 2а видно, что для того чтобы получить энергию протонов величиной Е (точка к) необходимо установить в деградере поглотитель длиной L, а чтобы получить энергию Е (точка к+1), надо установить длину поглотителя L. Отсюда следует, что если требуется замедлять энергию с шагом ΔЕ=10%, то требуется N=10 поглотителей разной длины, а если с шагом ΔЕ=1%, то требуется N=100 поглотителей разной длины, т.е., число поглотителей N должно быть равно числу шагов регулирования энергии. Заметим, что длины (размеры) этих поглотителей не являются кратными и определяются конкретным видом нелинейной зависимости E(L). Поэтому существенной проблемой является определение необходимого наименьшего количества поглотителей N и их размеров , , …,  для оптимизации конструкции предлагаемого деградера.
max
max
1
к
К
1
A
1
A
Объясним подробно. Соединим точки E и L прямой линией, уравнение которой будет E(L), Фиг. 26. Видно, что для того, чтобы получить на выходе деградера энергию протонов Е (точка к) необходимо установить суммарную длину поглотителей L=L+L. В предлагаемом устройстве длина L устанавливается соответствующим набором  цилиндрических поглотителей 1, а добавочная величина L устанавливается при помощи клиновидного поглотителя 1А. При этом для изменения энергии протонов, например, в диапазоне 0-1000 МэВ с шагом 100 МэВ требуется не 10, а N=4 цилиндрических поглотителя, а с шагом 10 МэВ требуется не 100, а всего N=8 цилиндрических поглотителя, длины которых  выбираются определенным образом.
max
max
1
к
A
К
A
A
K
1
В качестве примера рассмотрим расчет деградера для синхроциклотрона 1000 МэВ ПИЯФ НИЦ КИ [5], когда энергия протонов замедляется от 1000 МэВ до 0 с равным шагом 100 МэВ и фиксируется в 10 точках. Найдем количество N необходимых для этого цилиндрических поглотителей 1 и их размеры , , …, . Для этого разобьем длину полного поглощения протонов L=531.1 мм на 4 отрезка, , ,  в отношении 1:2:2:5 и получим размеры 4-х цилиндрических поглотителей: , , , , где б=0.1L=53.11 мм. Легко убедиться, что их сумма  равна 531.1 мм, а их различные сочетания последовательно реализуют 10 величин длины поглотителя  с равным шагом: L(1000 МэВ)=0; ; , , , ; ; ; ; ; . К найденным размерам  цилиндрических поглотителей 1, рассчитанных для 10 точек энергии протонов Е, необходимо добавить 10 размеров L клиновидного поглотителя 1А, Фиг. 2б. Так как величины L известны и приведены, например, в [10], то 10 размеров L клиновидного поглотителя 1А находятся как разность L=L-L для каждого из 10 шагов регулировки энергии.
Таким образом, для замедления энергии протонов с шагом в ΔЕ=100 МэВ (10%) достаточно иметь N=4 цилиндрических поглотителей 1 и один клиновидный 1А.
1
1
Аналогичным образом рассчитываются длины всех поглотителей, когда энергия протонов замедляется от 1000 МэВ до 0 с равным шагом 10 МэВ и фиксируется в 100 точках. В этом случае размеры цилиндрических 8 поглотителей определяются в виде ряда чисел кратных 1:2:2:5 и будут: , , , , , , , , где б=5.311 мм. Легко убедиться, что их сумма  равна длине полного поглощения протонов с энергией 1000 МэВ в меди 531.11 мм, а их различные сочетания последовательно реализуют 100 различных длин поглотителей L с равным шагом ΔL=б=5.311 мм.
Таким образом, для замедления и регулировки энергии протонов с шагом ΔЕ=10 МэВ (1%) достаточно иметь не 100, а всего 8 штук цилиндрических поглотителей 1 и один клиновидный 1А.
max
max
В общем случае при работе деградера в децибальной шкале регулировки, когда число шагов для перекрытия всего диапазона энергии 0 - E выбрано кратным 10, размеры цилиндров-поглотителей выбирают следующим образом. Суммарная длина всех N цилиндров должна быть равна длине полного поглощения протонов L, а длины отдельных цилиндров , , …,  должны составлять числовой ряд кратный соотношению 1:2:2:5.
max
Например, для 100 шагов регулировки энергии набор поглотителей должен содержать N=8 цилиндров, размеры которых будут: , , , , , , , . При этом б=0.01 L - является шагом регулировки и равна длине наименьшего из цилиндров . (Отметим, что соотношение 1:2:2:5 хорошо известно из числовой информатики, в частности, оно применяется для минимизации набора гирь-разновесов для взвешивания тел на одночашечных весах (ГОСТ7328-82) [11]).
Таким образом, с увеличением числа шагов регулировки энергии (требуемой для работы деградера) выявляется преимущество предлагаемой полезной модели, заключающееся в резком уменьшении числа N, то есть числа необходимых конструктивных элементов устройства.
Заметим также, что в предлагаемой модели деградера возможность регулировки энергии с шагом в 1% даже превосходит точность измерения энергии протонов, например, методом «времени пролета», а также превышает неоднородность энергии самого протонного пучка синхроциклотрона, которые составляют ~1-3%.
Важно отметить, что включение в конструкцию предлагаемого устройства совместного набора клиновидного поглотителя 1А и цилиндрических поглотителей 1 не является суммой заимствований из аналога [7] и прототипа [9], а носит принципиальное и существенное отличие из-за их разного функционального назначения. Действительно, клиновидный поглотитель выполняет функцию линеаризации зависимости E(L) и благодаря этому минимизирует число N - количество цилиндрических поглотителей, необходимых для регулировки энергии с заданным шагом.
Таким образом, основные положительные отличия предложенной полезной модели от устройства-прототипа и всех известных аналогов - это возможность замедления протонов и регулировки энергии выведенного протонного пучка синхроциклотрона в очень большом диапазоне с высокой точностью, а также возможность быстрой автоматической перенастройки энергии протонного пучка (что очень важно при серийном экспресс-облучении электроники). При этом конструкция полезной модели обладает простотой и компактностью.
Полезная модель деградера прошла испытания на синхроциклотроне 1000 МэВ ПИЯФ НИЦ КИ. Основные параметры модели деградера:
3
3
Материал поглотителя - медь, плотность 8.88 г/см. Количество основных поглотителей N=8 шт., диаметр 80 мм. Размеры клиновидного поглотителя - высота 250 см, ширина 80 мм, толщина клина 6 см. Держатели выполнены из алюминия. Линейные приводы - стандартные механизмы. Размеры кожуха деградера 0.4×0.7×1.0 м. Вес деградера 25 кг.
Деградер предназначен для работы в комплекте оборудования стендов НИИ Космического Приборостроения для испытания надежности интегральной электронной радиотехники авиакосмического назначения.
Литература
1. ГОСТ 22491-87 (СТ СЭВ 5056-85). «Ускорители заряженных частиц».
2. А.И. Чумаков.
«Действие космической радиации на интегральные схемы», М. «Радио и связь», 2004.
3. РД 134-0175-2009. Нормативный документ по стандартизации РКТ. Аппаратура радиоэлектронная бортовая космических аппаратов (зарегистрирован ЦКБС ФГУП ЦНИИ машиностроения 07.12.2009 за №19780).
4. В.М. Абазов, Г.А. Андреев, А.Н. Братин и др.
«Пучки нуклонов и мезонов фазотрона ОИЯИ для физических и прикладных исследований». Препринт ОИЯИ 9-90-289, Дубна. 1990.
5. Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев.
«Радиотехнические системы синхроциклотрона петербургского института ядерной физики», Гатчина, 2012.
6. Дж. Ливенгуд.
«Принципы работы циклических ускорителей», М, Изд-во Иностр. лит., 1963.
7. Аналог.
United States Patent 9789341.
"System for adjusting the energy level of a proton beam provided by a cyclotron, a cyclotron target holder assembly with a removable degrader, a removable degrader for use in a cyclotron target holder assembly, and methods of use thereof.
8. J.F. Jarnni.
"Proton range-energy tables, 1keV - 10Gev, Atomic data and nuclear data tables", vol. 27, 1982, pp. 147-529.
9. Прототип.
A.B. Агапов, Г.В. Мицин, К.H. Шипулин.
«Автоматизированный замедлитель переменной толщины для задач протонной терапии». ОИЯИ, Дубна, Р13-2015-97.
10. С.А. Артамонов, Е.М. Иванов, Н.А. Иванов, Ж.С. Лебедева, Г.А. Рябов.
«Расчет и оптимизация пучков протонов переменной энергии 60-1000 МэВ на синхроциклотроне ПИЯФ для испытаний радиационной стойкости электроники». Письма в ЭЧАЯ, 2017, т. 14, №1(206), с. 144-163.
11. ГОСТ 7328-82.