Программа расчета тока магнита масс-сепаратора ускорителя ИЛУ-3

Ионный ускоритель ИЛУ-3 является уникальной экспериментальной установкой. Он позволяет получать моно-изотопные пучки ионов различных элементов с энергией до 80 кэВ. В зависимости от энергии диапазон масс ионов простирается от водорода до тяжелых трансурановых элементов. Выделение из луча ионов необходимой массы и заряда происходит в магнитном масс-сепараторе. Принцип его действия основан на различии радиуса отклонения ускоренных электрическим потенциалом ионов с разной массой и зарядом в поперечном магнитном поле.

Рис. 1. Ионный ускоритель ИЛУ-3.

Отклоняющее магнитное поле пропорционально току, протекающему через обмотку электромагнита.

Формула расчета радиуса отклонения ускоренных ионов известна. Но для учета конструктивных особенностей конкретной модели ускорителя в нее необходимо внести несколько поправочных, в том числе и нелинейных, коэффициентов. Поэтому на практике для определения значения тока через электромагнит масс-сепаратора, необходимого для выделения нужного иона, используют  номограмму (Рис. 2).

Номограмма содержит три нелинейных шкалы. Для определения значения тока через электромагнит масс-сепаратора ИЛУ-3 нужно провести прямую линию от точки на шкале ускоряющего напряжения E до точки на шкале масс М. Точка пересечения со шкалой тока J будет искомым значением тока.

 

Рис. 2. Номограмма для определения значения тока через электромагнит масс-сепаратора ИЛУ-3.

Самый простой способ автоматизации вычисления тока через электромагнит, без погружения в теоретические изыскания, это оцифровка номограммы (Рис. 3) и определение вида функции J(M).

Рис. 3. Оцифровка номограммы для Е= 15, 20, 25 и 30 кэВ.

К сожалению, найти функцию, имеющую физический смысл и описывающую зависимость J(M)  не удалось. Однако, и, очевидно, это не случайно, обратная зависимость M(J) с очень высокой степенью достоверности описывается модифицированным уравнением Ланжевена:

где М – масса иона;  J – ток;  E – энергия иона; j₀, m₀, C₀, s₀ – константы, определенные для энергии E₀.

Окно программы, реализующей расчет по приведенной выше формуле, приведено на Рис. 4.

Рис. 4. Вкладка окна программы для расчета тока магнита ускорителя ИЛУ-3.

После установки значения тока электромагнита ускорителя ИЛУ-3, определенного по номограмме или с помощью описываемой программы, точная настройка на ионный пучок конкретного элемента осуществляется с помощью осциллографа (Рис. 5). Осциллограф работает в режиме X-Y. Пучок ионов, сканируя по мишени, поочерёдно попадает на измерительные реперы, расположенные горизонтально справа и слева от образца, что отображается на экране осциллографа. Как видно из приведенной осциллограммы, ток от каждого репера за период развёртки имеет два отчетливых пика, что обусловлено наличием двух устойчивых изотопов в природном серебре: 109Ag и 107Ag с естественным процентным содержанием 48,65 и 51,36, соответственно.

Рис. 5. Осциллограмма пучка ионов серебра во время имплантации.

Учитывая разный изотопный состав пучка ионов элемента, а также возможное присутствие изотопов посторонних элементов, близких по массе, настройка на нужный элемент является не совсем тривиальной задачей, требующей определенного опыта и навыков.

Для облегчения решения этой задачи программа загружает список известных изотопов всех элементов, попадающих в диапазон масс, с которыми может работать ускоритель ИЛУ-3. На дополнительной вкладке Изотопы (Рис. 6) имитируется осциллограмма, получаемая от одного репера, с учетом процентного соотношения всех изотопов нужного элемента.

Рис. 6. Вкладка «Изотопы» программы для расчета тока магнита ускорителя ИЛУ-3.

Кроме того, слева от осциллограммы отображается список элементов, изотопы которых попадают в диапазон масс, отображаемый на осциллограмме. С помощью экранных ползунковых регуляторов можно задать интенсивность возможных паразитных пучков изотопов посторонних элементов, а нажав на экранную кнопку  +  объединить все пучки в одну осциллограмму (Рис. 7).

Рис. 7. Объединение основных и возможных паразитных пучков ионов в одну осциллограмму.

В будущем описываемая программа должна стать составной частью компьютерной системы контроля параметров имплантации ионного ускорителя ИЛУ-3. При этом реальные текущие значения энергии E и тока магнита J должны загружаться в программу автоматически. Разработка аналого-цифрового интегратора с устройством сбора информации с интерфейсом USB ведется в настоящее время совместно с В.И. Нуждиным, с.н.с. лаборатории радиационной физики.