Оценка долговечности углеродных перезарядных фольг циклотронных ускорителей

Ускорители отрицательных ионов водорода и дейтронов широко применяют, например, в области медицины. Вывод пучка частиц из ускорителей осуществляют методом перезарядки ионов при их прохождении через тонкую углеродную фольгу. В работе представлены результаты исследования долговечности перезарядных фольг. Исследовали углеродные фольги толщиной 1 – 4 мкм, полученные на стеклянной подложке путем вакуумно-дугового распыления графитовых стержней. При проведении экспериментов применяли лабораторный стенд, моделирующий воздействие пучка отрицательных ионов водорода (энергия 18 МэВ) с использованием пучка электронов (энергия 10 кэВ). Образцы подвергали облучению потоком электронов, при этом каждый образец сохранял свою целостность. До и после облучения поверхности фольг анализировали с помощью атомно-силовой микроскопии. Установлено, что облучение меняет морфологию поверхности (параметры шероховатости ухудшаются). Методом электростатической силовой микроскопии выявлено заметное отличие между облученной и необлученной частями фольги не только по толщине, но и по электрической проводимости. Полученные результаты и разработанный метод исследования могут быть использованы при оперативном внесении изменений в технологию формирования фольг для повышения срока их службы.

1. Забродин Б. В., Ломасов В. Н., Моторный А. В. Радионуклидные методы визуализации. — СПб.: СПбГУ, 2006. — 87 с.

2. Таскаев С. Ю., Каныгин В. В. Бор-нейтронозахватная терапия. — Новосибирск: СО РАН, 2016. — 215 с.

3. Иванов А. А., Смирнов А. Н., Таскаев С. Ю. и др. Ускорительный источник нейтронов для бор-нейтронозахватной терапии / Успехи физических наук. 2022. Т. 192. № 8. С. 893 – 912. DOI: 10.3367/UFNr.2021.02.038940

4. Онищенко Л. М. Циклотроны / Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2008. Т. 39. № 6. С. 1843 – 1850.

5. Смирнов В. Л. Циклотрон и его моделирование / Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2021. Т. 52. № 5. С. 1158 – 1304.

6. Богданов П. В., Ворогушин М. Ф., Ламзин Е. А. и др. Создание компактных циклотронов СС-18/9, СС-12 и МСС-30/15 для производства медицинских радиоизотопов / Журнал технической физики. 2011. Т. 81. № 10. С. 68 – 83.

7. Казаринов Н. Ю., Гульбекян Г. Г., Иваненко И. А. Расчет вывода пучка из циклотронов TR-24 и ДЦ-140 / Письма в журнал «Физика элементарных частиц и атомного ядра». 2020. Т. 17. № 4. С. 468 – 473.

8. Шарков Б. Ю., Мешков И. Н. Развитие физики и технологии ускорителей заряженных частиц. — М.: РАН, 2021. — 140 с.

9. Коренев С. А., Дюбков В. С. О перезарядных фольгах и их сроке службы в ускорителях заряженных частиц / IV Междунар. конф. «Лазерные, плазменные исследования и технологии»: сб. тр. — М.: МИФИ, 2018. С. 402 – 403.

10. Hellborg R. Electrostatic Accelerators. — Berlin – Heidelberg: Springer, 2005. — 275 p.

11. Kabiraj D., Ojha S., Abhilash S., et al. Defect-oriented carbon stripper foil development / Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. 2004. Vol. 521. No. 1. P. 183 – 186. DOI: 10.1016/j.nima.2003.11.149

12. Jaggi V., Pavan R., Zeisler S. Production of carbon stripper foils for high-power cyclotrons / Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. 2006. Vol. 561. No. 1. P. 1 – 3. DOI: 10.1016/j.nima.2005.12.183

13. Miller S. A., Jolivet C. S., Stoner J. O., Jr. New methods for testing cyclotron carbon stripper foils / Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. 2008. Vol. 590. Nos. 1 – 3. P. 57 – 65. DOI: 10.1016/j.nima.2008.02.068

14. Saha P., Yoshimoto M., Hotchi H., et al. Measurement of continuous degradation of a stripper foil during ths operation with 300 kW beam power in the 3-GeV RCS of J-PARC / J. Radioanal. Nucl. Chem. 2015. Vol. 305. No. 3. P. 851 – 857. DOI: 10.1007/s10967-015-4023-7

15. Takeda Y., Irie Y., Sugai I., et al. Measurement of lifetimes of thin carbon stripper foils produced by ion-beam sputtering / Vacuum. 2010. Vol. 84. No. 12. P. 1448 – 1451. DOI: 10.1016/j.vacuum.2010.01.050

16. Sugai I., Oyaizu M., Takeda Y., et al. Influence of carbon material and sputtering angle on stripper foil lifetime / Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. 2010. Vol. 613. No. 3. P. 448 – 452. DOI: 10.1016/j.nima.2009.10.001

17. Гикал Б. Н., Гульбекян Г. Г., Казача В. И., Каманин Д. В. Расчет времени жизни углеродных перезарядных мишеней в интенсивных потоках тяжелых ионов. — Дубна: ОИЯИ, 2005. — 12 с.

18. Егорова В. А., Жуковский М. Е., Подоляко С. В., Тараканов И. А. Математическая модель взаимодействия протонов с веществом. — М.: ИПМ, 2017. — 24 с.

19. Артемов А. С., Байгачев Ю. К., Геворков А. К., Сидорин А. О. Взаимодействие ионов H– с фольговыми мишенями перезарядного устройства канала транспортировки пучка / Журнал технической физики. 1998. Т. 68. № 8. С. 102 – 105.

20. Вересов О. Л., Григоренко С. В., Удовиченко С. Ю. Условия формирования пучка H–/D– в объемно-плазменном источнике с магнитным фильтром / Журнал технической физики. 2000. Т. 70. № 2. С. 95 – 101.

21. Ерпалов А. В., Хорошевский К. А., Румянцева Е. А., Гадолина И. В. Метод оценки долговечности конструкций при стационарном и нестационарном случайных нагружениях с применением вариационной модовой декомпозиции / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2024. Т. 90. № 9. С. 63 – 74. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-9-63-74

22. Кострин Д. К., Лисенков А. А., Рамазанов А. Н., Семенова А. Н. Вакуумно-дуговое нанесение металлоподобных карбидных покрытий / Известия вузов. Физика. 2016. Т. 59. № 9/2. С. 240 – 243.

23. Тупик В. А., Потапов А. А., Марголин В. И., Кострин Д. К. Применение дугового разряда для нанесения металлических наноразмерных пленок / Цветные металлы. 2021. № 6. С. 55 – 59. DOI: 10.17580/tsm.2021.06.08

24. Lisenkov A. A., Kostrin D. K., Pikus M. I. Vacuum Arc Deposition of Carbon and Carbon-Based Coatings / Solid State Phenom. 2017. Vol. 265. P. 750 – 754. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.265.750

25. Kindler B., Hartmann W., Hubner A., et al. Development of carbon foils with a thickness of up to 600 μg/cm2 / Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. 2010. Vol. 613. No. 3. P. 425 – 428. DOI: 10.1016/j.nima.2009.09.092

26. Трифонов С. А., Воробьев К. С., Кострин Д. К., Марцынюков С. А. Моделирование мультикасповой магнитной системы источника ускоренных нейтральных частиц / Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2024. Т. 17. № 5. С. 5 – 14. DOI: 10.32603/2071-8985-2024-17-5-5-14

27. Lee Y., Ji Q., Leung K., Zahir N. Nanobeam production with the multicusp ion source / Rev. Sci. Instrum. 2000. Vol. 71. No. 2. P. 722 – 724. DOI: 10.1063/1.1150273

28. Zhan H., Hu C. Kinetic solutions for electrons in multi-cusp ion source / Appl. Phys. Lett. 2011. Vol. 99. No. 22. P. 221501. DOI: 10.1063/1.3664347

29. Belyaev V. A., Dubrovin M. M., Kosarev P. M., et al. Multicusp Trap as Model of Plasma Neutralizer for ITER Neutral Beam Injector / Fusion Sci. Technol. 2005. Vol. 47. No. 1T. P. 124 – 127. DOI: 10.13182/FST05-A622

30. Анкудинов А. В., Минарский А. М. Оптимизация измерений вектора силы взаимодействия в атомно-силовой микроскопии / Журнал технической физики. 2021. Т. 91. № 6. С. 1045 – 1058. DOI: 10.21883/jtf.2021.06.50877.303-20

31. Капустин Р. Д., Кириллов А. О., Уваров В. И., Закоржевский В. В. Исследование влияния морфологии исходных порошков на структурно-размерные характеристики пористых керамических материалов на основе SiC / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89. № 11. С. 44 – 51. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-11-44-51

32. Махутов Н. А. Развитие технической диагностики в академических и отраслевых лабораториях / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89. № 10. С. 52 – 54. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-10-52-54