CS256682B1

CS256682B1 - Method of irradiation in cyclotron

Info

Publication number: CS256682B1
Application number: CS86163A
Authority: CS
Inventors: Vaclav Bejsovec; Miloslav Krivanek; Zdenek Trejbal
Original assignee: Vaclav Bejsovec; Miloslav Krivanek; Zdenek Trejbal
Priority date: 1986-01-08
Filing date: 1986-01-08
Publication date: 1988-04-15
Also published as: CS16386A1

Abstract

Řešení se týká oboru jaderné urychlovací techniky a řeší problém zvětšení stopy svazku iontů na ozařovaném terči s cílem snížit hustotou tepelného toku. Podstata spočívá v tom, že do oblasti urychlování iontů se umístí alespoň jeden rovinný terč tak, že jeho pracovní plocha svírá s hlavní normálou ke střední trajektorii iontů v místě terče úhel a , jehož velikost je dána výškou svazku iontů a požadovaným radiálním rozměrem stopy svazku iontů na terči podle vztahu, že sin a je roven poloviční výšce svazku iontů dělené radiálním rozměrem stopy svazku iontů, a že ionty se nechají dopadat na terč pod úhlem β , který se na začátku ozařování nastaví podle rozprostření stopy svazku iontů po pracovní ploše terče v mezích O °C až 4 °C, přičemž volbou úhlů a , β se mění rozměry stopy svazku iontů a její rozložení po pracovní ploše terče.The solution relates to the field of nuclear acceleration technology and solves the problem of increasing the ion beam track on an irradiated target with the aim of reducing the heat flux density. The essence is that at least one planar target is placed in the ion acceleration area so that its working surface forms an angle a with the main normal to the mean trajectory of the ions at the target location, the size of which is given by the height of the ion beam and the required radial dimension of the ion beam track on the target according to the relationship that sin a is equal to half the height of the ion beam divided by the radial dimension of the ion beam track, and that the ions are allowed to fall on the target at an angle β , which is set at the beginning of the irradiation according to the spread of the ion beam track over the target working surface within the limits of 0 °C to 4 °C, while the choice of angles a , β changes the dimensions of the ion beam track and its distribution over the target working surface.

Description

Vynález se týká způsobu ozařováni terčů v cyklotronu svazkem urychlených iontů.The present invention relates to a method of irradiating targets in a cyclotron with a beam of accelerated ions.

Ozařování terčů na cyklotronech slouží potřebám společenské praxe, cirkulujícím iontovém svazku uvnitř urychlovací komory nebo na vnějším, ném a na příslušné místo transportovaném svazku. Vzájemná poloha svazku na jeho fyzikálních vlastnostech a proudovém zatížení se volí buá kolmá pevná nebo proměnná, např. kmitavá nebo rotační.The irradiation of targets on cyclotrons serves the needs of social practice, the circulating ion beam inside the acceleration chamber or at the external, transported and beamed location. The relative position of the beam on its physical properties and current load is chosen either perpendicular fixed or variable, eg oscillating or rotating.

Provádí se na z cyklotronu vyvedea terče v závislosti nebo tangenciální,It is carried out on the cyclotron to bring out the targets in dependence or tangential,

V praxi, vzhledem k řadě specifických potíží, je nejvíce používáno ozařování na vnějším svazku. Tento způsob umožňuje snadno nastavovat rozměr a polohu stopy svazku, měnit polohu terče, zajištovat jeho intenzivní chlazení, rychlou výměnu apod.In practice, due to a number of specific problems, external beam irradiation is most commonly used. This method makes it easy to adjust the size and position of the beam track, change the position of the target, ensure intensive cooling, quick replacement, etc.

Omezujícími faktory jsou účinnost vývodu, tj. 50 až 70 %, a přípustná zátěž extrakčního systému. To limituje hodnotu vnějšího proudu ve svazku a zvyšuje např. náklady na produkci radioizotopů.The limiting factors are the efficiency of the outlet, ie 50 to 70%, and the permissible load of the extraction system. This limits the value of the external current in the beam and increases, for example, the cost of producing radioisotopes.

Oproti tomu ozařování terčů cirkulujícím svazkem umožňuje jeho plné využití. V tomto případě hlavním omezující faktorem je vysoká proudová hustota cirkulujícího svazku, způsobující 5 2 zejména u izochronních cyklotronů tepelné zatížení terče tokem o hustotě 10 W/cm i vyšší.On the other hand, irradiation of targets by a circulating beam allows its full utilization. In this case, the main limiting factor is the high current density of the circulating beam, causing, in particular in the case of isochronous cyclotrons, a thermal load of the target with a flux of 10 W / cm or more.

Při tak vysokých zátěžích dochází k tepelnému rozrušování terčového materiálu. Problém uspokojivě neřeší ani rotační tangenciální terče.At such high loads the target material is thermally disrupted. Rotational tangential targets do not satisfactorily solve the problem either.

Potíže spojené s vysokými proudovými hustotami vnitřního iontového svazku lze výrazně zmenšit způsobem ozařování terčů podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že do oblasti urychlování iontů se umístí alespoň jeden rovinný terč tak, že jeho pracovní plocha svírá s hlavní normálou ke fetřední trajektorii iontů v místě terče úhel alfa, jehož velikost je dána výškou svazku iontů a požadovaným radiálním rozměrem stopy svazku iontů na terči podle vztahu, že sin alfa je roven poloviční výšce svazku iontů dělené radiálním rozměrem stopy svazku iontů, a že ionty se nechají dopadat na terč pod úhlem beta, který se na začátku ozařování nastaví podle rozprostření stopy svazku iontů po pracovní ploše terče v mezích 0° až-4°, přičemž volbou úhlů alfa, beta se mění rozměry stopy svazku iontů a její rozložení po pracovní ploše terče.The problems associated with the high current densities of the inner ion beam can be greatly reduced by the method of irradiating targets according to the invention, which consists in placing at least one planar target in the ion acceleration area so that its working surface is at normal with the fetal trajectory at the target, the angle alpha, the magnitude of which is given by the ion beam height and the desired radial dimension of the ion beam track on the target according to the relation that sin alpha equals half the ion beam height divided by the radial dimension of the ion beam track, beta, which is set at the beginning of the irradiation according to the spreading of the ion beam trace over the target working surface within the range of 0 ° to -4 °, while the angles alpha, beta change the dimensions of the ion beam trace and its distribution across the target working surface.

Výhodou způsobu podle vynálezu je zejména možnost zvětšení stopy svazku iontů na terči, čímž lze snížit hustotu tepelného toku na terč, tim je umožněno použít vyššího proudu iontového svazku, což má za následek zkráceni ozařovací doby. Dále je umožněno ozařování více terčů najednou, čímž se zefektivní využiti cyklotronu.An advantage of the method according to the invention is in particular the possibility of increasing the ion beam trace on the target, whereby the heat flux density on the target can be reduced, thus allowing a higher ion beam current to be used, resulting in shorter irradiation time. Furthermore, it is possible to irradiate multiple targets at the same time, thereby making the use of the cyclotron more efficient.

K lepšímu pochopení provádění způsobu podle vynálezu je na připojeném výkresu na obr. 1 schematicky znázorněno umístění terče ve svazku iontů v bočním pohledu a na obr. 2 v pohledu od středu cyklotronu.In order to better understand the embodiment of the method of the invention, the attached drawing of FIG. 1 schematically shows the location of the target in the ion beam in a side view and FIG. 2 in a view from the center of the cyclotron.

Ve svazku _1 iontů o výšce 11 je uložena pracovní plocha 22 rovinného terče 2 pod úhlem alfa vůči střední rovině 5 cyklotronu. Radiální rozměr 21 stopy svazku χ iontů je dán rozdílem radiálních souřadnic R . a R_.„ vnitřního a vnějšího okraje stopy svazku 1 iontů min max ⁴ — a výškou 11 svazku i iontů. Směr 4^ pohybu iontů kolem osy 3 cyklotronu svírá s pracovní plochou 22 ozařovaného terče 2 úhel beta.In the ion beam 11 of height 11, the working surface 22 of the planar target 2 is placed at an angle α with respect to the central plane 5 of the cyclotron. The radial dimension 21 of the χ ion beam trace is given by the radial coordinate difference R. and R '' of the inner and outer edges of the ion beam trace 1 min max ⁴ and the ion beam height 11. The direction of movement of the ions about the cyclotron axis 3 forms an angle beta with the work surface 22 of the target.

Způsob podle vynálezu se provádí tak, že do svazku 1. iontů se umístí rovinný terč 2, a to takovým způsobem, že jeho zadní hrana ve smyslu pohybu iontů svírá se střední rovinou 5 cyklotronu úhel alfa a ionty dopadají na terč 2 pod úhlem beta tak, aby bylo dosaženo rozprostřeni stopy svazku po pracovní ploše 22 rovinného terče 2. Stopa svazku dopadajícího na terč 2 je rozložena v rozmezí poloměrů od do R_max· Vlivem axiálních kmitů iontů je okraj stopy svazku 1_ iontů na poloměru R_m^_n bombardován ionty s maximální vertikální odchylkou od střední roviny !5 cyklotronu, zatímco na okraj R_max dopadají ionty, pohybující se ve střední rovině 5 cyklotronu.The method according to the invention is carried out by placing a planar target 2 in the ion beam 1. In such a way that its posterior edge in terms of ion movement forms an angle alpha with the median plane 5 of the cyclotron and the ions impinge on the target 2 under beta angle. to achieve spread out the beam spot on the working surface 22 of the second planar target beam spots incident on the target 2 is distributed in the range of radii R _max · to the influence of axial oscillations of ions rim 1_ track beam of ions to a radius R _m ^ _n bombarded with ions the maximum vertical deviation from the median plane of the cyclotron 5, while ions moving in the median plane of the cyclotron 5 fall on the edge R _max .

Zavedením úhlů alfa a beta jsou rozměry stopy svazku χ iontů na terči 2 mnohonásobně větší než příčný průřez cirkulujícího svazku 2 iontů. To vede k úměrnému snížení plošného tepelného zatížení terče 2, eventuálně ke zvýšení přípustné hodnoty intenzity svazku 2 iontů. Rozmezí poloměrů R_m£_nr ^Rmax ^a odpovídajících energií lze regulovat velikosti úhlu alfa Protože ionty dopadají na terč 2_ pod malými úhly, zmenšuje se tloušňka ozařované vrstvy, a tím se snižuje potřebné množství ozařovaného materiálu.By introducing the angles alpha and beta, the trace dimensions of the χ ion beam on the target 2 are many times larger than the cross-section of the circulating ion beam 2. This leads to a proportional reduction in the surface heat load of the target 2, possibly to an increase in the permissible ion beam intensity value. The range of the radius R _m _n r £ ^R max ^{and the} corresponding energies can be controlled by the size of the angle alpha As ions strike the target 2_ at small angles is decreased by the thickness of the irradiated layer and thus reduces the necessary amount of the irradiated material.

PříkladExample

Příkladem uplatnění vynálezu je ozařování terčů při produkci izotopu v reakci θΖη /p, 2n/ 6?Ga na izochronním cyklotronu U-120 M Ostavu jaderné fyziky ČSAV. Svazkem protonů o energii 35 MeV se střední intenzitou 100 ^iA je ozařován rovinný, vodou chlazení terč obdélníkového tvaru 50 x 28 mm s galvanicky naneseným kovovým zinkem o tlouštce 0,25 mm. Při úhlu alfa = 5° je ozařovaná plocha cca 40 x 28 mm. Náklon terče je dán úhlem beta = 2°.An example of the application of the invention is irradiation of targets in the production of isotopes in the reaction θΖη / p, 2n / 6? Ga on the isochronous cyclotron U-120 M of the State of Nuclear Physics of the Czechoslovak Academy of Sciences. A 35 MeV proton beam with an average intensity of 100 µA is irradiated with a planar, water-cooled, 50 x 28 mm rectangular target with 0.25 mm thick galvanized metal zinc. At an angle of alpha = 5 °, the irradiated area is about 40 x 28 mm. The tilt of the target is given by an angle of beta = 2 °.

Po 20 h ozáření terč nejeví stopy poškození.After 20 h the target does not show any signs of damage.

Popsaný způsob ozařování terčů dovoluje provádět současné ozařování dvou a více terčů umístěných na různých poloměrech. Vzdálenosti prvého terče 2 °ú střední roviny 2 cyklotronu je dáno množství iontů zachycených tímto terčem a současně prováděna vertikální kolimace svazku. Radiální poloha druhého terče musí být taková, že jeho R . ke větší než R prvého ^{Γ J} mm max ^c terče. Obdobný vztah musí platit pro radiální polohy druhého a třetího terče, atd. Azimutální polohy terčů mohou být různé.The described method of irradiating targets allows simultaneous irradiation of two or more targets located on different radii. The distance of the first target 2 ° to the central plane 2 of the cyclotron is given by the amount of ions trapped by this target and at the same time the vertical collimation of the beam is performed. The radial position of the second target must be such that its R. k greater than R of the first ^{Γ J} mm max ^c target. A similar relationship must apply to the radial positions of the second and third targets, etc. The azimuthal positions of the targets may be different.

Rozložení hustoty iontů po stopě svazku na terči závisí jednak na úhlech alfa a beta, jednak na rozložení iontů podle amplitud vertikálních kmitů, na frekvenci vertikálních kmitů, na radiálním pohybu svazku. Proto lze údaje o stopě svazku na terči použít zpětně k diagnostice vertikálního pohybu iontů v urychlovaném svazku.The distribution of ion density along the beam trace on the target depends both on the alpha and beta angles and on the ion distribution according to the amplitudes of the vertical oscillations, the frequency of the vertical oscillations, and the radial movement of the beam. Therefore, the target beam trace data can be used retrospectively to diagnose the vertical ion movement in the accelerated beam.

Způsobu podle vynálezu je možno použít, zejména pří výrobě radioizotopů.The process according to the invention can be used, in particular for the production of radioisotopes.

Claims

Method for irradiating targets in a cyclotron with a beam of accelerated ions, characterized in that at least one planar target is placed in the ion acceleration area such that its working surface forms an angle alpha with the main normal to the central ion trajectory and the desired radial dimension of the ion beam trace on the target according to the relation that sin alpha is equal to half the ion beam height divided by the radial dimension of the ion beam trace and that the ions are allowed to strike the target at a beta angle the ions of the ion beam across the target surface in the range of 0 ° to 4 °.