Tandetron 3 MV

3 MV Tandetron
Descriere

Acceleratorul Tandetron de 3 MV, fabricat de către High Voltage Engineering Europa B.V., a fost instalat și comisionat în anul 2012 fiind dedicat în special cercetării aplicative [1]. Această instalație este echipată complet pentru a efectua studii de materiale cu fascicule de ioni accelerați (IBA - Ion Beam Analysis), implantări ionice (IIB - Ion Implantation Beamline) și teste ale rezistenței la radiații pentru diverse tipuri de materiale avansate, precum și măsurări de secțiuni eficace de reacție (CSM -Cross-Section Measurements), de interes în astrofizica nucleară.

Tandetronul de 3 MV are trei linii experimentale, fiecare cu câte o cameră de reacție ce conține toate echipamentele necesare:
- studiilor IBA: detectori de particule încărcate pentru spectrometrie de retroîmprăștiere rutherford (RBS) și analiza atomilor de recul (ERDA), detectori SDD pentru radiații X folosiți la spectroscopia razelor X caracteristice induse de particule încărcate (PIXE), detectori cu semiconductori (HPGe - Hyperpure germanium) pentru radiații γ (PIGE) și cameră de ionizare Markus utilizată la dozimetria necesară experimentelor de radiobiologie.
Linia IBA conține și un set de patru cuadrupoli electrostatici, cu ajutorul cărora fasciculul de ioni poate fi focalizat până la un diametru de ordinul micronilor.
- experimentelor de implantare/iradiere cu fascicule de ioni: sistem electrostatic de baliere fascicul ioni în planul XY (17x17 cm2), cu patru cupe Faraday ce pot determina fluența cu o precizie mai bună de 98%.
- determinărilor de secțiuni eficace de reacție (CSM): detectori cu HPGe, detectori cu Si pentru particule încărcate, sistem de colimare și cupe Faraday pentru optimizarea opticii ionice și determinarea precisă a curentului electric de fascicul.

Lentilă electrostatică pentru microfascicul

Reprezentare 3D CAD a lentilei electrostatice utilizate pentru obținerea de microfascicul: 1. placă suport; 2. izolatori ceramici; 3. electrozi cuadrupol. [2]

3 MV Tandetron
Subsisteme principale ale acceleratorului Tandetron de 3 MV

Pentru a face posibilă aplicarea unei tensiuni electrice de accelerare de până la 3 MV, interiorul tancului în care este imersată coloana de accelerare se umple cu hexaflorură de sulf (SF6) la o presiune de 6 bar. SF6 este puternic electronegativă, absorbind electronii liberi produși în urma microdescărcărilor, proprietățile dielectrice ale acestui gaz sunt astfel de 2.5 ori mai bune decât cele ale aerului, având constanta dielectrică la 25 oC și 1 bar de 1.00204.
Fiind un accelerator electrostatic de tip tandem, înalta tensiune se aplică la mijlocul coloanei de accelerare, iar capetele acesteia sunt conectate la împământare. Cele două secțiuni ale coloanei de accelerare sunt alcătuite dintr-o succesiune de cilindri conductori (metalici), separați prin cilindri izolatori (sticlă), lipiți ermetic, astfel încât în interiorul coloanei presiunea să poată fi menținută în domeniul 10-7 - 10-5 mbar. Cilindrii metalici sunt conectați între ei prin intermediul unor rezistențe de 300 MΩ, realizându-se astfel un divizor de tensiune cu rolul de a asigura un câmp electric uniform.

Schiță Tandetron 3 MV

Reprezentare schematică a acceleratorului Tandetron de 3 MV cu indicarea principalelor subsisteme

Canal de schimb de sarcină cu Na
Canal de schimb de sarcină cu Na pentru fascicul de particule α

1. Injector dual de ioni

Sursă de ioni negativi cu efect de sputtering cu Cs (model 860A):

Electrod extracție
Valvă pentru vid cu acționare manuală
Lentile electrostatice de tip einzel
Deflector electrostatic pe axa Y


Sursă de ioni de tip duoplasmatron (model 358):

Electrod extracție
Canal de schimb de sarcină cu sodiu
Magnet analizor la 90o

Cuptor pentru încălzire Na
Cuptor pentru evaporare Na

2. Accelerator Tandetron în formă de "T" pentru curenți de fascicul medii:


Lentilă electrostatică de tip Q-snout
Vas presurizat
Coloana de accelerare
Divizor de tensiune
Canal de strippare cu gaz (Ar) și recirculare pentru curenți medii de fascicul Electrod extracție
Carusel pentru folii de strippare din carbon

Generator de înaltă tensiune (3 MV) de tip Tandetron
Generator de înaltă tensiune de tip Tandetron pentru fascicul de curenți medii

3. Generator de înaltă tensiune (HV) pentru curenți medii de fascicul

Multiplicator HV și rectificator
Sistem de stabilizare și control HV cu GVM (Generating Voltmeter)
Sistem capacitiv de preluare sarcină

4. Ecran radioprotecție pentru radiația X de frânare
5. Set de trei cuadrupoli electrostatici
6. Magnet deflector (porturi la: 10o, 20o, 30o și 45o)

Sursă de alimentare cu posibilitatea de modificare a polarității
Cameră de vid cu pereți răciți cu apă
Cupă Faraday pe portul de 0o


7. Linie de fascicul și cameră de reacție echipată pentru studii IBA:

• Slituri imagine ajustabile micrometric (X&Y)
• Deflector electrostatic X
• Deflector electrostatic Y
• Slituri obiect ajustabile micrometric (X&Y)
• Cuadrupol electrostatic pentru aplicații cu microfascicul
• Cupă Faraday acționată electropneumatic
• Profilometru transversal de fascicul (BPM - Beam Profile Monitor)
• Cameră de vid cilindrică (h=500 mm, φ=400 mm)
• Profilometru transversal de fascicul (BPM - Beam Profile Monitor)
• Suport de ținte controlat de 4 motoare pas cu pas
• Detector de particule încărcate fix (165o) și mobil (10o-150o)
• Module electronice și surse alimentare:
      • Preamplificator
      • Amplificator spectroscopic
      • Sursă de tensiune detector Si
      • Sistem de achiziție date cu MCA Fastcom și MPANT
      • Rack NIM cu sursă de alimentare
• Cameră video CCD (x7) • Capcană cu azot lichid
• Carusel pentru folii (utilizat la ERDA)
• Detector SDD retractabil pentru PIXE
• Detector retractabil cu HPGe, răcit cu azot lichid pentru PIGE
• Sistem de extracție a fasciculului în aer, cu suport ținte automatizat XYZ (radiobiologie, in-air PIXE)


8. Linie de fascicul cu cameră de reacție pentru implantare și iradiere cu fascicule de ioni

• Sistem electrostatic de baleiere XY a fasciculului (17x17 cm2)
• Monitorizare fascicul cu BPM și 4 cupe Faraday cu supresie pentru electroni secundari
• Carusel pentru poziționare probe, cu acționare manuală
• Suport probe încălzit până la 800 oC
• Suport probe răcit cu azot lichid
• Opritor fascicul


9. Linie de fascicul cu cameră de reacție pentru măsurări de secțiuni eficace

• Cameră de vid cilindrică (h=500 mm, φ=400 mm)
• Suport ținte fix
• Suport detector mobil (10o-150o)
• 11 porturi
• Sistem de colimatori
• 2 cupe Faraday

Exemple de specii ionice* ce pot fi accelerate la Tandetronul de 3 MV
Particula accelerată Energie, până la MeV (valori estimative) Curent de fascicul, până la eµA
1H 6 30**
4He*** 9 1
6Li 12 0.25
7Li 12 0.1
10B 18 5
11B 18 20
12C 20 80
13C 20 10
14N 20 0.5
16O 20 50
19F 20 0.05
26Mg 20 0.2
27Al 20 1
28Si 25 70
31P 25 70
58Ni 25 20
63Cu 25 20
75As 25 10
197Au 5 10

ATENȚIE!!! Valorile din tabelul de mai sus pentru energie și curent sunt valori maxime și nu pot fi îndeplinite simultan.
Notă: Cu excepția gazelor nobile, toate elementele stabile din tabelul periodic pot fi accelerate.

*Pentru mai multe detalii referitoare la curenții de fascicul ce pot fi obținuți cu ajutorul sursei 860A, vă rugăm să consultați R. Middleton, A Negative Ion Cookbook
**Această valoare a curentului de fascicul de protoni poate fi obținută doar din sursa duoplasmatron (358).
***Fasciculul de particule alfa se obține doar din sursa duoplasmatron.

Referințe:

[1] I Burducea et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2015
[2] C Podaru et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2013