nucВестник НЯЦ РКNNC RK Bulletin1729-75161729-7885Национальный ядерный центр Республики Казахстан10.52676/1729-7885-2025-4-20-28nuc-879Research ArticleСтатьиУСТРОЙСТВО БЫСТРОГО ПРЕРЫВАНИЯ ПОТОКА УСКОРЕННЫХ ИОНОВ НА ЦИКЛОТРОНАХ DC-60 И IC-100DEVICE FOR FAST INTERRUPTION OF ACCELERATED ION BEAM AT DC-60 AND IC-100 CYCLOTRONShttps://orcid.org/0000-0002-5852-657XКолобердинМ. В.KoloberdinM. V.

Алматы

Астана

Almaty

Astana

koloberdin@inp.kzИвановИ. А.IvanovI. A.

Алматы

Астана

Almaty

Astana

igor.ivanov.inp@gmail.comПавловЛ.PavlovL.

Дубна

Dubna

pavlovla@jinr.ruИсатовА.IsatovA.

Дубна

Dubna

isatov12@gmail.comМитрофановС.MitrofanovS.

Дубна

Dubna

mitrofanov@jinr.ruСкуратовВ. А.SkuratovV. А.

Дубна

Dubna

skuratov@jinr.ruЗдоровецМ. В.ZdorovetsM. V.

Алматы

Астана

Almaty

Astana

mzdorovets@inp.kzАманжуловБ. С.AmanzhulovB. S.

Алматы

Астана

Almaty

Astana

b.amanzhulov@inp.kzРГП «Институт ядерной физики» Агентства РК по атомной энергии; НАО «Евразийский Национальный Университет им. Л.Н. Гумилёва»КазахстанRSE “Institute of Nuclear Physics” of the Agency of the Republic of Kazakhstan for Atomic Energy; NJSC “L.N. Gumilyov Eurasian National University”KazakhstanОбъединённый Институт Ядерных ИсследованийРоссияJoint Institute for Nuclear ResearchRussian Federation202508122025042028Copyright © Колобердин М.В., Иванов И.А., Павлов Л., Исатов А., Митрофанов С., Скуратов В.А., Здоровец М.В., Аманжулов Б.С., 20252025Колобердин М.В., Иванов И.А., Павлов Л., Исатов А., Митрофанов С., Скуратов В.А., Здоровец М.В., Аманжулов Б.С.Koloberdin M.V., Ivanov I.A., Pavlov L., Isatov A., Mitrofanov S., Skuratov V.А., Zdorovets M.V., Amanzhulov B.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journals.nnc.kz/jour/article/view/879

Для исследования оптических свойств облученных твердых тел на ранних стадиях образования дефектной структуры возникает необходимость улучшения временного разрешения регистрируемой ионолюминесценции и регистрации взаимодействующих с образцом частиц с меньшим разбросом энергий. В статье описывается разработанная система быстрого прерывателя пучка, именуемая «чоппер», в основе которой лежат отклоняющие пластины, размещаемые в канале аксиальной инжекции ускорителя, непосредственно перед инжекцией ионного пучка в магнитно-резонансную систему ускорителя. Чоппер влияет на постоянный поток ионов в аксиальной инжекции, получаемый из источника ионов и инжектируемый в ускоритель, и отклоняет его с частотой, необходимой для получения необходимого количества сгустков («банчей») на выходе из ускорителя. Чоппер позволяет получать пучок заряженных частиц с различными временными параметрами на ускорительных комплексах DC-60 и IC-100, резонансные системы которых работают в диапазоне частот от 11 МГц до 22 МГц, и при ускорении ионов создает на выходе ускорителя потоки частиц, сгруппированные в сгустки длительностью около ~2 …5 нс и с периодом повтора ~90…45 нс. В данном чоппере используется быстродействующий переключатель высокого напряжения, подаваемого на отклоняющие пластины, на которых поток ионов отклоняется в нужный момент от инжекции в ускоритель, тем самым обеспечивая эффективное разрежение количества сгустков, а соответственно и потока ионов от 100% до 1%, вплоть до одиночных сгустков.

To study the optical properties of irradiated solids at the early stages of defect structure formation, there is a need to improve the time resolution of the recorded ionoluminescence and to record particles interacting with the sample with a smaller energy spread. The article describes the developed system of a fast beam chopper, which is based on deflection plates placed in the channel of the axial injection of an accelerator, immediately before the injection of the ion beam into the magnetic resonance system of the accelerator. Chopper affects the constant flow of ions in the axial injection, obtained from the ion source and injected into the accelerator and deflects it with a frequency necessary to form the required number of bunches at the exit of the accelerator. Chopper allows to obtain a beam of charged particles with different time parameters on the DC-60 and IC-100 accelerator complexes, the resonance systems of which operate in the frequency range from 11 MHz to 22 MHz and, when accelerating ions, produce particle flows at the accelerator output, grouped into bunches with a duration of about ~2…5 ns and a repetition period of ~90…45 ns. This chopper uses a fast switch of high voltage supplied to the deflection plates, at which the ion flow is deflected at the right time from injection into the accelerator, thereby ensuring effective rarefaction of the number of bunches and, accordingly, the ion flow from 100% to 1%, down to single bunches.

циклотрончопперпрерывательвысоковольтный переключательионолюминесценцияcyclotronchopperinterrupterhigh voltage switchionoluminescenceThis research was funded by the Committee of Science of the Ministry of Science and Higher Education of the Republic of Kazakhstan (Grant No. AP14973020).ReferencesCrespillo M. L., Graham J. T., Zhang Y., Weber W. J. Insitu luminescence monitoring of ion-induced damage evolution in SiO2 and Al2O3 // Journal of Luminescence. – 2016. – Vol. 172. – P. 208–218.Crespillo M. L., Graham J. T., Zhang Y., Weber W. J. Insitu luminescence monitoring of ion-induced damage evolution in SiO2 and Al2O3 // Journal of Luminescence. – 2016. – Vol. 172. – P. 208–218.Calvo Del Castillo H., Ruvalcaba J. L., Bettinelli M., Speghini A., Barboza Flores M., Calderón T., Jaque D., García Solé J. Ionoluminescence of trivalent rare-earthdoped strontium barium niobate // Journal of Luminescence. – 2008. – Vol. 128, No. 5–6. – P. 735–737.Calvo Del Castillo H., Ruvalcaba J. L., Bettinelli M., Speghini A., Barboza Flores M., Calderón T., Jaque D., García Solé J. Ionoluminescence of trivalent rare-earthdoped strontium barium niobate // Journal of Luminescence. – 2008. – Vol. 128, No. 5–6. – P. 735–737.Townsend P. D. Variations on the use of ion beam luminescence // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2012. – Vol. 286. – P. 35–39.Townsend P. D. Variations on the use of ion beam luminescence // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2012. – Vol. 286. – P. 35–39.Seitbayev A., Skuratov V. A., Dauletbekova A., Teterev Yu. G., Krylov A. N., Mamatova M., Koloberdin M., Zdorovets M. Time-resolved high energy ionoluminescence of Al2O3 // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2021. – Vol. 500–501. – P. 46–51.Seitbayev A., Skuratov V. A., Dauletbekova A., Teterev Yu. G., Krylov A. N., Mamatova M., Koloberdin M., Zdorovets M. Time-resolved high energy ionoluminescence of Al2O3 // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2021. – Vol. 500–501. – P. 46–51.Skuratov V. A., Gun K. J., Stano J., Zagorski D. L. In situ luminescence as monitor of radiation damage under swift heavy ion irradiation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2006. – Vol. 245, No. 1. – P. 194– 200.Skuratov V. A., Gun K. J., Stano J., Zagorski D. L. In situ luminescence as monitor of radiation damage under swift heavy ion irradiation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2006. – Vol. 245, No. 1. – P. 194– 200.Zdorovets M., Ivanov I., Koloberdin M., Kozin S., Alexandrenko V., Sambaev E., Kurakhmedov A., Ryskulov A. Accelerator complex based on DC-60 cyclotron. // Proceedings of 24th Russian Particle Accelerator Conference (Obninsk, Russia, 6-10 october, 2014). Geneva: JACoW Publishing, 2014. – P. 287–289.Zdorovets M., Ivanov I., Koloberdin M., Kozin S., Alexandrenko V., Sambaev E., Kurakhmedov A., Ryskulov A. Accelerator complex based on DC-60 cyclotron. // Proceedings of 24th Russian Particle Accelerator Conference (Obninsk, Russia, 6-10 october, 2014). Geneva: JACoW Publishing, 2014. – P. 287–289.Moscatello M., Anger P., Berthe C., Bertrand P., Bru B., David L., Giacomo M. di, Jamet Ch., Ozille M., Pellemoine F., Petit E., Savalle A., Vignet J. Recent developments for high intensity beams at GANIL // Nukleonika. – 2003. – Vol. 48 (suppl. 2). – P. S155–S158.Moscatello M., Anger P., Berthe C., Bertrand P., Bru B., David L., Giacomo M. di, Jamet Ch., Ozille M., Pellemoine F., Petit E., Savalle A., Vignet J. Recent developments for high intensity beams at GANIL // Nukleonika. – 2003. – Vol. 48 (suppl. 2). – P. S155–S158.Araujo Martinez A. C., Agustsson R., Chen Y.-C., Kutsaev S., Plastun A., Rao X. Electromagnetic Design of a Compact RF Chopper for Heavy-Ion Beam Separation at FRIB // Proceedings of the 5th North American Particle Accelerator Conference NAPAC2022 (Albuquerque, NM, USA, 07-12 August 2022). Geneva: JACoW Publishing, 2022. – P. 732–735.Araujo Martinez A. C., Agustsson R., Chen Y.-C., Kutsaev S., Plastun A., Rao X. Electromagnetic Design of a Compact RF Chopper for Heavy-Ion Beam Separation at FRIB // Proceedings of the 5th North American Particle Accelerator Conference NAPAC2022 (Albuquerque, NM, USA, 07-12 August 2022). Geneva: JACoW Publishing, 2022. – P. 732–735.Poirier F., Blain G., Bulteau-Harel F., Chiavassa S., Delpon G., Durand T., Fattahi M., Goiziou X., Haddad F., Koumeir C., Sengar A., Trichet H., Vandenborre J. The Injection and Chopper-Based System at Arronax C70XP Cyclotron // Proceedings of the 22nd International Conference on Cyclotrons and their Applications (Cape Town, South Africa, 23-27 September 2019). – Geneva: JACoW Publishing, 2020. – P. 159–161.Poirier F., Blain G., Bulteau-Harel F., Chiavassa S., Delpon G., Durand T., Fattahi M., Goiziou X., Haddad F., Koumeir C., Sengar A., Trichet H., Vandenborre J. The Injection and Chopper-Based System at Arronax C70XP Cyclotron // Proceedings of the 22nd International Conference on Cyclotrons and their Applications (Cape Town, South Africa, 23-27 September 2019). – Geneva: JACoW Publishing, 2020. – P. 159–161.Shor A., Vartsky D., Dangendorf V., Bar D., Aliz Y. B., Berkovits D., Brandis M., Goldberg M. B., Grin A., Mardor I., Mor I., Weissman L. Fast beam chopper at SARAF accelerator via RF deflector before RFQ // J. Inst. – 2012. – Vol. 7, No. 06. – P. C06003–C06003.Shor A., Vartsky D., Dangendorf V., Bar D., Aliz Y. B., Berkovits D., Brandis M., Goldberg M. B., Grin A., Mardor I., Mor I., Weissman L. Fast beam chopper at SARAF accelerator via RF deflector before RFQ // J. Inst. – 2012. – Vol. 7, No. 06. – P. C06003–C06003.Bachiller-Perea D., Jiménez-Rey D., Muñoz-Martín A., Agulló-López F. Exciton mechanisms and modeling of the ionoluminescence in silica // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2016. – Vol. 49, No. 8. – P. 085501.Bachiller-Perea D., Jiménez-Rey D., Muñoz-Martín A., Agulló-López F. Exciton mechanisms and modeling of the ionoluminescence in silica // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2016. – Vol. 49, No. 8. – P. 085501.Kimura K., Sharma S., Popov A. Fast electron–hole plasma luminescence from track-cores in heavy-ion irradiated wide-band-gap crystals // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2002. – Vol. 191, No. 1–4. – P. 48–53.Kimura K., Sharma S., Popov A. Fast electron–hole plasma luminescence from track-cores in heavy-ion irradiated wide-band-gap crystals // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2002. – Vol. 191, No. 1–4. – P. 48–53.Kimura K. Ultra-fast luminescence in heavy-ion trackcores in insulators: Electron–hole plasma // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2003. – Vol. 212. – P. 123–134.Kimura K. Ultra-fast luminescence in heavy-ion trackcores in insulators: Electron–hole plasma // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2003. – Vol. 212. – P. 123–134.Gulley M. S. Tuning the beam: a physics perspective on beam diagnostic instrumentation // Proceedings of 14th Beam Instrumentation Workshop (BIW10) (Santa Fe, New Mexico, US, 2010). – P. 491–497.Gulley M. S. Tuning the beam: a physics perspective on beam diagnostic instrumentation // Proceedings of 14th Beam Instrumentation Workshop (BIW10) (Santa Fe, New Mexico, US, 2010). – P. 491–497.Bolzon B., Akagi T., Beauvais P.-Y., Cara P., Carmona J. M., Chauvin N., Chel S., Dzitko H., Gobin R., Harrault F., Heidinger R., Ichimiya R., Ihara A., Jimenez D., Kasugai A., Kitano T., Knaster J., Komata M., Kondo K., Marqueta A., Nishiyama K., Okumura Y., Podadera I., Pruneri G., Sakamoto K., Scantamburlo F., Senée F., Shinya T., Sugimoto M., Varela R. A. Beam diagnostics of an ECR ion source on LIPAc injector for prototype IFMIF beam accelerator // Fusion Engineering and Design. – 2018. – Vol. 136. – P. 1300–1305.Bolzon B., Akagi T., Beauvais P.-Y., Cara P., Carmona J. M., Chauvin N., Chel S., Dzitko H., Gobin R., Harrault F., Heidinger R., Ichimiya R., Ihara A., Jimenez D., Kasugai A., Kitano T., Knaster J., Komata M., Kondo K., Marqueta A., Nishiyama K., Okumura Y., Podadera I., Pruneri G., Sakamoto K., Scantamburlo F., Senée F., Shinya T., Sugimoto M., Varela R. A. Beam diagnostics of an ECR ion source on LIPAc injector for prototype IFMIF beam accelerator // Fusion Engineering and Design. – 2018. – Vol. 136. – P. 1300–1305.Гикал Б.Н., Гульбекян Г.Г., Иванов Г.Н., Ивонова И.Б., Казаринов Н.Ю., Казача В.И., Калагин И.В., Колесов И.В., Лебедев Н.И., Мельников В.Н., Серобаба А.П., Фатеев А.А. Система транспортировки пучков тяжелых ионов, выведенных из циклотрона ДЦ-60 // Сообщение Объединенного института ядерных исследований Р9.-2006-37. – 2006. – С. 1–12.Gikal B.N., Gul'bekyan G.G., Ivanov G.N., Ivonova I.B., Kazarinov N.Yu., Kazacha V.I., Kalagin I.V., Kolesov I.V., Lebedev N.I., Mel'nikov V.N., Serobaba A.P., Fateev A.A. Sistema transportirovki puchkov tyazhelykh ionov, vyvedennykh iz tsiklotrona DTs-60 // Soobshchenie Ob’edinennogo instituta yadernykh issledovaniy R9.- 2006-37. – 2006. – P. 1–12. (In Russ.)]Gikal B. N., Dmitriev S. N., Gul’bekyan G. G., Apel’ P. Yu., Bashevoi V. V., Bogomolov S. L., Borisov O. N., Buzmakov V. A., Ivanenko I. A., Ivanov O. M., Kazarinov N. Yu., Kolesov I. V., Mironov V. I., Papash A. I., Pashchenko S. V., Skuratov V. A., Tikhomirov A. V., Khabarov M. V., Cherevatenko A. P., Yazvitskii N. Yu. IC-100 accelerator complex for scientific and applied research // Phys. Part. Nuclei Lett. – 2008. – Vol. 5, No. 1. – P. 33–48.Gikal B. N., Dmitriev S. N., Gul’bekyan G. G., Apel’ P. Yu., Bashevoi V. V., Bogomolov S. L., Borisov O. N., Buzmakov V. A., Ivanenko I. A., Ivanov O. M., Kazarinov N. Yu., Kolesov I. V., Mironov V. I., Papash A. I., Pashchenko S. V., Skuratov V. A., Tikhomirov A. V., Khabarov M. V., Cherevatenko A. P., Yazvitskii N. Yu. IC-100 accelerator complex for scientific and applied research // Phys. Part. Nuclei Lett. – 2008. – Vol. 5, No. 1. – P. 33–48.A Low-Side RF MOSFET Driver IXRFD631. Available at: https://ixysrf.com/wpcontent/uploads/2017/09/IXRFD631_Datasheet_RevA1.pdf (accessed 9 June 2024).A Low-Side RF MOSFET Driver IXRFD631. Available at: https://ixysrf.com/wpcontent/uploads/2017/09/IXRFD631_Datasheet_RevA1.pdf (accessed 9 June 2024).DE275-102N06A RF Power MOSFET. Available at: https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/314497 /IXYS/DE275-102N06A.html (accessed 9 June 2024).DE275-102N06A RF Power MOSFET. Available at: https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/314497 /IXYS/DE275-102N06A.html (accessed 9 June 2024).Koshimizu M., Kimura K., Fujimoto Y., Asai K. Fast luminescence in vacuum ultraviolet region in heavy-ionirradiated α-Al2O3 // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2015. – Vol. 365. – P. 540–543.Koshimizu M., Kimura K., Fujimoto Y., Asai K. Fast luminescence in vacuum ultraviolet region in heavy-ionirradiated α-Al2O3 // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2015. – Vol. 365. – P. 540–543.Weber M. J., Derenzo S. E., Moses W. W. Measurements of ultrafast scintillation rise times: evidence of energy transfer mechanisms // Journal of Luminescence. – 2000. – Vol. 87–89. – P. 830–832.Weber M. J., Derenzo S. E., Moses W. W. Measurements of ultrafast scintillation rise times: evidence of energy transfer mechanisms // Journal of Luminescence. – 2000. – Vol. 87–89. – P. 830–832.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.