Development and approbation of new beam diagnostic systems of heavy ions for FLNR JINR accelerator complex

08.09.2026 – FLNR Scientific Seminar, 11-00, FlerovLab Conference Hall

Issatov A. T., FLNR, JINR

Development and approbation of new beam diagnostic systems of heavy ions for FLNR JINR accelerator complex
(Based on Candidate thesis)

The development of modern nuclear physics facilities and the commissioning of new experimental installations at the FLNR JINR accelerator complex place increasingly stringent requirements on the accuracy, sensitivity, dynamic range, and safety of heavy-ion beam diagnostics. In particular, modern experiments require diagnostic systems capable of operating over a very wide range of beam intensities, including ultra-low currents, while minimizing perturbations to the beam and accelerator components.
The dissertation is devoted to the development and experimental testing of new methods and systems for heavy-ion beam diagnostics for the FLNR JINR accelerator complex. Three interrelated diagnostic problems are addressed: non-contact measurement of RF voltage at cyclotron dees, beam-position determination at extremely low intensities, and non-invasive two-dimensional measurement of the density distribution of wide heavy-ion beams.
The first part of the work presents a non-contact method for determining the RF voltage amplitude at cyclotron dees using the edge of the bremsstrahlung spectrum. Precision Monte Carlo simulations were employed to account for instrumental broadening and secondary processes and to improve the accuracy of the voltage determination. The method provides an accuracy of no worse than ±2 kV for RF voltages up to 130 kV. The frequency dependence of the transfer coefficient of the standard pickup electrodes of the U-400M and DC-280 cyclotrons was experimentally established, making it possible to identify systematic errors and develop a procedure for their compensation.
The second part concerns beam diagnostics at ultra-low intensities, which is particularly important for the safe commissioning and alignment of the superconducting gas-filled GASSOL separator. A multichannel profilometer based on secondary electron emission was developed and experimentally studied. The detector provides beam-position determination with an accuracy of ±1 mm and operates over a dynamic range exceeding five orders of magnitude in beam current, enabling beam alignment under low-intensity conditions without exposing sensitive cryogenic components and detectors to excessive radiation loads.
The third part is devoted to the development of non-invasive two-dimensional diagnostics of wide heavy-ion beams for applied research, including radiation-hardness studies of electronics, radiobiology, and materials science. A multichannel ionization profile monitor based on residual-gas ionization was developed to measure the two-dimensional beam-density distribution directly during irradiation. Experimental studies demonstrated a spatial resolution of approximately 1.5 × 1.5 mm² and high sensitivity to low-current heavy-ion beams.

A. T. Исатов

Разработка и апробация новых систем диагностики пучков тяжелых ионов для ускорительного комплекса ЛЯР ОИЯИ
(по материалам кандидатской диссертации)

Современное развитие ядерной физики и создание новых экспериментальных установок на базе ускорительного комплекса ЛЯР ОИЯИ предъявляют повышенные требования к точности, чувствительности и безопасности диагностики пучков тяжелых ионов. Особую актуальность приобретают методы, позволяющие контролировать параметры пучка в широком диапазоне интенсивностей, включая ультранизкие токи, при минимальном воздействии на пучок и элементы ускорительной установки.
Диссертационная работа посвящена разработке и экспериментальной апробации новых методов и систем диагностики пучков тяжелых ионов, предназначенных для решения актуальных задач фундаментальных и прикладных исследований на ускорительном комплексе ЛЯР ОИЯИ. В работе рассмотрены три взаимосвязанные задачи: прецизионное бесконтактное измерение ВЧ-напряжения на дуантах циклотронов, определение положения пучка при экстремально низких интенсивностях и неинвазивное измерение двумерного распределения плотности широких пучков тяжелых ионов.
В первой части работы разработан и экспериментально апробирован бесконтактный метод определения амплитуды ВЧ-напряжения на дуантах циклотронов по краю спектра тормозного излучения. Метод позволяет определять ВЧ-напряжение с точностью не хуже ±2 кВ в диапазоне до 130 кВ. На циклотронах У-400М и ДЦ-280 экспериментально установлена частотная зависимость коэффициента передачи штатных пикап-электродов, что позволило выявить систематическую погрешность системы контроля и разработать процедуру её компенсации.
Вторая часть работы связана с диагностикой пучков при ультранизких интенсивностях, необходимой, в частности, для безопасной настройки пучка на входе в сверхпроводящий газонаполненный сепаратор GASSOL. Разработан многоканальный профилометр на основе вторичной электронной эмиссии, предназначенный для работы в экстремально широком диапазоне интенсивностей. Детектор обеспечивает определение положения пучка с точностью до ±1 мм и позволяет проводить настройку соосности пучка с магнитной осью сепаратора без использования высоких интенсивностей, способных привести к повреждению криогенных компонентов и детекторов.
Третье направление посвящено развитию неинвазивной двумерной диагностики широких пучков тяжелых ионов для задач прикладных исследований, включая радиационную стойкость электроники, радиобиологию и материаловедение. Разработан многоканальный ионизационный монитор на основе ионизации остаточного газа, позволяющий получать двумерное распределение плотности пучка непосредственно в процессе облучения. Экспериментально продемонстрировано пространственное разрешение порядка 1,5×1,5 мм²; и высокая чувствительность к слаботочным пучкам.