В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Исатова Аскара Танатовича на тему «Разработка и апробация новых систем диагностики пучков тяжелых ионов для ускорительного комплекса ЛЯР ОИЯИ» по специальности «6D060500 – Ядерная физика ».
Диссертация выполнена на кафедре «Ядерной физики, новых материалов и технологий» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.
Язык защиты - на русском
Официальные рецензенты:
Джансейтов Данияр Маралович – доктор философии (PhD), директор департамента казахстанского содержания Агентства Республики Казахстан по атомной энергии (г. Астана, Республика Казахстан).
Наурузбаев Досбол Кабдрашиевич – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ЧУ «Nazarbayev University Research Administration» (г. Астана, Республика Казахстан).
Временные члены Диссертационного совета:
Гадир Ахмедов – доктор философии (PhD) Заместитель начальника отдела, Отдел ядерных исследований АИЦР (Баку, Азербайджан);
Таткеева Галина Галимзяновна – доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой «Электроснабжение» Казахского агротехнического исследовательского университета имени С. Сейфуллина (г. Астана, Республика Казахстан);
Бактыбаев Мурат Кыргызбаевич – кандидат физико-математических наук, ассоциированный профессор кафедры «Робототехники и технических средств автоматики» КазНИТУ им. К.И. Сатпаева (г. Алматы, Республика Казахстан).
Научные консультанты:
Жумадилов Касым Шаймарданович – доктор философии (PhD), профессор, заведующий кафедры «Ядерной физики, новых материалов и технологий» в Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева (г. Астана, Республика Казахстан).
Тетерев Юрий Геннадьевич – к.ф.-м.н., старший научный сотрудник Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова ОИЯИ, (г. Дубна, Российская Федерация).
Защита состоится: 15 сентября 2026 года 14:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D053 – Физические и химические науки» по специальности «6D060500 – Ядерная физика » Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Проведение заседания диссертационного совета в смешанном (онлайн и офлайн) формате.
Ссылка: https://clck.ru/3VAnFK
Адрес: г. Астана, ул. Кажымукана, 13, аудитория 310
Аннотация (рус.): Диссертационная работа посвящена разработке и апробации новых систем диагностики пучков тяжелых ионов для ускорительного комплекса ЛЯР ОИЯИ. Актуальность темы исследования. Современный этап развития ядерной физики в ЛЯР ОИЯИ характе-ризуется созданием и вводом в эксплуатацию новых уникальных устано-вок – Фабрики сверхтяжёлых элементов на базе циклотрона ДЦ-280 и га-зонаполненного сепаратора GASSOL, а также развитием эксперименталь-ной базы для прикладных исследований. Данные комплексы являются уникальными по своим параметрам, что предъявляет принципиально но-вые требования к системам управления и диагностики, которые не могут быть удовлетворены за счет стандартных, ранее разработанных решений. Эффективная и безопасная работа этих сложных комплексов невозможна без применения адекватных и высокоточных средств диагностики пучков ускоренных тяжелых ионов. К диагностическим системам новых физиче-ских установок, в отличии от традиционных устройств диагностики, предъявляются следующие требования: • высокая точность определения параметров пучка; • возможность работы в экстремально широком диапазоне интенсив-ностей; • минимальное воздействие на пучок и элементы установки. Существующие методы диагностики не обеспечивают одновременно-го выполнения этих требований. Разрушающие методы обладают высокой точностью, но принципиально непригодны для непрерывного контроля. Неразрушающие методы, напротив, позволяют проводить измерения in-situ, однако ограничены по чувствительности, пространственному разре-шению и требуют сложной калибровки. Наиболее остро данные ограничения проявляются в трёх задачах. Первая задача связана с измерением амплитуды высокочастотного напряжения на дуантах циклотронов. Этот параметр является фундамен-тальным для обеспечения резонансного ускорения ионов. Отклонение напряжения от расчётного значения ведёт к изменению фазовых характе-ристик пучка, росту потерь и снижению интенсивности. Штатная система контроля с помощью пикап-электродов, как показано в данной работе, об-ладает существенной частотной зависимостью и требует независимой аб-солютной калибровки. Традиционный метод калибровки высоковольтным вольтметром ограничен по напряжению и, главное, вносит недопустимые возмущения в резонансную систему. Таким образом, разработка прецизи-онного бесконтактного метода измерения ВЧ-напряжения является крити-чески важной задачей для эффективной эксплуатации как действующих, так и новых ускорителей ЛЯР ОИЯИ. Также, особенное внимание необходимо уделять на работы с пучком при первых запусках новых физических установок. Для нового газонапол-ненного сверхпроводящего сепаратора GASSOL проектная эффективность достигает 58%. Ключевым условием для её достижения является прецизи-онное совмещение оси пучка с магнитной осью соленоида с допуском ±1 мм. Проведение этой настройки на проектных высоких интенсивностях пучка крайне рискованно из-за возможности повреждения криогенных уз-лов и кремниевых детекторов. Единственным безопасным способом явля-ется настройка на предельно низких интенсивностях (менее 0,001 нА ча-стиц), что требует создания специализированного детектора с уникальной чувствительностью, способного работать в экстремально широком диапа-зоне токов. Третья проблема диктуется потребностями не только фундаментальных исследований, но и прикладных, проводимых на уско-рителях ЛЯР (радиационная стойкость электроники, радиобиология, мате-риаловедение). Для них критически важно обеспечение и поддержание равномерного распределения плотности потока ионов по площади облу-чаемого образца, которая может достигать сотен квадратных сантиметров. Существующие методы контроля (люминофоры, пленки) либо разрушают пучок, либо не позволяют вести измерения непосредственно в процессе об-лучения (in-situ), что делает невозможной оперативную подстройку режи-мов. Следовательно, существует острая потребность в неинвазивном мони-торе, способном с высоким разрешением и чувствительностью отображать двумерное распределение плотности широких пучков тяжелых ионов в ре-альном времени. Анализ современной научной литературы показывает, что для изме-рения ВЧ-напряжения на дуантах наиболее распространены рентгеновские методы, однако они либо ограничены по напряжению, либо используют упрощённое моделирование спектра, не учитывающее аппаратурное уши-рение и фон. Существующие решения, применяемые для измерения про-филей пучков тяжёлых ионов SEM-решётки имеют недостаточную чув-ствительность на токах ниже 0,1 нА, а профилометры по ионизации оста-точного газа в основном одномерны или обладают низкой чувствительно-стью из-за малого объёма сбора ионов. Предлагаемые в диссертации ре-шения направлены на устранение именно этих пробелов. Таким образом, тема диссертации, направленная на решение этих трех актуальных задач диагностики, является своевременной и имеет важ-ное значение для развития экспериментальной базы ускорительного ком-плекса ЛЯР ОИЯИ. Цель диссертационной работы: Разработка и апробация новых си-стем диагностики пучков тяжелых ионов для ускорительного комплекса ЛЯР ОИЯИ, обеспечивающих повышение точности контроля параметров, безопасность пусконаладочных работ и возможность проведения неинва-зивных измерений в прикладных исследованиях. Задачи исследования. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следу-ющие задачи: 1. Разработать и верифицировать методику прецизионного бес-контактного измерения амплитуды ВЧ-напряжения на дуантах циклотро-нов ЛЯР ОИЯИ по краю спектра тормозного излучения с использованием прецизионного моделирования методом Монте-Карло. Провести калиб-ровку штатной системы контроля на циклотронах У-400М и ДЦ-280. 2. Разработать и создать многоканальный детектор мозаичного типа на основе вторичной эмиссии с экстремально широким динамическим диапазоном (от 0,001 до 100 нА⸱частиц) для прецизионной настройки со-осности пучка с магнитной осью сверхпроводящего сепаратора GASSOL в безопасном режиме низких интенсивностей. 3. Провести экспериментальные исследования характеристик раз-работанного детектора в вакуумных условиях и в среде, приближенной к рабочим условиям сепаратора GASSOL, подтвердив его заявленные пара-метры (чувствительность, линейность, точность позиционирования, радиа-ционную стойкость). 4. Разработать, создать и экспериментально исследовать много-канальный монитор на основе ионизации остаточного газа (IPM) для неин-вазивного контроля двумерного распределения плотности широких пуч-ков тяжелых ионов в прикладных исследованиях, обеспечив простран-ственное разрешение и чувствительность, достаточные для работы со сла-боточными пучками. Объектами исследования являлись пучки тяжелых ионов, ускоряе-мых и транспортируемых в циклотронах и каналах ЛЯР ОИЯИ, а также физические процессы, лежащие в основе их диагностики (тормозное излу-чение, вторичная эмиссия электронов, ионизация остаточного газа). Предмет исследования. Предметом исследования являются методы и технические средства для прецизионного бесконтактного измерения ВЧ-напряжения, а также для измерения поперечного профиля пучков тяжелых ионов в широком диапа-зоне интенсивностей, включая разработку конструкций, электронных си-стем сбора данных и программного обеспечения для новых диагностиче-ских комплексов. Методы исследования. Для выполнения поставленных задач использованы следующие ме-тоды исследования: 1. Экспериментальные методы: проведение измерений на дей-ствующих ускорителях ЛЯР ОИЯИ (У-400, У-400М, ДЦ-280, ИЦ-100) с использованием разработанных диагностических устройств и эталонной аппаратуры (цилиндры Фарадея, сцинтилляционные детекторы, люмино-форы). 2. Методы математического моделирования: численное модели-рование методом Монте-Карло (пакет FLUKA) для получения референт-ной формы спектров тормозного излучения; метод конечных элементов (пакет COMSOL Multiphysics) для тепловых расчетов элементов детекто-ров. 3. Методы статистической обработки данных: анализ эксперимен-тальных спектров, определение положения края тормозного излучения ме-тодом наименьших квадратов, оценка погрешностей измерений. 4. Методы регрессионного анализа: построение калибровочных зависимостей для штатных пикап-электродов циклотронов и верификация линейности отклика разработанных детекторов. 5. Методы цифровой обработки сигналов и программирования: разработка программного обеспечения в среде LabVIEW для сбора, визу-ализации и обработки данных с многоканальных детекторов в реальном времени. Основные положения, выносимые на защиту: 1. Разработан и экспериментально подтверждён бесконтактный метод измерения амплитуды ВЧ-напряжения на дуантах циклотронов по краю спектра тормозного излучения, обеспечивающий точность не хуже ±2 кВ. 2. Впервые экспериментально установлена и количественно опре-делена частотная зависимость коэффициента передачи пикап-электродов циклотронов У-400М и ДЦ-280, что позволило разработать метод их ка-либровки и устранения систематической погрешности. 3. Разработан и экспериментально исследован многоканальный профилометр на основе вторичной эмиссии электронов с динамическим диапазоном более пяти порядков (10⁻³–10² нА⸱частиц), обеспечивающий определение положения пучка с точностью до ±1 мм. 4. Впервые реализован неинвазивный метод двумерной диагно-стики профиля пучка на основе ионизации остаточного газа, обеспечива-ющий пространственное разрешение порядка 1.5×1.5 мм² при высокой чувствительности к слаботочным пучкам. Научная новизна работы. 1. Впервые показано, что использование прецизионного модели-рования методом Монте-Карло с учётом аппаратурного уширения и вкла-да вторичных процессов позволяет корректно определять амплитуду ВЧ-напряжения по форме тормозного спектра в диапазоне до 130 кВ, где тра-диционные методы теряют точность. 2. Впервые количественно установлена частотная зависимость ко-эффициента передачи пикап-электродов циклотронов У-400М и ДЦ-280, что позволило выявить систематические ошибки штатной системы кон-троля и разработать процедуру их компенсации. 3. Впервые реализован многоканальный профилометр на основе вторичной эмиссии с динамическим диапазоном более 5 порядков по току, обеспечивающий корректные измерения как в области ультранизких, так и повышенных интенсивностей без изменения конфигурации детектора. 4. Экспериментально показано, что комбинированный режим ра-боты детектора (вторичная эмиссия + ионизация газа) позволяет суще-ственно расширить область применимости метода в условиях, близких к работе сверхпроводящего сепаратора GASSOL. 5. Впервые для пучков тяжёлых ионов средней энергии реализо-ван двумерный ионизационный монитор, обеспечивающий неинвазивное измерение пространственного распределения плотности с чувствительно-стью порядка 10³ ионов/(см²·с), что на 2–3 порядка превышает чувстви-тельность традиционных методов. Научная и практическая ценность работы. 1. Впервые разработан и экспериментально подтверждён бескон-тактный метод измерения амплитуды ВЧ-напряжения на дуантах цикло-тронов по краю спектра тормозного излучения, основанный на использо-вании прецизионного моделирования методом Монте-Карло с учётом ап-паратурного уширения и вклада вторичных процессов, обеспечивающий точность определения напряжения не хуже ±2 кВ в диапазоне до 130 кВ. 2. Впервые экспериментально установлена и количественно опре-делена частотная зависимость коэффициента передачи пикап-электродов циклотронов У-400М и ДЦ-280, что позволило выявить систематическую погрешность штатной системы контроля и разработать метод её компенса-ции, обеспечивающий корректную настройку режимов ускорения. 3. Разработан и экспериментально исследован многоканальный профилометр на основе вторичной эмиссии электронов, обладающий ди-намическим диапазоном более пяти порядков по току (10⁻³–10² нА) и обес-печивающий определение положения пучка с точностью до ±1 мм, что де-лает возможной его эффективную эксплуатацию при настройке пучков в широком диапазоне интенсивностей. 4. Впервые реализован неинвазивный метод двумерной диагно-стики профиля пучка на основе ионизации остаточного газа, обеспечива-ющий пространственное разрешение порядка 1.5×1.5 мм² и высокую чув-ствительность, достаточную для регистрации слаботочных пучков тяжё-лых ионов, что существенно расширяет возможности диагностики в при-кладных исследованиях. Обоснованность и достоверность результатов работы. Обоснованность и достоверность полученных результатов подтвер-ждается: Использованием апробированных и сертифицированных измери-тельных приборов (цилиндры Фарадея, спектрометр XR-100T-CdTe). Применением общепризнанных методов математического моделиро-вания (FLUKA, COMSOL Multiphysics) и их верификацией путем сравне-ния с экспериментальными данными. Хорошим согласием результатов калибровки SEM-детектора, полу-ченных двумя независимыми методами (прямое сравнение с током пучка и косвенная калибровка по сцинтилляторам). Воспроизводимостью результатов при многократных измерениях на различных ускорителях. Апробацией основных положений работы на международных и рес-публиканских конференциях и публикацией результатов в рецензируемых научных журналах. Связь данной работы с другими научно-исследовательскими ра-ботами. Работа выполнялась в рамках проблемно-тематического плана ОИЯИ по проекту «DRIBs-III. Развитие ускорительного комплекса и экс-периментальных установок ЛЯР» 03-5-1129-2017/2028. Личный вклад автора. Все основные результаты, изложенные в диссертации, получены ав-тором лично или при его непосредственном участии. Автор принимал ак-тивное участие в постановке задач исследования, разработке концепций и конструкций всех трех диагностических устройств, проведении экспери-ментов на ускорителях ЛЯР ОИЯИ, обработке и интерпретации получен-ных данных, а также в подготовке научных публикаций и докладов. Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных и республиканских конференциях: 1. 26th Russian Particle Accelerator Conference, IHEP, Protvino, Russian Federation, 2018. Participation with a poster presentation. 2. III International Scientific Forum “Nuclear science and technolo-gies”, Almaty, Kazakhstan, 2021. Participation with an oral presentation 3. XX Международная конференция студентов, аспирантов и мо-лодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», Томск, 2023. Участие с устным докладом. 4. XXI Международная конференция студентов, аспирантов и мо-лодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», Томск, 2024. Участие с устным докладом. 5. Дозиметрия и радиационное материаловедение, Особая эконо-мическая зона «Дубна», Дубна, Россия, 2024. Участие с устным докладом. 6. XXIX Международная конференция по ускорителям заряжен-ных частиц (Russian Particle Accelerators Conference) RuPAC`25, Санкт-Петербург, Россия, 2025. Участие с устным докладом. Публикации. Статьи в журналах, индексируемых наукометрическими базами данных SCOPUS, Web of Science: 1. Issatov A.T., Teterev Y.G., Kabytayeva R.K. et al. The Methodol-ogy and Results of Absolute Dee Voltage Measurements at the Cyclotrons of the FLNR JINR Using the X-Ray Spectrum Method // Instruments and Exper-imental Techniques. – 2020. – Vol. 63, No. 1. – P. 1 – 5. 2. Mitrofanov S.V., Teterev Y.G., Krylov A.I., Issatov A.T., Timo-shenko K.D., Bolatkazyyev Y.A. Beam profile measurement at the entrance of the gas-filled solenoid GASSOL // Physics of Particles and Nuclei Letters. – 2025. – Vol. 22, No. 4. – P. 928 – 937. 3. Teterev Yu.G., Issatov A.T., Krylov A.I., Mitrofanov S.V., Timo-shenko K.D. Ionization profile monitor for noninvasive diagnostics of wide beams in applied research // Nuclear Instruments and Methods in Physics Re-search Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. – 2026. – Vol. 1087. – P. 171394. По теме диссертации всего опубликовано 9 работ, из которых 3 ста-тьи опубликованы в изданиях с ненулевым импакт-фактором, входящим в базу данных Scopus; 6 тезисов докладов в трудах международных и рес-публиканских конференций. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованных источников из 62 наименований. Общий объем ра-боты составляет 77 страниц, включая 28 рисунков и 7 таблиц. Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, представлены научная новизна, теоретическая и практическая значимость полученных результатов, а также основные по-ложения, выносимые на защиту. В первом разделе проведен обзор современных методов диагности-ки пучков в ускорительной технике, с акцентом на методы измерения ВЧ-напряжения и поперечного профиля пучка. Выявлены проблемы, опреде-лившие направления диссертационной работы. Во втором разделе подробно изложена разработанная методика прецизионного измерения ВЧ-напряжения по спектру тормозного излуче-ния. Описаны экспериментальная установка, процедура калибровки, алго-ритм обработки данных с использованием моделирования в FLUKA. Представлены результаты измерений на циклотронах У-400М и ДЦ-280, а также полученные калибровочные зависимости для штатных пикап-электродов. В третьем разделе представлена разработка многоканального SEM-детектора. Описаны конструкция, система сбора данных на базе SMARTBOX-6 и программное обеспечение. Приведены результаты тепло-вых расчетов и экспериментальных исследований, подтверждающих уни-кальный динамический диапазон и пригодность детектора для настройки сепаратора GASSOL. В четвертом разделе описаны принцип работы, конструкция и си-стема управления разработанного двумерного IPM-монитора. Представ-лены результаты его экспериментального исследования на пучке ионов ксенона, подтвердившие заявленные пространственное разрешение и вы-сокую чувствительность. В заключении сформулированы основные итоги диссертационной работы.
Отзыв зарубежного консультанта
