На правах рукописи

СКАЛЫГА Вадим Александрович

Исследование ЭЦР источников многозарядных ионов

с квазигазодинамическим режимом удержания плазмы в открытых магнитных ловушках

01.04.08 - физика плазмы

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2007

Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской академии наук (г. Нижний Новгород).

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

В. Г. Зорин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор А. А. Сковорода

кандидат физико-математических наук,

Д. Л. Пасманик

Ведущая организация: Объединенный институт ядерных исследований, Лаборатория ядерных реакций

Дата защиты л мая 2007 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.069.02 в Институте прикладной физики РАН (603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики Российской академии наук.

Автореферат разослан л апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета доктор физ.-мат. наук, профессор Ю. В. Чугунов

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации.

СВЧ разряд в магнитном поле в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) уже давно привлекает к себе внимание исследователей. Первоначально изучение ЭЦР разряда было связано, главным образом, с экспериментами в легких газах, проводимыми в рамках программы по управляемому термоядерному синтезу (см., например, [1-8]). В дальнейшем ЭЦР разряд в открытых магнитных ловушках стал использоваться также в других областях науки и техники. Например, в ядерной физике, где на базе ЭЦР разряда в тяжелых газах созданы эффективные источники многозарядных ионов. Требования к этим источникам постоянно возрастают: необходимо повышать как заряд ионов q (поскольку энергия разогнанных заряженных частиц в циклотронном ускорителе пропорциональна q2 [9, 10]), так и интенсивность ионных пучков для увеличения вероятности наблюдения реакции. Именно источники многозарядных ионов (источники МЗИ) на основе ЭЦР разряда в магнитной ловушке считаются в настоящее время наиболее перспективными в этом плане [10,11]. Такие устройства позволяют одновременно: поддерживать электронную температуру плазмы на высоком уровне, необходимом для многократной ионизации газа и достаточно долго удерживать плазму для обеспечения глубокой обдирки ионов. Основные потери плазмы связаны с ее выносом через магнитные пробки ловушки, что позволяет с помощью традиционных систем экстракции формировать качественные интенсивные ионные пучки. В настоящее время развитие источников многозарядных ионов во многом определяет развитие экспериментальной ядерной физики.

Один из путей совершенствования ЭЦР источников МЗИ связан с повышением частоты и мощности СВЧ накачки. Это стало очевидным после того, как в работах [12, 13] экспериментально было продемонстрировано значительное увеличение выхода многозарядных ионов из ЭЦР источника при изменении частоты греющего СВЧ излучения с 10 до 18 ГГц - ток ионов со средним по распределению зарядом увеличился пропорционально квадрату частоты накачки. Позднее этот эффект был подтвержден при использовании излучения с частотой 28 ГГц [17,18]. Это связано с тем, что в ЭЦР разряде предельно достижимая плотность плазмы определяется частотой СВЧ излучения, что объясняется тем, что при приближении ее концентрации к критическому значению эффективность нагрева резко падает. В связи с перспективностью пути повышения частоты накачки, исследования СВЧ разряда в магнитном поле, поддерживаемого мощным излучением гиротронов с частотой свыше 30 ГГц, представляются необходимыми и своевременными.

Уже первые эксперименты, проведенные в ИПФ РАН, с использованием мощного СВЧ излучения гиротрона на частоте 37,5 ГГц [14] подтвердили сильную зависимость тока ионов от частоты. Причем, в ходе этих исследований экспериментально наблюдался принципиально другой характер удержания плазмы в ловушке, отличный от используемого в остальных современных ЭЦР источниках. При достаточно высокой плотности плазмы может реализовываться так называемый квазигазодинамический режим удержания [15], время жизни плазмы в котором мало и не зависит от ее концентрации. Несмотря на небольшое время жизни плазмы в ловушке, параметр ее удержания (произведение концентрации плазмы на время ее жизни) может достигать уровня достаточного для эффективной генерации МЗИ за счет возможности повышения плотности плазмы. В этом случае плотность потока плазмы из ловушки через ее пробки оказывается на несколько порядков выше, чем в используемых сейчас ЭЦР источниках, что делает возможным получение ионных пучков с рекордно высоким током. Поэтому детальное изучение квазигазодинамического режима удержания плазмы в условиях мощной накачки СВЧ излучением миллиметрового диапазона длин волн является актуальным.

Также следует отметить, что малое время жизни при квазигазодинамическом режиме удержания позволяет реализовывать быстрое развитие ЭЦР разряда и, следовательно, малое время выхода параметров плазмы на стационарное значение, что является необходимым для создания короткоимпульсных ЭЦР источников ионов. Создание таких систем в настоящее время требуется для решения ряда задач, например, для исследования эффекта осцилляций нейтрино в рамках проекта Beta Beam [16].

В последние несколько лет гиротроны начали использоваться в экспериментах с классическими ЭЦР источниками ионов [17, 18, 19, 20], которые наиболее распространены на сегодняшний день. Для удержания плазмы в таких источниках используются открытые магнитные ловушки с конфигурацией магнитного поля min В [11], которая формируется комбинацией поля простого пробкотрона и поля многополюсной магнитной системы (обычно шестиполюсной), являющейся аналогом палок Иоффе. Данная конфигурация магнитного поля обеспечивает эффективную стабилизацию МГД возмущений плазмы в ловушке. Такие системы позволяют создавать плазму с концентрацией электронов от 11011 до 51012 см-3 при их температуре до нескольких кэВ. Основным преимуществом описываемых источников является большое время жизни плазмы в магнитной ловушке, за счет которого обеспечивается глубокая обдирка ионов. Максимальная частота СВЧ накачки, используемая в классических ЭЦР источниках МЗИ, в настоящее время составляет 28 ГГц [17, 18]. Однако дальнейшее повышение частоты греющего излучения в таких системах оказывается ограничено рядом проблем. Строительство ловушек с конфигурацией магнитного поля min B, рассчитанных на частоты накачки свыше 30 ГГц, на современном этапе представляется весьма затруднительным из-за необходимости создания очень сильных полей при сложной их структуре, необходимой для борьбы с МГД неустойчивостями. Действительно, условие гирорезонанса требует величины магнитного поля более 2 Тл при частотах накачки выше 30 ГГц. В связи с этим, нагрузка на элементы магнитной системы становится очень велика, поэтому ловушки с неосесимметричной конфигурацией магнитного поля оказываются очень дорогими. Следовательно проблема поиска более простых осесимметричных магнитных ловушек для удержания плазмы в ЭЦР источниках МЗИ становится особенно актуальной. Простейшей ловушкой, удовлетворяющей этим требованиям, является ловушка со встречными полями или касп [21].

Целью предлагаемой диссертационной работы являлось изучение квазигазодинамического режима удержания неравновесной плазмы тяжелых газов в открытых магнитных ловушках в условиях мощного ЭЦР нагрева излучением миллиметрового диапазона длин волн. Поиск путей увеличения заряда ионов в плазме в таких условиях, анализ возможности экстракции из плазмы ионного пучка с высоким током. Исследования перспектив применения осесимметричных МГД-стабильных магнитных ловушек для удержания плазмы в ЭЦР источнике МЗИ.

Научная новизна.

В исследованиях, проведенных в диссертации, СВЧ излучение гиротронов миллиметрового диапазона длин волн, использовавшееся в качестве СВЧ накачки в данной работе, позволяло создавать плазму с концентрацией свыше 1013 см-3, что существенно выше, чем в классических ЭЦР источниках МЗИ. При этом температура электронов достигала нескольких сотен эВ. Изучение процесса генерации МЗИ в таких условиях проводилось только в ИПФ РАН. В основной части проведенных исследований для удержания плазмы использовалась ловушка со встречными полями, которая обеспечивала стабилизацию МГД возмущений. Развитие ЭЦР разряда в тяжелых газах в таких ловушках с накачкой мощным СВЧ излучением гиротронов миллиметрового диапазона длин волн не исследовалось ранее. В ходе работы впервые был подробно исследован квазигазодинамический режим удержания неравновесной плазмы ЭЦР разряда в тяжелых газах в ловушках со встречными полями. Использование такого режима может быть положено в основу нового типа импульсных ЭЦР источников многозарядных ионов, которые способны создавать мощные потоки ионов с эффективным током более 1 А при высоком их среднем заряде.

В рамках данной диссертационной работы впервые был исследован ЭЦР разряд в тяжелых газах, поддерживаемый СВЧ излучением с частотой 75 ГГц. Проведенные исследования продемонстрировали перспективность повышения частоты СВЧ накачки для увеличения тока и среднего заряда ионов в экстрагируемом пучке ЭЦР источников МЗИ, использующих квазигазодинамический режим удержания плазмы (газодинамические ЭЦР источники).

Реализация квазигазодинамического режима удержания плазмы в ловушке источника МЗИ позволила достичь рекордно малых для ЭЦР источников времен выхода параметров плазмы разряда на стационар - менее 15 мкс, тогда как в традиционных ЭЦР источниках это время составляет не менее 100 мкс. Полученные результаты открывают возможность создания короткоимпульсных ЭЦР источников МЗИ, необходимых для ряда крупных проектов [22, 23].

На основе полученных данных предложен новый тип импульсных ЭЦР источников многозарядных ионов - газодинамические сильноточные ЭЦР источники. Создание интенсивных потоков плазмы в газодинамических ЭЦР источниках дает уникальную возможность экстрагировать пучки многозарядных ионов с высоким током и высокой яркостью.

Научная и практическая значимость.

Как уже говорилось выше, успехи последних лет в ядерной физике связывают именно с широким применением ЭЦР источников многозарядных ионов для инжекции ионов в циклотронные и линейные ускорители. Исследования таких источников представляются актуальными для институтов, эксплуатирующих ускорители тяжелых ионов. Также исследования продемонстрировали перспективность использования газодинамического ЭЦР источника МЗИ для генерации короткоимпульсных пучков ионов (20-100 мкс), производство которых требуется в рамках проекта Beta Beam и исследованиях по термоядерному синтезу на тяжелых ионах. Демонстрация возможности формирования широких пучков многозарядных ионов с большим током делает возможным использование результатов диссертации в области технологии обработки поверхностей энергичными ионами и в экспериментах по программе термоядерного синтеза на тяжелых ионах. Эти данные, полученные в диссертации, предполагается использовать в Lawrence Berkeley National Laboratory (Беркли, США).

Данные диссертации использовались в работе Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Россия), Лаборатории субатомной физики и космологии (Гренобль, Франция), GSI (Дармштадт, Германия).

Положения, выносимые на защиту.

1. Использование плотной плазмы ЭЦР разряда, удерживаемой в квазигазодинамическом режиме в магнитной ловушке со встречными полями и нагреваемой мощным СВЧ излучением миллиметрового диапазона длин волн, позволяет создавать стабильные потоки многозарядных ионов с плотностью до нескольких ампер через квадратный сантиметр, что обеспечивает возможность формирования ионных пучков с высоким током и яркостью.

2. Импульсные квазистационарные пучки многозарядных ионов с длительностью менее 100 мкс могут быть сформированы из плазмы ЭЦР разряда при квазигазодинамическом режиме ее удержания в условиях мощной СВЧ накачки излучением гиротрона миллиметрового диапазона длин волн.

Публикации и апробация результатов.

По теме диссертации опубликовано 9 статей в рецензируемых научных журналах, 10 докладов в трудах конференций.

Результаты выполненных исследований обсуждались на научных семинарах в Институте прикладной физики РАН, Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова, Институте ядерных исследований СОРАН, Объединенном институте ядерных исследований (Дубна), LPSC (Гренобль, Франция), и в других научных организациях. Они докладывались на Международных и Всероссийских конференциях, в том числе на 15-ом, 16-ом и 17-ом международных совещаниях по ЭЦР источникам ионов ( International Workshop on ECR Ion Sources Финляндия, 2002, США, 2004, Китай, 2006), на 9-ой, 10-ой и 11-ой международных конференциях по ионным источникам (International Conference on Ion Sources США, 2001, Корея, 2003, Франция, 2005), на второй научно-технической конференции Молодежь в науке (2003, г. Саров), на 5-ой международной конференции по открытым магнитным системам для удержания плазмы (International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement OS-2004, Новосибирск, 2004), на Всероссийском семинаре по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона (2005, Н. Новгород), на 6-ом международном совещании УStrong microwaves in plasmasФ (2005, Russia), на 22-ой международной конференции УInternational Conference on Atomic Collusions in SolidsФ (2006, Германия), на 6-ом международном совещании по микроволновым разрядам (International Workshop УMicrowave discharges: Fundamentals and ApplicationsФ, 2006, Звенигород).

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 145 страниц, включая 60 рисунков. Список литературы содержит 60 наименований.

Краткое изложение материала диссертации

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследований, сформулированы основные цели работы, отмечены научная новизна и практическая значимость полученных результатов, кратко изложено содержание каждой главы, приведены положения, выносимые на защиту.