А. А. Панасенков доктор физико-математических наук
| Вид материала | Задача |
- Т. С. Рамазанов доктор физико-математических наук, профессор, Казну им. Аль-Фараби,, 5487.66kb.
- Карпухин В. Б., доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Высшая и прикладная, 263.95kb.
- Практических: 0 Лабораторных, 16.69kb.
- Практических: 34 Лабораторных, 20.05kb.
- Практических: 0 Лабораторных, 16.63kb.
- Практических: 34 Лабораторных, 24.5kb.
- Веселаго Виктор Георгиевич, доктор физико-математических наук, профессор мфти, область, 30.58kb.
- Практических: 0 Лабораторных, 18.53kb.
- Лекций: 34 Практических: 0 Лабораторных: 0 em введение в математику ects, 14.77kb.
- Лекций: 34 Практических: 34 Лабораторных sme. 9 Статистические методы в экономике ects, 22.54kb.
На правах рукописи
СИДОРОВ Александр Васильевич
Формирование интенсивного пучка многозарядных ионов из плотной плазмы, создаваемой мощным миллиметровым излучением
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 - 2008
Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской академии наук (г. Нижний Новгород).
Научный руководитель: доктор физико-математических наук,
профессор С. В. Голубев
Официальные оппоненты: кандидат физико-математических наук,
А. А. Панасенков
доктор физико-математических наук,
профессор Н. Ф. Ковалев
Ведущая организация: Институт сильноточной электроники СО РАН
Дата защиты « » октября 2008 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 « » июля 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
доктор физ.-мат. наук, профессор Ю. В. Чугунов
Общая характеристика работы
Актуальность темы диссертации.
Задача создания источников многозарядных ионов (МЗИ) тяжелых элементов [1-3] является одной из актуальных в настоящее время. Данные источники находят широкое применение, как в науке, так и в технике. Дело в том, что энергия ускоряемых ионов зависит от заряда иона и растет пропорционально заряду в линейных и пропорционально квадрату заряда в циклотронных ускорителях [4], то есть использование многозарядных ионов позволяет при тех же ускоряющих напряжениях получать существенно большие энергии ионов или, соответственно, снижать ускоряющие напряжения при сохранении энергии частиц. Кроме того, например, от величины заряда иона зависит эффективность его торможения в веществе [5], что может быть важно в экспериментах по получению экстремального состояния вещества [6] и, в том числе, в исследованиях по инерциальному термоядерному синтезу (ИТС) на тяжелых ионах [7], а также в онкологии [8].
Важнейшими параметрами таких источников являются ток ионного пучка и средний заряд ионов. Среди источников МЗИ необходимо отметить источники на основе разряда низкого давления, поддерживаемого в открытой магнитной ловушке электромагнитным излучением в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР). За последнее время они достигли оптимального сочетания важнейших параметров, а именно достаточно высоких величин интенсивности пучка при сравнительно высоких кратностях заряда [9, 10, 13]. В первую очередь столь существенный прогресс связан с непрерывным повышением частоты и мощности СВЧ нагрева [11-13]. В последние годы высокочастотное излучение современных гиротронов успешно используется в экспериментах с классическими ЭЦР источниками ионов [9, 10, 13]. Для удержания плазмы в таких источниках используются открытые магнитные ловушки с конфигурацией магнитного поля «минимум В» [1], 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 1∙1011 до 5∙1012 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 [9, 13]. Однако дальнейшее повышение частоты греющего излучения в таких системах оказывается ограничено рядом проблем. Строительство ловушек с конфигурацией магнитного поля «минимум 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. Поэтому актуальными являются исследования возможности создания ЭЦР источников МЗИ с магнитными ловушками осесимметричной конфигурации. Простейшей МГД-устойчивой ловушкой такого типа является ловушка антипробочной конфигурации (касп) [14].
Эксперименты, проведенные в ИПФ РАН с использованием мощного СВЧ излучения гиротрона на частоте 37.5 ГГц, подтвердили перспективность повышения частоты греющего излучения [13]. В ходе этих исследований экспериментально наблюдался принципиально другой характер удержания плазмы в ловушке, отличный от используемого в классических современных ЭЦР источниках. При достаточно высокой плотности плазмы может реализоваться так называемый квазигазодинамический режим удержания, время жизни плазмы в котором мало и не зависит от ее концентрации.
Эксперименты с ловушкой антипробочной конфигурации показали, что, несмотря на небольшое время жизни плазмы в ловушке, за счет высокой плотности плазмы параметр ее удержания (произведение концентрации плазмы на время ее жизни) может достигать достаточного уровня для эффективной генерации МЗИ [15]. В этом случае плотность потока плазмы из ловушки через ее пробки оказывается на несколько порядков выше, чем в используемых классических ЭЦР источниках, что делает возможным получение ионных пучков с рекордно высоким током. Однако задача формирование пучков ионов из плотной плазмы ЭЦР разряда представляется достаточно сложной. Это обусловлено необходимостью использования высоких экстрагирующих напряжений, особенностями формирования пучка в сильном магнитном поле, существенным влиянием пространственного заряда пучка на его распространение.
На основании проведенных в диссертационной работе экспериментальных исследований оптимальных способов формирования ионного пучка из плотной сильнонеравновесной плазмы ЭЦР разряда в тяжелых газах в ловушке со встречными полями показана возможность создания нового типа ЭЦР источника, использующего квазигазодинамический режим удержания плазмы – «квазигазодинамического» ЭЦР источника МЗИ. Основным преимуществом такого источника является возможность получения ионных пучков с током на уровне сотен миллиампер, которые востребованы на сегодняшний день и в то же время не могут быть сформированы за счет использования классических ЭЦР источников.
Особенно интересны такие источники для создания сильноточных пучков многозарядных ионов тяжелых газов для экспериментов по генерации экстремального состояния вещества [6], в исследованиях по термоядерному синтезу на тяжелых ионах [7]. Необходимо отметить перспективы использования интенсивных пучков многозарядных ионов при обработке полупроводников, например, в КНИ (кремний-на-изоляторе) – технологии [16], где используются пучки с энергией на уровне 200 кэВ, и в этом случае пучки МЗИ позволяют существенно снизить ускоряющее напряжение и упростить технологии.
Основными целями диссертационной работы являются исследование процессов создания плотных потоков плазмы из магнитной ловушки в условиях реализации квазигазодинамического режима и формирование ярких и интенсивных пучков ионов, извлекаемых из плотной плазмы СВЧ разряда.
Научная новизна исследований, проведенных в диссертации, связана с тем, что 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 более чем на порядок выше, чем в классических ЭЦР источниках МЗИ. При этом температура электронов достигала нескольких сотен электронвольт. В основной части проведенных исследований для удержания плазмы использовалась ловушка со встречными полями, которая обеспечивала стабилизацию МГД возмущений. Возможность получения с помощью ловушки касп устойчивой плазмы позволила добиться высокого уровня повторяемости экспериментальных данных и разработать эффективную систему высоковольтной экстракции.
Формирование пучков ионов из плотной плазмы ЭЦР разряда в тяжелых газах в таких ловушках с накачкой мощным СВЧ излучением гиротронов миллиметрового диапазона длин волн не исследовалось ранее. В ходе работы был исследован квазигазодинамический режим удержания неравновесной плазмы ЭЦР разряда в тяжелых газах в ловушках со встречными полями и впервые продемонстрировано, что из этой плазмы можно формировать яркие пучки многозарядных ионов. Достигнутая в ходе работы величина эмиттанс-нормализованной яркости полного пучка в 30 А/(π мм мрад)2 превышает лучшие мировые аналоги среди источников МЗИ [9, 10, 13]. Была также продемонстрирована возможность формирования интенсивных пучков многозарядных ионов с токами в несколько сотен мА при умеренном нормализованном эмиттансе, не превышающем единицу π мм мрад, что среди имеющихся в мире источников МЗИ не имеет аналогов. Впервые численно и экспериментально продемонстрирована возможность стабилизации ионного пучка (когда ток извлекаемого пучка не зависит от колебаний плотности плазмы на эмиссионной поверхности) при извлечении ионов из сверхплотной плазмы.
Научная и практическая значимость.
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 центров, эксплуатирующих ускорители тяжелых ионов. Использование плотной плазмы ЭЦР разряда с квазигазодинамическим режимом удержания позволило формировать импульсы многозарядных ионов с короткими фронтами, что определяет перспективность использования источников такого типа («квазигазодинамического» ЭЦР источника МЗИ) для генерации короткоимпульсных пучков радиоактивных ионов (20-100 мкс), производство которых требуется в рамках проекта «Beta Beam» [17]. При этом достаточно высокий ток пучка при малой площади эмиссионной поверхности обеспечивает существенный к.п.д. использования газа.
Демонстрация возможности формирования широких пучков многозарядных ионов с большим током делает возможным использование результатов диссертации в области технологии обработки поверхностей энергичными ионами, в экспериментах по программе термоядерного синтеза на тяжелых ионах, по получению экстремального состояния вещества в возобновляемых условиях. Данные, полученные в диссертации, предполагается использовать при создании сильноточного источника ионов Ar5+ для нового ускорительного комплекса тяжелых ионов SIS-100/300 в Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI, г. Дармштадт, Германия) [18].
Данные диссертации могут быть использованы в работе Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (LPSC, г. Гренобль, Франция), в Объединенном институте ядерных исследований в г. Дубна, в Институте теоретической и экспериментальной физики в г. Москва, в Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL, г. Беркли, США), в Институте сильноточной электроники СО РАН в г. Томск.
Положения, выносимые на защиту.
1. Высокая плотность потока плазмы из разряда в магнитных ловушках с квазигазодинамическим режимом удержания позволяет, при использовании одноапертурной системы экстракции с малым диаметром отверстия в плазменном электроде, сформировать пучки ионов с величиной яркости превышающей яркость известных источников ионов.
2. ЭЦР разряд в осесимметричной магнитной ловушке в квазигазодинамическом режиме удержания позволяет получить однородные в поперечном направлении потоки плазмы и сформировать, при использовании многоапертурной системы экстракции, интенсивные пучки многозарядных ионов с недостижимыми ранее характеристиками тока: сотни миллиампер с нормализованным эмиттансом менее 1 π мм мрад.
3. Предварительная ионизация газа, напускаемого в магнитную ловушку с напряженностью магнитного поля, обеспечивающей поперечное удержание плазмы, но меньшей значения соответствующего электронному циклотронному резонансу, позволяет получать новый тип инициированного разряда низкого давления с «жестким» режимом возбуждения, практически стопроцентной ионизацией газа, с квазигазодинамическим режимом удержания.
Публикации и апробация результатов.
По теме диссертации опубликовано 7 статей в рецензируемых научных журналах, 3 докладов в трудах конференций.
Результаты выполненных исследований обсуждались на научных семинарах в Институте прикладной физики РАН, Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова, Институте теоретической и экспериментальной физики, LPSC (Гренобль, Франция) и в других научных организациях. Они докладывались на Международных и Всероссийских конференциях, в том числе на 16-ом и 17-ом международных совещаниях по ЭЦР источникам ионов ( International Workshop on ECR Ion Sources США, 2004, Китай, 2006), на 10-й, 11-й и 12-й международных конференциях по ионным источникам (International Conference on Ion Sources Россия, 2003, Франция, 2005, Корея, 2007), на Всероссийском семинаре по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона (2005, Н. Новгород), на 6-ом международном совещании “Strong microwaves in plasmas” (2005, Russia), на 13-ом конгрессе по физике плазмы (International Congress on Plasma Physics, 2006, Киев), на 34-й международной конференции по управляемому термоядерному синтезу и физике плазмы (2007, Звенигород).
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 154 страниц, включая 76 рисунков. Список литературы содержит 67 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.
В главе 1 описывается экспериментальная установка и особенности функционирования основных систем, представлена применяемая в работе диагностическая аппаратура.
В разделе 1.1 приводится описание экспериментального стенда SMIS 37, на котором проводились исследования ЭЦР разряда в ловушке со встречными полями и «нерезонансного» разряда с СВЧ накачкой на частоте 37.5 ГГц. Представлена схема установки (см. рис. 1).
П
Рис. 1. Экспериментальная установка. 1 – гиротрон, 2 – СВЧ пучок, 3 – импульсный вакуумный клапан, 4 – вакуумная камера, 5 – катушки магнитной ловушки (на рисунке показаны некоторые силовые лини магнитного поля для конфигурации касп), 6 – кварцевое СВЧ окно, 7 – диагностическая камера, 8 – экстрактор, 9 – цилиндр Фарадея, либо на его место могла устанавливаться ионная линза, 10 – анализатор ионов.
одробно описываются используемые гиротрон БАЛЬЗАМ-3С и система ввода СВЧ излучения в разрядную камеру. Гиротрон имел частоту излучения 37.5 ГГц и мощность до 130 кВт при длительности импульса до 1.5 мс. В стенде SMIS 37 реализована квазиоптическая схема ввода СВЧ излучения в магнитную ловушку вдоль оси системы.
Описана магнитная ловушка, использовавшаяся для удержания плазмы, вакуумная система стенда и система напуска нейтрального рабочего газа в ловушку. Описываются разрядные камеры, которые использовались в эксперименте. А также система предварительной ионизации напускаемого газа.
В разделе 1.2 обсуждается специально сконструированная система извлечения ионов из плотной плазмы. Она рассчитана на формирование как ярких пучков (низкая величина эмиттанса при умеренном значении тока), так и интенсивных (высокие токи при умеренном эмиттансе). В целом система экстракции построена традиционной схеме. И состоит из высоковольтного источника, экстрагирующих электродов, формирующих электрическое поле необходимой конфигурации (экстрактора) и высоковольтной изоляции. Все элементы в разделе подробно описаны, в том числе различные группы извлекающих электродов, отличающиеся диаметрами отверстий и их количеством, а также протяженностью труб ускоряющих электродов (пуллеров).
В разделе 1.3 представлено описание систем транспортировки и диагностики ионного пучка. Ток пучка регистрировался с помощью стандартных цилиндров Фарадея с защитными электродами, позволяющими избавиться от влияния на величину измеренного тока вторичных электронов, выбиваемых пучком ионов при его попадании на цилиндр. Измерение пространственного распределения пучка осуществлялось с помощью подвижного цилиндра Фарадея с малым диаметром (2 мм). Система транспортировки состояла из магнитной ионной линзы и секторного отклоняющего магнита (угол поворота 420). В разделе приводится подробное описание их самих и особенностей их работы. Также подробно описываются средства для измерения эмиттанса ионного пучка и методика восстановления фазового портрета пучка по результатам этих измерений (использовался так называемый «pepper-pot» метод).
В отсутствие экстрактора для диагностики плазмы, вытекающей из ловушки, использовался одиночный ленгмюровский зонд, описанный в конце данного раздела.
В главе 2 рассмотрены особенности создания плотной неравновесной плазмы в магнитных ловушках, с использованием мощного излучения миллиметрового диапазона длин волн. В разделе 2.1 описан способ создания плазмы в условиях, когда максимальная величина магнитного поля в ловушке превышала значение, соответствующее электронному циклотронному резонансу. Разделы 2.2 и 2.3 посвящены способу создания плазмы, когда максимальная величина магнитного поля в ловушке значительно меньше резонансной.
В разделе 2.1 описаны процессы создания плотной плазмы, удерживаемой в ловушке касп в условиях квазигазодинамического режима и нагреваемой в условиях ЭЦ резонанса, и генерации в ней МЗИ.
Обосновывается использование магнитной ловушки антипробочной конфигурации. Приводится обзор предыдущих попыток использовать подобную ловушку для генерации МЗИ и объясняется их неудача.
Получена уникальная сильнонеравновесная плотная плазма, поддерживаемая мощным СВЧ излучением гиротрона в магнитной ловушке со встречными полями. Были измерены ее характерные параметры (концентрация на уровне 1013 см-3, температура электронов 50÷100 эВ, время жизни ионов на уровне 10 мкс). В экспериментах использовались различные газы (гелий, аргон), но в основном азот.
В разделе приведены результаты исследований по генерации МЗИ в плотной плазме ЭЦР разряда. Представлены полученные распределения ионов по зарядовым состояниям в азоте и аргоне (см. рис. 2). Основным ионом в азоте был N2+, N+ был приблизительно в два раза меньше, N3+ - в 5÷6 раз. Основными ионами в аргоне являлись Ar3+ и Ar4+, средний заряд был на уровне 3.5. Осциллограммы токов ионов демонстрируют хорошую стабильность плазмы.
Описана теоретическая модель на основе балансных уравнений для потока энергии и концентраций электронов с ионами, удовлетворительно описывающая результаты экспериментов по генерации МЗИ.
О
Рис. 2. Распределение ионов азота (а) и аргона (б) по кратностям ионизации в пучке. Напряжение экстракции 40 (30) кВ. Точки – экспериментально измеренный спектр, серые столбцы – результат расчета для коэффициента поглощения СВЧ 50 %, величины токов ионов N2+ и Ar3+ нормированы на экспериментально измеренное значение.
а)
б)
писывается метод расчета времени жизни плазмы при квазигазодинамическом режиме ее удержания для произвольной конфигурации осесимметричной открытой магнитной ловушки. Показано, что время жизни определяется только геометрией магнитной системы, температурой электронов и сортом рабочего газа.
В разделе 2.2 приведены результаты экспериментов по созданию плотной плазмы, поддерживаемой СВЧ излучением, в магнитной ловушке
с малым полем (ωce<<ω) в условиях реализации квазигазодинамического режима удержания. Для инициации разряда на оси магнитной системы, создавалась затравочная плазма с плотностью на уровне 1010÷1012 см-3. Разряд возникал в ловушке, если магнитное поле в пробках было более 50 мТл, порог возникновения разряда в поле одной катушки составлял 280÷330 мТл при максимальной СВЧ мощности в широком диапазоне давлений газа в камере (10-4÷10-2 Тор).
При этом, как показывают фотографии свечения плазмы и измерения пространственного распределения плазмы, выполненные с помощью одиночного ленгмюровского зонда, разряд был локализован около оси системы и имел небольшую ширину (порядка 1 см). Измеренная по электронной ветви вольт-амперной характеристики зонда температура электронов составляла около 20 эВ.
Плотность потока плазмы через пробку ловушки превышала 2 А/см2. Ток пучка, измеренный с помощью цилиндра Фарадея, составил приблизительно 3 мА в случае, когда экстрактор располагался в 10 см от пробки (плотность тока 530 мА/см2).
Средний заряд ионов в нерезонансном поле существенно меньше, чем в резонансном, что является следствием низкой электронной температуры в отсутствие ЭЦР нагрева плазмы. Тем не менее, наличие в спектре значительного количества многозарядных ионов косвенно свидетельствует о высокой степени ионизации газа в условиях эксперимента.
В разделе 2.3 приведены результаты моделирования «нерезонансного» разряда с помощью системы балансных уравнений. При этом предполагалось, что энергия электронов растет засчет омического нагрева плазмы. Выделены два случая напуска нейтрального газа в ловушку: с фиксированным числом тяжелых частиц, когда осуществляется круговорот газа в ловушке, и случай с постоянной скоростью напуска нейтрального газа извне. Прослежена картина бифуркаций на плоскости (Ne, Te) в зависимости от интенсивности падающего СВЧ излучения. Объяснена необходимость предварительной ионизации газа для инициации разряда при умеренных значениях интенсивности СВЧ излучения. Не смотря на сделанные приближения, расчеты с удовлетворительной точностью соответствуют экспериментальным интервалам мощностей и скоростей напуска газа, необходимых для развития разряда, а также измеренным параметрам плазмы.
Материалы, изложенные во второй главе, опубликованы в [1A, 5А, 8А].
В главе 3 описаны исследования особенностей формирования ионного пучка с высокой яркостью из плотной плазмы, создаваемой в магнитной ловушке в условиях квазигазодинамического режима удержания. При этом использовались одноапертурные системы экстракции с малым диаметром отверстия в плазменном электроде «квазипирсовой» геометрии.
В разделе 3.1 описаны результаты экспериментов по формированию пучка МЗИ из плотной плазмы ЭЦР разряда.
Пучок извлекался из плазмы с плотностью на уровне 1013 см-3, температурой электронов 50÷100 эВ, временем жизни ионов на уровне 10 мкс. Экстрактор перемещался вдоль оси системы, что позволяло регулировать плотность потока плазмы на экстрактор. Приведена экспериментально полученная зависимость плотности тока на плазменный электрод от расстояния до пробки магнитной ловушки. Характерный диапазон величин составлял от 50 мА/см2 до 1000 мА/см2 (см. рис. 3).
Максимальная полученная величина тока на ЦФ для двухэлектродной системы экстракции была на уровне 5 мА при плотности тока 630 мА/см2 (диаметр отверстия в плазменном электроде составлял 1 мм).
Установка третьего электрода позволила улучшить степень компенсации заряда пучка. В разделе приведена зависимость тока на ЦФ от модуля потенциала на экранирующем электроде. При превышении определенного значения величиной потенциала на втором электроде наблюдается скачок тока на ЦФ, что свидетельствует об улучшении компенсации заряда пучка. Максимальная достигнутая величина тока (при 1.5 мм апертуре в плазменном электроде) составила 6.5 мА. Что находится на уровне лучших ЭЦР и
сточников МЗИ с той разницей, что эмиттанс в данном случае благодаря малой апертуре существенно меньше (см. раздел 3.3).
В разделе 3.2 предложен метод стабилизации ионного пучка, когда ток не зависит от колебаний плазмы, из которой пучок извлекается.
Экспериментально и численно получены зависимости тока на ЦФ от плотности тока из плазмы для двухэлектродной системы экстракции. Результаты численных счетов удовлетворительно совпадают с теми, что получены в эксперименте. Характерной особенностью данной зависимости является наличие плато (см. рис. 4) при значениях плотности потока плазм
ы, существенно превышающих оптимальное. Дано аналитическое объяснение наблюдаемому явлению.
П
Рис. 4. Ток ионного пучка на выходе системы экстракции в зависимости от концентрации эмитирующей плазмы. Напряжение экстракции U=40 кВ, длина пуллера L=33 см, расстояние между электродами d=5 мм, диаметр отверстия в плазменном электроде 2r0 = 1 мм.
одобный метод можно использовать во всех источниках ионов, способных создавать достаточно плотные потоки плазмы, так как в них даже в области плато значения тока на ЦФ будут достаточно высоки, хотя и меньше соответствующих значений при оптимальной плотности. Зато в режиме плато ток на ЦФ не будет зависеть от колебаний плотности плазмы в источнике.
В разделе 3.3 приводятся результаты экспериментов по измерению эмиттанса пучка, извлекаемого из плотной плазмы ЭЦР разряда. Приводятся оценки величины эмиттанса, сделанные по величине угла расходимости пучка. Приводятся результаты экспериментов по транспортировке пучка ионов с помощью магнитной ионной линзы и секторного магнита на расстояние 2 м до цилиндра Фарадея анализатора ионов. Высокий коэффициент передачи (75÷90%) косвенно свидетельствует о низкой величине эмиттанса. Описываются эксперименты по измерению эмиттанса с помощью так называемого «pepper-pot» метода. Получены пучки ионов с величиной нормализованного эмиттанса 0.01 π мм мрад при токе 3 мА, что соответствует нормализованной яркости 30 А/(π мм мрад)2. По этому параметру газодинамический источник превосходит все существующие ЭЦР источники многозарядных ионов.
В разделе 3.4 описываются эксперименты по формированию пучка ионов из плотной плазмы «нерезонансного» разряда. Достигнутые величины токов (3 мА) и нормализованного эмиттанса (0.02 π мм мрад) свидетельствуют о высокой яркости (7 А/[π мм мрад]2).
Материалы, изложенные в третьей главе, опубликованы в [2A-4А, 6А, 9А, 10А].
В главе 4 представлены результаты экспериментов по формированию интенсивных пучков МЗИ с помощью многоапертурных систем.
В разделе 4.1 рассматриваются особенности формирования интенсивных ионных пучков. В частности, приводятся основные требования, предъявляемые к ионному источнику, выполнение которых необходимо для эффективного использования многоапертурной системы экстракции. Обосновывается перспективность использования газодинамического ЭЦР источника для получения интенсивных пучков МЗИ.
В разделе 4.2 представлены результаты экспериментов по изучению возможности эффективного использования в газодинамическом источнике многоапертурной системы. Приведены результаты экспериментов по измерению степени однородности потока плазмы из ловушки. Получено, что с точностью 10% размер области однородности в зависимости от расстояния до пробки составляет от 1.5 до 2.5 см. Данной степени однородности при характерных величинах плотности тока в несколько сотен мА/см2 вполне достаточно для формирования пучков с токами в несколько сотен миллиампер.
Приведены результаты экспериментов по формированию пучков с помощью экстрактора с 5 апертурами по 1 мм в диаметре каждая. Даже с такой системой (с небольшой площадью эмитирующей поверхности) достигнуто существенное увеличение тока на ЦФ – 12 мА. Что говорит о перспективности использования многоапертурной системы в ЭЦР источнике МЗИ с квазигазодинамическим режимом удержания.
В разделе 4.3 приведены результаты экспериментов с 13 апертурной системой экстракции. Показано (как экспериментально, так и числено, с помощью кода WARP-3D [19]), что в такой системе даже без наличия третьего электрода возможна существенная степень компенсации заряда пучка, благодаря наличию локальной потенциальной ямы для электронов в месте слияния элементарных пучков в один большой.
Достигнут ток пучка ионов порядка 150 мА (см. рис. 5) при энергии 30 кэВ. Данный результат является рекордным среди ЭЦР источников многозарядных ионов.
В разделе 4.4 описаны эксперименты по измерению эмиттанса интенсивного пучка МЗИ. Достигнута величина тока 150 мА при нормализованном эмиттансе 0.9 π мм мрад. Заметим, что величина эмиттанса уже удовлетворяет требованиям, предъявляемым крупными ускорителями тяжелых ионов к качеству пучка.
В разделе 4.5 на основе полученных результатов оцениваются перспективы использования газодинамического ЭЦР источника МЗИ в рамках международного проекта FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) [18] в качестве инжектора в линейный ускоритель для экспериментов по получению экстремального состояния вещества. Требуется сильноточный (сотни мА) пучок тяжелых ионов с масс-зарядовым соотношением 8 (например, Ar5+). Единственный критерий, которому не удовлетворяет уже существующий источник, - это величина заряда (для аргона полученный средний заряд составляет 3.5, см. раздел 2.2). Для повышения величины среднего заряда необходимо в ловушке касп увеличить эффективную длину (по расчетам до 54 см) что вполне реально.
Материалы, изложенные в четвертой главе, опубликованы в [4A, 7А].
В заключении сформулированы основные научные результаты, полученные в диссертационной работе.
Основные результаты работы
Полученные в диссертационной работе основные научные результаты заключаются в следующем.
- Исследованы особенности формирования пучков ионов из плотной плазмы разряда в магнитном поле с квазигазодинамическим режимом удержания с помощью одноапертурной двухэлектродной системы экстракции «квазипирсовой» геометрии с малым диаметром отверстия в плазменном электроде. Получены пучки ионов с яркостью, существенно превышающей яркость известных источников тяжелых ионов, использующихся в ускорителях тяжелых частиц. Для пучков многозарядных ионов азота, извлекаемых из плазмы ЭЦР разряда, поддерживаемой в ловушке со встречными полями, величина эмиттанс-нормализованной яркости достигала 30 А/(π мм мрад)2 при эмиттансе 0.01 π мм мрад, а для однозарядных пучков азота, извлекаемых из плазмы «нерезонансного разряда» – 7 А/(π мм мрад)2 при нормализованном эмиттансе 0.02 π мм мрад.
- Исследовано поперечное распределение потока плазмы из осесимметричной магнитной ловушки в режиме квазигазодинамического удержания. Использование осесимметричной магнитной ловушки со встречными полями обеспечило получение однородных по поперечным координатам потоков плазмы на экстрактор, что позволило, за счет использования многоапертурной системы извлечения ионов, более чем на порядок по сравнению с существующими источниками многозарядных тяжелых ионов увеличить ток ионного пучка. Получены пучки ионов с током 150 миллиампер при нормализованном эмиттансе 0.9 π мм мрад.
- Экспериментально и теоретически исследована зависимость тока ионного пучка, формируемого двухэлектродной экстрагирующей системой с протяженным пуллером, от плотности потока плазмы. Обнаружено, что ионный ток источника многозарядных ионов с квазигазодинамическим режимом удержания при высокой плотности потока плазмы практически перестает зависеть от ее величины. Предложен и экспериментально реализован способ подавления шумов и стабилизации ионного пучка за счет использования режима со «сверхплотной» плазмой.
- Продемонстрирована возможность повышения степени компенсации ионного пучка, сформированного двухэлектродной многоапертурной системой, за счет образования запирающего для вторичных электронов потенциала в месте слияния элементарных пучков.
- Обнаружен и исследован новый тип инициированного разряда низкого давления в магнитном поле, обеспечивающем поперечное удержание плазмы, но с величиной значительно меньше соответствующей электронному циклотронному резонансу. Показано, что предварительная ионизация напускаемого в ловушку газа позволяет получить разряд с квазигазодинамическим режимом удержания при интенсивностях СВЧ излучения гораздо более низких, чем без предварительной ионизации. Построена теоретическая модель, качественно объясняющая наблюдаемые явления и характерные параметры разряда (почти стопроцентная степень ионизации, низкая температура электронов – порядка 10 эВ, необходимость предварительной ионизации).
Список цитируемой литературы
1. Geller, R. Electron cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas / R. Geller. – Bristol: Institute of Physics, 1996. – 443 с.
2. Donets, E. D. Electron beam ion sources and their development at JINR. / E. D. Donets // Rev. Sci. Instrum. 1990. V. 61, № 1. P. 225-229.
3. Bykovsky, J. A. Laser-plasma ion sources/ J. A. Bykovsky // Rev. Sci. Instrum. 1992. V. 63, №4. P. 2788.
4. Голованивский, К. С. Ионные источники на основе электронного циклотронного резонанса (обзор) / К.С. Голованивский, В.Д. Дугар-Жабон // Приборы и техника эксперимента. 1991. № 4. С. 8-18.
5. Hoffmann, D. H. H. Present and future perspectives for high energy density physics with intense heavy ion and laser beams / D. H. H. Hoffmann et al // Laser Part. Beams. V.23, p. 47, 2005.
6. Фортов, В. Е. Интенсивные ионные пучки для генерации экстремальных состояний вещества / В. Е. Фортов, Д. Хоффманн, Б. Ю. Шарков // УФН. 2008. Т. 178, вып. 2. С. 113-138.
7. Kwan, J.W. High current injectors for heavy ion driven inertial fusion/ J. W. Kwan // Rev. Sci. Instrum. 2000. V. 71, №2. P. 807-809.
8. Suit, H. The Gray lecture 2001: coming technical advances in radiation oncology/ H. Suit // Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 2002. V. 53. P. 798.
9. Leitner, D. First Results of the Superconducting ECR Ion Source Venus with 28 GHz / D. Leitner, C.M. Lyneis, S.R. Abbot et al // Proc. 16th Intern. Workshop on ECR Ion Sources, 26 – 30 September 2004. Melville, New York, 2005. P. 3-9.
10. Zhang, Z. M. Experiments and modification on electron cyclotron resonance ion sources at the Institute of Modern Physics / Z. M. Zhang, H. W. Zhao, L. T. Sun et al. // Review of Scientific Instruments. 2006. V.77, № 3, part 2. 03A308.
11. Geller, R. ECRIS - closing remarks / R. Geller // Journal de Physique. Colloque C1. Suppl. Nl, 1989. V. 50. P. 887-892.
12. Geller R. The upgrading of the multiply charged heavy-ion source Minimafios. / Geller R., Jacquot B., Sortais P. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. 1986. V. A243. P. 244-254.
13. Bouly, J. L. High current density production of multicharged ions with ECR plasma heated by gyrotron transmitter / J. L. Bouly, J. C. Curdy, R. Geller, S. V. Golubev et al // Rev. Sci. Instrum. 2002. V. 73, №2. P. 528-530.
14. Haines, M. G. Plasma Containment in Cusp-Shaped Magnetic Fields / M. G. Haines // Nuclear Fusion. 1977. V. 17. P. 811.
15. Боханов, А. Ф. Создание плотных потоков многозарядных ионов из ЭЦР источника на базе ловушки со встречными полями с квазигазодинамическим режимом удержания плазмы/ А. Ф. Боханов, В. Г. Зорин, И. В. Изотов и др. // Физика плазмы. 2007. Т. 33, № 5. С. 385-394.
16. Shahide, G. G. SOI technology for the GHz era / G. G. Shahide // IBM Journal of Research and Development. V. 46, № 2/3. P. 121-131.
17. .web.cern.ch/beta-beam/.
18. Henning, W. F. The future GSI facility / W. F. Henning // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B. 2004. V. 214. P. 211.
19. Grote, D. P. Nuclear Instruments. New developments in WARP: Progress toward end-to-end simulation / D. P. Grote, A. Friedman, I. Haber, W. Fawley, and J.-L.Vay // Methods of Physics Researches, Sect. A. 1998. V. 415. P. 428-432.
Список публикаций по теме диссертации
1А. Водопьянов, А. В. Динамика СВЧ разряда в магнитном поле в условиях сильной предварительной ионизации газа / А. В. Водопьянов, С. В. Голубев, В. Г. Зорин, С. В. Разин, А. В. Сидоров, В. А. Скалыга, А. Г. Шалашов // Изв. Вузов: Радиофизика. 2003. Т. 46, № 8-9. С. 822-829.
2А. Golubev, S.V. High Current Density Ion Beam Formation from Plasma of ECR Discharge / S. V. Golubev, S. V. Razin, A. V. Sidorov, V. A. Skalyga, A. V. Vodopyanov, V. G. Zorin // Rev. Sci. Instrum. 2004. V.75, №5. P. 1675-1677.
3А. Sidorov, A. High current density ion-beam extraction / A. Sidorov, V. Zorin, A. Balabaev, S. Kondrashev // Radiation Effects&Defects in Solids. 2005. V. 160, № 10-12. P. 495-497.
4А. Sidorov, A. Ion beam formation in a gas-dynamic electron cyclotron resonance ion source / A. Sidorov, I. Izotov, S. Razin, V.Skalyga, V. Zorin, A. Balabaev, S. Kondrashev, A Bokhanov // Rev. Sci. Instrum. 2006. V.77, №3. P. 03A341.
5А. Skalyga, V. Gasdynamic ECR Source of Multicharged Ions Based on a Cusp Magnetic Trap / V. Skalyga, V. Zorin, I. Izotov, S. Razin, A. Sidorov, A. Bohanov // Plasma Sources Science and Technology. 2006. V. 15. P. 727-734.
6А. Sidorov, A. Noise Suppression and Stabilization of an Ion Beam Extracted from Dense Plasma / A. Sidorov, M. Dorf, V. Zorin, A. Bokhanov, I. Izotov, V. Skalyga, A. Vodopyanov // Journal of Applied Physics. 2007. V.102, №5. P. 054504.
7А. Sidorov, A. Multi-aperture ion beam extraction from gas-dynamic electron cyclotron resonance source of multicharged ions / A. Sidorov, M. Dorf, A. Bokhanov, I. Izotov, S. Razin, V. Skalyga, V. Zorin, A. Balabaev, P Spädtke, J. Roßbach // Rev. Sci. Instrum. 2008. V. 79, №2. P. 02A317.
8А. Водопьянов, А. В. Создание плотной плазмы в прямой магнитной ловушке с малым полем / А. В. Водопьянов, С. В. Голубев, В. Г. Зорин, С. В. Разин, А. В. Сидоров, В. А. Скалыга, А. Г. Шалашов // Труды конференции “Физика низкотемпературной плазмы ФНТП-2004”, 28-31 июня 2004. Петрозаводск, 2004. Т.1. С. 174.
9А. Izotov, I. Formation of Ion Beam from High Density Plasma of ECR Discharge / I. Izotov, S. Razin, A. Sidorov, V. Skalyga, V. Zorin, R. Geller, T. Lamy, P. Sortais, T. Thuillier // Proceedings of the 16th International Workshop on ECR Ion Sources 'ECRIS'04', 26-30 September, 2004. Melville, New York, 2005. P. 219-222.
10А. Golubev, S. Multicharged ion formation in plasma of electron cyclotron resonance discharge / S. Golubev, A. Bokhanov, I. Izotov, S. Razin, A. Sidorov, V. Skalyga, A.Vodopyanov and V. Zorin // Proceedings of 13th International Congress on Plasma Physics ‘ICPP’06’, 22-26 May, 2006. Kiev, 2006. D113p.