Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА I. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ПЛАЗМЕ ДЛЯ ФОКУСИРОВКИ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ПОТОКОВ БЫСТРЫХ ИОНОВ 8
1.1. Плазменные линзы 8
1.2. О неустойчивостях заряженной плазмы во внешнем магнитном поле 30
ГЛАВА П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА 34
2.1. Установка для изучения свойств плазменных линз в стационарном и импульсном режимах 34
2.2. Методика измерений 44
ГЛАВА Ш. ЭЛЕКТРИЧЕСКЖ ПОЛЯ В ЛИНЗЕ И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА СТАЦИОНАРНЫЕ ИОННЫЕ ПУЧКИ 49
3.1. Образование плазмы и степень перекомпенсации пучка электронами в короткой и длинной системах 49
3.2. О достижимых радиальных электрических полях в плазменных линзах 65
ГЛАВА ІУ. ОСОБЕННОСТИ ФОКУСИРОВКИ ИМПУЛЬСНЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ 68
4.1. Динамика образования пространственного заряда 68
4.2. Самофокусировка пучка в режиме без внешних потенциалов на электродах линзы 74
ГЛАВА У. КОЛЛЕКТИВНЫЕ КОЛЕБАНИЯ В ПЛАЗМЕННОЙ ЛИШЕ 77
5.1, Диокотронная неустойчивость в линзе 77
5.2. Электрон-ионная неустойчивость
5.3. Влияние колебаний на фокусировку ионного пучка 88
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 94
ЛИТЕРАТУРА
Введение к работе
Современное использование ионных пучков в различных областях науки и техники характеризуется расширением диапазона их энергий и токов. Для потребностей таких важных проблем как управляемый термоядерный синтез, в том числе обсуждаемый в последние годы ионный УТС, ионная технология, к настоящему времени получены пучки с токами от единиц до сотен тысяч ампер /1-3/. Они энергично впитывают в себя электроны из-за наличия больших собственных электрических полей, то есть интенсивные ионные пучки существуют в компенсированном - плазменном - состоянии /4-7/.
Применение пучков предполагает, как правило, их формирование, фокусировку либо транспортировку на значительные расстояния. Однако, традиционные способы управления и преобразования потоков в ряде случаев оказываются неэффективными либо неприменимыми. В частности, магнитные линзы являются громоздкими и энергоемкими, а при воздействии на пучки тяжелых ионов их оптическая сила мала. Для формирования высокоэнергетичных ионных потоков также наиболее целесообразно применение жесткофокусирующих систем, в которых силовые поля являются преимущественно радиальными. При прохождении компенсированного ионного пучка сквозь электростатическую линзу вакуумные поля в ней экранируются электронами и его остов фокусирующих сил не испытывает, то есть в этом случае необходимо обеспечить существование электрического поля в объеме пучка. Задача формирования интенсивных ионных пучков, таким образом, касается принципиального вопроса реализации электростатических полей в плазме.
С середины Є0 х годов в Институте атомной энергии им.И.В.Курчатова А.И.Морозовым с сотрудниками начаты исследования широкого класса систем со скрещенными EJLH полями. К ним относятся плазменные ускорители, сепараторы, электростатические плазменные ловушки, плазменные линзы /1,8-10/. Общей особенностью этих устройств является проникновение электрического поля в плазменный объем за счет эквипотенвдальности магнитных силовых линий. На основе этого принципа, полученного в результате подробного теоретического анализа /8,11/, были также сформулированы положения плазмооптики - корпускулярной оптики плотных ионных пучков с сильными электростатическими полями и обоснованы некоторые статические характеристики плазменных линз /8,13,15,16/. Затем в экспериментах /30-34/ подтвердилась большая эффективность этих линз по сравнению с обычными электростатическими и магнитными. Из предшествующих теоретических и экспериментальных работ по фокусировке ионных пучков полями пространственного заряда можно отметить /22-24/. Вместе с тем, ряд вопросов, касающихся работы линз, оставался невыясненным; детальных экспериментальных исследований процессов, определяющих эффективность воздействия линз на проходящие ионные лучки, было недостаточно.
Экспериментальное изучение статических, динамических и колебательных свойств короткой и длинной плазменных линз при формировании ими пучков средней плотности явилось целью настоящего исследования.
Выносимые на защиту основные полученные результаты заключаются в следующем:
I. Показано, что ионные пучки в области линзы могут быть в различной степени перекомпенсированы электронами в зависимости от определенных факторов; магнитные силовые являются эквипотенциалями как в компенсированном пучке, так и при нарушении квазинейтральности.
2. Выяснено влияние образующихся в линзе медленных ионов на величину и топографию электрических полей.
3. Обнаружен и изучен эффективный режим малоапертурной короткофокус - 6 ной плазменной линзы без подачи внешнего напряжения на ее электроды.
4. Установлено, что начало действия линзы на проходящий ионный пучок связано со скоростью накопления в системе электронов, при -водящих к; перестроению вакуумного распределения потенциала.
5. Определено, что длительность эффективной фокусировки импульсных пучков при значительном давлении нейтрального газа ограничивается процессом накопления в системе медленных ионов.
6 . Исследованы механизмы и характеристики обнаруженных колебаний различных частот в плазменной линзе и выяснено их влияние на фокусируемый ионный пучок.
Материалы диссертации распределены по главам следующим образом:
Существование сильных электрических полей в линзах определяется различными факторами, связанными с образованием в них плазмы, результатам исследования которых посвящена глава Ш. Рассмотрены особенности поступления в линзу электронов, приводящих к эквипо-тенциализации магнитных силовых линий, из различных источников; роль медленных ионов, рождающихся вследствие ионизации остаточного газа; эффективная самофокусировка пучка в режиме изолированных от внешних источников электродов линзы. Делается вывод о состоянии, среды в линзе в широкой области условий; оценка достижимых электрических полей, определяющих предельную оптическую силу плазменных линз; анализ опубликованных в последнее время зарубежных работ /83,84,93/ по изучению и использованию аналогичных систем.
Б связи с возможностью применения рассматриваемых линз для фокусировки импульсных ионных пучков представляет интерес изучение особенностей этого процесса. В главе ІУ приводятся данные о динамике образования пространственного заряда в короткой линзе как при установлении фокусирующих полей, так и. при их ослаблении вследствие накопления медленных ионов; более оптимальной фокусировке с точки зрения достигнутых плотностей тока в кроссовере в самосогласованном режиме.
Эффективность действия линз также обуславливается устойчивостью заряженной плазмы в их 1±Н полях. Сведения о возбуждаемых в короткой системе колебаниях приведены в главе У. Подробный анализ характеристик обнаруженных неустойчивостей позволяет идентифицировать их как диокотронную и электрон-ионную. Выяснено влияние этих неустойчивостей на степень модуляции фокусируемого пучка. Показана возможность подавления наиболее интенсивных низкочастотных колебаний подбором параметров линзы.
Изложению оригинальных результатов в диссертации предшествует обзор литературы (глава .1), в котором приведены принципы плазмо оптики"; проанализированы условия реализации электростатических полей в холодной бесстолкновительной плазме, статические характеристики плазменных линз, некоторые неустойчивости плазмы в радиальном электрическом и продольном магнитном полях. Рассмотрены эксперименты по плазменной фокусировке ионных пучков и транспортировке плотных потоков низкой энергии, а также предшествующие работы с линзами объемного заряда.
Материалы диссертации, опубликованы в работах /78,80,85,96,98, 99/, докладывались на ІУ и У Всесоюзных конференциях по плазменным ускорителям и ионным инжекторам (г.Москва, 1978 и 1982 гг.), /79,97/, на П, ІУ и У Всесоюзных семинарах по физике и технике интенсивных источников ионов и ионных пучков (г.Киев, 1979, 1981, 1983 гг).
