Введение к работе
Актуальность темы диссертации определяется широким примене-шем пучков атомов и отрицательных ионов водорода для дополнитель-юго нагрева плазмы в термоядерных установках, мезонных фабриках, іучковом оружии, п материаловедении и др. Для целого ряда задач требу-этся ускоренные пучки атомов с минимально возможной расходимостью і большими токами. Достижение таких предельных параметров пучков щределяется физическими процессами в источнике и в тракте ускорителя, исследование которых представляет несомненный интерес как в фактическом приложении, так и в чисто научном аспекте. При этом іа всех этапах получения и ускорения ионов Н~ чрезвычайно актуаль-гай является проблема невозмущающего контроля основных параметров гучков и плазмы источников.
В линейных сильноточных ускорителях используются различные мо-шфнкации источников ионов Н~ с сильноточным тлеющим разрядом ї водороде с добавлением цезия, имеющим очень малые объемы плазмы. Физические процессы и характеристики плазмы подобных разрядов фактически не изучены, поскольку на параметры плазмы разрядов су-цествешюе влияние оказывают неравновесные процессы на электродах. Это не позволяет использовать для расчета параметров плазмы простые теоретические модели локального термодинамического равновесия. Ма-іая толщина плазменных слоев подобных разрядов, влияние магнитного юля источника и адсорбция цезия не дают возможности использования юндовых методов диагностики для измерения параметров плазмы таких эазрядов, которые определяют температуру атомов н ионов водорода и, :ледовательно, расходимость пучков.
Высоконнтенснвныс пучки ионов II- транспортируются по ускорительным трактам линейных ускорителен большой длины с лнмптпро-занпым угловым аксептапсом и для того, чтобы пучок не коснулся сте-:юк тракта, необходимо точно знать расходимость пучка и его положе-ше в пространстве. Знание радиального распределения плотности тока тт шпттанса пучков необходимо также для оптимизации пнжекции и ускорения. Однако плотности мощности в таких пучках достигают такого уровня, когда применение зопдовых методов диагностики становится не-зозможным из-за разрушения пучка и значительного повышения фона радиации. Поэт-ому наиболее адекватными методами исследования параметров пучков и плазмы разрядов источников ионов Н- являются спектроскопические методы.
Одним из наиболее перспективных методов нейтрализации пучков отрицательных ионов и получения пучков атомов является метод фотонейтрализации пучков отрицательных ионов с помощью лазерного излучения. Высокая эффективность фотонейтрализации отрицательных ионов и ее слабое влияние на параметры получаемого нейтрального пучка ставит на новую основу проблему получения пучков нейтральных частиц. На сечение фотопейтрализации отрицательных ионов значительное влияние оказывают допплеровское уширение, электрические и магнитные поля, ускорение ионов электрическим полем и кулоновское рассеяние ионов. Исследование резонансного фотоотрыва электрона от слабо связанной системы, какой является отрицательный ион водорода, дает богатую информацию о механизме электрон-атомного взаимодействия, характеристиках квантовых переходов, радиационной и столкновительной релаксации и других процессах, важных для многих областей физики.
Эффективным инструментом воздействия на пучки атомОв и ионое могут- служить твердотельные лазеры, обладающие уникальными параметрами излучения: высокой импульсной мощностью, широким диапазоном перестройки длины волны излучения, компактностью и долговечностью. Сфера их применения в самых различных областях науки и техники расширяется как благодаря появлению новых широко перестраиваемых по длине волны излучения активных твердотельных сред, так и развитию более совершенных методов управления их характеристиками излучения. Твердотельные лазеры широко используются в физике пучков для получения ускоренных пучков атомов при фотопейтрализации ионов Н- [1, 2], для исследования структуры автоионизационных резо-нансов ионов Н~ [3, 4], для бесконтактной диагностики пучков ионов Н~ по фотоэлектронам [5].
Цель работы заключалась в: исследовании процессов резонансной к нерезонансной фотопейтрализации ионов II" ускоренных пучков поляризованным лазерным излучением и получении пучков атомов водорода « минимально возможной расходимостью; поиске методов увеличения эффективности фотонейтрализации и устранении факторов, приводящих к ее падению; разработке методов бесконтактной диагностики пучков к плазмы разрядов источников ионов Н"; создании мощных одночастотньи перестраиваемых твердотельных лазеров для эффективного воздействш на пучки атомов и ионов.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
1. Впервые экспериментально исследована нерезонансная фотонейтрализация пучков ионов Н- поляризованным лазерным излучением и данг теоретическая интерпретация полученных результатов.
-
Впервые теоретически исследовано влияние на фотоотрывные резо-тнсы циклотронного -замапшчипанйяТюнов II" в релятивистских пучках в магнитном поле.
-
Впервые рассмотрено влияние эффектов Штаркап Зеемана, ускоре-шя попов электрическим нолем и кулоновского рассеяния ионов на формирование фооотрывных резонаисов пучка ионов II-.
-
Предложен метод лазерной допплеровской спектроскопии пучков аля эффективного измерения расходимости атомных и ионных пучков.
-
Впервые исследованы пространственно-временные характеристики плазмы разрядов источников ионов II- спектроскопическими методами и ; высокой точностью измерены основные ее параметры.
Практическая значимость. Результаты работы позволяют оптимизировать процесс фотонептрализащш пучков ионов Н~, увеличить его эффективность и получать пучки атомов водорода с расходимостью близкой к исходному пучку ионов, достаточно точно измерить константу угловой асспметріш пучка /?, расчет которой чрезвычайно сложен. Разработанные бесконтактные методы диагностики позволяют определять основные параметры ускоренных пучков п плазмы разрядов источников ионов II". Созданные мощные одночастотные перестраиваемые твердотельные лазеры и различных режимах находят широкое применение в физике пучков, лазерной и атомной спектроскопии, фотохимии, оптике атмосферы, голографии, экологии и целом ряде других областей.
Основные положення, выносимые на защиту:
-
Обнаружение и исследование полярнзационно-угловой анизотропии фотонейтрализацшг пучков ионов II-.
-
Теоретическая модель влияния постоянного однородного магнитного поля на эффективность фотонейтрализации пучков ионов Н-.
-
Теоретическая модель влияния на формирование фотоотрывных резонаисов пучков ионов И- ускорения ионов электрическим полем, кулоновского рассеяния ионов и эффектов Штарка и Зеемана.
-
Метод лазерной допплеровской спектроскопии для эффективного измерения расходимости пучков атомов и ионов.
-
Исследование характеристик плазмы разрядов источников ионов II-.
Личный вклад соискателя. Содержание диссертации основано на опубликованных работах, в которых вклад автора был основополагающим. Автору принадлежит постановка экспериментов, создание экспериментальных установок, творческое участие в обработке полученных результатов и написание статей.
Апробация работы. Результаты, вошедшие в диссертацию, быт доложены на 5 и 6-м Международных симпозиумах по получению нейтральных пучков отрицательных ионов (США, Брукхэвн, 1989,1992 гг.) IX, X, Х1-м Всесоюзных семинарах по физике и технике интенсивных источников ионов и ионных пучков (Киев, 1989,1990,1991 гг.), 1-й Всесоюзной конференции по оптическим методам исследования потоков (Новосибирск, 1991 г.), ХН-м Всесоюзном семинаре по линейным ускорителя** заряженных частиц (Харьков, 1991 г.), ХІ-й Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений (Чебоксары, 1991 г.) 3, 4, 5-м Семинарах по перестраиваемым лазерам и их применению і метрологии. (Сухуми, 1989 г.; Киев, 1990 г.; Ленинград, 1991 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех разделов, содержащих восемь глав и заключения. Ее полный объем составляет 292 стр., включая 174 стр. текста, 147 рисунков, 2 та блицы и библиографию из 308 названий.
