Введение к работе
доктор физ.-мат. наук, профессор Ю. В. Чугунов
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 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 [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/( 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 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 fr 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 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.
Похожие диссертации на Формирование интенсивного пучка многозарядных ионов из плотной плазмы, создаваемой мощным миллиметровым излучением
