Содержание к диссертации
Введение 1
Ї Физические и технические аспекты получения пучков многозарядных
ионов 6
1 Основные процессы в плазме при получении мпогозарядных ионов в ЭЦР-
источнике 6
-
Процессы ионизации 6
-
Потери ионов в плазме 9
-
Условия получения многозарядных ионов 12
2 Описание метода 1+ —> п+ 14
2.1 Метод "backward injection" 17
-
Метод "forward injection" 19
-
Примеры реализации метода 1+ —> п+ 21
-
Инжекция в источник MINIMAFIOS 21
-
Инжекция в источник CAPRICE 23
-
Инжекция в источник PHOENIX 26
-
Описание проекта DPJBs 28
-
Выводы и подстановка задачи 30
II Конструкция ионного источника DECRIS-4 33
1 Основные принципы работы ЭЦР~источников 33
-
Магнитное удержание 33
-
Повышение энергии плазменных электронов 35
-
Методы повышения интенсивности пучков мпогозарядных ионов . 36
-
Bias - электрод 37
-
Gas mixing 38
-
Подача двух (нескольких) СВЧ - частот 39
Оглавление
1.4 Примеры конструкции источников 39
2 Магнитная структура источника DECRIS - 4 43
-
Система формирования аксиального магнитного поля с плоским минимумом 43
-
Система формирования радиального магнитного поля 48
-
Особенности конструкции плазменной камеры ионного источника .... 55
-
Сравнение параметров DECRIS-4 с традиционным источником CAPRICE типа 57
III Система ввода вторичных пучков однозарядных ионов в плазменную
камеру источника 59
-
Математическое моделирование системы ввода 59
-
Конструкция системы ввода 73
-
Выводы 78
IV Экспериментальная часть. 80
1 Описание экспериментальной установки SO
-
СВЧ-сиетема 81
-
Система инжекции рабочих веществ 82
-
Вакуумная система источника 82
-
Система транспортировки и анализа ионного пучка 83
-
Вспомогательные подсистемы 84
2 Получение пучков многозарядных ионов 85
-
Исследование влияния распределения аксиального магнитного поля на выход многозарядных ионов 89
-
Изучение влияния положения плазменного электрода на интенсивность извлекаемого пучка многозарядных ионов 91
-
Изучение зависимости выхода мпогозарядиых ионов от вводимой СВЧ-мощности 93
3 Выводы 97
Заключение 99
Литература 103
Введение к работе
Ускорители заряженных частиц в настоящее время широко используются во многих странах мира. Исследования на пучках тяжелых ионов в широком диапазоне масс и энергий представляют большие возможности для решения как фундаментальных научных проблем, так и важнейших прикладных задач.
В ядерной физике с тяжелыми ионами связан значительный прогресс в области синтеза новых элементов, деления ядер (явление изомерии формы, запаздывающие деление, закономерности спонтанного деления трансфермиевых элементов), изучение свойств ядер вблизи границы устойчивости (эмиссия запаздывающих протонов и а~ частиц, определение стабильности нейтронноизбыточных легких ядер), исследования механизма взаимодействия сложных ядер (образование составных ядер с высоким угловым моментом, реакции передачи, ядерные квазимолекулы и др.). Повышение энергии тяжелых ионов позволяет исследовать взаимодействие сложных систем, состоящих из большого числа нуклонов, в которых проявляются коллективные эффекты, связанные со свойствами ядерной материи кулоновскими и поверхностными силами, сжимаемостью и вязкостью ядерного вещества.
Большие перспективы также связаны с использованием тяжелых ионов в целом ряде научно-технических и прикладных областей. Здесь кроме первичного излучения - ускоренного пучка частиц из ускорителя или пизко-эпергетичпого пучка прямо из ионного источника, часто используется также вторичное излучение, возникающее в процессе взаимодействия пучков с мишенями (взаимодействие с электронными оболочками атомов или молекул в веществе, неупругие столкновения с ядрами в веществе, ядерные реакции). Эти эффекты довольно часто применяются в промышленности, например для имплантации ионов; дефектоскопии; стерилизации инструментов; радиационной химии. В медицине эти эффекты используются для радиотерапии быстрыми нейтронами; в производстве радио-фарм-препаратов для диагностики; протонной терапии глаз и т.д..
К современным ускорительным комплексам тяжёлых ионов таким образом предъ-
Введение являются все более жёсткие требования по повышению энергии и интенсивности ускоренных пучков, обеспечению долговременной.стабильности пучка, снижению энергетического разброса пучка для проведения прецизионных исследований в области ядерной спектроскопии. Кроме того, в последнее время повышается интерес к ускоренным пучкам редких и радиоактивных изотопов. Использование вторичных пучков радиоактивных ядер значительно расширяет возможности исследования свойств атомных ядер и изучения ядерных реакций. К основным областям применения вторичных пучков можно отнести следующие:
Исследование свойств атомных ядер, расположенных вдали от острова стабильности.
Изучение особенностей динамики ядерных реакций для вышеупомянутых ядер.
Синтез и изучение свойств новых элементов и изотопов.
В соответствии с планом развития ЛЯР ОИЯИ, получение и исследование экзотических ядер является одним из главных научных направлений. В проекте DRIBs (Dubna Radioactive Ion Beams) [1, 2] предполагается использование ускорителя первичного ионного или электронного пучка для генерации радиоактивных ядер и их дальнейшее ускорение. В других крупных научных центрах предполагается развитие аналогичных проектов, таких как SPIRAL (GANIL, France) [3, 4], ISAC (TRIUMF, Canada) [5, 6], REX-ISOLDE (Cera, Switzerland) [7], RIBF (Riken, Japan) [S, 9, 10].
Одним из составных элементов ускорительного комплекса, во многом определяющим его параметры, является ионный источник. Одним из наиболее эффективных способов получения интенсивных и высокозарядных пучков является использование ионного источника ЭЦР-типа (источник с повышением энергии плазменных электронов СВЧ-волной в области Электронного Циклотронного Резонанса). В настоящее время почти во всех крупных ускорительных центрах используются источники ЭЦР-типа, что подтверждает существенный прогресс в развитии ЭЦР источников. Основными преимуществами ЭЦР-ист очников являются: стабильность и долговременность работы (несколько недель для газообразных рабочих веществ) широкий набор ионов (практически все элементы периодической таблицы Менделеева)
Введение высокая интенсивность пучка (до 2 мА для Лг8+ и Os+ и несколько десятков, даже сотен микроампер для ионов твердых веществ) возможность получения ионных пучков с достаточно высоким зарядом (до ВгАі+ или Хе37+) простота управления во время эксплуатации (до 2-5 настраиваемых параметров)
В настоящее время большинство ЭЦР-источников работают па частоте в диапазоне от 6,4 ГГц до 28 ГГц. Получение многозарядных ионов при использовании относительно низких частот СВЧ-пакачки в значительной степени затруднено процессами перезарядки многозарядных ионов па нейтральных атомах. При повышении частоты накачки до уровня 14, 18 или даже 2S ГГц, концентрация нейтральных атомов иа оси разрядной камеры пренебрежимо мала и процессы перезарядки вносят незначительный вклад в потери многозарядных ионов. В результате этого интенсивность извлекаемых из источника ионных токов может быть увеличена.
Однако развитие ЭЦР источников по прежнему остается актуальной задачей, так как в значительной мере определяет возможности циклотронов тяжелых ионов, линейных ускорителей, синхротронов, коллайдеров тяжелых ионов нового поколения или ускорителей радиоактивных пучков. Необходимо отметить, что современные ЭЦР-ис-точпики имеют широкий спектр параметров, таких как максимальная интенсивность, максимальный заряд ионов, габариты, потребляемая мощность, радиационная стойкость, стоимость и т. д. Разработка ионного источника, таким образом, для каждого конкретного случая позволяет выбрать оптимальный вариант для решения поставленной задачи.
Целью данной работы являлось:
Разработка и создание ионного источника с модифицированным распределением аксиального магнитного поля («плоским минимумом*) в области резонансной зоны;
Математическое моделирование системы ипжекции пучка однозарядных ионов в плазменную камеру ионного источника;
На защиту |выносятся следующие положения:
1. Разработан и создан ионный источник с модифицированным распределением осевого магнитного поля («плоским минимумом») в области резонансной зоны. Для
Введение реализации требуемого распределения магнитного поля используется только одна дополнительная катушка и специальная конфигурация железных масс.
Получены интенсивные пучки многозарядиых ионов (40Лг8т — 320^А; 1606+ — 370juA; тКг12 — 85/аА.) при относительно низком (до 150 Вт) уровне вводимой СВЧ-мощности,
В результате проведенных экспериментов показано, что модифицированное распределение магнитного поля в области резонанса обеспечивает более эффективное поглощение электронами плазмы вводимой СВЧ-мощности.
Оптимальное распределение аксиального магнитного поля для получения ионов средних зарядов имеет максимумы в диапазоне 1.1-1,2 Т. При этом в области резонансной зоны уровень магнитного поля лежит в области 0.46 - 0.5 Т и является спадающим по направлению к области экстракции.
В результате расчетов определена конструкция системы ввода пучка однозарядных ионов в источник DECRIS-4. Найдено оптимальное расположение) а также параметры оптических элементов трассы для обеспечения ввода пучка с максимальной эффективностью.
Конструкция ионного источника позволяет использовать его как инжектор многозарядных ионов для циклотрона У—400 с целью повышения эффективности получения пучков ионов обогащенных изотопов, а также, после некоторой модификации со стороны инжекции, и как «charge breeder» для второй стадии проекта DRIBs.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
В Главе Г описаны физические и технические аспекты получения пучков многозарядиых ионов, в том числе и вторичных пучков с помощью метода 1+ —* п+. Рассмотрены элементарные процессы в плазме ЭЦР-источиика при получении многозарядных ионов, а также возможные процессы приводящие к их потерям. Достаточно подробно рассмотрен процесс получения мпогозарядиых ионов методом трансформации 1+ —» n4" ("charge breeding"). Приведено несколько возможных схем использования этого метода и обсуждается выбор наиболее подходящего варианта для реализации во второй стадии проекта DRIBs.
Введение
