Диссертация посвящена решению задач формирования пучков ионов с большой фазовой плотностью тока, предназначенных для сильноточных ускорителей заряженных частиц.
Такие ускорители широко используются в различных областях науки и техники [1]. В технологиях, связанных с медициной [2], производством новых материалов [3], обнаружением и мониторингом делящихся веществ [4], построением ускорительных комплексов (драйверов) для управляемого термоядерного синтеза, обладающих гигантской импульсной мощностью [5], исследованием космоса [6] требуются сильноточные ускорители, способные ускорять ионы до высоких энергий.
При построении подобных установок необходимо решать задачи как по обеспечению большой пропускной способности ускоряющих структур, так и по достижению вырокого темпа ускорения заряженных частиц.
Во многом трудности, связанные с увеличением пропускной способности ускоряющих секций сильноточных ускорителей, удалось решить с открытием принципа пространственно-однородной квадрупольной фокусировки (ПОКФ) [7]. Наиболее высокий темп ускорения достигнут в ускорителях с фазопере-менной фокусировкой (ФПФ). Применение многолучевых ускорителей такого типа позволяет ускорять сильноточные пучки ионов [8].
Для изучения вопросов, связанных с прохождением сильноточного пучка через ускоряющие секции, в ИТЭФ был разработан и запущен в эксплуатацию прототип начальной части ускорительного комплекса тяжёлых ионов, предназначенного для изучения проблем инерционного термоядерного синтеза — линейный ускоритель тяжёлых ионов с пространственно-однородной фокусировкой ТИПр-1 [9]. Проблемы, связанные с достижением высокого темпа одновременного ускорения нескольких пучков, изучались на ускорителе протонов с многоапертурной ускоряющей структурой. В этом ускорителе ионы ускорялись высокочастотным (ВЧ) электрическим полем, и использовался принцип фазопеременной фокусировки [10]. Источником ионов (ИИ) в многолучевом ускорителе протонов служил дуоплазматрон с безнакальным катодом [11]. Такой ИИ обеспечивает работу линейного ускорителя «И-2», являющегося инжектором протонного синхротрона ИТЭФ, на котором проводятся работы по увеличению тока ускоряемого пучка. Модифицированный вариант дуоплазматрона.
9 +4 использовался при ускорении ионов Хе иХе в ускорителе ТИПр-1 [12].
Результаты теоретических [13] и экспериментальных исследований, проведённых в ИТЭФ на упомянутых выше установках [9, 14], показали, что для дальнейшего увеличения тока ускоренного пучка требуются источники ионов, способные генерировать пучки с большим током и малой величиной эмиттанса.
Целью диссертации является разработка физических способов и технических решений, позволяющих увеличивать фазовую плотность тока и уменьшать фазовый объём пучков, извлекаемых из источников ионов плазматронного типа с электрическим разрядом, и генерировать в них ионы газов и металлов.
Этот тип источников выбран для разработки потому, что они генерируют сильноточные пучки с большим количеством ионов и удовлетворяют условию применения в перечисленных выше ускорителях. Такие ИИ представляют интерес, для решения проблем термоядерного синтеза.
Обобщим факторы, влияющие на достижение поставленной цели:
• Наличие остаточного газа на траектории движения ускоренного пучка ионов приводит к потере тока пучка в результате перезарядки и рассеяния его ионов на молекулах и атомах газа. Кроме того, ускоренные частицы, ионизируя молекулы остаточного газа, образуют в области дрейфа пучка вторичную плазму, электрические поля и плазменные колебания которой увеличивают фазовый объём проходящего ансамбля заряженных частиц. Перечисленные эффекты препятствуют получению сильноточных пучков ионов с большой фазовой плотностью тока и малой величиной эмиттанса [13, 15]. Практика эксплуатации линейного ускорителя И-2 показала, что основной компонентой остаточного газа на траектории движения пучка заряженных частиц является неионизированный газ, вытекающий из генератора плазмы [11]. Эксперименты, проведённые на этом ускорителе, свидетельствуют о том, что уменьшение потока остаточного газа на выходе дуоплазматрона приводит к повышению фазовой плотности тока пучка протонов в инжекторе и увеличению ускоренного тока пучка на выходе ускорителя И-2 [16]. Таким образом, понижение потока остаточного газа, вытекающего из источника ионов, является важным фактором увеличения фазовой плотности тока пучка при получении ионов газов. Максимальная величина плотности тока в пучке заряженных частиц, которую может обеспечить плазменный эмиттер, зависит от плотности плазмы в нём [17]. Эмиттанс инжектируемых ионных пучков увеличивается с ростом температуры эмиттера [15, С. 286]. Величина и форма фазового объёма пучка, экстрагируемого из плазмы, связаны с состоянием и формой поверхности эмиссии ионов, которые зависят от уровня шумов в плазме [18]. С учётом перечисленных факторов для увеличения фазовой плотности тока пучка необходимо формировать на выходе источника ионов плазму с низким уровнем собственных шумов, высокой плотностью заряженных частиц и малой температурой ионов. Среди существующих методов повышения плотности плазмы на выходе ИИ плазматронного типа выделим генерацию плазмы в двухступенчатом электрическом разряде, в котором плазма первой ступени является эмиттером электронов для формирования на выходе источника ионов второй ступени разряда [19]. Представителем таких источников являются дуоплазматроны. Практически во всех ИИ с двухступенчатым электрическим разрядом для повышения плотности плазмы применяют магнитное поле. Наличие магнитного поля на выходе дуоплазматронов приводит к росту температуры и шумов в плазме, что способствует увеличению фазового объёма и уменьшению фазовой плотности тока инжектируемого пучка ионов. Источники ионов без магнитного поля (ИБМ источники), в которых плазма образуется при горении электрической дуги в газе, характеризуются ма-лошумящей (спокойной), низкотемпературной плазмой, они способны инжектировать пучки ионов с малой величиной эмиттанса [20]. Но отсутствие в таких генераторах ионов специальных механизмов удержания заряженных частиц в электрическом разряде приводит к уменьшению плотности плазмы, понижая эффективность использования электрической мощности и рабочего газа в ИИ. Тем не менее, ИБМ показывает, что электрические разряды, в плазме которых нет магнитного поля, позволяют формировать пучки ионов с малым фазовым объёмом. • Для получения ионов металлов широко используют способ генерации плазмы в вакуумной дуге электрического разряда, горящего в парах металла (metal vapor vacuum arc), реализуемый в источниках MEVVA [21]. Пучки ионов, инжектируемые такими источниками, характеризуются большой нестабильностью амплитуды и формы импульсов тока как во время горения электрического разряда, так и от импульса к импульсу. Проведённое обобщение показывает, что известны методики, позволяющие увеличивать фазовую плотность тока пучка при получении ионов газов, и, что широкому применению разрядов MEVVA для инжекции ионов металлов в ускоритель заряженных частиц препятствует низкая стабильность амплитуды и формы генерируемых импульсов тока пучка. В выбранном для разработки классе ИИ в настоящее время отсутствует метод, позволяющий объединить в одном источнике возможности существующих методик.
Для генерации сильноточных пучков ионов газов и металлов с малым фазовым объёмом в диссертации требовалось решить следующие задачи:
• Разработать способы и технические решения, позволяющие уменьшить поток неионизированного газа, вытекающего из ИИ, и проверить их на действующих ускорителях и генераторах заряженных частиц.
• Разработать способ формирования низкотемпературной плазмы с высокой плотностью заряженных частиц, используя многоступенчатые электрические разряды, в которых отсутствует магнитное поле. Создать ИИ плазма-тронного типа с безнакальным катодом, в котором используется многоступенчатый электрический разряд с высокой плотностью плазмы в начальных ступенях и отсутствием магнитного поля в конечной ступени разряда на выходе источника. В диссертации этот ИИ получил название МП-дуоплазматрон, поскольку он является источником плазматронного типа и в нём применяется мультипольное магнитное поле, не проникающее в плазму электрического разряда.
• Разработать безнакальный катод, позволяющий формировать в МП-дуоплазматроне двух и трёх ступенчатые электрические разряды различного типа, и генерировать пучки ионов газов и металлов без изменения конструкции источника. На действующих ускорителях проверить возможность ин-жекции из плазмы многоступенчатых разрядов MEVVA, полученных в МП-дуоплазматроне с таким катодом пучков ионов различных металлов с большой фазовой плотностью тока, малой величиной эмиттанса и стабильными по амплитуде и форме импульсами тока.
• Разработать инжектор ускорителя протонов для 19-ти апертурной ускоряющей структуры с ФПФ, в котором генераторами ионов являются дуоплазма-трон, аналогичный по конструкции ИИ, установленному на ускорителе И-2, и МП-дуоплазматрон. Провести эксперименты по ускорению пучков, генерируемых этими ИИ в разработанном ускорителе.
• На действующих ускорителях показать, что разработанные способы и технические решения позволяют увеличивать ускоряемый в них ток ионов. Структура настоящей работы составлена таким образом, что в первой главе рассмотрены актуальность и предпосылки для генерации пучков ионов с большой фазовой плотностью тока и малой величиной фазового объёма. Проведён обзор современного состояния методов генерации сильноточных пучков ионов газов и металлов с малой величиной фазового объёма. Определён класс источников заряженных частиц, для которого будут решаться поставленные задачи. Разработаны способы увеличения фазовой плотности тока ионов, уменьшения эмиттанса пучка и генерации ионов металлов в источниках плазматронного типа с электрическим разрядом. Путём аналитических расчётов оценена возможность реализации этих способов в плазменном эмиттере ионов. Показано, что плазма в таком эмиттере способна обеспечить генерацию пучков ионов, фазовая плотность тока в которых более чем в три раза превышает аналогичную характеристику ионного пучка на выходе дуоплазматрона ускорителя И-2.
Во второй главе показана актуальность уменьшения потока неионизирован-ного газа, вытекающего из генератора ионов. Представлены способы, разработанные для этой цели и созданные на их основе конструкции катодов и анодов. Приведены результаты опытов на действующих ускорителях, подтверждающие способность таких катодов и анодов работать в ИИ, генерирующих импульсные и непрерывные во времени пучки. Показано, что применение этих разработок приводит к росту тока ионов, инжектируемых ИИ в ускоритель.
Третья глава посвящена описанию конструкции и особенностям работы МП-дуоплазматрона. Приведены результаты экспериментов по генерации в МП-дуоплазматроне ионов газов и металлов. На основе полученных результатов рассчитаны параметры плазмы в экспериментальном источнике. Проведено сравнение характеристик ионных пучков и параметров плазмы, генерируемых МП-дуоплазматроном и дуоплазматроном ускорителя И-2. В диссертации возможности разработанных источников ионов сравниваются с характеристиками дуоплазматрона ускорителя И-2, являющегося ярким представителем сильноточных ИИ, удовлетворяющих строгим требованиям инжекции пучка в ускорители различного типа. Описаны эксперименты по ускорению пучков протонов, генерируемых МП-дуоплазматроном и дуоплазматроном в многолучевом ускорителе с ФПФ [22].
В четвёртой главе показаны возможности получения сильноточных пучков ионов с малой величиной эмиттанса не только в многоступенчатом электрическом разряде и за счёт уменьшения потока неионизированного газа на выходе генератора заряженных частиц, но и другими разработанными способами. Предложены ИИ, реализующие эти разработки.
В заключении приведены результаты решения поставленных задач. Показана перспектива применения проведённых разработок.
Научная новизна диссертации заключается в том, что:
• Разработан оригинальный способ уменьшения потока газа из ИИ, работающего с импульсными и непрерывными во времени пучками ионов, не перекрывая канал эмиссии. В этом способе реализовано разделение в канале эмиссии потоков заряженных частиц и нейтрального газа с последующим удалением нейтралов из канала эмиссии.
• Разработан способ усиления эмиссионной способности полых безнакаль-ных катодов за счёт формирования магнитного поля в полости катодов.
• Предложено стабилизировать амплитуду и форму импульсов тока пучков ионов металлов, инжектируемых плазмой одноступенчатых электрических разрядов MEVVA, путём их структурирования в многоступенчатые разряды.
• Разработан новый способ получения низкотемпературной плазмы с большой плотностью заряженных частиц в многоступенчатых электрических разрядах. В плазме конечной ступени этих разрядов отсутствует магнитное поле, а плотность плазмы в начальных ступенях увеличивается за счёт удержания её заряженных частиц при помощи мультипольного магнитного поля, не проникающего в разряд.
Практическая ценность диссертации заключается в следующем: А. Разработаны способы усиления эффекта полого катода, которые были реализованы в различных конструкциях безнакальных катодов. Применение таких катодов позволило в несколько раз уменьшить рабочее давление газа в ИИ и обеспечить устойчивую генерацию дуоплазматроном непрерывного во времени пучка протонов с током 20 мА [23]. В результате модернизации дуоплазматрона ускорителя И-2, в котором использовался катод аналогичного типа, повысилась надёжность работы ускорителя и ток пучка протонов, инжектируемого источником на вход ускоряющей структуры, возрос с 0,7 до 1 А. Фазовый объём пучка остался неизменным [24].
Б. Разработаны аноды, позволяющие уменьшить поток неионизированного газа на выходе из источника ионов как в импульсном режиме генерации ионов, так и при работе с непрерывным во времени пучком заряженных частиц. Эти аноды нашли применение в различных ускорителях ионов. ИИ с регулируемой газовой проводимостью канала эмиссии и канала напуска рабочего газа применялся в ускорителе тяжёлых ионов [25]. Другой анод, с вращающейся заслонкой, которая перекрывает канал эмиссии, является базовой конструкцией ИИ ускорительного комплекса нейтронного генератора ИТЭФ [26]. В. Разработан и создан универсальный источник ионов плазматронного типа с двух и трёхступенчатыми электрическими разрядами различного вида и муль-типольным магнитным полем, не проникающим в плазму разряда. Источник способен оперативно переходить из режима генерации сильноточных пучков ионов газов в режим получения ионов металлов и обратно без изменения конструкции. Ионные пучки на выходе МП-дуоплазматрона отличаются высокой фазовой плотностью тока, малой величиной эмиттанса, стабильной повторяемостью амплитуды и формы импульсов тока. Применение МП-дуоплазматрона в многолучевом ускорителе ионов с ФПФ позволило увеличить ток ускоренного пучка протонов более чем в 6 раз по сравнению с дуоплазматроном, по конструкции аналогичным ИИ, установленному на ускорителе И-2 [22]. Г. Показаны перспективные способы увеличения фазовой плотности тока в пучке ионов и разработаны конструкции ИИ, позволяющие генерировать сильноточные пучки ионов с малой величиной эмиттанса. Один из таких ИИ применялся на ускорителе ТИПр-1 для ускорения ионов ксенона [27].
К защите представляются:
1. Разработанные конструкции источников ионов, позволяющие уменьшать поток вытекающего из них неионизированного газа.
2. Разработанный МП-дуоплазматрон, генерирующий сильноточные пучки ионов металлов и газов, фазовая плотность тока протонов в которых достигает 6 А/см-мрад, фазовый объём равен 0,09 см-мрад.
3. Разработанный безнакальный катод, применение которого позволяет формировать в ИИ без изменения его конструкции многоступенчатые электрические разряды различного типа, получать на выходе источника стабильные по амплитуде тока и форме импульсов пучки ионов газов и металлов и уменьшать поток вытекающего из него газа.
4. Результаты применения разработанных источников ионов в ускорителях заряженных частиц.
Основные конструкторские разработки, результаты и выводы, включённые в диссертацию, докладывались и обсуждались на международных и всесоюзных конференциях и семинарах по ионным источникам и ускорителям заряженных частиц и других совещаниях. Работы были представлены на Всесоюзном семинаре по физике быстротекущих процессов в плазме (г. Гродно, октябрь, 1986 г.), 10-м Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (г. Дубна, октябрь, 1986 г.), на 11-м Всесоюзном семинаре по линейным ускорителям (г. Харьков, июнь, 1989 г.), на 10-м Всесоюзном семинаре по физике и технике интенсивных источников и ионных пучков (г. Киев, май, 1990 г.), на 12-м Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (г. Москва, ИТЭФ, октябрь, 1990 г.), на Международной конференции по ускорителям заряженных частиц (Канада, г. Ванкувер, май, 1997 г.), на 51-й Международной конференции по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (Нижегородская область, г. Саров, сентябрь, 2001 г.). Представленные в диссертации разработки защищены 12-ю авторскими свидетельствами и патентами на изобретение.
Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения. Общий объём диссертации составляет 110 страниц, в том числе 28 рисунков и библиография, включающая 69 наименований.
Заключение
.
Целью диссертации являлась разработка физических способов и технических решений, позволяющих увеличивать фазовую плотность тока и уменьшать фазовый объём пучков, извлекаемых из источников ионов плазматронного типа с электрическим разрядом, и генерировать в них ионы газов и металлов.
Разработка способов и устройств, позволяющих получать на выходе ИИ стабильные по амплитуде тока и форме импульсов сильноточные пучки ионов газов и металлов с малым значением эмиттанса, была проведена по двум направлениям. 1. Путём уменьшения потока неионизированного газа, вытекающего из генератора ионов. 2. За счёт формирования на выходе источника низкотемпературной плазмы с большой плотностью заряженных частиц. Возможность совместного применения этих способов расширяет перспективу создания ИИ, инжектирующих сильноточные пучки с малой величиной фазового объёма.
Уменьшение потока неионизированного газа, вытекающего из ИИ, было достигнуто как за счёт регулирования величины этого потока в канале эмиссии анода, так и путём уменьшения давления рабочего газа в источнике.
Для уменьшения потока газа в канале эмиссии были разработаны:
1. Конструкция дуоплазматрона, применение которого позволяет уменьшать поток газа на выходе ИИ в несколько раз по сравнению с дуоплазматроном ускорителя И-2, в результате установки в него разработанных анодов с различными типами электромагнитных клапанов. Применение в этом дуоплазматроне анода с электромагнитным клапаном, использующим магнитную жидкость, позволило в 2 раза понизить величину потока газа, вытекающего из ИИ по сравнению с дуоплазматроном ускорителя И-2.
2. Оригинальная конструкция другого электромагнитного клапана, предназначенного для генерации ионных пучков с большой частотой следования, в котором поступательное движение заслонки канала эмиссии заменено её равномерным вращением вокруг собственной оси. Применение такого клапана в ИИ инжектора ускорительного комплекса нейтронного генератора ИТЭФ позволяет в несколько раз уменьшить нагрузку систем установки потоком газа, вытекающего из генератора ионов.
3. Впервые разработан способ разделения потоков заряженных и незаряженных частиц в канале эмиссии ионов с последующим удалением остаточного газа из этой области, позволяющий уменьшать поток газа, вытекающего из ИИ, работающих с любой частотой следования импульсов тока пучка, в т. ч. и в режиме генерации непрерывного во времени пучка ионов.
4. Разработаны оригинальные безнакальные одно и многоцилиндровые катоды, эмиссионная способность которых увеличена путём усиления эффекта полого катода. Применение такого катода в дуоплазматроне позволило устойчиво генерировать непрерывный во времени пучок протонов с током до 20 мА, и в два раза уменьшить поток остаточного газа на выходе ИИ. Другой предложенный способ усиления эффекта полого катода, использующий магнитное поле в катодном узле и реализованный в дуоплазматроне, обеспечил трёхкратное уменьшение потока газа на выходе ИИ, позволил в 1,4 раза увеличить ток пучка в инжекторе ЛУ И-2, что способствовало увеличению ускоренного тока протонов на выходе ускорителя И-2.
5. Разработана оригинальная конструкция безнакального многоцилиндрового катода, с электрически изолированными друг от друга электродами, применение которого в дуоплазматроне позволило в 5 раз уменьшить давление рабочего газа в разрядной камере ИИ (соответственно уменьшив поток газа на его выходе) и генерировать в источнике не только ионы газов, но и ионы металлов.
Экспериментальная проверка показала* что применение этих разработок позволяет в 5−7 раз уменьшать поток остаточного газа на выходе ИИ и работать с импульсными и непрерывными во времени пучками ионов.
Для формирования на выходе^ ИИ низкотемпературной плазмы с большой плотностью заряженных частиц были разработаны:
6. Новый физический способ генерации такой плазмы в многоступенчатых электрических разрядах, в конечной ступени которых отсутствует магнитное поле. Предложена методика удерживания заряженных частиц в плазме начальных ступеней этих разрядов при помощи периферийного мультипольного магнитного и радиального электрического полей, непроникающих в разряд.
7. Впервые разработан способ, позволивший стабилизировать амплитуду и форму импульсов тока пучка ионов металлов, генерируемых в электрических разрядах MEVVA, путём преобразования этих разрядов из одноступенчатых в многоступенчатые.
8. Изготовлен универсальный источник ионов, МП-дуоплазматрон, инжектирующий сильноточные пучки ионов газов и металлов с малой величиной фазового объёма и стабильными по амплитуде и форме импульсами тока пучка. При получении ионов газов применение МП-дуоплазматрона позволило получить пучки протонов с фазовой плотностью тока 6 А/см-мрад и фазовым объёмом 0,09 см-мрад, а также пучки ионов других газов с величиной тока 1р более 1 А, в режиме генерации ионов металлов были получены пучки с токами от Ip=l, 2 А до 1р=1,8 А. Применение МП-дуоплазматрона в 19-ти канальном ускорителе с ФПФ позволило ускорить до энергии 530 кэВ пучок протонов с током 42 мА, что в 6 раз превышает ток ускоренных в этой установке ионов ЬГ, полученных в дуоплазматроне.
Эксперименты, проведённые на ускорителях И-2, ТИПр-1, многолучевом ускорителе с ФПФ и электростатических ускорителях ИТЭФ показали, что разработанные в диссертации физические способы и технические решения позволяют повышать фазовую плотность тока и уменьшать фазовый объём пучков ионов, генерируемых в источниках плазматронного типа и увеличивать ток ионов, ускоренных ускорителями различной конструкции.
